高速铁路路基全断面沥青混凝土防水封闭结构

符庆宏，陈先华，蔡德钩，杨 军，杨国涛

(1.东南大学 交通学院， 江苏 南京 211189；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所， 北京 100081；3.中国国家铁路集团有限公司 科技管理部， 北京 100844)

高铁高平顺性对铁路路基的持久稳定性和变形控制提出了严格的要求[1]。尽管相关规范中严格规定了路基设计标准[2-3]，但运营期内降雨、温度等气候环境仍会使路基产生多种病害，降低路基的整体强度和长期稳定性，造成轨道结构不平顺，严重威胁列车的安全运营[4]。现有无砟轨道结构路肩和线间的路基面通常设置纤维混凝土防水封闭层，然而此类刚性防水封闭层在使用一段时间后易不同程度开裂，造成防水效果不佳[5]。沥青混凝土是一种柔性防水封闭材料，具有使用寿命长、养护成本低等诸多优点，是高铁路基防护的一种有效措施。

德国、日本、法国、意大利、美国等已将热拌沥青混凝土应用于铁路工程中，形成多种含沥青混凝土层的轨下基础结构型式，如沥青混凝土垫层、强化基床表层和沥青混凝土道床等，有效发挥了沥青混凝土均匀分散和传递上部荷载、维持铁路几何线形、减少道砟污染、结构缓冲减振以及为路基提供持久防水保护等方面的有益效果[6-12]。如德国的GETRAC轨道结构中，采用厚15～35 cm的沥青混凝土铺筑于轨道板与水稳支承层之间。法国、意大利和西班牙高速铁路中沥青混凝土一般用于底砟层，厚度12～14 cm[8-9]。日本板式轨道中沥青混凝土铺设于轨道板底部CA砂浆层与级配碎石之间[11]。我国自上世纪开始，既针对传统有砟轨道结构展开了沥青道床的应用研究[13-14]，当前集中于高速铁路沥青混凝土技术的研究。如京津、遂渝和武广等无砟轨道客运专线采用局部方案铺设沥青混凝土防水封闭层试验段[15-16]；哈齐客专铺设自密实沥青混凝土(SCAM)局部防水封闭层试验段，有效预防了高寒地区路基冻胀融沉等病害[17-19]；西南交通大学相关学者针对季冬区无砟轨道提出强化基床表层结构等[20-21]。

虽然国内外相关学者基于相关工程试验段对铁路沥青混凝土开展了一定的研究，但国外铁路沥青混凝土多应用于有砟轨道底砟层结构，国内多个路基面防水层混合料(SAMI)工程试验段的实施效果也未达预期目标，自密实沥青混凝土虽实施效果较好，但应用成本较高。且当前高速铁路沥青混凝土防水封闭层主要采用的是局部方案，使得防水封闭层与底座板立面间存在接缝等薄弱环节，影响防水性能。本文提出一种高速铁路全断面沥青混凝土封闭结构(FSACWSS)，因其全断面铺设于基床表层和底座板之间，使得底座板或构造物立面接缝等问题可以避免，整体防水性更好。该结构兼具防排水和承重功能，因此沥青混凝土材料应具有良好的功能性、结构性和耐久性。基于此，设计了1种碾压密实高模量沥青混凝土材料(HEMAC)，并通过多组室内试验评估其使用性能。最后，将该结构和材料应用于某高铁客运专线试验段，通过现场跟踪监测和工后调研进一步分析了其防水封闭特性和轨道结构的动力响应等，为推广应用提供基础。

1 FSACWSS

1.1 结构及材料

高速铁路路基全断面沥青混凝土防水封闭结构是在基床表层与混凝土底座之间热拌热铺一定厚度碾压密级配沥青混凝土，形成的层状防水封闭结构，大致结构形式如图1所示。与传统局部方案中沥青防水封闭方法相比，其显著特点在于全断面铺设，整体防水性进一步得到加强。

图1 全断面沥青混凝土防水封闭结构示意图

由于沥青混凝土采用全断面铺设，既是路基防排水体系的重要组成部分，也要承受上部轨道结构和列车荷载的作用，因此沥青混凝土材料应具备如下基本功能：①致密不透水，表面应平整密实，利于水的快速排出；②具有优良的抗疲劳性能，承受列车荷载反复作用；③能在外界环境与列车荷载长期作用下保持较高的抗变形性能；④具有较高的模量以满足结构的承载要求；⑤与轨道板基座紧密结合，避免脱层或滑移；⑥具有良好的耐久性，不因光、热、水以及荷载等因素的作用而出现氧化、碎裂等病害；⑦具有良好的温度稳定性，在高温天气里保持较高的抗变形性能，在低温季节具有较强的低温柔韧性及松弛能力，以满足抗反射裂缝与适应不均匀冻胀的能力。以上基本功能要求亦是材料设计的关键。

通过调整优化沥青性能、矿料级配及空间结构、沥青—集料界面粘结性、油石比等，结合室内试验，反复试配，设计确定了用于全断面铺设的碾压密实高模量沥青混凝土HEMAC。所选用的原材料包括SBS改性沥青、石灰岩集料和石灰岩矿粉。其中按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[22]测得的SBS改性沥青的基本性能结果见表1，均能满足所提出的技术指标要求[23]。

表1 SBS改性沥青基本性能

配合比设计采用JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[24]中规定的马歇尔试验设计方法确定。以中粒式密级配沥青混凝土AC-20为基础，初定中值级配、上中值级配以及下中值级配为目标合成级配，分别成型AC-20马歇尔试件，比较其体积参数和稳定度，最终确定的矿料级配曲线如图2所示的合成级配。通过成型不同油石比(3.5%，4.0%，4.5%，5.0%以及5.5%)的马歇尔试件分别测试其体积参数、马歇尔稳定度及流值等，试验结果见表2。根据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中的方法，确定碾压密实沥青混凝土的最佳油石比为4.5%。

图2 HEMAC矿料级配曲线

1.2 使用性能评估

根据高速铁路路基全断面沥青混凝土防水封闭结构的功能要求，按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》在防水封闭性、承载性、低温抗裂性、结构安全性、耐久性5个方面对所设计的HEMAC的使用性能开展室内试验。部分试验试件及装置如图3所示。其中结构安全性是通过制备水泥混凝土与沥青混凝土的复合试件，利用室内拉压装置分别对复合试件的界面抗拉强度和抗剪强度进行测试，如图3(e)和(f)所示。试验结果见表3。由表3可知，HEMAC的各项技术指标均能够满足所提出的技术要求，可用于全断面沥青混凝土防水封闭结构工程实施。

表2 不同油石比马歇尔试件的试验结果

图3 室内评估试验试件和装置

2 FSACWSS的工程应用

2.1 工程概况

FSACWSS工程试验段位于河南开封，起止桩号K51+860和K51+930，全长70 m，试验段断面图如图4所示。试验段基床表层全断面铺设6 cm厚高模量沥青混凝土HEMAC，同时底座板厚度适当减为24 cm，试验段于2015年9月下旬完成施工。

表3 HEMAC的使用性能评估结果

图4 FSACWSS试验段断面图(单位：m)

2.2 关键施工工序

FSACWSS按图5所示的总体流程施工，采用分幅分次摊铺，施工间隔时间尽量缩短，做到连续施工。

(1) 透层沥青洒布前对路基面设计高程核验，并清扫表面浮渣；

(2) 采用沥青洒布车按设计用量一次喷洒透层沥青并养护；

图5 FSACWSS的施工工序

(3) 采用沥青拌合站的间歇式拌和机拌制沥青混凝土，并严格控制拌合温度；

(4) 采用自卸卡车运输，并采取有效的保温措施，保证到场温度要求；

(5) 采用履带式摊铺机进行沥青混凝土摊铺，并辅以人工摊铺；

(6) 采用钢—胶—钢—钢的组合方式进行初压、复压、终压及成型，并严格控制碾压温度；

(7) 封锁交通使沥青混凝土自然养护成型。

2.3 监测传感器布置

为验证FSACWSS的防水封闭效果，同时检验含沥青混凝土轨道结构的受力变形特性是否满足无砟轨道相关技术要求，在施工过程中同步安装了长期性能监测和路基动力性能测试系统，如图6所示。长期性能检测包括：基床表层含水量、封闭结构温度和变形、底座板位移等；路基动力性能测试包括：路基和底座的加速度、动变形等。

图6 FSACWSS试验段监测剖面传感器布置

3 FSACWSS试验段服役特性

3.1 轨道结构动力性能

2016年4月联调联试阶段，开展了无沥青混凝土防水封闭结构的标准路基段(A段)和沥青混凝土工程试验段(B段)的轨道结构动力性能，包括轨道结构的稳定性和结构振动特性。

3.1.1 轨道结构稳定言

轨检车通过各段最高运行速度及脱轨系数、减载率等参数实测结果见表4。由表4可知，沥青混凝土试验段与标准路基区段各参数相当，两者均能够满足TB 10761—2013《高速铁路工程动态验收技术规范》[25]中所提出的列车运行稳定性指标。

表4 实测A，B段轨道安全参数幅值

3.1.2 轨道结构振动

实测各段轨道结构振动加速度结果见表5。由表5可知：加速度随速度提高而增加；B段轨道板加速度随速度增加不显著，而底座的加速度增加显著；B段底座和轨道板振动加速度幅值略大于A段，这是因为B段结构设计中沥青混凝土封闭结构是以同厚度取代了底座板，使得底座刚度削弱，不利于轨道受力。后续工程应用中建议不削弱底座板，而采用沥青混凝土同厚度取代基床表层的方法。

表5 实测各段轨道结构振动加速度幅值

3.2 试验段路基动态测试结果

沥青混凝土试验段路基动态测试系统中在南侧路肩设置了2个测试点(位于K51+910和K51+913断面)，分别监测列车通过时路基表面动变形和振动加速度，以评价路基动力性能是否满足TB 10761—2013《高速铁路工程动态验收技术规范》的要求，即路基动变形不大于0.22 mm，振动加速度不大于10 m·s-2。

沥青混凝土封闭结构试验段实测路基表面动变形如图7所示，路基表面振动加速度如图8所示，其动力特性统计见表6。可见，动变形随车速提高变化不明显，路堤基床表面动变形幅值为0.20 mm，2个测试点差别不大，均满足规范要求；路基表面振动加速度2个测试点差别亦不大，峰值加速度约为0.54 m·s-2，远小于规范限值。

3.3 试验段服役特性调研

2016年4月联调联试期间，相关人员对试验段进行跟踪调研，认为沥青混凝土防水封闭结构试验段的总体情况良好，表面密实完整，未发现开裂、松散和剥落等情况，沥青混凝土与底座板和沿线构造物的接缝良好，未发现接缝开裂情况。2017年7月6日至7月9日期间，再次开展沥青混凝土防水封闭结构使用现状调研，同时对邻近纤维混凝土防水封闭结构(桩号：K51+639—K51+860，以下称对照段)的服役现状进行调研。本节主要分析此次调研的结果。

图7 实测试验段路基表面动变形 (单位: mm)

图8 实测试验段路基表面振动加速度 (单位: m·s-2)

表6 路基表面动力特性统计表

3.3.1 试验段整体状况

沥青混凝土防水封闭结构试验段路肩与线间状况如图9所示。其总体情况良好，无剥落、松散、坑槽等病害；表面密实完整，防水效果好，无基床软化、翻浆冒泥等病害出现。

图9 FSACWSS试验段整体状况

3.3.2 试验段裂缝

试验段两侧路肩、线间沥青混凝土封闭结构与底座板、构造物等接缝情况良好，全长范围内仅在底座板接缝处产生无规则分布裂缝，调研结束后已进行沥青灌封修补(如图10)，表现出良好的可维护性。经统计分析，裂缝长度一般为30～50 cm，宽度约3～5 mm，裂缝深度约3～6 mm，可能是因为底座板温缩引起沥青混凝土的被动拉伸所致，需进一步研究。

3.3.3 对照段服役现状

邻近纤维混凝土对照段调研可知：纤维混凝土与底座板板边接缝良好，但在路肩和线间发现较多的温缩裂缝；北侧路肩以构造物边缘斜向裂缝、横向裂缝为主；线间横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝均存在；全长范围内发现少数的横向裂缝和构造物支座角隅斜裂缝，如图11所示，将严重影响防水效果。

3.4 长期监测结果

3.4.1 含水量

试验段和对照段在2015年12月29日至2017年7月7日期间含水量的监测数据如图12所示。由图12可知：沥青混凝土试验段的防水封闭效果比纤维混凝土对照段好；试验段路肩中心含水量随天气影响并不明显，基本维持在8%～18%之间，而对照段基床表层含水量受天气的影响极为显著，多个测点处的监测数据出现了大幅度波动，含水量在10%～35%之间，峰值可达试验段的近3倍，这正是纤维混凝土防水层出现众多开裂，雨水下渗引起。

图10 FSACWSS现状及裂缝修补

图11 对照段纤维混凝土部分开裂模式

图12 含水量监测值

3.4.2 温度

试验段和对照段在2015年12月29日至2017年7月7日期间温度的监测数据如图13所示。对比图13(c)中的温度监测数据可知，由于沥青混凝土的吸热能力较普通纤维混凝土强，沥青混凝土层在路肩中心处的温度幅值较纤维混凝土大，夏季最高温度两者分别约为65和50 ℃，相差15 ℃，且沥青混凝土温度随气温的波动性明显更大。但底座板边缘和下方的沥青混凝土(图13(b)和(c))由于被上部结构覆盖，其温度差异并不明显，可推断位于底座板下的沥青混凝土受环境影响较小，其耐候性能更优。

图13 剖面不同位置温度监测值

3.4.3 变形

图14所示为2015年12月29日至2017年7月7日期间底座板水平位移的监测结果。由图14可知，试验段K51+901剖面处垂直于铁轨方向底座板的水平位移幅值约-1.15 mm(负值表示底座板向线间方向移动)。对照段K51+807剖面处垂直于铁轨方向底座板的水平位移幅值约0.78 mm(正值表示底座板向路肩方向移动)。

图14 各剖面垂直轨道方向底座板水平位移监测值

图15所示监测期内试验段沥青混凝土/对照段基床表层竖向位移的监测结果。由图15可知，不同剖面处底座板下方和边缘的沥青混凝土/基床表层在列车荷载长期作用下均出现竖向变形；试验段K51+901处底座板下方和边缘的竖向变形幅值分别为-0.5和-2.3 mm；对照段K51+807处底座板下方和边缘的竖向变形幅值分别为-1.2和-0.4 mm。总体上，沥青混凝土试验段的长期变形较纤维混凝土对照段相应位置处的变形大，可能是因设计中削弱底座板所致，但均满足规范要求。

图15 各剖面不同位置竖向变形监测值

4 结 论

(1)基于FSACWSS的工作环境，分析该结构技术特点及功能要求，设计了碾压密实高模量沥青混凝土HEMAC，并通过室内试验评估材料的防水封闭性、承载性、低温抗裂性、结构安全性以及耐久性，结果表明其各项性能均满足使用要求。

(2)轨道和路基动态测试结果表明：沥青混凝土试验段与典型路基区段轨道结构受力变形相当，均满足列车运行稳定性指标；试验段路堤基床表面动变形幅值为0.20 mm，路堤基床振动加速度峰值为0.54 m·s-2，均满足规范限值要求。

(3)现场调研结果表明：试验段与底座板和构造物接触总体情况良好，表面密实完整，无松散剥落、基床软化等病害；在底座板温度伸缩缝处有数条无规则分布裂缝，可采用沥青灌封修补，具有较高的可维护性；纤维混凝土对照段在路肩和线间出现较多的横向裂缝、网状裂缝以及角隅裂缝，严重影响其防水封闭性。

(4)含水量、温度及变形的长期监测结果表明：试验段基床含水量随降雨的波动小，基本维持在8%～18%之间，而对照段基床含水量受降雨的影响显著，含水量高达10%～35%，峰值约为试验段的3倍；试验段在路肩和底座板边缘处的封闭层温度幅值大于对照段，但在轨道下方两者差异不明显；试验段底座板水平位移监测值与对照段相当，竖向变形值总体上稍大于对照段，均满足沉降要求。