基于美標(biāo)體系的凍土區(qū)鐵路路基設(shè)計研究

秦 旗

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司 陜西西安 710043)

1 引言

隨著我國鐵路建設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國的鐵路設(shè)計咨詢企業(yè)已經(jīng)開始逐步進入北美鐵路高端設(shè)計咨詢市場。但我國的鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)還暫時未能被北美地區(qū)的業(yè)主所接受。如美國和加拿大等地的鐵路項目，從設(shè)計、施工到運營，業(yè)主還是堅持采用美標(biāo)體系為主，這對我們國內(nèi)的一些鐵路設(shè)計人員來說就面臨設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的問題。

國內(nèi)大部分設(shè)計人員由于多年國內(nèi)鐵路的設(shè)計經(jīng)歷，對國內(nèi)的設(shè)計規(guī)范“輕車熟路”，但對美標(biāo)體系卻知之甚少，面對繁雜的美標(biāo)規(guī)范，無論是從主觀意愿上還是從客觀接受能力上，都覺得無從下手，都很難改變多年的工作方法和思路，難以開展具體的設(shè)計工作。能否將中國鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與美標(biāo)相互結(jié)合，總結(jié)出一套既便于國內(nèi)鐵路設(shè)計人員快速掌握和使用，又能使北美地區(qū)業(yè)主認(rèn)可的設(shè)計方法，這是擺在鐵路設(shè)計人員面前的一個急需解決的問題。

作者以自己參與的加拿大安大略省北部礦區(qū)某鐵路項目的路基設(shè)計工作為例，將美標(biāo)和中國鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，并針對北美地區(qū)普遍存在的季節(jié)性凍土區(qū)鐵路路基進行設(shè)計，總結(jié)出了一套便于國內(nèi)鐵路設(shè)計人員快速掌握和使用的北美季節(jié)性凍土區(qū)鐵路路基設(shè)計方法，希望能為今后同地區(qū)、同類型的路基設(shè)計工作提供借鑒和參考。

2 項目概況

加拿大安大略省北部礦區(qū)某鐵路項目，線路為單線礦區(qū)貨運專用線鐵路，全長總計330 km，區(qū)間路基長311 km，區(qū)間路基總長占全線總長的94%。本項目軌距為1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距，設(shè)計速度80 m/h，采用內(nèi)燃牽引，軸重36 t。

本項目全線位于高緯度凍土區(qū)，根據(jù)地質(zhì)鉆探結(jié)果，全線的地質(zhì)鉆探中沒有遇見多年凍土，均為季節(jié)性凍土。但根據(jù)一般的凍土分布特征，不完全排除在線位遠(yuǎn)離水源、地表保溫條件好的細(xì)粒土地段存在少量島狀多年凍土分布的可能性。鉆探凍土層情況見圖1。

圖1 現(xiàn)場鉆探凍土層

項目所在地區(qū)最大積雪厚度大約800～1 200 mm，河流湖泊結(jié)冰厚度200～1 250 mm，沿線土層凍脹類別多為凍脹或強凍脹，地層的季節(jié)凍結(jié)深度，受地表植被、雪蓋、地下水的溫度、地層的透氣程度控制，推測比較安全的路基設(shè)計凍深，在一般年份值為2 m。

項目所在地區(qū)的地震動峰值加速度為0.059 g及以下，換算成抗震設(shè)防烈度的值，均小于地震烈度六度區(qū)。

3 中美鐵路路基設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系概述

3.1 中國鐵路路基設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系

目前根據(jù)國家鐵路局2018年12月31日發(fā)布的《現(xiàn)行鐵路工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)目錄》中所列的與鐵路路基專業(yè)設(shè)計有關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要有以下規(guī)范:

《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》(TB 10001—2016)；

《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范(2009版)》(GB 50111—2006)；

《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10025—2006)；

《鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范》(TB 10035—2018)；

《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》(TB 10106—2010)；

《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB 10621—2014)。

這6本規(guī)范，涵蓋了路基面形狀、路基面寬度、路基填料、基床、路堤、路塹、邊坡、地基處理、路基排水、路基支擋及防護等各個方面，構(gòu)成了鐵路路基設(shè)計比較完整的標(biāo)準(zhǔn)體系。

3.2 美標(biāo)體系下鐵路路基技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)情況

美國推行的是民間標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先的標(biāo)準(zhǔn)化政策，從而形成了多元化的標(biāo)準(zhǔn)體系。美國的標(biāo)準(zhǔn)分為四類，即:國家標(biāo)準(zhǔn)、政府標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，美國標(biāo)準(zhǔn)研究院NIST負(fù)責(zé)全國標(biāo)準(zhǔn)化的管理。美國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會ANSI是代表國家參見國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的民間組織，其本身也不制定標(biāo)準(zhǔn)，但是其他組織制定的標(biāo)準(zhǔn)，由ANSI協(xié)調(diào)并確認(rèn)為國家標(biāo)準(zhǔn)。政府部門制定的標(biāo)準(zhǔn)主要供政府部門自己內(nèi)部使用，為政府進行采購提供技術(shù)支持。各類專業(yè)學(xué)會、協(xié)會制定的標(biāo)準(zhǔn)包括商業(yè)和貿(mào)易標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，安全、衛(wèi)生及防火方面的標(biāo)準(zhǔn)，一項通過投票決定是否作為正式標(biāo)準(zhǔn)出版，不能通過的作為非正式標(biāo)準(zhǔn)出版，供贊成者使用，各組織制定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容可能是重復(fù)或矛盾的，通過競爭得到大家的使用，特別是政府部門的引用。

以本項目為例，所涉及到的鐵路路基專業(yè)設(shè)計有關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要有以下規(guī)范:

《Manual for Railway Engineering》 (AREMA 2012)；

《Practical Guide to Railway Engineering》(AREMA 2003)；

《Earthworks And Track Bed Construction For Railway Lines》(UIC 719 Ed.2—1994)

4 一般路基設(shè)計

4.1 路基設(shè)計荷載確定

結(jié)合本項目實際設(shè)計原則，根據(jù)《Manual for Railway Engineering》第2卷第8章中2.2節(jié)關(guān)于鐵路荷載的相關(guān)規(guī)定[1]351－355，鐵路路基豎向設(shè)計荷載應(yīng)包括:

(1)恒載，包括軌道、扣件、軌枕、道砟和支撐其軌道結(jié)構(gòu)物的其他部分的估計重量。

(2)活載，軸重36 t(360 kN)，換算為縱向均布荷載為120 kN/m，假定該活載在道砟橫向?qū)挾确秶鷥?nèi)均勻分布。具體荷載分布見圖2。

圖2 鐵路列車荷載分布

(3)附加荷載，凍脹力和積雪壓力。

美標(biāo)鐵路荷載的組成及分布方式基本與中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)相同，對于土工構(gòu)筑物而言，其作用形式也是按靜力均布荷載作用考慮。但美標(biāo)鐵路荷載相對中國鐵路荷載要大，原因在于美標(biāo)鐵路大部分是重載貨運列車。

4.2 路基面形狀及寬度確定

4.2.1 路基面形狀

根據(jù)《Manual for Railway Engineering》第 1卷第1章中2.1節(jié)關(guān)于軌道下部結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)規(guī)定[1]97－100，為了有利于路基面底層道砟的排水，將路基面設(shè)計為向一側(cè)排水的單面坡，并建議單面坡度取值在1∶24～1∶40之間，如果底層道砟的材料滲透性較差，單面坡度的取值可以適當(dāng)增大。

結(jié)合我國鐵路設(shè)計經(jīng)驗及《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于路基面形狀的相關(guān)規(guī)定，將路基面采用向兩側(cè)排水的雙面坡，即三角形路基面[2]9－10。這樣能夠使聚積在路基面上的水更快速地排出，有利于保持路基面的整體強度和穩(wěn)定性。這一觀點得到了項目業(yè)主的認(rèn)可。

因此本項目中，路基面形狀設(shè)計為三角形路拱，由路基中心線向兩側(cè)設(shè)4%的人字排水坡，見圖3。曲線加寬時，路基面仍保持三角形。

4.2.2 路基面寬度

參照《Manual for Railway Engineering》第1卷第1章中2.1節(jié)的規(guī)定[1]97－100，確定路基面寬度各項計算參數(shù)如下:碴肩寬度(BSW)取0.4 m，枕底道砟厚度(BDD)取0.35 m，道床邊坡(BSS)取1∶2，路肩寬度(RBW)取0.8 m，軌枕采用新Ⅱ型混凝土軌枕。經(jīng)計算得出區(qū)間直線地段標(biāo)準(zhǔn)路基面寬度為7.5 m。最終設(shè)計區(qū)間直線地段標(biāo)準(zhǔn)路基面形狀及寬度見圖3。

圖3 直線地段標(biāo)準(zhǔn)路基面示意(單位:m)

4.3 底碴層設(shè)計

美標(biāo)體系下鐵路路基的結(jié)構(gòu)組成與國內(nèi)略有不同，路基包括底碴層(Sub-ballast)和路基本體(Roadbed)兩部分。

底碴層鋪設(shè)在軌道道砟和路基本體之間，由密度較小或級配較好的粒狀材料組成，主要起到分散荷載和保護路基本體免受風(fēng)化腐蝕的作用[3－4]。

4.3.1 底碴層厚度計算

枕底道砟和底碴層的總厚度由軌枕下表面?zhèn)鬟f下來的均布壓力和下部路基本體的承載能力所決定。

(1)根據(jù)《Manual for Railway Engineering》第 1卷第1章中2.11節(jié)[1]112－114，由式(1)計算得出軌枕下表面?zhèn)鬟f下來的均布壓力Pa＝380 kPa。

式中，p為車輪載重量(t)；IF為沖擊系數(shù)，取50%；DF為載荷分布率，取47%；A為軌枕頂面面積(m2)。

(2)美標(biāo)體系對路基本體的承載能力沒有具體數(shù)值的要求，根據(jù)我國鐵路設(shè)計經(jīng)驗及《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定，下部路基本體的承載能力Pc不應(yīng)小于150 kP[2]50a。

(3)根據(jù)《Manual for Railway Engineering》第 1卷第1章中2.11節(jié)[1]113，由式(2)計算得出枕底道砟和底碴層的總厚度最小值H＝0.61 m。

式中，Pa為軌枕下表面?zhèn)鬟f下來的均布壓力(kPa)；Pc為下部路基本體的承載能力(kPa)。

底碴層厚度為枕底道砟和底碴層的總厚度0.61 m減去枕底道砟厚度0.35 m等于0.26 m，且不應(yīng)小于12英寸(0.3 m)，故本次設(shè)計底碴層厚度取0.3 m。

4.3.2 底碴層材料及壓實標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《Manual for Railway Engineering》第1卷第1章中2.11節(jié)相關(guān)規(guī)定[1]115－116，底碴層材料應(yīng)該是級配良好的粒狀材料，可防止水分滲入路基，以及軌道道砟顆粒進入底碴層區(qū)。一般采用在公路基層和底基層施工中用的常規(guī)骨料，包括碎石、天然或粉碎的碎石、天然或經(jīng)過加工的沙子、碎渣或這些材料的同質(zhì)混合物。結(jié)合本項目周邊地材情況，本次設(shè)計底碴層采用級配良好的礫石作為填料，壓實標(biāo)準(zhǔn)參考《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》，地基系數(shù)K30不小于 150 MPa/m，壓實系數(shù)≥0.95[2]54－55。

4.4 路堤設(shè)計

4.4.1 路堤本體填料

美標(biāo)對不同土進行分類，同時對于性質(zhì)和用途進行了評價，但未規(guī)定填筑部位的具體要求。結(jié)合本項目處于季節(jié)性凍土區(qū)的實際情況，路堤本體填料優(yōu)先選用《Manual for Railway Engineering》第1卷第1章中表1-1-10所劃分的 GW、GP、SW和SP類非凍脹的土石材料，可以適當(dāng)選用GM和SM類凍脹性弱的土石材料，禁止選用ML類等凍脹性高的土石材料[1]45－47。

使用不同填料填筑路堤時，應(yīng)分層填筑，每一水平層全寬應(yīng)以同一種填料填筑。當(dāng)滲水材料填在非滲水材料之上時，非滲水材料層頂面應(yīng)向兩側(cè)設(shè)4%的橫向排水坡。

填料的最大粒徑不宜大于200 mm或攤鋪厚度的2/3。

4.4.2 路堤本體壓實標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《Manual for Railway Engineering》第1卷第1章中1.3節(jié)規(guī)定[1]54－56，路堤本體全面碾壓層的干密度至少應(yīng)是現(xiàn)行修訂版ASTM D—698T“土壤水分密度關(guān)系”規(guī)定的最大干密度的95%，或是ASTM D—1557“土壤水分適度關(guān)系(修改過的夯實試驗)”的90%。換算成中國標(biāo)準(zhǔn)等同于壓實系數(shù)不小于0.95[5－6]。這一標(biāo)準(zhǔn)較《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的壓縮標(biāo)準(zhǔn)高。

4.4.3 路堤邊坡

路堤邊坡的設(shè)計應(yīng)當(dāng)以邊坡穩(wěn)定性分析的結(jié)果為基礎(chǔ)。路堤邊坡形式和坡率應(yīng)根據(jù)填料的物理力學(xué)性質(zhì)、邊坡高度、軌道和列車荷載及地基工程地質(zhì)條件等確定。

《Manual for Railway Engineering》第1卷第1章中1.2節(jié)規(guī)定[1]39－40，路堤邊坡應(yīng)使用計算機輔助邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)如“改良版Bishop”、“簡易 Bishop法”或“簡易Janbu法”等來確定路堤邊坡的穩(wěn)定性，穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.5[7]。

根據(jù)本項目現(xiàn)場考察選定的取土場填料的物理力學(xué)性質(zhì)，推薦本項目路堤填方采用1∶2的邊坡坡率。路堤設(shè)計橫斷面見圖4。

圖4 路堤標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計橫斷面(單位:m)

4.5 路塹設(shè)計

4.5.1 路塹橫斷面組成

《Manual for Railway Engineering》第1卷第1章中1.2節(jié)規(guī)定[1]28－30，路塹橫斷面一般由背坡、平臺、前坡、水溝和路基頂面組成，見圖5。這種形式的路塹與我國國內(nèi)一些項目上采用的路堤式路塹相似，路基本體要按一般路堤的要求進行設(shè)計，要能夠提供安全的支撐。尤其在季節(jié)性凍土地區(qū)，路基頂面高度要大于路堤最小高度的要求。

圖5 路塹標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計橫斷面(單位:m)

4.5.2 路塹邊坡

美標(biāo)中對于路塹邊坡坡率的設(shè)置僅介紹了通用的方法和一般要求，未有具體的標(biāo)準(zhǔn)，所以在做此部分設(shè)計時還是結(jié)合現(xiàn)場實際地質(zhì)條件并參考《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定來確定坡率。

(1)對于一般的土質(zhì)路塹，邊坡坡率根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、邊坡高度、防排水措施、施工方法，并結(jié)合自然穩(wěn)定和人工邊坡的調(diào)查及力學(xué)綜合分析確定，同時對深度在4 m以上的路塹進行邊坡穩(wěn)定性分析計算。根據(jù)計算結(jié)果，一般采用1∶2的邊坡坡率。

(2)對于巖石路塹，邊坡的安全受邊坡中巖性、風(fēng)化程度、軟弱結(jié)構(gòu)面、邊坡高度等因素的控制。即使是在同一路塹中，硬巖、風(fēng)化巖或破碎巖石，以及覆蓋層的坡角均應(yīng)當(dāng)單獨進行選擇。巖石邊坡坡率建議值見表1。

表1 路塹巖石邊坡坡率

5 季節(jié)性凍土路基的特殊設(shè)計

5.1 路堤最小高度

在美標(biāo)體系中并沒有路堤最小高度的概念和要求，但在《Manual for Railway Engineering》第1卷第1章中也建議在季節(jié)性凍土地區(qū)，線路盡量以路堤填方形式通過。結(jié)合我國鐵路設(shè)計經(jīng)驗，根據(jù)毛細(xì)水上升高度，有害凍脹深度，凍脹期地下水埋深或地面積水深度等因素綜合確定路堤填方的最小高度Hmin[8]。根據(jù)地質(zhì)資料及氣象資料分析，計算本項目不發(fā)生路基凍害的最小路基填方高度Hmin，為1.05～1.2 m。

同時在路塹地段，路基采用路堤式路塹，保證塹內(nèi)路基本體高度不小于最小路基填方高度Hmin。

當(dāng)路堤或塹內(nèi)路基本體高度不能滿足Hmin時，可采用以下措施:

(1)路基兩側(cè)設(shè)置大尺寸的排水溝用來引排地面積水或降低地下水水位。

(2)在有害凍脹深度范圍內(nèi)，采用 GW、GP、SW、SP類非凍脹的土石材料作填料進行挖除換填[9－10]。

(3)基底設(shè)毛細(xì)水隔斷層，可采用復(fù)合土工布隔斷層或底層采用塊石填筑。

(4)采用聚苯乙烯泡沫塑料板隔溫層或泡沫混凝土[11]。

5.2 防凍層設(shè)計

在路基頂面以下設(shè)置防凍層，防凍層厚度等于有害凍脹深度，即設(shè)計凍深的60%，本項目設(shè)計防凍層厚度1.2 m。

防凍層填料采用粗顆粒非凍脹土，對應(yīng)于《Manual for Railway Engineering》第1卷第1章中表1－1－10所劃分土石分類為GW和SW兩類土，且壓實后滲透系數(shù)不應(yīng)小于1×10－5m/s。

非凍脹填料缺乏時，可根據(jù)附近土質(zhì)情況采用水泥改良土或石灰改良土填料。對于本項目考慮部分地區(qū)非凍脹填料運距較大，局部段落采用摻5%水泥改良土作防凍層填料。

5.3 保溫護道設(shè)計

在路堤兩側(cè)坡腳設(shè)置保溫護道，護道寬度2 m，高度1.5 m，護道頂面設(shè)4%橫向排水坡，護道材料可采用細(xì)粒土或細(xì)砂[12]。

6 結(jié)束語

本文以加拿大安大略省北部礦區(qū)某鐵路項目為工程背景，以美標(biāo)為主，同時結(jié)合中國鐵路設(shè)計經(jīng)驗和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進行路基設(shè)計。在設(shè)計過程中將中美兩國的標(biāo)準(zhǔn)進行相互參考借鑒，同時也進行了比較分析，發(fā)現(xiàn):

(1)美標(biāo)體系下鐵路的等級普遍較低，雖然運行速度低，但軸重大，因此相應(yīng)的路基設(shè)計荷載也較大。

(2)美標(biāo)體系下路基面寬度并不為固定值，而是根據(jù)碴肩寬度、枕底道砟厚度、道床邊坡、路肩寬度等計算確定，不同的項目有不同的計算結(jié)果。

(3)美標(biāo)體系下鐵路路基的結(jié)構(gòu)組成與國內(nèi)略有不同，路基包括底碴層和路基本體兩部分，其中底碴層的厚度是根據(jù)軌枕壓力和路基本體的承載能力所決定的，這一理念使得線上設(shè)計與線下設(shè)計更具有系統(tǒng)性。并且較中國標(biāo)準(zhǔn)的0.6 m厚基床表層更為經(jīng)濟。

(4)美標(biāo)體系下對路基的填料劃分較為細(xì)致，對于填料的使用要求并不嚴(yán)格，但對填料的壓縮標(biāo)準(zhǔn)要求較中國標(biāo)準(zhǔn)要高。

(5)美標(biāo)體系下對路基設(shè)計的各項參數(shù)均沒有具體的要求，如路基面寬度、邊坡坡率、排水坡度等，只是提供方法和建議，給設(shè)計人員留有一定的自我發(fā)揮空間。

(6)美標(biāo)體系下對季節(jié)性凍土地區(qū)路基設(shè)計缺少系統(tǒng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，僅有關(guān)于采用非凍脹土和設(shè)置保溫層的相關(guān)闡述，最新的研究成果未能及時納入規(guī)范內(nèi)指導(dǎo)設(shè)計。

總之，美標(biāo)體系下的鐵路路基設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)涵蓋面廣，但各方面深入較淺，以提供方法和建議為主。雖然實用性不強，但卻普遍被歐美國家業(yè)主所接受。因此，在今后美標(biāo)體系下的鐵路路基設(shè)計，應(yīng)采用以美標(biāo)為主，同時結(jié)合必要的中國標(biāo)準(zhǔn)進行輔助，兩者取長補短，達到最優(yōu)的設(shè)計效果。