石越峰，蔡德鉤，閆宏業(yè)，仲新華，姚建平，樓梁偉

(1.中國鐵道科學研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;3.北京鐵科特種工程技術(shù)開發(fā)公司，北京 100081)

路基作為鐵路軌道鋪設(shè)的基礎(chǔ)，其平順性及長期穩(wěn)定性對高速列車安全運營至關(guān)重要。路基含水率變化是影響路基堅固和穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一。路基的各種病害如翻漿冒泥、下沉擠出、凍害等，其發(fā)生和發(fā)展均與路基含水率的變化有關(guān)[1-2]。因此，為保證路基的堅固和穩(wěn)定，首要任務(wù)是做好路基的防排水工作。

目前，我國高速鐵路路基的防水封閉層主要采用水泥基混凝土材料[3]，如普通水泥混凝土、纖維混凝土、混凝土加鋼筋網(wǎng)片等。由于混凝土材料脆性大、變形適應(yīng)能力差，導致防水封閉層易開裂。此外，現(xiàn)有防水封閉層存在大量縱向、橫向結(jié)構(gòu)縫，嵌縫材料在服役期內(nèi)存在結(jié)構(gòu)縫離縫等情況。水泥基混凝土防水封閉層的開裂和離縫會降低其防水能力，導致凍脹、翻漿冒泥等一系列問題，進而劣化軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)。

瀝青混凝土因其特有的黏彈性被廣泛應(yīng)用于鐵路工程中。本文在總結(jié)瀝青混凝土在國內(nèi)外鐵路工程中應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地分析瀝青混凝土防水封閉層的技術(shù)特點和技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合我國鐵路所處的復雜氣候環(huán)境特點及鐵路結(jié)構(gòu)形式，提出瀝青混凝土防水封閉層相應(yīng)的技術(shù)方案和建議。

1 瀝青混凝土在鐵路工程中的應(yīng)用概況

瀝青混凝土在國內(nèi)外鐵路工程中主要采用4種形式[4-5]：①軌下基礎(chǔ)隔離層；②強化基床表層；③替代礫料底砟的墊層；④全厚式瀝青混凝土道床。其主要應(yīng)用情況見表1。

表1 國內(nèi)外鐵路瀝青混凝土應(yīng)用代表工程案例

1.1 荷蘭鐵路瀝青混凝土應(yīng)用情況

荷蘭在大力發(fā)展高速鐵路的同時，試圖研究新型軌下基礎(chǔ)(軌下基礎(chǔ)隔離層)。1999年在靠近Best處修建了長約3 km的試驗段。從試驗段橫斷面看，將軌道結(jié)構(gòu)置于瀝青混凝土面層上[6]，被稱作ERIA(Embedded Rail In Asphalt)，如圖1所示。這種軌下基礎(chǔ)形式在荷蘭代爾夫特理工大學完成室內(nèi)試驗后，于2003年在HTM the Hague修建了現(xiàn)場試驗段[7-8]。

圖1 荷蘭鐵路瀝青混凝土應(yīng)用的典型結(jié)構(gòu)

1.2 日本鐵路瀝青混凝土應(yīng)用情況

在普通有砟軌道的鐵路中，瀝青混凝土用于對道砟的堅固支撐，降低基床表層的應(yīng)力；在無砟軌道中，瀝青混凝土與級配碎石一起被用于基床表層(強化基床表層)，位于軌道板底部的CA砂漿層與級配碎石之間[9-10]，見圖2。為確保列車運行穩(wěn)定、基床表層須有支承軌道的足夠強度和適應(yīng)軌道結(jié)構(gòu)的必要剛度，此外，還應(yīng)具有防止基床軟化、向基床分散荷載、由排水坡迅速排除雨水等功能。

圖2 日本鐵路瀝青混凝土應(yīng)用的典型結(jié)構(gòu)

1.3 美國鐵路瀝青混凝土應(yīng)用情況

從20世紀80年代初期起，美國開始使用熱拌瀝青混合料(Hot Mixture Asphalt，HMA)來取代常見的碎石道砟。至2000年時在美國已有近千個段落應(yīng)用HMA，特別是在重載鐵路和高速鐵路中，其橫斷面典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。HMA 在道床中一般采用2種設(shè)計厚度，根據(jù)交通營運及路基支撐類別的不同，其厚度在75～457 mm(替代礫料底砟的墊層)[11]。

圖3 美國鐵路瀝青混凝土應(yīng)用的典型結(jié)構(gòu)

1.4 德國鐵路瀝青混凝土應(yīng)用情況

瀝青混凝土的自動化施工程度高，施工周期短。其黏彈性特點滿足軌道長期幾何要求，且具有減振與降噪功能，全壽命周期成本更低。在德國最新型的無砟軌道結(jié)構(gòu)中主要包括了3種瀝青混凝土道床(全厚式瀝青混凝土道床)形式：雙塊式軌枕瀝青混凝土道床無砟軌道、凹槽式整體瀝青混凝土道床無砟軌道(如GETRAC)和鋼桿式整體軌枕瀝青混凝土道床無砟軌道(如SATO,FFYS,Walter)，具體結(jié)構(gòu)形式[12]見圖4。

圖4 德國鐵路瀝青混凝土應(yīng)用的典型結(jié)構(gòu)

1.5 奧地利鐵路瀝青混凝土應(yīng)用情況

奧地利首條瀝青混凝土道床修建于1963年，之后未經(jīng)歷維護。在20世紀90年代中期軌道結(jié)構(gòu)大修時，對瀝青混凝土結(jié)構(gòu)檢驗評估后，認為無修復的必要，可繼續(xù)服役[13]。根據(jù)奧地利Graz大學的最新報道，經(jīng)歷近半個世紀的使用，該結(jié)構(gòu)仍維持良好的服役狀況(見圖5)。

圖5 奧地利首條瀝青混凝土道床的近況(2011年)

2 瀝青混凝土材料設(shè)計的基本原則

通常情況下，瀝青混凝土按其密實程度可分為密級配(空隙率在2%～6%)、半開級配(空隙率在6%～10%)和開級配(空隙率>10%)；按其拌和溫度，可分為熱拌、溫拌和冷拌。其中熱拌熱鋪的密級配瀝青混凝土使用性能穩(wěn)定，耐久性好，應(yīng)用最為廣泛[14]。

為保證防水效果和使用性能，用于高速鐵路路基瀝青混凝土防水封閉層所指的瀝青混凝土是各種粒徑的顆粒級配連續(xù)、相互嵌擠密實的礦料與瀝青結(jié)合料(含添加的增強劑)熱拌而成，壓實后剩余空隙率<5%的密實型瀝青混凝土。

瀝青混凝土應(yīng)采用符合要求的原材料進行配制，其礦料級配應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范的要求。瀝青混凝土的性能要求包括基本指標和主控指標。其中主控指標包括抗?jié)B性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗水損害性、抗凍性、抗滑移能力和抗疲勞耐久性。瀝青混凝土本屬于矛盾體，其各項性能互相牽制，如高溫性能好的瀝青混凝土，其低溫性能相對薄弱。因此，針對瀝青混凝土防水封閉層所應(yīng)用地區(qū)的氣候條件，設(shè)計時可重點考慮其某項性能，同時兼顧其他性能，使得瀝青混凝土各項性能達到綜合平衡。

3 瀝青混凝土防水封閉層的技術(shù)優(yōu)勢

日本、德國、法國、美國、奧地利、荷蘭等許多國家已將HMA廣泛應(yīng)用于普速或高速鐵路中。大量工程實踐表明瀝青混凝土具有如下技術(shù)功能及特色:

1)優(yōu)良的防水保護性能。瀝青混凝土的滲水特性與其級配類型有著密切的聯(lián)系。通常采用防水效果較好的AC類瀝青混凝土，可通過配合比設(shè)計環(huán)節(jié)中的設(shè)計空隙率、施工環(huán)節(jié)中鉆芯取樣測得的壓實度這2 個指標進行雙控，以保證瀝青混凝土的防水效果[15]。

2)良好的力學性能。瀝青混凝土的彈性模量介于水泥混凝土與級配碎石之間，瀝青混凝土防水封閉層在結(jié)構(gòu)中扮演了豎向剛度過渡的角色，可以改善基床受力狀態(tài)。

3)能夠適應(yīng)不同氣候條件，性能可定制。根據(jù)瀝青混凝土應(yīng)用地區(qū)的氣候特點，可通過調(diào)整級配和添加增強劑的方法，實現(xiàn)瀝青混凝土主要性能的綜合平衡設(shè)計。例如：在南方高溫多雨地區(qū)，可重點考慮瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性和抗水損害能力；在東北嚴寒地區(qū)，可重點考慮瀝青混凝土的低溫抗裂性。

4)施工控制技術(shù)成熟，質(zhì)量可控。目前，瀝青混凝土的拌和、運輸、攤鋪、碾壓等施工各環(huán)節(jié)均已實現(xiàn)機械化、自動化。在瀝青混凝土的運輸和碾壓過程中可實現(xiàn)關(guān)鍵工藝參數(shù)的信息化。施工控制技術(shù)成熟、可靠，能充分保證瀝青混凝土質(zhì)量。

5)可維護性高，養(yǎng)護工作量小。瀝青混凝土屬于黏彈性材料，本身不易開裂，且微裂縫在高溫狀態(tài)下具有一定的自愈合能力。對于瀝青混凝土可能出現(xiàn)的局部開裂問題，可根據(jù)現(xiàn)場情況采取火槍噴烤、熱瀝青灌縫、專用材料灌縫等方法進行修補。

4 瀝青混凝土防水封閉層技術(shù)方案的提出

4.1 全斷面式瀝青混凝土防水封閉層

全斷面式瀝青混凝土防水封閉層是指在基床表層與軌道結(jié)構(gòu)之間全斷面鋪設(shè)一定厚度的瀝青混凝土。其斷面如圖6所示。

圖6 全斷面式瀝青混凝土防水封閉層示意

全斷面式瀝青混凝土防水封閉層具有如下技術(shù)特點：①全面消除現(xiàn)有防水封閉層的橫、縱向結(jié)構(gòu)縫，為鐵路路基提供優(yōu)良的整體化防水保護；②避免使用嵌縫材料進而避免了嵌縫材料離縫情況；③瀝青混凝土屬于黏彈性材料，能減少材料自身的開裂情況；④瀝青混凝土可代替等厚度基床表層的級配碎石或者水泥級配碎石；⑤適用于新建有砟或無砟鐵路工程。

4.2 自密實型瀝青混凝土防水封閉層

自密實型瀝青混凝土防水封閉層的核心為澆筑式瀝青混凝土。澆筑式瀝青混凝土屬于懸浮式密實型結(jié)構(gòu)，具有細集料含量高、礦粉含量高、瀝青用量高等特點，在瀝青混凝土中骨料處于懸浮狀態(tài)，且內(nèi)部空隙不連續(xù)[16]。自密實型瀝青混凝土防水封閉層可在無砟軌道的路肩、線間布設(shè)，以代替現(xiàn)有纖維混凝土防水封閉層。其典型斷面如圖7所示。

圖7 自密實型瀝青混凝土防水封閉層示意

自密實型瀝青混凝土防水封閉層具有如下技術(shù)特點：①可消除現(xiàn)有防水封閉層的橫向結(jié)構(gòu)縫；②通過倒角設(shè)計，解決縱向結(jié)構(gòu)縫的防水封閉問題，同時避免使用嵌縫材料；③自密實型瀝青混凝土防水封閉層瀝青用量較高，具有良好的抗開裂性能；④依靠自身的流動密實成型，無需碾壓，適用于攤鋪機、壓路機等施工機械無法進行有效作業(yè)的施工區(qū)域，可用于既有無砟高速鐵路防水封閉層失效的修復工程；⑤可利用天窗時間進行施工作業(yè)。

5 結(jié)語

與現(xiàn)有防水封閉層相比，瀝青混凝土防水封閉層可有效減少結(jié)構(gòu)縫數(shù)量，降低防水封閉層開裂的可能性，為高速鐵路路基提供更好的防水保護。本文結(jié)合我國高速鐵路實際需求與運維情況，提出了適用于新建線路的全斷面式瀝青混凝土防水封閉層和適用于既有線路維修的自密實型瀝青混凝土防水封閉層2種技術(shù)方案。目前，我國的高速鐵路路基瀝青混凝土防水封閉層技術(shù)還未得到大規(guī)模推廣應(yīng)用，尚處于試驗研究階段，有必要從力學特性、材料設(shè)計、施工工藝、質(zhì)量控制等方面展開深入研究。

[1]王璦琳.高速鐵路路基施工及維護[M].成都：西南交通大學出版社,2010.

[2]閆宏業(yè),蔡德鉤,楊國濤,等.高寒地區(qū)高速鐵路路基凍深試驗研究[J].中國鐵道科學,2015,36(3):1-6.

[3]石剛強.嚴寒地區(qū)高速鐵路路基凍脹和工程對策研究[D].蘭州：蘭州大學,2014.

[4]TEIXEIRA P F,LPEZ-PITA A,CASAS C,et al.Improvements in High-speed Ballasted Track Design：Benefits of Bituminous Subballast Layers[J].Journal of the Transportation Research Board,2006(6):43-49.

[5]ZENG X.Rubber-modified Asphalt Concrete for High-speed Railway Roadbeds[M].Cleveland,Ohio:Department of Civil Engineering,Case Western Reserve University,2005.

[6]ESVELD C.Developments in High-speed Track Design[J].Iabse Symposium Report,2003,87(12):37-45.

[7]HUURMAN M,MARKINE V L,MAN A P D. Design Calculations for Embedded Rail in Asphalt[J].Journal of the Transportation Research Board,2003(1):28-37.

[8]章天楊.高速鐵路瀝青混凝土軌下基礎(chǔ)輪軌滾動噪聲數(shù)值模擬研究[D].成都：西南交通大學,2010.

[9]European Asphalt Pavement Association.Asphalt in Railway Tracks[R].Brussels,Belgium：European Asphalt Pavement Association,2003.

[10]LECHNER B.Ballastless Tracks on Asphalt Pavements Design and Experiences in Germany[J].Structural Design of a Ballastless Railroad Structure,2005.

[11]ROSE J G,HENSLEY M J.Performance of Hot-Mix-Asphalt Railway Trackbeds[EB/OL].[2017-10-12]http://onlinepubs.trb.org/1991/1300/1300-05.pdf.

[12]BACHMANN H,MOHR W,KOWALSKI M.The Rheda 2000 Ballastless Track System[J].European Railway Review,2003(1):44-51.

[13]何華武.無砟軌道技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2005.

[14]呂偉民,孫大權(quán).瀝青混合料設(shè)計手冊[M].北京：人民交通出版社,2007.

[15]易軍艷,馮德成,楊振丹.基于滲水特性的瀝青混合料空隙率標準[J].公路交通科技,2009,26(9):17-20.

[16]朱海洋.預拌自密實瀝青混凝土性能研究[D].南京:東南大學,2016.