陳勛 張麟 張雨 上海鐵路局王少鋒 同濟(jì)大學(xué)

隨著鐵路提速和運(yùn)量的日益增加，滿足重載、高速是鐵路運(yùn)輸對線路結(jié)構(gòu)提出的要求。與此同時(shí)，許多線路病害對運(yùn)輸?shù)挠绊懸踩諠u突出，主要表現(xiàn)在線路翻漿冒泥、道床板結(jié)和線路幾何形態(tài)變化大等方面。除了線路設(shè)備老化外，路基病害（見圖1）是一個(gè)很重要的原因，又很難用一般的養(yǎng)修手段來解決。一旦出現(xiàn)路基病害，只有等待合適的時(shí)間進(jìn)行病害徹底整治，有的地段甚至不得不長期慢行，嚴(yán)重影響運(yùn)輸秩序和運(yùn)輸能力。傳統(tǒng)的整治方法已無法滿足日益緊張的運(yùn)輸條件，因此必須開展新型的路基處理方法以及相關(guān)的回填填料的研究。

圖1 路基翻漿冒泥的典型表現(xiàn)

1 新型路基處理方法

對于路基病害，多年來我國工務(wù)部門在此方面做出了很多努力，積累了一些經(jīng)驗(yàn)。對于路基翻漿冒泥，整治路基面保護(hù)層是一種提高軌道路基承載能力的有效方法，基本上采用全斷面處理，即挖取薄弱層和泥漿道砟，使用土工布封閉處理。但是傳統(tǒng)的路基處理方式基本上靠人力作業(yè)，機(jī)械化程度低，作業(yè)質(zhì)量較難保證；受施工天窗及作業(yè)場地限制，基床處理的深度有限，一般只能換填0.3 m左右；作業(yè)效率較低，人力成本越來越高；施工安全風(fēng)險(xiǎn)大，安全控制難度較大。

新型路基處理方法使用Plasser&Theurer公司研制的新型路基處理車，該車具有道砟回收、砂石回填起道功能。這種路基整治方法可以將原有的道床砂石清理出，一次工作過程最多可回填50 cm厚的路基保護(hù)層。它的特點(diǎn)在于在整治過程中可將回收的道砟材料破碎成相應(yīng)的規(guī)格后再次用于路基保護(hù)層。這不僅顯著降低材料消耗量，同時(shí)減少了材料費(fèi)用和運(yùn)輸、供貨費(fèi)用。

該型號(hào)路基處理車是首次在中國使用，尚無可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)與文獻(xiàn)，其國外各項(xiàng)施工方法以及相關(guān)參數(shù)無法適用于我國國內(nèi)的運(yùn)輸條件以及天窗時(shí)間。其中，填料的質(zhì)量是新型路基處理方法中的最為關(guān)鍵的一環(huán)，直接決定著施工質(zhì)量的優(yōu)劣，對于開通后的鐵路運(yùn)營安全與性能有著極大的影響。

2 路基基床表層的填料要求

填料的級(jí)配影響路基強(qiáng)度、剛度與使用壽命。最佳級(jí)配的填料具有較大密實(shí)度和路基承載力，能在長期承受機(jī)車的荷載和動(dòng)力作用下仍能保持良好的性能與狀態(tài)，并且透水性良好，大大降低路基翻漿冒泥等病害發(fā)生的頻率，延長路基基床使用壽命。路基基床分為表層及底層，表層厚度為0.6 m，底層厚度為1.9 m，總厚度為2.5 m。新建線路的路基基床為分層填充并壓實(shí)，因此比較容易達(dá)到規(guī)范的要求，而新型路基處理方法，由于采用的方法是一次性回填舊道砟與新料混合后的填料并夯實(shí)，國內(nèi)各相關(guān)規(guī)范尚未有關(guān)于此類回填料級(jí)配的規(guī)定。因此必須研究回填料的合理級(jí)配，才能達(dá)到最佳效果。

根據(jù)國外此類路基處理方法中的成功經(jīng)驗(yàn)，填料級(jí)配要求如下：(1)分級(jí)的顆?；旌衔?/32，由粗砂和至少兩種等級(jí)的礫石組成。(2)分級(jí)后的礫石必須清洗，但允許有相應(yīng)的飛塵。粗砂必須清洗，使可以用水除洗的污泥類物質(zhì)盡可能少。(3)至少有90%的破碎顆粒（各側(cè)表面都破碎，圓顆粒的破碎表面部分至少占70%）。(4)顆粒尺寸分布，根據(jù)顆粒級(jí)配曲線，小于0.02 mm的部分最多為3%。其顆粒篩分表如表1所示。

表1 國外路基處理車的填料級(jí)配

而我國對新建鐵路路基基床相關(guān)參數(shù)的要求，是其應(yīng)符合TB10001-2005《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱規(guī)范）的要求（見表 2）。

表2 《規(guī)范》對級(jí)配砂礫石的要求

3 新型路基處理方法的填料級(jí)配選用標(biāo)準(zhǔn)

填料中最大粒徑越大，起骨架作用的粗集料相對較多，從獲得填料的最大承載力。但最大粒徑越大，在運(yùn)輸、攤鋪過程中的粗細(xì)顆粒離析會(huì)成為主要問題，一旦施工中發(fā)生離析，其性能會(huì)大大降低。采用較大的粒徑時(shí)，也不容易機(jī)械整平，而且用于拌和及整平的設(shè)備容易磨損。工程實(shí)踐研究表明最大粒徑為31.5 mm的粗集料不易離析，質(zhì)量均勻，因此，綜合考慮最大粒徑對級(jí)配碎石性能的影響以及具體的氣候條件，并確保施工中不離析。因此建議路基處理車施工中回填填料的最大粒徑取31.5 mm或者26.5 mm。

由于國外相關(guān)的篩分實(shí)驗(yàn)所用的篩孔尺寸要求比較嚴(yán)格，我國現(xiàn)場施工的篩分實(shí)驗(yàn)以及新料的質(zhì)量還無法達(dá)到如此細(xì)密的要求。但通過比較國外回填填料與我國規(guī)范要求的砂礫石篩分實(shí)驗(yàn)的級(jí)配曲線(見圖2)，可以看出，規(guī)范規(guī)定的三號(hào)級(jí)配曲線與國外的施工級(jí)配曲線最為接近，因此，可以選擇三號(hào)級(jí)配作為我國國內(nèi)路基處理車施工時(shí)候的級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 國外施工填料級(jí)配與我國規(guī)范級(jí)配曲線對比圖

4 各種填料混合比例設(shè)計(jì)

由于實(shí)際施工中由破碎后的舊道砟或者新料往往很難直接滿足施工級(jí)配的要求，所以往往要采用兩種或兩種以上的填料配合起來使用。級(jí)配設(shè)計(jì)的內(nèi)容就是通過一定的方法，確定混合料中各規(guī)格填料的用量比例。設(shè)計(jì)方法主要有試算法與圖解法兩種，其原理在參考文獻(xiàn)[4] 中有詳細(xì)介紹。

假設(shè)混合料由A、B、C三種填料組成，每種填料所占比例為α、β、γ，α+β+γ＝100%；各種填料的篩分結(jié)果為ai、bi、ci，其中i為篩孔尺寸，ai、bi、ci分別為 A、B、C 三種填料通過篩孔i的質(zhì)量百分比。則混合料D中通過各篩孔i的質(zhì)量百分比應(yīng)為：

根據(jù)上述原理，在提前做好各種物料篩分試驗(yàn)的前提下，按照級(jí)配中值為最優(yōu)級(jí)配的思想和前述的試算法，在EXCEL中利用SUMPRODUCT函數(shù)，使合成級(jí)配逐步逼近最優(yōu)級(jí)配。

以某工務(wù)段現(xiàn)場施工為例，按照就近取材原則所取得的河砂篩分實(shí)驗(yàn)如表3所示：

表3 現(xiàn)場施工所用新料（河砂）的篩分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

河砂級(jí)配中篩孔尺寸為10 mm的通過質(zhì)量為98.9%，即粒徑大于10 mm的粗骨料幾乎全來自于破碎后的舊道砟，表1中所推薦的三號(hào)級(jí)配中值中，10 mm粒徑通過質(zhì)量百分比為60%，即分計(jì)篩余為40%，根據(jù)試算法的理論，設(shè)計(jì)破碎后的舊道砟所占比例為75%，河砂比例為15%，因?yàn)橐?guī)范級(jí)配中值里的最小粒徑0.075mm所占的百分比大于河砂中同粒徑的比例，因此根據(jù)就近取得的材料中，配10%的圩石粉來充當(dāng)細(xì)骨料粘合。該圩石粉中，通過0.25mm篩孔的質(zhì)量百分比為100%，通過0.075mm篩孔的質(zhì)量百分比為50%。因此，初步設(shè)計(jì)各填料比例為舊道砟：河砂：圩石粉＝75：15：10。

由于破碎后的舊道砟比例可以控制與調(diào)整，因此，為使合成級(jí)配最接近于最優(yōu)級(jí)配，建議使用破碎后的舊道砟級(jí)配為表4所示。

表4 建議破碎后的舊道砟最優(yōu)級(jí)配

按照舊道砟最優(yōu)級(jí)配進(jìn)行設(shè)計(jì)，合成級(jí)配一行使用SUMPRODUCT函數(shù)，通過反復(fù)調(diào)試，則最終合成級(jí)配為表5所示：

表5 混合料的合成級(jí)配

混合料的合成級(jí)配與規(guī)范規(guī)定的三號(hào)級(jí)配中值級(jí)配曲線對比圖如圖3所示。

圖3 混合料的合成級(jí)配與規(guī)范規(guī)定的三號(hào)級(jí)配中值級(jí)配曲線對比圖

由表5可知，合成的混合料的級(jí)配與規(guī)范規(guī)定的三號(hào)級(jí)配中值非常接近，其標(biāo)準(zhǔn)差只有9.38，從圖3中也可以看出，兩條級(jí)配曲線幾乎重合。

5 填料回填效果檢測

將以上級(jí)配用于現(xiàn)場施工回填料后，用輕型觸探儀進(jìn)行動(dòng)力觸探試驗(yàn)和用輕型落錘儀進(jìn)行Evd測試，均達(dá)到鐵路路基承載力的要求標(biāo)準(zhǔn)，并且進(jìn)行了一年的跟蹤觀察，路基承載力良好，并且無再生病害發(fā)生。

6 結(jié)論

(1)新型路基處理方法能快速高效地整治路基翻漿冒泥病害，由于其本身的作業(yè)特點(diǎn)，對其回填填料的級(jí)配進(jìn)行研究是非常重要的。

(2)由于我國現(xiàn)場施工時(shí)就近所取的新料無法達(dá)到國外同類路基處理車成功經(jīng)驗(yàn)的填料標(biāo)準(zhǔn)，因此，根據(jù)級(jí)配曲線，選取國內(nèi)《規(guī)范》規(guī)定的三號(hào)砂礫石級(jí)配作為回填填料的標(biāo)準(zhǔn)。

(3)根據(jù)就近取得的新料的級(jí)配，在試算法基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)舊道砟破碎后的最佳級(jí)配以及混合料中各填料的比例，以國內(nèi)規(guī)范的三號(hào)級(jí)配中值為最優(yōu)級(jí)配，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，得出最佳配合比。

(4)對回填的混合料進(jìn)行路基承載力相關(guān)檢測并長期跟蹤，證明所設(shè)計(jì)的回填填料配合比可以滿足路基承載力的要求。