杜曉燕，常 凱，許鵬飛

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

隨著我國鐵路特別是高速鐵路的發(fā)展，為方便養(yǎng)護(hù)維修、保證運(yùn)營安全，各類線纜一般采用電纜槽的方式進(jìn)行鋪設(shè)。電纜槽作為保障鐵路安全運(yùn)營的一項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施，其作用不能被忽視。目前，我國高速鐵路路基電纜槽按照通路(2017)8401《鐵路路基電纜槽》設(shè)計(jì)施工[1]，采用通信信號共槽、電力分槽的形式，電纜槽及蓋板采用鋼筋混凝土材料預(yù)制而成，均設(shè)置在路肩上。長期以來，各部門對電纜槽引起的影響并未形成足夠的認(rèn)識，這不僅造成電纜槽在服役期間出現(xiàn)槽身失穩(wěn)、積水等問題，影響線纜服役質(zhì)量，同時(shí)引起路基基床排水不暢，導(dǎo)致路基翻漿、路基凍脹等病害的發(fā)生[2-6]。

1 電纜槽對路基結(jié)構(gòu)的影響

目前，客運(yùn)專線路基底端電纜槽通常采取預(yù)制件拼裝的方式，槽體高37.5 cm、頂寬72 cm，中部設(shè)置隔板，通信和信號近線路側(cè)合槽設(shè)置，電纜槽遠(yuǎn)離線路設(shè)置?；脖韺蛹壟渌槭钪瓿珊?，采用專用機(jī)械在無水條件下切除基床表層填料，切除至電纜槽側(cè)壁以外不小于5 cm。電纜槽鋪設(shè)時(shí)槽底自下而上分別設(shè)置透水礫石和M10水泥砂漿找平層，槽體近線路側(cè)開挖基坑采取C25混凝土回填，槽體外側(cè)設(shè)置頂面不小于10 cm的現(xiàn)澆混凝土護(hù)肩，要求按一定間距在電纜槽底部、護(hù)肩相應(yīng)電纜槽槽體底部位置處和護(hù)肩底部設(shè)置泄水孔。

通過對京滬高速鐵路、大西高速鐵路、鄭西客運(yùn)專線、成貴客運(yùn)專線等多條運(yùn)營及新建鐵路的電纜槽調(diào)研，發(fā)現(xiàn)并梳理出電纜槽存在的主要問題。

1.1 基床進(jìn)水點(diǎn)

由于電纜槽與內(nèi)側(cè)基床表層間、電纜槽槽體拼裝形式等存在縫隙，使得電纜槽成為路基的主要進(jìn)水點(diǎn)之一。雨水通過縫隙入滲基床，導(dǎo)致基床浸泡，甚至路基邊坡失穩(wěn)等問題。

1.2 阻水效應(yīng)

電纜槽的存在影響了路基基床排水。由于電纜槽設(shè)置在路肩基床表層里，施工過程極其繁瑣，對每填筑一層材料都須處理接縫。實(shí)際施工中槽體底部材料不規(guī)范，容易造成地表水下滲；由于材料本身特性和路基后期不均勻變形，護(hù)肩泄水孔和電纜槽泄水孔較難定位在同一位置，且橫向排水極其容易堵塞，使得排水管難以達(dá)到理想的排水效果。以上因素導(dǎo)致電纜槽結(jié)構(gòu)像“墻”一樣阻隔了基床表層中的滲水向兩側(cè)排出。

1.3 其他問題

由于路基電纜槽均設(shè)置在路肩上，交叉項(xiàng)目多，施工時(shí)需對已填筑好的路基基床路肩部分進(jìn)行切割，由于級配碎石密實(shí)、強(qiáng)度高，故切割困難且易造成相鄰未切割級配碎石部分松動，影響基床質(zhì)量。

2 電纜槽對路基影響及演變規(guī)律數(shù)值分析

為研究電纜槽對鐵路路基造成的潛在影響，確定雨水沿縫隙入滲基床的作用范圍，采用GeoStudio軟件對鐵路路基進(jìn)行數(shù)值分析，模擬降雨期間與停止降雨后的路基，分析路基內(nèi)部孔隙水壓力、含水率等的變化情況。

2.1 計(jì)算模型建立

圖1 高速鐵路路基模型示意(單位：m)

表1 填料主要水力學(xué)參數(shù)

為了研究電纜槽與內(nèi)側(cè)基床表層縫隙滲水趨勢，該模型將路基表層及路肩邊界設(shè)置為不透水邊界，即總流量為零；護(hù)肩以下邊界認(rèn)為由于降雨積累可以從這些邊界排出，故設(shè)置為自由滲透邊界，且不考慮雨水入滲；底部地下水水位采用定水頭邊界，假設(shè)潛水面不隨降雨變化；降雨量采用定流量邊界，假設(shè)降雨量不變。裂隙滲水是一個(gè)長時(shí)間積累的過程，為加快研究進(jìn)程，按極端天氣情況下模擬持續(xù)降雨情況[10]。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 穩(wěn)態(tài)分析

在給定水位線和水力學(xué)參數(shù)的情況下，根據(jù)邊界條件，計(jì)算出路基斷面初始狀態(tài)的壓力水頭、孔隙水壓力和含水率分布情況，見圖2。可見，初始狀態(tài)下，路基斷面模型的壓力水頭、孔隙水壓力以及含水率均呈由上向下遞增趨勢。其中電纜槽底部附近孔隙水壓力、含水率、壓力水頭分別為-43.2 kPa，0.16，-4.4 m。

圖2 路基斷面初始狀態(tài)的壓力水頭、孔隙水壓力和含水率分布

圖3 降雨1 d后路基斷面各參數(shù)分布

2.2.2 瞬態(tài)分析

持續(xù)降雨1 d 后路基斷面各參數(shù)變化情況，見圖3。由圖3可見，持續(xù)降雨導(dǎo)致雨水從電纜槽和內(nèi)側(cè)基床表層的裂縫入滲進(jìn)入基床表層后，雨水沿橫向和豎向移動，由電纜槽向路基中部方向逐漸形成一定范圍的水壓區(qū)即圖中虛線部分。電纜槽底部填料中水壓最先改變，其最大孔隙水壓力、含水率、壓力水頭分別為2.99 kPa，0.285，0.23 m，沿路基中部方向呈逐漸減小趨勢，左側(cè)軌道板下填料中各參數(shù)未發(fā)生明顯變化。

持續(xù)降雨3 d后和停止降雨5 d后路基斷面各參數(shù)變化情況，見圖4、圖5。

由圖4可知，持續(xù)降雨導(dǎo)致部分非飽和區(qū)域逐漸變?yōu)轱柡蛥^(qū)域，雨水在基床表層的橫向滲流流速最大為0.5 m/d，而縱向滲流流速最大為0.11 m/d，水壓區(qū)范圍延伸至軌道板下方，其最大孔隙水壓力、含水率、壓力水頭分別為1.44 kPa，0.304，0.15 m。

圖4 降雨3 d后路基斷面各參數(shù)分布

圖5 停止降雨5 d后路基斷面各參數(shù)分布

由圖5可知，停止降雨后，基床表層中入滲雨水逐漸下滲排出。由于電纜槽布設(shè)方式的問題，雨水無法及時(shí)排出，并且雨水由基床表層向基床底層滲透速率較慢，導(dǎo)致雨水多聚集在電纜槽底部和基床表層與基床底層的分界面處，增加了雨水在路基中的滯留時(shí)間，孔隙水壓力及含水率均逐漸增大。

結(jié)合上述數(shù)值分析可知，電纜槽與基床表層之間產(chǎn)生的縫隙成為降雨入滲的優(yōu)勢通道，雨水在基床表層逐漸向路基中部滲透，使路基內(nèi)部水壓和含水量增大，部分區(qū)域變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)。由于電纜槽布設(shè)位置欠妥、槽底填料不規(guī)范，導(dǎo)致電纜槽的阻水效應(yīng)，使入滲雨水無法及時(shí)從兩側(cè)排出，路基內(nèi)部的雨水多匯聚于電纜槽底部和基床表層與基床底層分界面，路基內(nèi)孔隙水壓力消散較慢，在列車動荷載、低溫等外部影響因素作用下，易導(dǎo)致路基的翻漿冒泥、凍脹等問題，因此對電纜槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得非常重要。

3 路基電纜槽改進(jìn)措施

針對現(xiàn)行高速鐵路路基電纜槽存在的問題，提出了2種設(shè)計(jì)思路：①使電纜槽脫離基床結(jié)構(gòu)，徹底避免其對路基排水及穩(wěn)定造成的影響；②將電纜槽及護(hù)肩統(tǒng)一設(shè)計(jì)成透水結(jié)構(gòu)，避免結(jié)構(gòu)阻水，提高基床結(jié)構(gòu)的排水能力。

3.1 脫離基床的電纜槽形式

1)電纜槽布設(shè)方式

電纜槽脫離基床結(jié)構(gòu)后，結(jié)合路基結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，電纜槽布設(shè)位置可選擇在鐵路路肩上、路肩外側(cè)以及路基坡腳位置，以致不影響行車安全及路基穩(wěn)定，并盡量減少對鐵路維護(hù)人員的干擾。

電纜槽可通過特制墊板、支墩或支架等結(jié)構(gòu)形式支撐固定在路基上，該布設(shè)形式施工簡單，可有效避免與基床結(jié)構(gòu)交叉，不影響基床填料穩(wěn)定，確?；步Y(jié)構(gòu)排水通暢。電纜槽支撐結(jié)構(gòu)不僅可以起到固定電纜槽的作用，同時(shí)可以保證路基面雨水順利從電纜槽下方通過。必要時(shí)應(yīng)對固定位置進(jìn)行加固處理，避免基礎(chǔ)強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致失穩(wěn)等問題。

2)電纜槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對脫離基床的電纜槽布設(shè)形式，基于現(xiàn)行混凝土電纜槽結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)合電纜槽功能和使用要求，可選用輕質(zhì)、高強(qiáng)且耐久性較好的纖維復(fù)合材料作為電纜槽的材料，并通過優(yōu)化電纜槽結(jié)構(gòu)、連接方式、斷面尺寸等，提高電纜槽密封和整體性能，改善線纜的服役環(huán)境，保障線纜的使用壽命及鐵路運(yùn)營安全。

3.2 結(jié)構(gòu)透水式電纜槽

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)值模擬結(jié)果可知，電纜槽引起路基病害的主要原因是電纜槽進(jìn)水和阻水效應(yīng)。因此，為提高電纜槽的疏排水能力，擬利用經(jīng)過改良的透水混凝土，將電纜槽設(shè)計(jì)為透水結(jié)構(gòu)，使得地表進(jìn)水及基床表層水及時(shí)排除，避免產(chǎn)生電纜槽積水、浸泡基床等問題。透水式電纜槽具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)電纜槽布設(shè)位置改動小。透水式電纜槽依循現(xiàn)行電纜槽布設(shè)位置，極大程度保留了原有線纜上下路基、過軌、接地等過渡設(shè)計(jì)，降低了設(shè)計(jì)的難度。

2)優(yōu)化電纜槽結(jié)構(gòu)和材料。采用透水混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅兼預(yù)制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，而且提高了電纜槽的整體性。不管是電纜槽下滲積水，還是路基基床表層積水都能及時(shí)排出。

3)優(yōu)化施工工藝。路基護(hù)肩、電纜槽墊層及電纜槽一體化澆筑成型，簡化了施工工序，提高了施工效率，保證了施工質(zhì)量。

4)改善線纜服役環(huán)境。提高了疏排水能力的同時(shí)，多孔透水材料有助空氣的流通，又保證了路基基床和電纜槽干燥的服役環(huán)境，降低了后期的運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用，保障線纜的使用壽命及鐵路運(yùn)營安全。

4 結(jié)論

1)高速鐵路路基電纜槽由于自身結(jié)構(gòu)、埋設(shè)方式等原因，容易造成地表水入滲、橫向排水管失效等問題，不僅影響線纜服役質(zhì)量，同時(shí)引起基床排水不暢，導(dǎo)致路基翻漿、凍脹等病害的發(fā)生。

2)通過數(shù)值分析可知，由于電纜槽埋設(shè)方式導(dǎo)致與路基表層存在的裂縫成為地表水入滲的便利通道；電纜槽槽身成為雨水外排的障礙，水分不能及時(shí)向兩側(cè)排出，使路基內(nèi)部積水，導(dǎo)致路基材料變形，對路基的穩(wěn)定性造成影響。

3)為有效解決現(xiàn)行電纜槽進(jìn)、阻水等問題，本文對電纜槽的布設(shè)方式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，提出了脫離基床結(jié)構(gòu)電纜槽和透水結(jié)構(gòu)電纜槽2種形式，可確?；步Y(jié)構(gòu)和電纜槽干燥的服役環(huán)境，降低路基病害的發(fā)生率及維修費(fèi)用，保障線纜的使用壽命及鐵路運(yùn)營安全，具有良好應(yīng)用前景。