中法有砟道床断面设计技术标准分析

宗璐， 张红平， 闵柯， 井国庆

（1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2.中国铁建国际集团有限公司，北京 100086；3.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056）

1 概述

我国在复杂大型工程建设方面积累了丰富经验，形成一系列标准和规范，为铁路基础设施建设提供了强有力的支持。由于历史原因，中国铁路工程技术标准同发达国家广泛采用的技术标准有很大差异［1］，中国铁路标准尚未得到国际广泛认可。随着中国“走出去”战略和“一带一路”倡议的实施，我国铁路建设正在向国际市场深入发展，中国铁路建设技术标准和国外技术标准的差异与相融性问题日益突出。为快速推进中国铁路技术标准国际化战略，使其成为国际上具有影响力的标准，适用于不同国家，我国可借鉴参考国外标准设计取值方法，提高其灵活性和适用性［2］。

法国是欧洲的铁路大国，铁路营运路网共32 000 km，有悠久的铁路有砟轨道运营历史及先进的工程应用技术经验［3］。此外，法国主要参与和制定了UIC 标准以及欧洲铁路标准，法国标准也在国际铁路市场有着较高的认可度［4］。因此，中国以现有工程经验为基础，借鉴法国铁路技术标准特点及制定思路，提高中国铁路标准适应各国不同自然环境及工程技术需求的灵活性和经济性，推进中国标准“走出去”步伐。

在标准体系方面，两国的设计思维和建设模式是不同的。中国标准具有较强的包络性和行业性，多为工程经验总结，直接提出结论性规定，条文解释简洁。相比之下，法国的技术规范类似工务手册，没有严格的系统性，强制性规范很少，一般仅对功能和性能提出明确要求，设计人员具有更大的自主性和选择权，针对不同的工况及自然环境进行具体设计［4］。

另外，中国标准相对于欧洲标准偏于保守，一是由于铁路系统标准化建设和运营管理而失去应用于各国不同环境下的工程灵活性，二是我国国土面积辽阔，全国统一规定下考虑各种复杂情况（如气候、荷载、施工条件等）后安全系数取值普遍较高。

根据TB 10082—2017《铁路轨道设计规范》［5］、TB 10098—2017《铁路线路设计规范》［6］、IN 0274Mise en oeuvre du ballast pour voie ferrée（有砟道床施工）、IN 3278Référentiel Technique pour la réalisation des LGV-Partie Génie Civil-1（高速铁路施工的技术参考框架-土木工程部分-卷Ⅰ）等中法规范，对比分析两国道床厚度、砟肩宽度、边坡坡度和堆高等道床断面参数的差异，旨在促进对法国标准的了解，进而为中国铁路标准发展提供引导和参考，为中国标准“走出去”做技术积累及理论支持。

2 道砟结构

道砟对道床的力学性能、维修工作量都有重要影响。我国铁路碎石道砟采用TB/T 2140—2008《铁路碎石道砟》［7］、TB/T 2140.2—2018《铁路碎石道砟第2部分：试验方法》［8］标准，法国主要依据NF F53—695Ballast and gravel for shovel—packing（矿物和砾石—填料）和NF EN13450Aggregates for railway ballast（铁路道砟骨料）。

在道砟材质性能方面，中法规范均对道砟抗压碎、抗磨耗、抗冲击、抗大气腐蚀、渗水、清洁度等性能指标提出了相应要求。提高道砟抗磨耗、抗冲击、抗风化等性能指标以及道砟上道前清洗、控制清洁度及风化颗粒含量等规定，利于减少道砟中的小颗粒，从而延缓道砟粉末聚积，延长道床使用寿命及养护维护周期；同时，两国规范对于具体参数要求略有差异：中国采用标准集料冲击韧度（IP）、石料耐磨硬度系数（K干磨）等参数，法国采用道床冲击值、微型德佛尔等参数，此外，针对同一指标的具体试验方法也有所区别，以洛杉矶磨耗试验为例，两国规范在钢球样品粒径、质量等多项参数要求方面存在差异，对比见表1。

表1 中法洛杉矶磨耗试验样品参数对比［8］

道砟粒径、级配对轨道变形影响显著。两国道砟粒径、级配规定基本相同。此外，中法标准均对细颗粒含量按照道砟等级分别进行规定，因细颗粒数量过多会阻碍排水，降低道床抗剪强度；皆采用道砟针、片状指数控制道砟形状，中国标准中针、片状指数限值最大分别为20%，法国标准将两者分别限制在12%、15%，降低该值可延缓道砟磨耗，提高道床阻力从而延长维修周期。

中法标准对碎石试样生产检验、运输贮存也有较为详细的规定；另外，除道砟性能指标参数，法国规范还对回收再利用道砟相关情况作出了说明。

3 道床厚度

我国《铁路轨道设计规范》［5］中，土质路基上的道床厚度按道床中压力扩散角及路基面的允许应力计算确定，当道床厚度为25 cm以上时，即可满足普速铁路应力扩散要求。此外，在正线硬质岩石路基、桥梁、隧道上道床厚度按照铁路等级分别做出规定，见表2。

表2 中国道床厚度分类［5］ cm

法国标准中根据路基土质等级和路基表层质量及厚度确定路基面承载力等级，将地基面划分为P0（不适合进行轨道结构施工的路基面）、P1（“差”路基面）、P2（“中等”路基面）、P3（“优质”路基面）4类，并通过公式（1）对不同速度等级、线路类型和轨枕种类等进行道床厚度计算。法国道床厚度计算示意见图1。

图1 法国道床厚度计算示意图

式中：E、a、b、c、d、e、f、g均为常数，分别根据路基面承载力（P1/P2/P3）、线路类型、轨枕类型、设计断面、轴重、速度等级、垫层材料选取。

此外，法国标准对于特殊路基面及其他地段也进行了道床厚度分类，如岩石路基面、原有金属轨枕所在线路及无法采用优质道床厚度等情况下的道床厚度分类（见表3）。

由表2、表3对比可知，中国铁路技术规范根据铁路等级和运营条件规定道床厚度范围为20~55 cm。法国道床厚度分类更为细致，根据线路类型、速度等级、轨枕种类等工况的不同，道床厚度范围为10~90 cm；由此可见，法国标准道床厚度取值范围较大，适用工况更加丰富，对于出入站线、轨枕类型、断面加固程度的考虑相对全面，根据具体路情来确定道床厚度取值。而中国标准基于本国复杂环境情况，为适应全国自然条件取值相对偏于安全和统一。中国标准在“走出去”的过程中，可以借鉴法国的取值原则进行具体工况分析设计，结合线路情况，在保证列车运营安全情况下兼顾经济性和灵活性，提高对不同国家工程技术条件以及自然地理环境的兼容能力，进一步提高中国标准的国际认可度和经济性。

表3 法国道床厚度分类（部分） cm

4 砟肩宽度

道床肩宽是指道床宽出轨枕两端的部分，是影响道床横向阻力和稳定性的主要因素［5］。道床肩部道砟的作用是增强对轨枕的横向约束，道床横向阻力与肩宽的关系见图2。中国标准为了确保道床的横向阻力，规定新建线路最小道床肩宽应满足公式（2）的要求［5］。需要注意的是，相关研究表明，两国标准道床阻力单位不同，法国标准单位为kN/m，而中国为kN/枕，统一换算可知中国道床状态验收指标相对严格，下文道床阻力参照中国标准单位取值［9］。

图2 道床横向阻力与肩宽关系［5］

式中：H为轨枕端部高度；φ为摩擦角，一般φ=35°~50°；

中国新建铁路正线道床肩宽及堆高分类一般规定见表4，出入站线砟肩宽度为20 cm。当砟肩宽度为20 cm 以上时，即可满足普速铁路横向阻力超过10 kN/枕、纵向阻力超过12 kN/枕的规定［5］。

表4 中国砟肩宽度及堆高分类［5，11］ cm

法国砟肩宽度及堆高分类见表5。需要特别指出的是，在速度v<220 km/h 的线路，法国标准中对木枕道床砟肩宽度的定义不同，规定钢轨中轴线至道床顶面端部的距离为砟肩宽度。因此，木枕情况相比于混凝土轨枕砟肩宽度在数值上偏大。现按照中国标准中的砟肩宽度进行换算，普通、加固、强加固断面图的计算结果分别为31.75、26.75、36.75 cm，与混凝土轨枕轨道参数相近，且砟肩宽度均为20 cm以上，均满足横向阻力要求。表中对于木枕道床v<220 km/h 区域的传统线路，加固断面图砟肩宽度小于普通断面图，是由于普通断面图中并无堆高，而加固断面图中设置堆高10 cm，堆高部分提供的道床横向阻力可以补充砟肩宽度提供的横向阻力，所以砟肩宽度较小。

表5 法国砟肩宽度及堆高分类 cm

需要注意的是，中国标准除说明道床砟肩宽度外，还规定了道床顶面宽度。例如，TB/T 2098—2007《无缝线路铺设及养护维修方法》［10］规定铺设无缝线路的道床顶宽一般情况不小于3.4 m，行车速度大于160 km/h的线路区间道床宽度为3.5 m。在轨枕类型和长度基本固定的情况下，道床顶面宽度取决于道床肩宽。该规定主因是吸取了无缝线路胀轨跑道事故的教训，结合运营经验，在规定砟肩宽度的基础上进一步限定道床顶面宽度的取值，对确保铁路无缝线路运营安全起到了双重保障的作用。

另外，考虑到轨道结构稳定性及轨道电路工作等，中国标准还对道床顶面高度进行了规定，如TB 10082—2017《铁路轨道设计规范》［5］规定混凝土枕地段，道床顶面与轨枕中部顶面平齐。

对比分析表明，中法两国对于道床砟肩宽度的规范中，规定新建线路砟肩宽度范围相近。但除砟肩宽度之外，中国结合路情以及国内无缝线路稳定性等因素，对道床顶面宽度和高度进行了规定，进一步保证了工程的安全性以及对中国不同区域自然条件的适用性。但当中国铁路走出去时，大部分地区如非洲等国家，温度变化范围约为我国一半，如果继续严格按照我国标准，在采用我国轨枕长度情况下，将导致投资过大，在总承包固定合同总额情况下，容易造成我方亏损。

5 堆高设计和边坡坡度

5.1 堆高设计

中国TG/GW 116—2013《高速铁路有砟轨道线路维修规则》（试行）［11］规定无缝线路速度等级为200≤v<250 km/h时砟肩堆高为15 cm、250≤v<300 km/h时砟肩堆高为10 cm；TB 10082—2017《铁路轨道设计规范》［5］、TB 10098—2017《铁路线路设计规范》［6］、《新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定》［12］、《新建时速200~250 km客运专线铁路设计暂行规定》［13］等上述新建铁路的设计规范中，都有“砟肩堆高15 cm”的规定（见表4）。

在法国标准中，堆高设计标准根据轨枕材料和断面加固程度进行了详细分类（见表5）。在普速铁路普通断面图中，木枕和混凝土轨枕均不需要堆高。

对比可知，中国标准中，无缝线路在速度等级250≤v<300 km/h时正线堆高为10 cm，其余均为15 cm，该规定主要考虑到中国铁路客货运量较大、频次较多的情况，基于安全性将道床横向阻力提高；而法国标准中，针对断面加固程度及横向阻力要求的不同，堆高设置为10~15 cm，甚至取消堆高，更注重规范应用于实际工程的灵活性。

5.2 边坡坡度

道床边坡坡度指道床两侧坡面与水平面之间的坡度，为了保持道床结构在列车循环振动下的稳定性，减少养护维修工作量，道床及堆高道砟需要有适当的边坡坡度。

中国边坡坡度指道床边坡的高度与宽度之比。根据铁路长期运营经验和当前养护条件，中国标准［5］规定正线道床边坡坡度为1∶1.75，站线1∶1.5。

法国技术标准中边坡坡度定义方法与中国标准相反，为道床边坡的宽度与高度之比。法国标准对边坡坡度的取值进行了说明：相对于水平平面，堆高护道坡率最低为1.5∶1（底边∶高度），最高为3∶1（见图3）。

图3 法国道床断面堆高护道坡率示意图

对比可知，法国边坡坡度为1∶1.5时相对中国正线边坡较陡，一定程度上减少工程用地面积，降低占地费用，但由于边坡坡度越陡，砟肩道砟数量越少，导致砟肩提供的阻力也随之减少，而砟肩阻力是道床横向阻力的重要组成部分，因此道床横向阻力较中国正线边坡降低，纵向阻力基本不变。相关研究［14］表明：边坡坡度为1∶1.5时，道床横向阻力为10.06 kN，道床纵向阻力为22.84 kN，仍能满足中国普速铁路的轨枕纵横向阻力的要求。同时边坡越陡，道床底面宽度越窄，建设成本随之减小。边坡坡度为1∶3.0 时，道床底面宽度过宽，成本较大且受空间条件限制，使用情况较少。综上，建议我国可考虑根据具体项目环境、实际运量及养护维修水平尝试采用1∶1.5边坡，在满足稳定性条件下，减少工程占地面积以减小铁路初期建设成本。

6 结论

中国标准偏于安全，法国标准更注重实际工程建设的灵活性及经济性。根据中、法两国技术标准研究道床断面参数设计差异，对比分析所得结论如下：

（1） 道砟粒径级配方面，两国标准相关规定基本相同，仅在道砟性能参数及试验方法上规定略有不同；

（2） 中国标准道床厚度范围为20~55 cm，法国标准根据线路类型、速度等级、轨枕种类等工况的不同，道床厚度范围为10~80 cm；

（3） 中法标准中新建铁路砟肩宽度范围相近。中国规范进一步明确了道床顶面宽度；

（4） 堆高方面，中国标准中无缝线路堆高除特殊情况外统一为15 cm，法国标准针对断面加固程度的不同，采用0~15 cm；边坡坡度方面，中国标准中正线统一采用1∶1.75，法国标准根据不同指标采用（1∶1.5）~（1∶3.0）。

在中国标准“走出去”过程中，广泛开展中国和欧洲等其他主要国家和地区工程师之间技术交流和互动，在标准规范、设计理念、技术方案等方面互相了解，增进理解，扩大共识。应充分考虑不同国家国情、气候条件、温度变化范围等因素，从而提高我国规范海外适用性和经济性。