牡佳高速鐵路全斷面碾壓密實瀝青混凝土封閉結構與施工工藝

張忠偉

中國鐵路哈爾濱局集團有限公司，哈爾濱 150050

根據TB/T 2818—2016《鐵路路基病害分類》，運營高速鐵路路基變形的發生和發展均與路基含水率的變化有關。路基防水封閉結構作為防止天然降水侵入路基的外部屏障，是保證高速鐵路路基長期服役性能的關鍵措施之一。高速鐵路路基防水封閉層主要采用水泥基材料，并以纖維混凝土防水封閉層應用最為廣泛，其主要形式是路肩和線間局部封閉。楊果林等［1］提出了改性水泥基復合防水材料并設計了適用于膨脹土路塹的防水封閉結構路基，通過模型試驗分析了該結構的動力響應規律。張樂等［2］設計了全斷面聚氨酯碎石防排水基床表層結構，開展室內試驗、仿真計算分析了該基礎結構的靜動力學特征，給出了厚度設計指標。王順平［3］分析了高速鐵路無砟軌道線間路基混凝土防水封閉層病害成因，研究制定了路基防水封閉層排查技術標準。Castro 等［4］通過開展現場監測，結合仿真計算研究了瀝青混凝土封閉路基在巴西熱帶雨林氣候環境下水力參數分布規律。Huang 等［5］研究了聚氨酯改良級配碎石封閉層路基最佳配合比，通過模型試驗驗證了該結構防水封閉的可行性。張世杰［6］依托京張城際鐵路，研究了懸浮-密實型瀝青混凝土作為防水封閉結構的抗滲性能，提出了瀝青混凝土的建議級配范圍。李泰灃等［7］等過原位足尺模型試驗和仿真分析，研究了周期性溫度荷載作用下瀝青混凝土封閉結構受力、變形的時空演化特征，提出了鋪設復合土工膜改善受力狀態方案。Luo 等［8］對比分析了京張高速鐵路瀝青混凝土封閉結構路基與普通路基在不同速度列車荷載作用下軌道結構的動力學響應。張紹曾［9］研究了鐵路路基瀝青混凝土全斷面式和自密實型防水封閉層的技術要點以及應用優勢。封志軍等［10］研究提出了橡膠瀝青水泥基防水層路基結構，提出了相應的施工工藝流程及操作要點。

本文依托牡佳高速鐵路，提出全斷面碾壓密實瀝青混凝土封閉結構，明確材料性能要求與施工控制工藝，通過工后檢驗與長期監測，驗證該結構在寒區高速鐵路凍脹防治的適用性。

1 工程概況

牡佳高速鐵路是沈佳高速鐵路的重要部分，也是國家鐵路長期規劃的工程之一。牡佳高速鐵路起自牡丹江市，途經林口縣、雞西市、七臺河市、樺南縣、雙鴨山市，終至佳木斯市，為有砟軌道結構形式，全長375 km，設計速度250 km/h。瀝青混凝土封閉結構工程試驗段位于黑龍江省雙鴨山市集賢縣。集賢縣地處黑龍江省東部，三江平原腹地，屬中溫帶大陸性季風氣候，四季分明，年均氣溫4.6 ℃。最冷月1 月平均氣溫-16.8 ℃，極端最低氣溫為 -35.6 ℃；最熱月7 月平均氣溫為22.7 ℃，極端最高溫度為38.1 ℃。無霜期147天，年降水量507.6 mm，年日照2 571.1 h。

2 全斷面瀝青混凝土封閉結構特性

全斷面碾壓密實瀝青混凝土封閉結構適用于寒冷、嚴寒、多雨地區，季節性凍土、膨脹巖土、濕陷性黃土、鹽漬土等特殊土地段的高速鐵路路基的防水封閉。服役過程不僅受到上部軌道結構傳遞的列車荷載作用，而且還受到水分、溫度、紫外線等環境因素作用。

2.1 防水抗滲性

高速鐵路路基全斷面碾壓密實瀝青混凝土封閉結構本身應致密不透水，且表面應平整密實，利于降水在自然狀態下快速排入邊溝或線間集水井。

2.2 抗疲勞性

針對高速鐵路路基全斷面碾壓密實瀝青混凝土封閉結構的工作狀態和環境條件，其疲勞作用包括列車往復荷載形成的荷載型疲勞作用和季節性和每日溫度變化導致的溫度疲勞作用。因此，全斷面碾壓密實瀝青混凝土封閉結構應具有優良的抗疲勞性能，使用年限內不出現疲勞破壞。

2.3 耐久性

道路工程領域中瀝青路面的設計使用年限通常為15～30 年，而高速鐵路工程領域對基礎設施使用壽命要求較高。全斷面碾壓密實瀝青混凝土封閉結構應保證在服役期內保持穩定，使其具有優良的耐久性能，運營過程中不會因光、熱、水以及荷載等的作用而出現氧化、碎裂或松散等病害而喪失其整體性。

2.4 支承性

全斷面碾壓密實瀝青混凝土封閉結構作為軌下基礎，其彈性模量、強度等應滿足承載性能要求。此外，全斷面碾壓密實瀝青混凝土封閉結構還應與軌道結構之間具有足夠的界面穩定性，保證軌道結構的平順與穩定。

2.5 溫度穩定性

瀝青混凝土屬于黏彈性材料，高溫時表現出更多的黏性成分，低溫時表現出更多的彈性成分。全斷面碾壓密實瀝青混凝土封閉結構在高溫季節應保持較高的抗變形性能，同時在低溫季節具有較強的低溫柔韌性及松弛能力，表現出較寬的工作溫度域。

2.6 抗水損性能

在水的作用下，瀝青混凝土會發生黏結性、黏附性的損失，導致瀝青從集料表面剝離。在自身剝落或外部荷載的作用下，瀝青混凝土會出現松散、剝落等病害，逐步喪失防水能力。因此要保證全斷面碾壓密實瀝青混凝土封閉結構具有長期良好的防水性能。

3 結構形式設置原則

1）全斷面瀝青混凝土封閉結構設置于路基基床表層上部。

2）有砟軌道瀝青混凝土封閉結構形狀應為三角形，由全斷面瀝青混凝土封閉結構中心向兩側設置不小于4%的橫向排水坡。曲線加寬時仍保持三角形。

3）無砟軌道支承層（或底座）底部范圍內全斷面瀝青混凝土封閉結構可水平設置，亦可以軌道中心線設置為雙三角形或雙梯形，支承層（或底座）外側全斷面碾壓密實瀝青混凝土封閉結構兩側應設置不小于4%的橫向排水坡。試驗段內全斷面碾壓密實瀝青混凝土封閉結構共設置層厚12 cm（方案一）、10 cm（方案二）兩種。

4 材料性能要求

系統開展了瀝青混凝土性能評估試驗，主要有滲水試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗、車轍試驗、抗壓強度試驗、動態模量和回彈模量試驗、低溫彎曲試驗、四點彎曲疲勞試驗等，并提出了碾壓密實瀝青混凝土性能評估技術指標，見表1。

表1 碾壓密實瀝青混凝土性能評估技術指標

5 施工與質量控制

高速鐵路路基瀝青混凝土封閉結構的施工工藝控制的重點是瀝青混凝土材料的后場生產、運輸、現場施工與調度協調。這四個環節之間密切聯系又相互制約，任何一個環節配合不當，都會使整個施工系統阻塞和混亂。因此，本文提出高速鐵路路基碾壓密實瀝青混凝土封閉結構的施工工藝與質量控制技術。

5.1 施工工藝與信息化

工藝流程如圖1所示。

圖1 全斷面瀝青混凝土封閉結構施工工藝流程

瀝青混凝土的拌和質量直接影響材料性能和耐久性。瀝青混凝土通過攪拌設備將砂石料烘干、加熱、篩分、計量，并加入適量的填充料（石粉），與瀝青液按一定配合比均勻攪拌。其中拌和溫度、級配、瀝青用量等關鍵的生產參數的控制對瀝青混凝土質量尤為重要。基于此，開發了拌和站信息化操控平臺，可對現有市政瀝青混凝土拌和站進行改造，其具有以下功能：①實現對各檔石料用量、瀝青用量、級配、預熱溫度、拌和溫度、拌和時間等關鍵生產參數的實時控制；②實現對關鍵生產參數的監測、記錄；③生產前設定限制，具有超限預警功能；④每日、每月或按照一定頻次統計時，可提供生產記錄信息，分析總體生產質量波動情況。

5.2 施工過程檢驗

施工過程均嚴格按照相關技術標準要求，并分別開展了透層瀝青灑布質量檢驗、瀝青混凝土外觀、拌和/出料溫度、油石比、馬歇爾試驗、施工溫度、工后裂縫等施工過程質量檢驗，保證了施工質量。由于現場運輸距離較長，因此在生產中適當提高了集料的加熱溫度，將出料溫度控制在185～195 ℃。傳感器顯示瀝青的加熱溫度為185 ℃左右，集料的加熱溫度為205 ℃左右，經檢驗符合設計要求（集料、改性瀝青加熱溫度應分別在190～210、170～190 ℃并保持穩定。

5.3 工后檢驗

為檢驗瀝青混凝土的攤鋪質量，施工結束后對兩種不同結構形式的瀝青混凝土封閉結構的滲水系數、壓實度等項目進行了檢測。

1）滲水系數

按照區間正線路基沿線路縱向連續長度方向選擇了3個斷面，現場切取瀝青混凝土板片，在試驗室測試各個試件的滲水特性，檢測結果見表2。其中板1在方案一部位切取，板2 和板3 在方案二部位切取。設計要求滲水系數不大于60 mL/min，從檢測結果看，均能滿足要求，表明壓實效果較好。

表2 滲水系數檢測結果

2）壓實度

以試驗室密度作為標準密度，以芯樣試件密度為實際密度，計算瀝青混凝土的壓實度。試驗室測得標準馬歇爾密度為2.45 g/cm3（板1），2.48 g/cm3（板2、板3）。沿線路縱向連續長度每500 m不少于1個斷面。

壓實度檢測結果見表3。設計要求現場壓實度不小于試驗室標準密度的98%。由表3 可知，各位置的壓實度均符合設計要求，表明實體工程壓實度較好。

表3 壓實度（鉆芯取樣）實測結果

6 長期監測與效果驗證

為對比驗證瀝青碾壓密實瀝青混凝土封閉結構應對路基凍脹變形的有效性，分別選取方案一路基、無封閉結構的普通路基開展路基凍脹變形長期監測，時程曲線見圖2。可知，2019—2020年凍脹期內兩者測得最大凍脹變形分別為0.78、6.12 mm，碾壓密實瀝青混凝土封閉結構可有效控制水分入滲路基，可有效控制寒區鐵路路基凍脹變形。

圖2 不同結構的路基凍脹變形發展規律

7 結論

1）鐵路全斷面碾壓密實瀝青混凝土封閉結構需考慮防水抗滲性、抗疲勞性、耐候性、支承性、高溫穩定性、低溫抗裂性、抗水損害性等，以滿足長期列車荷載與環境因素作用下正常服役需求。

2）系統開展了瀝青混凝土性能評估試驗，提出了碾壓密實瀝青混凝土性能評估技術指標，用以指導工程實踐。

3）全斷面碾壓密實瀝青混凝土封閉結構的主要施工工序均嚴格按照相關技術標準要求，并分別開展了施工過程、工后質量檢驗，以保證施工質量。

4）通過現場監測，全斷面碾壓密實瀝青混凝土封閉結構所在路基凍脹變形水平明顯低于普通路基，說明其具有良好的防水性能，可在對防止地表水入滲有嚴格要求的鐵路路基工程中推廣采用。