高速铁路路基沥青混凝土防水封闭层技术综述

石越峰，蔡德钩，闫宏业，仲新华，姚建平，楼梁伟

(1.中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;3.北京铁科特种工程技术开发公司，北京 100081)

路基作为铁路轨道铺设的基础，其平顺性及长期稳定性对高速列车安全运营至关重要。路基含水率变化是影响路基坚固和稳定的关键因素之一。路基的各种病害如翻浆冒泥、下沉挤出、冻害等，其发生和发展均与路基含水率的变化有关[1-2]。因此，为保证路基的坚固和稳定，首要任务是做好路基的防排水工作。

目前，我国高速铁路路基的防水封闭层主要采用水泥基混凝土材料[3]，如普通水泥混凝土、纤维混凝土、混凝土加钢筋网片等。由于混凝土材料脆性大、变形适应能力差，导致防水封闭层易开裂。此外，现有防水封闭层存在大量纵向、横向结构缝，嵌缝材料在服役期内存在结构缝离缝等情况。水泥基混凝土防水封闭层的开裂和离缝会降低其防水能力，导致冻胀、翻浆冒泥等一系列问题，进而劣化轨道结构服役状态。

沥青混凝土因其特有的黏弹性被广泛应用于铁路工程中。本文在总结沥青混凝土在国内外铁路工程中应用情况的基础上，系统地分析沥青混凝土防水封闭层的技术特点和技术优势，结合我国铁路所处的复杂气候环境特点及铁路结构形式，提出沥青混凝土防水封闭层相应的技术方案和建议。

1 沥青混凝土在铁路工程中的应用概况

沥青混凝土在国内外铁路工程中主要采用4种形式[4-5]：①轨下基础隔离层；②强化基床表层；③替代砾料底砟的垫层；④全厚式沥青混凝土道床。其主要应用情况见表1。

表1 国内外铁路沥青混凝土应用代表工程案例

1.1 荷兰铁路沥青混凝土应用情况

荷兰在大力发展高速铁路的同时，试图研究新型轨下基础(轨下基础隔离层)。1999年在靠近Best处修建了长约3 km的试验段。从试验段横断面看，将轨道结构置于沥青混凝土面层上[6]，被称作ERIA(Embedded Rail In Asphalt)，如图1所示。这种轨下基础形式在荷兰代尔夫特理工大学完成室内试验后，于2003年在HTM the Hague修建了现场试验段[7-8]。

图1 荷兰铁路沥青混凝土应用的典型结构

1.2 日本铁路沥青混凝土应用情况

在普通有砟轨道的铁路中，沥青混凝土用于对道砟的坚固支撑，降低基床表层的应力；在无砟轨道中，沥青混凝土与级配碎石一起被用于基床表层(强化基床表层)，位于轨道板底部的CA砂浆层与级配碎石之间[9-10]，见图2。为确保列车运行稳定、基床表层须有支承轨道的足够强度和适应轨道结构的必要刚度，此外，还应具有防止基床软化、向基床分散荷载、由排水坡迅速排除雨水等功能。

图2 日本铁路沥青混凝土应用的典型结构

1.3 美国铁路沥青混凝土应用情况

从20世纪80年代初期起，美国开始使用热拌沥青混合料(Hot Mixture Asphalt，HMA)来取代常见的碎石道砟。至2000年时在美国已有近千个段落应用HMA，特别是在重载铁路和高速铁路中，其横断面典型结构如图3所示。HMA 在道床中一般采用2种设计厚度，根据交通营运及路基支撑类别的不同，其厚度在75～457 mm(替代砾料底砟的垫层)[11]。

图3 美国铁路沥青混凝土应用的典型结构

1.4 德国铁路沥青混凝土应用情况

沥青混凝土的自动化施工程度高，施工周期短。其黏弹性特点满足轨道长期几何要求，且具有减振与降噪功能，全寿命周期成本更低。在德国最新型的无砟轨道结构中主要包括了3种沥青混凝土道床(全厚式沥青混凝土道床)形式：双块式轨枕沥青混凝土道床无砟轨道、凹槽式整体沥青混凝土道床无砟轨道(如GETRAC)和钢杆式整体轨枕沥青混凝土道床无砟轨道(如SATO,FFYS,Walter)，具体结构形式[12]见图4。

图4 德国铁路沥青混凝土应用的典型结构

1.5 奥地利铁路沥青混凝土应用情况

奥地利首条沥青混凝土道床修建于1963年，之后未经历维护。在20世纪90年代中期轨道结构大修时，对沥青混凝土结构检验评估后，认为无修复的必要，可继续服役[13]。根据奥地利Graz大学的最新报道，经历近半个世纪的使用，该结构仍维持良好的服役状况(见图5)。

图5 奥地利首条沥青混凝土道床的近况(2011年)

2 沥青混凝土材料设计的基本原则

通常情况下，沥青混凝土按其密实程度可分为密级配(空隙率在2%～6%)、半开级配(空隙率在6%～10%)和开级配(空隙率>10%)；按其拌和温度，可分为热拌、温拌和冷拌。其中热拌热铺的密级配沥青混凝土使用性能稳定，耐久性好，应用最为广泛[14]。

为保证防水效果和使用性能，用于高速铁路路基沥青混凝土防水封闭层所指的沥青混凝土是各种粒径的颗粒级配连续、相互嵌挤密实的矿料与沥青结合料(含添加的增强剂)热拌而成，压实后剩余空隙率<5%的密实型沥青混凝土。

沥青混凝土应采用符合要求的原材料进行配制，其矿料级配应满足相关规范的要求。沥青混凝土的性能要求包括基本指标和主控指标。其中主控指标包括抗渗性、高温稳定性、低温抗裂性、抗水损害性、抗冻性、抗滑移能力和抗疲劳耐久性。沥青混凝土本属于矛盾体，其各项性能互相牵制，如高温性能好的沥青混凝土，其低温性能相对薄弱。因此，针对沥青混凝土防水封闭层所应用地区的气候条件，设计时可重点考虑其某项性能，同时兼顾其他性能，使得沥青混凝土各项性能达到综合平衡。

3 沥青混凝土防水封闭层的技术优势

日本、德国、法国、美国、奥地利、荷兰等许多国家已将HMA广泛应用于普速或高速铁路中。大量工程实践表明沥青混凝土具有如下技术功能及特色:

1)优良的防水保护性能。沥青混凝土的渗水特性与其级配类型有着密切的联系。通常采用防水效果较好的AC类沥青混凝土，可通过配合比设计环节中的设计空隙率、施工环节中钻芯取样测得的压实度这2 个指标进行双控，以保证沥青混凝土的防水效果[15]。

2)良好的力学性能。沥青混凝土的弹性模量介于水泥混凝土与级配碎石之间，沥青混凝土防水封闭层在结构中扮演了竖向刚度过渡的角色，可以改善基床受力状态。

3)能够适应不同气候条件，性能可定制。根据沥青混凝土应用地区的气候特点，可通过调整级配和添加增强剂的方法，实现沥青混凝土主要性能的综合平衡设计。例如：在南方高温多雨地区，可重点考虑沥青混凝土的高温稳定性和抗水损害能力；在东北严寒地区，可重点考虑沥青混凝土的低温抗裂性。

4)施工控制技术成熟，质量可控。目前，沥青混凝土的拌和、运输、摊铺、碾压等施工各环节均已实现机械化、自动化。在沥青混凝土的运输和碾压过程中可实现关键工艺参数的信息化。施工控制技术成熟、可靠，能充分保证沥青混凝土质量。

5)可维护性高，养护工作量小。沥青混凝土属于黏弹性材料，本身不易开裂，且微裂缝在高温状态下具有一定的自愈合能力。对于沥青混凝土可能出现的局部开裂问题，可根据现场情况采取火枪喷烤、热沥青灌缝、专用材料灌缝等方法进行修补。

4 沥青混凝土防水封闭层技术方案的提出

4.1 全断面式沥青混凝土防水封闭层

全断面式沥青混凝土防水封闭层是指在基床表层与轨道结构之间全断面铺设一定厚度的沥青混凝土。其断面如图6所示。

图6 全断面式沥青混凝土防水封闭层示意

全断面式沥青混凝土防水封闭层具有如下技术特点：①全面消除现有防水封闭层的横、纵向结构缝，为铁路路基提供优良的整体化防水保护；②避免使用嵌缝材料进而避免了嵌缝材料离缝情况；③沥青混凝土属于黏弹性材料，能减少材料自身的开裂情况；④沥青混凝土可代替等厚度基床表层的级配碎石或者水泥级配碎石；⑤适用于新建有砟或无砟铁路工程。

4.2 自密实型沥青混凝土防水封闭层

自密实型沥青混凝土防水封闭层的核心为浇筑式沥青混凝土。浇筑式沥青混凝土属于悬浮式密实型结构，具有细集料含量高、矿粉含量高、沥青用量高等特点，在沥青混凝土中骨料处于悬浮状态，且内部空隙不连续[16]。自密实型沥青混凝土防水封闭层可在无砟轨道的路肩、线间布设，以代替现有纤维混凝土防水封闭层。其典型断面如图7所示。

图7 自密实型沥青混凝土防水封闭层示意

自密实型沥青混凝土防水封闭层具有如下技术特点：①可消除现有防水封闭层的横向结构缝；②通过倒角设计，解决纵向结构缝的防水封闭问题，同时避免使用嵌缝材料；③自密实型沥青混凝土防水封闭层沥青用量较高，具有良好的抗开裂性能；④依靠自身的流动密实成型，无需碾压，适用于摊铺机、压路机等施工机械无法进行有效作业的施工区域，可用于既有无砟高速铁路防水封闭层失效的修复工程；⑤可利用天窗时间进行施工作业。

5 结语

与现有防水封闭层相比，沥青混凝土防水封闭层可有效减少结构缝数量，降低防水封闭层开裂的可能性，为高速铁路路基提供更好的防水保护。本文结合我国高速铁路实际需求与运维情况，提出了适用于新建线路的全断面式沥青混凝土防水封闭层和适用于既有线路维修的自密实型沥青混凝土防水封闭层2种技术方案。目前，我国的高速铁路路基沥青混凝土防水封闭层技术还未得到大规模推广应用，尚处于试验研究阶段，有必要从力学特性、材料设计、施工工艺、质量控制等方面展开深入研究。

[1]王瑷琳.高速铁路路基施工及维护[M].成都：西南交通大学出版社,2010.

[2]闫宏业,蔡德钩,杨国涛,等.高寒地区高速铁路路基冻深试验研究[J].中国铁道科学,2015,36(3):1-6.

[3]石刚强.严寒地区高速铁路路基冻胀和工程对策研究[D].兰州：兰州大学,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]章天杨.高速铁路沥青混凝土轨下基础轮轨滚动噪声数值模拟研究[D].成都：西南交通大学,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]何华武.无砟轨道技术[M].北京:中国铁道出版社,2005.

[14]吕伟民,孙大权.沥青混合料设计手册[M].北京：人民交通出版社,2007.

[15]易军艳,冯德成,杨振丹.基于渗水特性的沥青混合料空隙率标准[J].公路交通科技,2009,26(9):17-20.

[16]朱海洋.预拌自密实沥青混凝土性能研究[D].南京:东南大学,2016.