牡佳高速铁路全断面碾压密实沥青混凝土封闭结构与施工工艺

张忠伟

中国铁路哈尔滨局集团有限公司，哈尔滨 150050

根据TB/T 2818—2016《铁路路基病害分类》，运营高速铁路路基变形的发生和发展均与路基含水率的变化有关。路基防水封闭结构作为防止天然降水侵入路基的外部屏障，是保证高速铁路路基长期服役性能的关键措施之一。高速铁路路基防水封闭层主要采用水泥基材料，并以纤维混凝土防水封闭层应用最为广泛，其主要形式是路肩和线间局部封闭。杨果林等［1］提出了改性水泥基复合防水材料并设计了适用于膨胀土路堑的防水封闭结构路基，通过模型试验分析了该结构的动力响应规律。张乐等［2］设计了全断面聚氨酯碎石防排水基床表层结构，开展室内试验、仿真计算分析了该基础结构的静动力学特征，给出了厚度设计指标。王顺平［3］分析了高速铁路无砟轨道线间路基混凝土防水封闭层病害成因，研究制定了路基防水封闭层排查技术标准。Castro 等［4］通过开展现场监测，结合仿真计算研究了沥青混凝土封闭路基在巴西热带雨林气候环境下水力参数分布规律。Huang 等［5］研究了聚氨酯改良级配碎石封闭层路基最佳配合比，通过模型试验验证了该结构防水封闭的可行性。张世杰［6］依托京张城际铁路，研究了悬浮-密实型沥青混凝土作为防水封闭结构的抗渗性能，提出了沥青混凝土的建议级配范围。李泰灃等［7］等过原位足尺模型试验和仿真分析，研究了周期性温度荷载作用下沥青混凝土封闭结构受力、变形的时空演化特征，提出了铺设复合土工膜改善受力状态方案。Luo 等［8］对比分析了京张高速铁路沥青混凝土封闭结构路基与普通路基在不同速度列车荷载作用下轨道结构的动力学响应。张绍曾［9］研究了铁路路基沥青混凝土全断面式和自密实型防水封闭层的技术要点以及应用优势。封志军等［10］研究提出了橡胶沥青水泥基防水层路基结构，提出了相应的施工工艺流程及操作要点。

本文依托牡佳高速铁路，提出全断面碾压密实沥青混凝土封闭结构，明确材料性能要求与施工控制工艺，通过工后检验与长期监测，验证该结构在寒区高速铁路冻胀防治的适用性。

1 工程概况

牡佳高速铁路是沈佳高速铁路的重要部分，也是国家铁路长期规划的工程之一。牡佳高速铁路起自牡丹江市，途经林口县、鸡西市、七台河市、桦南县、双鸭山市，终至佳木斯市，为有砟轨道结构形式，全长375 km，设计速度250 km/h。沥青混凝土封闭结构工程试验段位于黑龙江省双鸭山市集贤县。集贤县地处黑龙江省东部，三江平原腹地，属中温带大陆性季风气候，四季分明，年均气温4.6 ℃。最冷月1 月平均气温-16.8 ℃，极端最低气温为 -35.6 ℃；最热月7 月平均气温为22.7 ℃，极端最高温度为38.1 ℃。无霜期147天，年降水量507.6 mm，年日照2 571.1 h。

2 全断面沥青混凝土封闭结构特性

全断面碾压密实沥青混凝土封闭结构适用于寒冷、严寒、多雨地区，季节性冻土、膨胀岩土、湿陷性黄土、盐渍土等特殊土地段的高速铁路路基的防水封闭。服役过程不仅受到上部轨道结构传递的列车荷载作用，而且还受到水分、温度、紫外线等环境因素作用。

2.1 防水抗渗性

高速铁路路基全断面碾压密实沥青混凝土封闭结构本身应致密不透水，且表面应平整密实，利于降水在自然状态下快速排入边沟或线间集水井。

2.2 抗疲劳性

针对高速铁路路基全断面碾压密实沥青混凝土封闭结构的工作状态和环境条件，其疲劳作用包括列车往复荷载形成的荷载型疲劳作用和季节性和每日温度变化导致的温度疲劳作用。因此，全断面碾压密实沥青混凝土封闭结构应具有优良的抗疲劳性能，使用年限内不出现疲劳破坏。

2.3 耐久性

道路工程领域中沥青路面的设计使用年限通常为15～30 年，而高速铁路工程领域对基础设施使用寿命要求较高。全断面碾压密实沥青混凝土封闭结构应保证在服役期内保持稳定，使其具有优良的耐久性能，运营过程中不会因光、热、水以及荷载等的作用而出现氧化、碎裂或松散等病害而丧失其整体性。

2.4 支承性

全断面碾压密实沥青混凝土封闭结构作为轨下基础，其弹性模量、强度等应满足承载性能要求。此外，全断面碾压密实沥青混凝土封闭结构还应与轨道结构之间具有足够的界面稳定性，保证轨道结构的平顺与稳定。

2.5 温度稳定性

沥青混凝土属于黏弹性材料，高温时表现出更多的黏性成分，低温时表现出更多的弹性成分。全断面碾压密实沥青混凝土封闭结构在高温季节应保持较高的抗变形性能，同时在低温季节具有较强的低温柔韧性及松弛能力，表现出较宽的工作温度域。

2.6 抗水损性能

在水的作用下，沥青混凝土会发生黏结性、黏附性的损失，导致沥青从集料表面剥离。在自身剥落或外部荷载的作用下，沥青混凝土会出现松散、剥落等病害，逐步丧失防水能力。因此要保证全断面碾压密实沥青混凝土封闭结构具有长期良好的防水性能。

3 结构形式设置原则

1）全断面沥青混凝土封闭结构设置于路基基床表层上部。

2）有砟轨道沥青混凝土封闭结构形状应为三角形，由全断面沥青混凝土封闭结构中心向两侧设置不小于4%的横向排水坡。曲线加宽时仍保持三角形。

3）无砟轨道支承层（或底座）底部范围内全断面沥青混凝土封闭结构可水平设置，亦可以轨道中心线设置为双三角形或双梯形，支承层（或底座）外侧全断面碾压密实沥青混凝土封闭结构两侧应设置不小于4%的横向排水坡。试验段内全断面碾压密实沥青混凝土封闭结构共设置层厚12 cm（方案一）、10 cm（方案二）两种。

4 材料性能要求

系统开展了沥青混凝土性能评估试验，主要有渗水试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验、车辙试验、抗压强度试验、动态模量和回弹模量试验、低温弯曲试验、四点弯曲疲劳试验等，并提出了碾压密实沥青混凝土性能评估技术指标，见表1。

表1 碾压密实沥青混凝土性能评估技术指标

5 施工与质量控制

高速铁路路基沥青混凝土封闭结构的施工工艺控制的重点是沥青混凝土材料的后场生产、运输、现场施工与调度协调。这四个环节之间密切联系又相互制约，任何一个环节配合不当，都会使整个施工系统阻塞和混乱。因此，本文提出高速铁路路基碾压密实沥青混凝土封闭结构的施工工艺与质量控制技术。

5.1 施工工艺与信息化

工艺流程如图1所示。

图1 全断面沥青混凝土封闭结构施工工艺流程

沥青混凝土的拌和质量直接影响材料性能和耐久性。沥青混凝土通过搅拌设备将砂石料烘干、加热、筛分、计量，并加入适量的填充料（石粉），与沥青液按一定配合比均匀搅拌。其中拌和温度、级配、沥青用量等关键的生产参数的控制对沥青混凝土质量尤为重要。基于此，开发了拌和站信息化操控平台，可对现有市政沥青混凝土拌和站进行改造，其具有以下功能：①实现对各档石料用量、沥青用量、级配、预热温度、拌和温度、拌和时间等关键生产参数的实时控制；②实现对关键生产参数的监测、记录；③生产前设定限制，具有超限预警功能；④每日、每月或按照一定频次统计时，可提供生产记录信息，分析总体生产质量波动情况。

5.2 施工过程检验

施工过程均严格按照相关技术标准要求，并分别开展了透层沥青洒布质量检验、沥青混凝土外观、拌和/出料温度、油石比、马歇尔试验、施工温度、工后裂缝等施工过程质量检验，保证了施工质量。由于现场运输距离较长，因此在生产中适当提高了集料的加热温度，将出料温度控制在185～195 ℃。传感器显示沥青的加热温度为185 ℃左右，集料的加热温度为205 ℃左右，经检验符合设计要求（集料、改性沥青加热温度应分别在190～210、170～190 ℃并保持稳定。

5.3 工后检验

为检验沥青混凝土的摊铺质量，施工结束后对两种不同结构形式的沥青混凝土封闭结构的渗水系数、压实度等项目进行了检测。

1）渗水系数

按照区间正线路基沿线路纵向连续长度方向选择了3个断面，现场切取沥青混凝土板片，在试验室测试各个试件的渗水特性，检测结果见表2。其中板1在方案一部位切取，板2 和板3 在方案二部位切取。设计要求渗水系数不大于60 mL/min，从检测结果看，均能满足要求，表明压实效果较好。

表2 渗水系数检测结果

2）压实度

以试验室密度作为标准密度，以芯样试件密度为实际密度，计算沥青混凝土的压实度。试验室测得标准马歇尔密度为2.45 g/cm3（板1），2.48 g/cm3（板2、板3）。沿线路纵向连续长度每500 m不少于1个断面。

压实度检测结果见表3。设计要求现场压实度不小于试验室标准密度的98%。由表3 可知，各位置的压实度均符合设计要求，表明实体工程压实度较好。

表3 压实度（钻芯取样）实测结果

6 长期监测与效果验证

为对比验证沥青碾压密实沥青混凝土封闭结构应对路基冻胀变形的有效性，分别选取方案一路基、无封闭结构的普通路基开展路基冻胀变形长期监测，时程曲线见图2。可知，2019—2020年冻胀期内两者测得最大冻胀变形分别为0.78、6.12 mm，碾压密实沥青混凝土封闭结构可有效控制水分入渗路基，可有效控制寒区铁路路基冻胀变形。

图2 不同结构的路基冻胀变形发展规律

7 结论

1）铁路全断面碾压密实沥青混凝土封闭结构需考虑防水抗渗性、抗疲劳性、耐候性、支承性、高温稳定性、低温抗裂性、抗水损害性等，以满足长期列车荷载与环境因素作用下正常服役需求。

2）系统开展了沥青混凝土性能评估试验，提出了碾压密实沥青混凝土性能评估技术指标，用以指导工程实践。

3）全断面碾压密实沥青混凝土封闭结构的主要施工工序均严格按照相关技术标准要求，并分别开展了施工过程、工后质量检验，以保证施工质量。

4）通过现场监测，全断面碾压密实沥青混凝土封闭结构所在路基冻胀变形水平明显低于普通路基，说明其具有良好的防水性能，可在对防止地表水入渗有严格要求的铁路路基工程中推广采用。