CN107881858A - 一种新型的铁路基床表层结构及其铺设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的铁路基床表层结构及其铺设方法，适用于高速铁路或客运专线路基基床表层，在无砟轨道结构支承层与基床底层之间铺设，所述结构由上至下包括沥青碎石排水层、粘结层、全断面密实沥青混凝土防水抗冻层。本发明利用沥青碎石排水层的大空隙性与良好渗透性将降水快速排出线下直接动力作用范围，再利用具有一定横坡度的密实沥青混凝土将沿沥青碎石层空隙下渗的水从沥青混凝土层表面横向排出路基范围，为基床底层提供良好的抗冻保护，有效解决无砟轨道路基表面积水、水泥混凝土防水层过早破坏失效与级配碎石基床翻浆冒泥破坏路基稳定性等问题，提高轨下基础结构排水性能和长期稳定性，是理想长效的铁路基床表层设计方案。

Description

一种新型的铁路基床表层结构及其铺设方法

技术领域

本发明涉及高速铁路路基防排水处理及支承结构，具体涉及一种新型的铁路基床表层结构及其铺设方法。

背景技术

近年来，我国高速铁路与客运专线铁路迅速发展，路基作为铁路轨道的基础，其平顺性、均匀性与长期稳定性对于确保高速列车安全运营至关重要。现有高速铁路无砟轨道结构自上而下依次为：无砟轨道板及缓冲层、底座板（钢筋混凝土）、基床表层（级配碎石）、基床底层及路基土体；为防止降雨及表面水进入路基本体影响高铁路基的承载力和长期稳定性，对于线间与路肩部分，通常设置纤维混凝土层以实现对基床的防水封闭保护，同时在线间以一定间隔设置集水井与横向排水管以将线间雨水排出路基。

多年的高铁建设实践表明，由于施工技术限制，实际施工时级配碎石层较难确保处于最佳含水率，其承载力不容易达到最优化，导致路基所提供的纵向支承刚度不均匀，且表面平整性难以控制；为增加基床表层级配碎石的承载力和整体性，工程中也采用了掺加一定量水泥的措施，这导致级配碎石层的刚度增加、抗裂性与渗透性受到一定影响。而综合现有高速运营情况看，很多运营的高铁线路其纤维混凝土防水封闭层均存在开裂、破损等影响防水效果的病害，部分段落甚至出现较严重的粉化、剥落等病害，且修复困难；很多高铁与客运专线段落均暴露出较为普遍的层间离缝、唧浆等现象，在季冻区，不少线路亦监测到一定的冻胀病害，这给轨道结构的维护和列车行驶平顺性带来潜在威胁。究其原因，由于级配碎石层的渗水系数存在较大变异，实际渗水效果较差，而纤维混凝土防水层因易裂且不易修复等问题导致局部防水效果较差，在降雨条件下，沿层间离缝、裂隙等下渗的水分进入基床表层后不能及时排出，易达到饱和状态而形成局部水囊，在高速列车动荷载作用下可能引起基床软化变形、唧浆等病害，进一步导致底座板板底脱空。在基床级配碎石层表面全断面铺设防水性能优良的密实型沥青混凝土以替换现有基于纤维混凝土层的局部防水封闭方案，有效解决了纤维混凝土因抗裂抗冻性导致的防水效果欠佳的问题，为级配碎石层及其下结构提供更为可靠的防水保护；但彻底解决基床软化变形、唧浆等问题，提高路基纵向支撑刚度的均匀性，需要综合运用材料、结构及针对性工艺手段，对基床表层及其附属结构的防排水设计与结构设计进行系统优化。

公路工程领域的实践表明，沥青碎石具有较好的渗透特性，经合理设计与实施的沥青碎石层具有较强的结构承载能力和耐候性，可提供与现有路基路基的级配碎石层相当的弹性，而抗冻抗裂性与整体性更好；经合理设计与施工的密实沥青混凝土具有优良的力学强度、防水性、抗冻抗裂性和耐久性；另外，沥青碎石与密实型沥青混凝土层的生产、摊铺与碾压均可利用现有沥青混凝土施工机械进行全机械化施工，施工快速且质量更为均匀可靠。运用整体性、渗透性与抗冻抗裂性更好的沥青碎石层取代高铁路基基床表层的级配碎石层实现轨道结构下部的水分向下快速渗流、同时在级配碎石层底设置带较大横坡度的密实型沥青混凝土层实现下渗水分的横向快速排出，这从根本上改变了现有高铁路基结构的防排水方式。因大量连通空隙的存在，在有明显坡度的结构中，沥青碎石层的水在重力作用下迅速流出，不易达到饱和状态，有效地避免了在高速列车动荷载作用下产生动水压力引起的路基软化变形、唧浆等病害，同时向下渗流的水经密实沥青混凝土表面向两侧排出路基结构，避免对下部结构造成影响。由于轨道结构范围内排水方式的变化，无需如传统路基结构那样在线间设置集水井，这可进一步加快施工进度、节约工程建造成本。

目前，沥青类材料在新建高速铁路中应用较少，相应的结构形式也较为单一，有必要针对这类材料提出一种防排水的无砟轨道路基面支承防护层结构和铺设方法，以科学推动未来沥青类材料在铁路中的应用。利用沥青碎石和密实沥青混凝土可以有效提高路基结构的防排水性能，同时提高路基的承载能力，施工技术方面，沥青混凝土施工方便，压实度及平整度可控，易于维修，可以提高轨道下部基础结构的整体性，改善基床结构的受力行为。

发明内容

本发明公开了一种新型的铁路基床表层结构及其铺设方法，适用于高速铁路、客运专线或重载铁路路基基床表层防排水及支承作用，采用大空隙沥青碎石和密实沥青混凝土组合结构代替传统无砟轨道结构的水泥混凝土防水层和级配碎石基床表层，有效解决无砟轨道路基表面积水、水泥混凝土防水层过早破坏失效与级配碎石基床翻浆冒泥破坏路基稳定性等问题，提高轨下基础结构的排水性能和长期稳定性，同时为无砟轨道结构提供良好的支承性，降低维护成本，是理想的长效的铁路基床表层设计方案。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种新型的铁路基床表层结构，其特征在于：由上至下包括沥青碎石排水层、粘结层和密实沥青混凝土防水层，利用大空隙沥青碎石的排水性能和密实沥青混凝土的防水性能将基床表层降水快速排出无砟轨道结构，所述沥青碎石和密实沥青混凝土包括SBS改性沥青、特种添加剂、骨料、细集料和填料，所述粘结层采用阳离子乳化沥青或改性乳化沥青。

具体的，所述粘结层由粘结剂洒布而成，粘结剂为阳离子乳化沥青或改性乳化沥青，粘层沥青与混凝土及沥青混合料的粘结强度应不低于0.2MPa，层间剪切强度不低于0.6MPa。

所述沥青碎石排水层为15~30cm厚度的沥青稳定碎石排水层，公称最大粒径为19-31.5mm，密实沥青混凝土防水层为5~10cm厚度的沥青混凝土防水层，公称最大粒径为13-16mm。

所述沥青碎石及沥青混凝土均通过热拌、摊铺、碾压成型。

所述沥青碎石及沥青混凝土中各规格的粗集料均为反击破碎加工而成的符合现行技术规范的致密火成岩集料，洁净、干燥、颗粒形状好、级配良好。

所述沥青碎石及沥青混凝土中的细集料为轧制的玄武岩或石灰岩集料，洁净、干燥、耐风化、级配良好、粒径。

所述沥青碎石及沥青混凝土中的填料为石灰岩经磨细得到的矿粉，0.075mm的通过量不低于75%，塑性指数不大于4。

所述沥青碎石及沥青混凝土中的沥青采用针入度3.0~9.0mm的SBS改性沥青，要求改性沥青的弹性恢复率不低于80%。沥青碎石中沥青用量为2.8%~4.8%，沥青混凝土沥青用量为4.8%~6.8%。

所述沥青碎石及沥青混凝土中的特种添加剂用于调整沥青混凝土的弹性模量、阻尼特性与变形能力，增强材料的温度稳定性、疲劳强度、抗老化性、抗水损能力；外观为淡黄色或黑色颗粒，比重为0.95~1.10g/cm³，软化区间110~150℃，特种添加剂在沥青碎石和沥青混凝土拌和过程中直接投入拌合楼内进行拌合，掺量为沥青用量的4%~10%。

所述沥青碎石级配采用多级嵌挤的级配设计方法，使设计的沥青混合料中粗集料形成良好的嵌挤结构，同时控制2.36mm、4.75mm筛孔的通过百分率，使得设计的级配满足目标空隙率要求，根据析漏试验及飞散试验确定沥青用量范围，并参照马歇尔稳定度试验结果，确定排水性沥青混合料的最佳沥青用量，空隙率应控制在7%~15%。

所述沥青混凝土采用体积法设计，空隙率1-3%且矿料间隙率11%~16%，性能要求为：马歇尔稳定度不小于10kN，低温弯曲应变不低于2500με，线收缩系数不大于30μm/(m·℃)，15℃时动态模量不小于10000MPa，40℃时动态模量不小于2000MPa，40℃时0.1MPa、10Hz、100万次的动态压缩蠕变的累积变形不超过1mm，常温时10Hz、200μm疲劳寿命超过100万次，冻融劈裂强度比不低于85%。

一种新型高速铁路基床表层结构铺设方法，包括如下步骤：

（1）平整并清扫基床底层顶面，喷洒1.0~2.0kg/m²的快裂型乳化沥青或改性乳化沥青，待乳化沥青不粘轮后开始准备防水层的施工；

（2）采用拌合楼拌合所需的密实型沥青混凝土，具体工艺为：首先向拌合楼内按比例投入各粒径集料，然后加入特种添加剂干拌至少15s后，依次加入填料和沥青后再次拌合，总拌合时间不少于60s，出料温度保持在175℃~190℃；

（3）采用带防水保温措施的自卸汽车运输拌合成的密实型沥青混凝土至现场；

（4）根据需要在待铺设工作面内外侧提前设置挡板，在施工机械轮迹带上用铁锹洒布薄层干燥细砂；

（5）采用架设施工导线的方式，用双机全宽摊铺或分两幅摊铺的方式向待铺设工作面上摊铺密实型沥青混凝土，摊铺的工艺为：采用带平衡梁的履带式沥青摊铺机连续匀速摊铺，摊铺机行进速度保持在1~3m/min，松铺系数1.1~1.3；

（6）采用钢轮压路机与胶轮压路机按阶梯行进、1/3叠轮方式进行组合碾压，具体工艺为：首先，采用双钢轮压路机紧跟履带式沥青摊铺机静压3~4遍；然后，采用双钢轮振动压路机对桥梁区域全程采用静压的方式碾压3~4遍，对其他区域采用往返振压的方式碾压3~4遍；接着，采用胶轮压路机碾压3~4遍；最后，在表面温度降至82℃之前用双钢轮压路机进行终压平整收光处理，沥青混凝土防水层设置为单人字坡，坡度4%的结构形式；

（7）喷洒0.3~1.5kg/m²的粘结层，待粘层沥青不粘轮后开始准备排水层的施工；

（8）采用拌合楼拌合所需的沥青碎石，具体工艺为：首先向拌合楼内按比例投入各粒径集料，然后加入特种添加剂干拌至少15s后，依次加入填料和沥青后再次拌合，总拌合时间不少于60s，出料温度保持在175℃~190℃；

（9）采用带防水保温措施的自卸汽车运输拌合成的沥青碎石至现场；

（10）采用架设施工导线的方式，在摊铺范围内全宽摊铺沥青碎石，摊铺的工艺为：采用带平衡梁的履带式沥青摊铺机连续匀速摊铺，摊铺机行进速度保持在1~3m/min，松铺系数1.2~1.3；

（11）采用钢轮压路机与胶轮压路机按阶梯行进、1/3叠轮方式进行组合碾压，具体工艺为：首先，采用双钢轮压路机紧跟履带式沥青摊铺机静压2~4遍；然后，采用双钢轮振动压路机对桥梁区域全程采用静压的方式碾压2~4遍，对其他区域采用往返振压的方式碾压2~4遍；接着，采用胶轮压路机碾压2~4遍；最后，在表面温度降至82℃之前用双钢轮压路机进行终压平整收光处理；沥青碎石排水层路肩部分设置4%的坡度；

（12）待沥青碎石自然冷却后，即可进行后续工序施工；

（13）与接触网基础、电缆槽、集水井处接缝采用切缝灌热沥青方法处理。

有益效果：本发明提供的一种新型高速铁路基床表层结构及其铺设方法，与现有技术相比，具有如下的优势：

1、在基床底层顶面全断面铺设密实型沥青混凝土防水抗冻层，再在其上铺设一定宽度的沥青碎石排水层，通过沥青碎石和密实沥青混凝土的组合结构实现表面水的快速下渗和排干，避免积水及在高速列车动荷载作用下产生动水压力引起的路基软化变形、唧浆等病害，为路基提供全面的立体防水保护；

2、利用沥青碎石层实现竖向排水，可消除路基表面积水，因大量连通空隙的存在，再利用有明显双向横坡度的沥青混凝土防水层实现雨水向两侧排水沟的汇流，彻底改变了传统高铁路基轨道结构范围内排水方式的变化，无需在线间设置防水封闭层、亦无需在线间设置集水井，这加快了施工进度、节约工程建造成本。

3、沥青碎石和密实沥青混凝土层具有良好自愈性，产生的微小裂纹，在混合料材料本身作用、温度、时间等影响下，也会慢慢愈合；特殊情况下，较大裂纹通过热补或灌缝处理即可进行有效修补，以此代替级配碎石基床表层和水泥混凝土防水层，相比之下维护方便，养护成本低。

4、采用成熟的沥青混凝土施工技术实施，有利于确保现场质量的均匀性与稳定性，并具有良好的施工效率，同时可以减小传统无砟轨道结构5~15cm的厚度。

5、通过沥青碎石和密实沥青混凝土的变形协同能力和荷载扩散能力，使得列车荷载引起的动应力在无砟轨道板及基床表层中分散更为均匀，改善基床结构的应力状态，起到减震、降噪、适应路基变形的作用，延长无砟轨道板及基床表层的疲劳寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为本发明的结构示意图，一种新型的铁路基床表层结构，适用于高速铁路或客运专线路基基床表层，在无砟轨道结构支承层与基床底层之间铺设，基床表层结构由上到下分别为沥青碎石排水层、粘结层、密实沥青混凝土防水层。为方便排水以及提高沥青碎石和沥青混凝土表面抗冲刷能力，沥青碎石层路肩部分设置4%的坡度，沥青混凝土层设置为单人字坡，坡度4%的结构形式。

下面依托数值模拟的结果对本发明沥青稳定碎石层和特种增强沥青混凝土层结构厚度选择以及结构整体受力情况作更进一步的说明。

一种新型的铁路基床表层结构，密实沥青混凝土防水层厚度选取5、10cm，沥青碎石排水层厚度分别选取10、15、20、30cm，采用的力学分析指标为竖向变形、竖向加速度及竖向应力，并与传统无砟轨道结构的受力特性作对比，选定左侧轨道内侧钢轨正下方作为力学指标数据提取点，各层计算结果提取位置位于同一竖向路径上的各层表面，如下表所示。

表1为两种结构下轨道结构各层竖向位移最大值的统计，可以看出，相比传统无砟轨道结构，本发明所采用结构使得隔层的竖向位移均有所减小，且随着沥青碎石排水层和密实沥青混凝土防水层的厚度增加，竖向位移的降幅也增加。

表2为两种结构下轨道结构各层竖向加速度最大值的统计，可以看出，相比传统无砟轨道结构，本发明采用的结构中沥青碎石排水层厚度20~30cm，各层结构的竖向加速度普遍有所减小，同沥青碎石排水层厚度下，密实沥青混凝土防水层厚度增加，竖向加速度降幅增大；而沥青碎石排水层厚度小于15cm时，各层结构的竖向加速度基本都大于传统结构，因此沥青碎石排水层设计厚度建议大于15cm。

表3为两种结构下轨道结构各层竖向应力最大值的统计，可以看出，本发明所采用的结构轨道上部结构的竖向应力的略小于传统无砟轨道结构，且沥青碎石排水层和密实沥青混凝土防水层的厚度对上部结构竖向应力衰减的影响较小；但路基各层的竖向应力普遍小于传统无砟轨道结构，且随沥青碎石排水层和密实沥青混凝土防水层厚度的增加降幅增大，仅在沥青稳定碎石排水层厚度10~15cm时，排水层表面的竖向应力略大于传统结构。

综合考虑力学分析结果，本发明考虑采用沥青碎石排水层厚度15~30cm，密实沥青混凝土防水层厚度5~10cm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种新型的铁路基床表层结构，其特征在于：由上至下包括沥青碎石排水层、粘结层、密实沥青混凝土防水层，利用大空隙沥青碎石的排水性能和密实沥青混凝土的防水性能将基床表层降水快速排出轨道结构。

2.根据权利要求1所述的一种新型的铁路基床表层结构，其特征在于：所述的沥青碎石排水层厚15-30cm，沿轨道支承层两侧各超宽30cm铺设；密实型沥青混凝土防水层厚5-10cm，沿基床全断面铺设，横坡度为4%，粘结层用量为0.3~1.5kg/m²。

3.根据权利要求1所述的一种新型的铁路基床表层结构，其特征在于：所述沥青碎石和密实沥青混凝土包括SBS改性沥青、特种添加剂、符合级配要求的粗集料、细集料和填料，所述粘结层采用阳离子乳化沥青或改性乳化沥青或热熔型沥青。

4.根据权利要求3所述的一种新型的铁路基床表层结构，其特征在于：所述沥青碎石排水层、密实型沥青混凝土防水层通过热拌热铺并经碾压成型。

5.根据权利要求1所述的一种新型的铁路基床表层结构，，其特征在于：所述沥青碎石的空隙率为7%-15%，所述密实型沥青混凝土的空隙率为1-3%，且性能要求为：

马歇尔稳定度不小于10kN，低温弯曲应变不低于2500με，线收缩系数不大于30μm/(m·℃)，15℃时动态模量不小于10000MPa，40℃时动态模量不小于2000MPa，40℃时0.1MPa、10Hz、100万次的动态压缩蠕变的累积变形不超过1mm，常温时10Hz、200μm疲劳寿命超过100万次，冻融劈裂强度比不低于85%；排水层与防水层间粘结强度不低于0.2MPa，剪切强度不低于0.6MPa。

6.根据权利要求3所述的一种新型的铁路基床表层结构，，其特征在于：所述特种添加剂为外观为淡黄色或黑色颗粒，在沥青碎石和沥青混凝土拌和过程中直接投入拌合楼内进行拌合，掺量为沥青用量的4%~10%。

7.根据权利要求1所述的一种新型的铁路基床表层结构，，其特征在于：沥青碎石排水层路肩部分设置4%的坡度，沥青混凝土防水层设置为单人字坡，坡度4%的结构形式。

8.一种新型的铁路基床表层结构的铺设方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）平整并清扫基床底层顶面，喷洒1.0~2.0kg/m²的快裂型乳化沥青或改性乳化沥青，待乳化沥青不粘轮后开始准备防水层的施工；

（2）采用拌合楼拌合所需的密实型沥青混凝土，具体工艺为：首先向拌合楼内按比例投入各粒径集料，然后加入特种添加剂干拌至少15s后，依次加入填料和沥青后再次拌合，总拌合时间不少于60s，出料温度保持在175℃~190℃；

（3）采用带防水保温措施的自卸汽车运输拌合成的密实型沥青混凝土至现场；

（4）根据需要在待铺设工作面内外侧提前设置挡板，在施工机械轮迹带上用铁锹洒布薄层干燥细砂；

（5）采用架设施工导线的方式，用双机全宽摊铺或分两幅摊铺的方式向待铺设工作面上摊铺密实型沥青混凝土，摊铺的工艺为：采用带平衡梁的履带式沥青摊铺机连续匀速摊铺，摊铺机行进速度保持在1~3m/min；

（6）采用钢轮压路机与胶轮压路机按阶梯行进、1/3叠轮方式进行组合碾压，具体工艺为：首先，采用双钢轮压路机紧跟履带式沥青摊铺机静压3~4遍；然后，采用双钢轮振动压路机对桥梁区域全程采用静压的方式碾压3~4遍，对其他区域采用往返振压的方式碾压3~4遍；接着，采用胶轮压路机碾压3~4遍；最后，在表面温度降至82℃之前用双钢轮压路机进行终压平整收光处理；

（7）喷洒0.3~1.5kg/m²的粘结层，待粘层沥青不粘轮后开始准备排水层的施工；

（8）采用拌合楼拌合所需的沥青碎石，具体工艺为：首先向拌合楼内按比例投入各粒径集料，然后加入特种添加剂干拌至少15s后，依次加入填料和沥青后再次拌合，总拌合时间不少于60s，出料温度保持在175℃~190℃；

（9）采用带防水保温措施的自卸汽车运输拌合成的沥青碎石至现场；

（10）采用架设施工导线的方式，在摊铺范围内全宽摊铺沥青碎石土，摊铺的工艺为：采用带平衡梁的履带式沥青摊铺机连续匀速摊铺，摊铺机行进速度保持在1~3m/min；

（11）采用钢轮压路机与胶轮压路机按阶梯行进、1/3叠轮方式进行组合碾压，具体工艺为：首先，采用双钢轮压路机紧跟履带式沥青摊铺机静压2~4遍；然后，采用双钢轮振动压路机对桥梁区域全程采用静压的方式碾压2~4遍，对其他区域采用往返振压的方式碾压2~4遍；接着，采用胶轮压路机碾压2~4遍；最后，在表面温度降至82℃之前用双钢轮压路机进行终压平整收光处理；

（12）待沥青碎石自然冷却后，即可进行后续工序施工；

（13）与接触网基础、电缆槽、集水井处接缝采用切缝灌热沥青方法处理。