重载铁路线下基础技术研究

韩建文

(铁道第三勘察设计院集团有限公司地路处，天津 300142)

1 国内外重载铁路概况

自20世纪50年代以来，基于运能大、效率高、运输成本低等原因，重载铁路运输受到世界各国铁路的广泛重视，特别是在一些幅员辽阔、资源丰富，煤炭和矿石等大宗货物运量占有较大比重的国家，得以迅速发展。

国际重载协会在2005年国际重载协会理事会上，对新申请加入国际重载协会的重载铁路，要求满足以下3条标准中的至少2条:

列车质量不小于8 000 t;

轴重达270 kN以上;

在长度不小于150 km线路上年运量不低于4 000万t。

国外重载铁路列车轴重一般介于300～400 kN，牵引质量一般为1～3万t。我国以大秦铁路为标志的中国特色重载铁路，主要是通过扩大列车编组数量及增大行车密度来提高运输能力和运输效率的。大秦铁路年运量于2010年增加到3.8亿t，列车牵引质量为0.5～2万t，2014年4月2日，大秦铁路3万t重载列车运行亦取得圆满成功，虽然满足国际重载协会2005年制定的重载铁路新标准，但其轴重仅为250 kN，与国外重载铁路相比还有较大差距。

重载铁路的建设与发展代表着国家的科学技术水平和经济实力，重载运输是一项综合系统工程，涉及路基、桥梁、隧道等基础设施，轨道、机车车辆等设备及运输管理或安全监控等诸多方面。本文仅从“车辆-轨道-基础系统”匹配与耐久性方面入手，介绍一些重载对轨道工程和路基基础工程的影响因素和目前的解决办法。

2 重载铁路轨道

重载铁路轨道工程包括钢轨、轨枕和道床三部分，钢轨直接与车轮接触受力，然后通过轨枕和道床将应力逐步传递到路基面上，轨道工程的材质和几何尺寸受各组成部分和路基影响，直接决定着行车安全。

2.1 轨道

重载铁路轨道结构破坏的主要形式有轨面裂纹、起皮或掉块、轨道部件破损(尤其是夹板裂纹，接头螺栓折断，弹条折断)，钢轨表面的不平顺(波形磨耗等)。轨面起皮或掉块主要是因为钢轨质量达不到要求，轨道部件伤损和轨面不平顺产生的主要原因是接头部位的强大冲击力的反复作用，使得这些部位的部件产生疲劳伤损所致。在重载铁路高密度、大荷载列车的冲击作用下，钢轨的伤损发展非常快，甚至可能在一两天的时间内由一般轻伤轨发展为重伤轨。我国重载铁路年换轨率能达到线路总长度的4%左右。针对上述重载铁路轨道出现的问题，国内外主要有以下3种解决办法。

(1)采用新型重载轨道结构，国外重载铁路普遍采用60 kg/m及以上的重型钢轨无缝线路，提高重载列车运行平稳性，减少对线路的动力作用;普遍采用可动心轨道岔及新型菱形辙叉，减少线路道岔区间的动力作用，提高可靠性。据美国2004年试验证明，新型的菱形辙叉替代旧有的辙叉，使重载列车对线路的动载荷系数从3.0降至1.3，显著地节省维修费用。美国新型HE型钢轨(Hyper Eutectold)具有耐磨、抗表面裂纹及轨内裂纹生成的特殊性能。现场试铺证明，这种钢轨在曲线地段比普通的钢轨耐磨性提高38%。俄罗斯研究的巴氏钢轨也取得较好的结果。法国采用铝热焊新技术，保证无缝钢轨接头部分的材质强度比钢轨母体还好。

(2)采用对钢轨断面形状的控制及预防性钢轨打磨技术已经成为线路养护技术的重要组成部分。美国诺福克铁路公司(NS)2002年试验表明，采用预防性打磨比修理性打磨，钢轨年伤损率降低65%。澳大利亚采用了预防性钢轨打磨技术，半径小于450 m的曲线区段，每通过8MGT总重打磨一次，半径大于4 000 m的直线区段，每通过30MGT总重打磨一次，合理费用是每公里打磨支出万澳元，而钢轨寿命延长50%～58%。巴西MRS铁路采用了预防性循环打磨技术，在1674 km线路上，节油3%，钢轨寿命延长一倍，断轨率降低45%。南非对道岔采用定期预防性打磨，改善了道岔接触应力状态，打磨前接触应力为3 300 MPa，横向力达43 862 N，打磨后接触应力降至2376 MPa，横向力为42 545 N。

(3)采用轨顶润滑技术降低轮轨接触应力和横向力，加拿大QCM铁路公司有418.4 km线路是曲线，其开行的铁矿石重载列车经常在曲线区段发生脱轨事故，2003年7月就发生28辆车严重脱轨的事故。此后采用轨顶润滑的技术，没有再发生曲线脱轨事故。美国采用两种轨顶润滑方式，通过试验，采用道旁润滑装置，每1 000辆喷油0.35 L，轮轨横向力下降32% ～38%。采用机车润滑装置，2003年7月没有润滑时，轮轨横向力为90 kN，2003年9月采用一个喷嘴润滑后，轮轨横向力降至60 kN，2003年12月采用5个喷嘴润滑，轮轨横向力降至40 kN。加拿大CP铁路采用轨顶润滑管理5年，曲线区段钢轨磨耗下降43% ～58%，轮轨横向力降低40% ～45%，并节省燃油1% ～3%。

(4)对轨道结构的各部联结零件定期维护和保养，保持数量齐全、有效和始终处于良好的技术状态，每年的春秋两季要对所有联结零件进行两次全面复紧，使所有零配件都达到规定的扭力矩，从整体上锁定线路。这样可以防止暑期钢轨热胀爬行产生胀轨跑道或绝缘顶坏，也可以防止冬季冷缩爬行产生轨缝拉大进而拉断接头螺栓。另外每年要对所有联结零配件进行一次涂油，防止联结零件锈蚀，因为运输中粉尘较大，螺栓锈蚀也较快，因此要通过涂长效防锈油脂来缓减锈蚀的速度。

我国大秦铁路在发展过程中也不断将科研成果应用于生产，其国内工可研联合研制生产的BT15贝氏体钢轨，及1 300 MPa级的PG4钢轨，不仅满足重载要求，也降低了钢轨的使用成本。亦采用了先进的钢轨打磨技术，减少了钢轨损伤，延长了钢轨寿命。据统计，通过有效打磨技术，钢轨磨耗减少40%，能源消耗减少了30%，钢轨寿命超过了额定9亿t，最高达到17.3 亿 t。

2.2 轨枕

轨枕的影响主要是轨枕间距的影响和轨枕支撑面积的影响。轨枕间距对轨枕上的压力和道床上的应力影响较大，而对轨道弹性下沉和钢轨弯曲应力影响较小。根据有关研究资料，每增减一个轨枕根数档次(按照我国1 600根/km～1 920根/km铺设标准，每增减80根/km为一个轨枕根数档次)，枕上压力和道床应力变化3%～4%，而轨道弹性下沉和钢轨应力只变化1.2%左右。轨枕支撑面对轨道弹性下沉和道床应力都有明显影响，根据研究资料显示，Ⅲ型轨枕比目前使用的Ⅱ型轨枕在相同荷载作用下，受力与下沉减少11%左右。对于我国重载铁路而言，Ⅲ型轨枕每公里轨枕数目是1 667根，Ⅱ型轨枕每公里轨枕数目是1 760根，其对于轨枕和道床应力变化影响不大。

轨枕失效比如断裂一般是由于道床和路基缺陷引起的，轨下弹性垫层是轨道弹性的重要组成部分，它对混凝土枕所受荷载有直接的缓冲和减振作用。根据北京铁路局的试验，铺设新的10 mm厚橡胶垫板的道床其振动加速度比使用2年以后的橡胶垫板道床下降25%，换铺高弹性橡胶垫板则能下降40%。这说明改善轨下垫层的弹性不仅可以减小轨道下沉量，而且对于保持轨道的平顺性，减少养护维修工作量有很明显的效用。

保持道床和路基完整和稳定、采用新型橡胶垫板可有效减少轨枕失效，在动应力比较大的路基病害地段，岔区，路基和桥梁或横向构筑物过渡段，加密轨枕可有效降低轨枕和道床的应力。

2.3 道床

道床是均匀传布荷载、提供轨道纵横向阻力和弹性的重要组成部分，道床应保持饱满、均匀、清洁、密实和良好的弹性。道床刚度对道床应力和轨枕上压力影响较大，其与道床的厚度，道砟材料，道床的状态有密切的关系。

道床一般由面砟和底砟组成，对于土质或软质岩基床来说，厚度一般0.5 m(面砟0.3 m，底砟0.2 m)，道床厚度增加，可明显减少基床应力，但超过一定的高度，其稳定性也迅速降低，道床太厚时，轨道结构几何形状难以保持，非常容易造成列车脱轨。

国外重载线路亦通过增加道砟厚度和密实度，来改善线路结构的整体承载能力和提高线路的稳定性，美国、加拿大、南非等国的重载线路道床厚度一般都在30 cm以上，巴西道床厚度达40 cm。

道床养护维修过程中普遍存在的问题是只补砟不减砟，轨面越抬越高，再加上路基本身沉降影响，往往造成长大段落的高道床，最大高度甚至达到1.2～1.5 m，直接影响行车的安全。

因此，道床养护的重点除保持道床饱满、均匀、清洁、密实和良好的弹性外，应着重保持道床厚度在规范允许范围内，大修应有补有减，面砟底部多余部分应采用优质基床填料补齐。

3 重载铁路路基

重载铁路路基必须具有足够的强度、稳定性和耐久性，能够抵御各种自然因素作用的影响，保证列车安全运行。

与普通铁路相比，我国重载铁路对路基影响主要是动应力作用的频次增加很多，要求路基有足够的疲劳强度，影响其关键因素有两个方面，填料和压实度。粗粒土疲劳强度相对较高，很快能趋于稳定，受水影响小;而细粒土疲劳强度相对较低，很难趋于稳定，受水影响大，甚至会产生液化现象。

国外有关重载铁路路基设计和施工方面的介绍或说明并不多，但从其路基设计标准而言，对填料标准和压实度要求比较苛刻。

我国重载铁路路基设计和施工自大秦线开始，当时其目标年运量5 000 t，主要的路基加强措施也就是基床表层采用B组填料，各层压实度略有提高。

目前，我国重载铁路路基基本是按照I级铁路(特重型)设计和施工的，基床表层采用A组填料或级配砂砾石，基床底层采用A、B组填料，路基与涵洞等横向构筑物、路基与桥梁、路堤与路堑连接处设置了过渡段，比照普通Ⅰ级铁路，并无特殊要求。近年来，大秦线、朔黄线等重载铁路改造及张唐线、中南通道等新建重载铁路设计和施工也基本按此规范执行。

2010年底，我国《重载铁路设计规范》已形成了报批稿，有关填料、压实标准有了大幅的提高，但尚未批复。

4 重载铁路路基病害

我国目前在运营的重载铁路基本是在普通铁路的基础上逐步发展的，可以说是先天不足，只能通过后期补强来满足运营要求。从大秦铁路重载运输线路看，尽管轴重增加不多，但随着运量的增加，线路、桥梁、路基的病害增加，严重影响了运营安全，成为扩能改造提高运能的制约因素。根据铁路运营部门的台帐，与重载铁路路基有关的病害主要有路肩宽度不足、基床下沉、基床翻浆冒泥、排水不良等。

路肩宽度不足在我国铁路比较普遍，主要有4种情况:一是目前养护条件要求路肩宽度超过设计值;二是较高路堤地段，由于长年路基沉落变形导致路肩宽度不足;三是路桥过渡段，施工压实不足，开通运营后，沉降较大导致路肩宽度不足;四是采用补砟抬道地段，道砟高度超过设计值占用路肩宽度。对于路肩宽度不足，工务维修部门一般通过设置护肩或小挡墙来保证或加宽路肩宽度，造成路堤上部结构形成头大脖子细形状，稳定性显著降低，而且护肩或小挡墙滞水处容易形成薄弱面。比如大秦铁路及各相关线，目前填方地段路肩宽度普遍达到1.5 m，其中较高路堤几乎都是通过在路肩设置L形墙获得的，稳定性储备严重不足。

基床下沉原因主要是基床尤其是基床表层填料不良，对运营多年的既有线，有几种情况:一是基床表层填料或土层为粉质黏土或粉土，本身承载力低，在列车动荷载作用下液化，松散粉粒进入道砟，在水作用下流失;二是基床分层填料级配不良，没有隔断层，或隔断层失效，造成细颗粒土层进入粗颗粒层，在流水的作用下流失。这种病害尤其在路桥过渡段和土质路堑中比较严重，前者是因为路桥刚度相差悬殊，列车冲击力很大所致;后者是因为土质路堑排水往往不良，加剧土粒流失。对于基床下沉，工务部门一般采取补砟处理，平时补充面砟，大修时一次以底砟补齐，对于基床填料不良下沉严重地段，大秦铁路公司采用专用快凝水泥注浆处理基床，有一定的效果，但是不能根治，而且治理费用比较昂贵。

基床翻浆分两种情况:一是道床翻浆，在维修作业不足的情况下，运输粉尘、环境粉尘和来自基床细颗粒进入道床，在降水作用下汇集形成土囊翻浆，这种情况主要发生在道床比较厚的地段;二是基床翻浆，主要原因是基床承载能力不足，或存在缺陷，在列车长时间振动荷载的反复作用下，道砟切入路基形成道砟囊翻浆。对于道床翻浆，可以在大修时，通过清筛道砟，补充新砟解决，对于基床翻浆，由于铁路运输繁忙，不能通过换填彻底处理，工务部门一般采用底砟下铺设土工排水布(板)处理，但是土工织物有使用年限，而且砟囊尖锐碎石直接接触土工织物很容易致其损坏，所以效果并不太好。

上述路基病害一般情况下只是影响列车运营，但是在特殊地段和特殊条件下，比如在雨季或春融时节，高路堤路肩不足地段、基床道砟囊规模比较大地段，上述几种病害交织在一起，往往会导致突发性路堤浅层边坡坍塌，直接影响列车安全。尤其是路桥过渡段，往往是各种路基病害结合体，工务维修方式一般就是补砟保证轨顶高程、砌筑挡墙保证路肩宽度，其结果是，道砟囊越来越大，路肩墙越来越高，排水越来越不良，雨季极容易诱发塌滑。

以下是发生在重载铁路高路堤边坡坍塌工程实例，本段路堤位于两桥间，高度12 m，距离150 m，既有路肩宽度1.5 m，路肩处设计L形墙收坡(照片1)，2008年雨季突然从砟脚处发生坍塌，塌滑体厚度约4 m左右(照片2)，这是现场拍摄的照片，工务部门临时采用注浆加固维持运营。

照片1 既有重载铁路路肩现状

照片2 现场路基坍塌

这是目前重载铁路非常典型的一种情况，本段自1992完工开通运营后，一直下沉，2002年，工务段对本段大修，由于天窗时间有限，没有清理基床内部的道砟囊，只是于道砟底部铺设了土工布。对于高路堤路肩不足，则采用在路肩处设置L形墙保证路肩宽度。经过十几年的列车运营，土工布已经老化破损，降水渗入基床道砟囊内激发病害，再加上L形墙的存在严重影响基床排水，因此在连日暴雨后，自路肩砟脚处发生了比较大路基边坡坍塌。

病害发生后，在“不能影响列车正常运营、不能占用路外用地、大型机械不能进场”的限制条件下，最终采用了“锚桩加固坡脚、注浆加固边坡，挤密桩加固基床”的措施(图1)，对病害进行了整治，耗资将近千万，但是由于天窗时间控制，仍旧无法对基床表层进行换填处理。

图1 滑塌地段加固断面(单位:m)

此外，顺便也提及一下防护栅栏上路肩的事，最近几年，重载铁路包括部分其他一部分铁路，纷纷推行防护栅栏上路肩，其一般做法是路肩宽度通过采用L形钢筋混凝土或浆砌片石挡墙拓宽至1.5 m左右，将原来设置在铁路用地界处的防护栅栏改移到路肩外缘，优点是封闭性更好，当地老乡和牲畜不易破坏或进入，而且统一美观，缺点是基床表层部位往往滞水加重排水不良，事实上放弃了用铁路地界内的土地使用权，老乡种树种地。一旦铁路发生问题，进场施工都成问题。像上面这个路基坍塌发生后，当地老乡要求赔偿树木和青苗，阻止抢修队伍进场，并要求治理工程不能超出坡脚以外，处理起来相当麻烦。

5 一般铁路提升为重载铁路路基加强措施

一般铁路提升为重载铁路，对路基而言影响最大的就是基床表层，大秦铁路之所以成为一条成功的重载铁路，设计时专门针对基床表层填料和压实要求提出的标准功不可没。在当时条件下，大秦铁路创造性提出基床表层填料采用粗粒土或低塑性土，并大幅度提高其压实系数和地基系数，有效地限制了基床表层填料的选择范围，大部分地段基床表层均采用粗粒土填料，其良好的动力特性，为后来不断增加运量打下了坚实的基础。作为另一条煤运专线的朔黄铁路，开通重载之初，由于基床表层填料不良，基床下沉几乎成为全线通病。

查阅国外资料，南非运煤专线一段既有线路上路基设计荷载由于未按重载标准考虑，开通后路基又未进行加固，随着运行时间的推进，路基出现裂缝和边坡塌落，多项病害发生，危及正常运行，经研究分析，主要原因是提高轴重和加大年运量引起。

我国现有的重载铁路都是在普通铁路基础上发展起来的，尤其近几年来重载铁路支线建设过程中，路基设计按照重载目的进行了前瞻性的设计，结果证明非常具有实用性和经济性。

比如2008年底通车的大秦铁路支线迁安—曹妃甸铁路，在设计时考虑到未来重载趋势，对基床进行了适当的加强，目前通行万吨列车，年运量已经达到1亿t，路基并没有大的病害发生，其主要工程措施如下。

迁安北至菱角山段位于一般平原地段，滦南至曹妃甸段位于滨海软土地段，地基加固比照Ⅰ级普通铁路并没有提高，基床表层0.6 m填料采用司家营铁矿的A、B组碎石土或砾石土，并采用压实系数和K30双指标控制压实度，路桥、路涵过渡段亦采用此填料和基床底层压实度控制。

菱角山至滦南段为既有线增建二线，为既有坨王线，为地方专用线，路堤基本上为两侧就地取粉质黏土填筑而成，按照地质勘探资料，基床基本承载力为100 kPa左右，其中基床顶面以下0.3 m左右存在一层软弱夹心层，厚约0.3 m，含水量大，基本承载力为80 kPa左右，不满足重载要求，结合施工运营，设计采取利用新建二线反向运营，对既有线基床表层换填司家营碎石土或砾石土，铺设中粗砂垫层和隔水土工布，基床以下打设水泥土挤密桩处理措施(图2)。

图2 既有线基床加固断面

在大秦铁路扩能至4.5亿t的过程中，对部分支线基床表层和过渡段采用了级配碎石填筑，从目前情况来看效果不错，但是这里面存在一个问题，如果基床表层采用级配碎石，道床厚度采用0.35 m的话，基床表层以下承受应力明显增大，在某些地段当其底部为粉土或粉质黏土，并且与级配碎石垫层没有设置合理的隔断层时，容易滞水成为新的薄弱层，并产生翻浆下沉并受冻胀影响。此外，在增建工程区域内，将路肩宽度均加宽至1.5 m，在增加投资不多的情况下，显著提高了路基在重载条件下的稳定性。

6 重载铁路养护

铁路线路设备常年裸露在大自然中，经受着风雨冻融和列车荷载的作用，路基及道床不断产生变形，钢轨、联结零件及轨枕不断磨损，轨道几何尺寸不断变化，日常维护和定期监测必不可少。我国重载铁路线路维修养护贯彻“预防为主，防治结合，修养并重”的原则，经常保持线路设备完整，保证列车能以规定速度安全、平稳和不间断地运行，并尽量延长设备的使用寿命。

重载铁路日常维护包括每日人工巡查维护、天窗时间内维修，要点维修和大修等。对于我国重载铁路而言，存在问题主要两个:一是一线维护人员数量少，待遇低，维护线路长，承担责任大，严重影响了他们的责任心和积极性，维护质量下降问题突出;二是行车密度大，维修时间严重不足，只能进行小修小补，线路长期处在超负荷运营之中。

安全监测技术在国外重载铁路使用比较普遍，比如集成型路旁安全监测系统，可以检测车轮冲击荷载;先进的轨检车技术，应用惯性制导系统，矢量化计算方法，自行标定与自检，对轨道的各种几何形状参量，线路不平顺及钢轨断面磨耗进行检测，提高重载路网的安全性和使用效率。钢轨探伤车在超声波探伤工作原理基础上，又开发了探伤速度更高的新技术，美国已研制了新型低频涡流钢轨探伤车，探伤速度可达80 km/h以上;采用安装在高轨车辆上的地面探测雷达采集数据，可以直接处理形成路基横断面图象，确认道砟囊，软黏土，底砟深度及湿土区等病害问题，对路基状态作出评价，有利于路基病害的及时处理。

提高我国重载铁路养护能力，首先不能仅仅依靠规章制度，要增加一线队伍的数量，提高一线职工的待遇，增强铁路职工的荣誉感和责任心，将铁路职工从整天害怕发生事故惶惶不安境况中解脱出来;再者要加快引进消化国外先进养护设备和技术，以科学数据来指导养护;三是不能片面强求效益，要保证正常的维修周期和时间。

7 我国重载铁路发展

我国重载铁路是在I级铁路基础上发展起来的，轴重从225 kN提高到250 kN，基本上利用的是设计安全储备，进一步发展空间已经受到限制。为加大货运铁路的运输能力及其运输效率，提高轴重是我国重载铁路发展方向。从2009年开始，我国铁道部开始大轴重铁路基础设施的研究，2010年开工建设的山西中南部通道铁路，明确铁路桥梁采用300 kN轴重重载设计标准，标志中国铁路正式开始发展大轴重重载铁路。今后，大轴重、高速度将成为我国货运载铁路的发展方向，在我们这个幅员辽阔的国家，重载铁路将是继高速铁路以外的又一道亮丽的风景。

8 结语

重载铁路是我国铁路发展的一个重要方向，其线下基础的稳定性、安全及耐久性直接影响到重载列车的长期安全运营，值得我们深入调查和研究，对于在普通铁路基础上改造形成的重载铁路，应对路基基床、尤其是其表层进行特别的加固和补强，保证路肩宽度或加宽;加强轨道结构的养护维修，尽量保持其正常状态，避免高道床的存在。对于新建的重载铁路，应按规范或适当提高路基基床部分填料标准及压实度，并在结构分界处设置过渡段。重载铁路养护维修应与时俱进，采用先进的轨道结构，对钢轨进行润滑和打磨可显著延长寿命，提高养护职工的待遇，在特殊地段增加实时的监控系统，提高养护效率和效益。

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