重载铁路路基结构形式及技术标准研究

魏洪山 中国铁路上海局集团有限公司建设部

重载铁路具有运输能力、经济和社会效益显著等特点，逐渐成为各国货运铁路主要发展方向。重载铁路最早于20世纪20年代出现在美国，目前已广布俄罗斯、巴西、澳大利亚、南非等国家。相较而言，中国重载铁路整体发展相对滞后。

相比普通铁路与高速铁路，重载铁路“亿万次”循环列车荷载作用下路基的动力变形特性更为显著。为保证重载铁路运营期列车运行的平稳性和安全性，对轨下系统的状态及长期使用性能提出更高的要求。由于轨下系统的复杂性和不可测性，对重载铁路长期使用性能评价等问题将成为未来一段时间研究的重点和难点。填料作为路基结构主要组成部分，其工程特性与路基长期工作性能密切相关。

1 研究目的与意义

重载线路与一般线路的主要差别在于其运量大且车流密，从而使路基所承受的动载强度及疲劳作用加大，基床变形、轨道恶化加快；与此同时由于行车间隙减小，没有足够时间进行养护，因此重载铁路路基必须对其基床结构采取一系列特殊要求，在填料组成、强度、刚度、稳定性等方面高于普通线路，以满足路基的整体稳定性、平顺性和安全性。基床部分须具备适宜的土质和足够的强度及有效的排水、防冻系统，以确保在可能的最不利水文、气候变化的影响条件和列车动载的重复作用下，不发生轨道变形、路基失稳、道砟陷槽以及翻浆冒泥、冻害、挤出等基床病害。基床是重载铁路路基结构的关键部位，其主要作用如下：

（1）基床具有满足列车行进和路基稳定的足够强度，可以有效地抵抗列车动力荷载作用下对路基的破坏，能够抵抗道砟碎石因挤压进入基床土中，从而防止道砟凹陷等病害的形成，在路基填筑施工时能够承受重型机械车辆的走行而不至于形成印坑，避免留下安全隐患。

（2）基床具有满足保持路基整体变形的足够刚度，在列车的重复荷载作用下，使得塑性累积变形减至最小，有效地避免因动力荷载作用形成过大的路基不均匀沉降而造成轨道的不平顺，减少养护维修的频率；同时，基床的弹性变形可以满足列车高速走行的安全性要求，保障道床的稳固。

（3）基床具有良好的排水性，能防止雨水侵入造成路基土软化，防止发生翻浆冒泥等病害。

（4）在可能发生冻害的地区，基床还有防冻等特殊作用，保护路基结构的整体稳固性。

2 国内外研究现状

重载铁路界定经历漫长过程。国际重载铁路协会于1986年、1994年和2005年先后3次对重载铁路评价指标进行完善，确定重载铁路评价指标必须至少满足以下标准中的两条：①列车质量≥8 000 t；②货车轴重≥27 t；③在长度≥150 km线路上，年货运总量≥4000万t。评价指标的修订完善，最显著是重载货车轴重不断增加(20 t、25 t和27 t)，反映了重载铁路运输技术水平的不断发展和提高。

我国最新(2017/5/1)颁布实施的《重载铁路设计规范》(TB 10652-2017)确定重载铁路评价指标必须至少满足以下标准中的两条：①牵引质量≥8 000 t；②轴重≥270 kN；③在至少150 km线路区段上年运量大于40 Mt。可见，我国界定标准与国际界定标准一致。

我国重载铁路发展起步较晚。20世纪80年代，在借鉴国外重载铁路运输经验、引进国外先进技术基础上，结合既有铁路运输现状，选择以煤炭运输紧张线路作为重载铁路运输试点。我国首条重载铁路大秦线全长653 km，运营初期列车轴重21 t，最大牵引质量1万t，年运营量1亿t；2014年运行列车最大轴重27 t，年运量达到4.5亿t。第二条重载铁路朔黄线全长590 km，2013年首次开行30 t轴重2.5万t重载列车，设计近期年运量3.5亿t，远期年运量4.5亿t。瓦日重载铁路全长1 259.836 km，实现了列车轴重30t关键技术攻关，列车设计速度120 km/h，年设计运货量2亿t。2014年4月，在北同蒲线袁树林站到大秦线柳树南站之间3万t重载列车运行试验圆满成功，实现了我国铁路重载列车牵引重量从2万t到3万t的跨跃，使我国成为世界上仅有几个掌握3万吨铁路重载技术的国家之一，这是我国铁路重载技术创新的重大突破。

表1和表2为国外及我国重载铁路主要线路统计表。由表可知：国外重载铁路部分线路运行轴重已超国际最低标准27 t，相比而言，我国重载铁路线运营轴重多为25 t和27 t。我国重载铁路发展整体滞后于西方发达国家。近年来，通过不断扩大重载列车开行数量和提高重载货车运量，我国重载铁路技术已得到很大提高，进一步提升轴重是我国重载铁路今后发展主要方向之一。

表1 国外重载铁路主要线路基本信息汇总表

表2 中国重载铁路主要线路基本信息汇总表

3 重载铁路路基基床结构性能研究

重载运输的迅速兴起使得对重载线路强度要求更为严格，路基的稳定性、安全性、耐久性等问题迫切需要解决，以满足重载机车反复运行、高效运载的需求。

结合目前国际重载运输技术发展，分析现有重载铁路干线路基基床结构特性，选取在重载运输技术方面占有世界性的主导地位的日本、德国、法国作为研究对象。为了全面认识重载铁路路基基床结构特性，下面分别对三国的基床结构设计情况做简述。

（1）日本重载铁路路基结构具有层次明显，层间衔接良好，多种材料混合使用的特点。

基床结构由基床表层和上部填土基床底层两部分组成，基床以下则通过下部填土与地基层连接；其中，基床表层指的是道床下面直接承载轨道的垫层，上部填土指的是基床表面以下的部分，详见图1。根据填料组成的不同基床表层又可分为强化基床表层和土基床表层；强化基床表层按材质的类型分为碎石基床表层和水硬性矿碴基床表层。基床表层填料的选择主要考虑线路区间的货运量、工程造价等，包括的材料有：①沥青混凝土，要求为加热混合式的粗骨料拌制；②级配碎石，选材时不应含有片石、软石、条石、脆石等，要求坚硬耐久、比重在2.45以上；③矿渣碎石，应选用经过级配的MS和MHS，要求不含有机物、条状片状碎石、硫化物等有害物质；④土基床表层材料的选择，一般采用优质天然砂或者统货碎石，其厚度根据基床刚度、轨道结构和速度等因素确定，压实系数达95%以上。

图1 重载铁路路基基床结构图（单位：m）

上部填土即基床底层是列车荷载作用较大的域，承受轨道、道床传递的动应力作用明显，填土材料的选择须有合理的弹性便于有效地缓冲动力荷载的冲击。可以适用的土质有：A类、B类、经砂化处理的C、D1、V类粗粒土或经处理的细粒砂，控制指标除压实系数在90%以上，还对含气率有明确要求。

（2）德国、法国的重载铁路路基结构具有多种层次、分布复杂、材料高强度等特点。

德国重载铁路路基基床结构分为路基保护层、防冻层、填筑路堤层、地基过渡层。防冻层主要作用为防护路基冻害，增强基床抗冻性能；地基过渡层是为了更好地与地基土衔接过渡。无砟轨道较有砟轨道在路基结构的技术要求方面基本一致，关键技术是采用水硬性胶结层代替保护层。

路基保护层（水硬性胶结层）和防冻层被视作为基床表层，两层的厚度要根据线路类别和防冻要求确定。设计主旨是因为考虑到路基刚度自上而下逐渐减小的规律，满足使用功能，降低成本。填筑路堤层和地基过渡层相当于我国的基床底层，主要选择混合型和细粒土作为填筑材料，含气率控制在12%以内，基于线路等级和填料类别，同时要求对压实系数、变形模量控制。

法国重载铁路路基的设计与德国多有相似，均为多层次分布形态。基床结构较为特殊，道砟层和路基层之间的调整层即垫层，根据其下部的路基类型呈单层或多层分布。垫层的主要作用是保护路基的上部结构，其厚度与路基种类和路基表面应力有关，此外根据等级、运量、轴重和养护情况综合确定。

根据垫层作用的不同呈现多层组成结构，其中包含：①碴垫层，由级配纯砾石组成，压实系数须不小于1.0，碴垫层的厚度随运输条件、轨枕类型和路基类型不同而变化。②底基层，由级配纯碌石构成，压实系数达0.95，土质优良地区可不设。③防污染层，可以用一层纯砂铺设，也可以加一层合成链垫铺设。

4 国内重载铁路路基基床结构形式研究

我国重载铁路路基基床结构分为基床表层和基床底层两部分，现已不能完全满足重载铁路发展的需求。基床填料选型，已难以满足重载运输在基床强度、刚度、稳定性等方面技术要求。

基床表层填料的选型根据工程地质及设计情况而定，须符合规范要求：①优先选用A组填料，其次选用B组填料，颗粒粒径不大于150 mm；②缺乏A组填料时，可选用级配砂砾石或B组填料中的砂粘土，且液限不大于32%，塑性指数不大于12；必须使用C组填料时，应选择细粒土中的粉土、粉粘土或者细粒土中含量大于30%的碎石土、圆碌土和卵石土，且在平均降水量大于500 mm地区，液限不大于32%，塑性指数不大于12；④不符合以上规范要求的填料，须采取土质改良措施加以控制，严禁使用D、E组填料作为基床表层填料。基床底层可选用A组、B组或C组填料，必须使用D组填料时，须采用加固或改良措施。

基床的压实标准控制指标较为简单，对细粒土和粘砂、粉砂采用压实系数或地基系数；对粗粒土粘砂、粉砂外采用相对密度或地基系数；对碎石类土和块石类混合料采用地基系数。

5 结论与探讨

鉴于对国内外重载铁路路基基床的特性研究，认识到我国重载铁路路基基床在设计理念和技术强化方面均落后于国外：基床结构单一，难以达到对线路纵向刚度的一致性要求；基床填料选型简单且单指标控制；基床强度较低，易引起基床蠕动变形，影响路基的稳定性；基床病害防控措施薄弱，难以抵抗冻胀变形破坏、土性和水文地质等不利条件。随着列车载荷大幅增加和行车密度进一步提升，对重载铁路路基基床结构的要求也进一步提高，迫切需要提高路基的承载能力和稳定性，强化基床结构，减少基床病害的发生。

（1）考虑到目前国内重载铁路的运营现状，在基床结构设计方面与发达国家相比还存在一定的差距，技术控制指标需进一步严格、完善。

（2）可以建立重载铁路轨道一路基系统三维模型，利用有限元软件进行较为真实的模拟。

（3）合理的分析重载铁路路基基床结构的力学性能对研究路基的稳定性、抵抗变形能力、防止病床灾害等因素提供有力依据，极大地保证重载列车的安全高效运行，这需要不断的完善理论、探索实践。