路基沥青混凝土防水封闭结构施工质量控制技术

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(1.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；2.中国铁路总公司 工程设计鉴定中心，北京 100844；3.郑万铁路客运专线河南有限责任公司，河南 郑州 450016；4.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；5.北京铁科特种工程技术开发公司，北京 100081)

高速铁路的高运行速度、高平顺性和高安全性，对路基的稳定性和耐久性提出了极高的要求[1]。如日本在修建第一条高速铁路东海道新干线时，由于对路基防水问题重视不够，自1964年通车后，在291km 的土质路基地段发生了大量的道床翻浆冒泥病害，造成轨道的不均匀沉降[2]。由此可见，为保证路基的坚固和稳定需做好路基的防排水工作。

日本、德国、意大利、美国、荷兰等国家采用沥青混凝土进行铁路路基防水，并取得了良好效果。在我国高速铁路建设的初期，沥青混凝土作为路基面防排水措施，在遂渝试验线、京津城际、武广客运专线和哈大客运专线成高子试验段进行了部分工程应用，但并未取得预期的防水效果[3]。对比国际上铁路沥青混凝土应用成功的案例，反思该时期我国铁路沥青混凝土应用问题，主要存在3个显著差别：①应用层位不同。上述工程应用主要采用沥青混凝土对路肩及线间路基进行封闭，而并不是国际上普遍采用的全断面封闭或轨道底部封闭；②材料类型不同。我国先后应用过热拌热铺沥青混合料、冷拌乳化沥青混合料、稀浆封层冷拌乳化沥青混合料、表面处治沥青混合料等，而国外一般只采用热拌热铺沥青混合料；③施工工艺不同。由于线间和路肩施工作业面狭窄，只能采用人工摊铺、小型设备碾压的工艺，而国外采用全断面封闭或轨道底部封闭，可采用大型机械进行摊铺压实工作，进而保证了施工质量。

综上所述，沥青混凝土的施工质量控制直接决定了沥青混凝土的防水效果。本文以郑万铁路河南段路基全断面沥青混凝土防水封闭结构施工为背景，分析了沥青混凝土可能存在的病害，并对其成因进行分析，有针对性地提出施工质量控制要点，进而保证了全断面沥青混凝土防水封闭结构的实施效果。

1 沥青混凝土病害及成因

1.1 病害分类

按照破损类型，铁路沥青混凝土可能存在的病害可分为裂缝类、松散类、变形类、其他类4类[4],见表1。

表1 沥青混凝土病害分类

1.2 成因分析

1)裂缝类

横向裂缝主要是由于沥青混凝土自身的低温收缩造成的，也有些是由于沥青混凝土低温收缩变形与混凝土底座等轨道结构的变形不同步造成。产生纵向裂缝的主要原因是路基压实度不均匀或路基出现不均匀沉降。不规则裂缝的主要成因是沥青混凝土结构强度不足。

2)松散类

坑槽、麻面、掉粒、脱皮、啃边、松散等均是沥青混凝土出现水损害后的表现形式。造成沥青混凝土水损害的原因主要有2点：①水分侵入沥青与集料的界面，易引起沥青和骨料界面的黏附性降低；②水分的浸泡或者动水压力等的作用，使得沥青膜逐渐从骨料表面剥离，导致集料之间的黏结力损失而产生破坏[5]。

3)变形类

竖向压缩变形既有沥青混凝土的塑性流动，也有路基与基层的竖向不均匀变形，还包括一定程度的路面材料压密作用和材料磨耗。波浪主要是由于摊铺机操作不当造成的成型后沥青混凝土表面平整度较差。

4)其他类

出现泛油情况可能的2个原因：①配合比设计不当。沥青用量较高，导致沥青混凝土的空隙无法容纳自由沥青，溢出表面。②出现水损害。地表水侵入沥青混凝土内部并长期滞留在沥青层底部，在行车荷载的反复作用和动压水冲刷下，集料表面的沥青膜剥落成为自由沥青，并在水的作用下被迫向上部迁移，从而导致沥青层表面泛油而底部松散的沥青迁移现象。磨光主要是沥青材料黏度过低或压实不充分造成的。

2 质量控制

2.1 原材料

在原材料选用方面，沥青材料选用铁路专用高黏度沥青，并要求其 5 ℃ 延度应大于等于30 cm，针入度指数PI应大于等于0，弗拉斯脆点应小于等于-20 ℃，软化点应大于等于80 ℃，175 ℃ 旋转黏度应小于等于1.8 Pa·s 等。通过规定沥青材料的5 ℃延度、针入度指数PI、弗拉斯脆点等指标，来保证沥青具有良好的低温柔性和延展性，避免出现由于低温收缩变形而产生的横向裂缝。同时，限定了沥青材料的175 ℃ 旋转黏度，在保证施工和易性的前提下，避免了因沥青黏度低导致自由沥青流动而形成磨光现象。

在骨料选择上，从骨料的种类、强度、规格等方面进行了规定。建议选用石灰岩、玄武岩等石料，花岗岩、石英岩等酸性石料与沥青黏附性较差，不得使用。并规定了骨料与沥青的黏附性应大于等于5级，使得沥青与骨料具有足够的黏附功，避免松散类病害的出现[6]。另外，还规定了骨料的坚固性应小于等于12%，压碎指标小于等于16%，针片状颗粒含量小于等于10%。

2.2 配合比设计

沥青混凝土采用中粒式密级配，其矿料级配应满足表2的规定[7]。

表2 沥青混凝土的矿料级配范围

在满足表2规定的基础上，根据沥青混凝土作为防水封闭结构的功能定位，结合郑万铁路沿线所属的温带、亚热带大陆性气候(平均气温15 ℃左右，年平均降水量641～779 mm)特点，在配合比设计阶段应对沥青混凝土的防水抗渗性、抗水损害性能、抗疲劳性能等方面予以重点考虑。

2.3 施工准备工作

沥青混凝土防水封闭结构属路基工程与轨道工程的结合部位，其施工不仅要保证沥青混凝土的施工质量，而且要满足轨道结构施工的要求。

首先，沥青混凝土施工前应对上道工序提供的基床表层作业面进行交接验收，内容包括：中线高程(允许偏差±10 mm)、路肩高程(允许偏差±10 mm)、轨道中心线高程(允许偏差±10 mm)、中线至路肩边缘距离(允许偏差0～20 mm)、宽度(不小于设计值)、横坡(允许偏差±0.5%)、平整度(允许偏差不大于15 mm)[8]。当已施工的基床表层不满足设计标高和平整度要求时，超过标高的部位应采用铣刨机进行铣刨并清扫干净，未达到设计标高的部位应在摊铺时采用同配合比的沥青混凝土回填。

其次，为保证沥青混凝土与基床表层的有效黏结，进行透层沥青的洒布。透层沥青采用沥青洒布车喷洒，具体用量应通过试洒确定，并应按设计用量一次洒布均匀。当有遗漏时，应人工补洒，当有多余的透层沥青未渗入基床表层时，应在该部位撒布粗砂。透层沥青洒布后，待其充分渗透且水分蒸发，尽早进行沥青混凝土的摊铺。

最后，沥青混凝土施工前，应根据基床表层交接验收的高程结果，设置用于控制沥青混凝土顶面标高的施工导线或导梁，保证沥青混凝土防水封闭结构的厚度和顶面标高。

2.4 拌和与运输

沥青混凝土采用间歇式拌和机进行集中厂拌。通过拌和站信息化控制平台，可实现各类原材料的预热温度、沥青混凝土级配控制与误差率、油石比、拌和时间、拌和温度、出料温度等关键生产参数的实时监控(见图1)，保证沥青混凝土的生产质量。沥青混凝土生产的温度参数由沥青的黏温曲线确定，拌和质量以沥青均匀裹覆集料为度，不得出现花白料、结团成块或严重的粗、细骨料分离现象。

图1 拌和站信息化控制平台

从拌和机向运料车上卸料时，应多次挪动运料车位置，平衡装料，防止粗、细骨料离析。运料车采用较大吨位的自卸式汽车，并采取覆盖苫布、棉被等措施，防止沥青混凝土在运输过程中较大的温度损失。同时在运料车上安装智能温度监控系统(见图2)，将温度数据和GPS数据实时上传到数据评估平台，可实时获取沥青混凝土在运输、摊铺、压实等过程中的温度参数。自动存储分析和预警可通过电脑、手持终端、手机实时监控现场每个测量点即时温度和历史温度，自动生成温度时程曲线表，远程下载报表。此外，智能温度监控系统可获取运输车辆的GPS信息，便于现场调度。

图2 智能温度监控系统

2.5 摊铺与压实

在公路、市政等行业中，沥青混凝土的施工横断面普遍为单侧坡或单人字坡，且坡度较小，通常为2%～4%。区别于公路、市政行业，铁路全断面沥青混凝土防水封闭结构断面复杂，横断面为双人字或双梯形，横向排水坡度较大，在曲线超高地段路基横坡高达17.7%。因此，对沥青混凝土摊铺和压实过程的质量控制就显得尤为重要。

为保证沥青混凝土的整体化防水效果，避免设置冷接缝，根据沥青混凝土的断面形式，选用多台摊铺机联铺，必要时对摊铺机进行改装，以适应复杂断面施工的要求。沥青混凝土松铺厚度应由施工导梁或导线控制。采用多台摊铺机呈阶梯状摊铺时，摊铺机前后错开距离不应超过20 m，相邻摊铺机的搭接宽度宜为10～20 cm。此外，沥青混凝土摊铺时应缓慢、均匀、连续作业，不得随意变换速度或中途停顿，不得出现明显的离析、波浪、裂缝、拖痕等现象。

压实应按阶梯形路线进行作业，且压实过程应紧密跟随、稳步有序。采用“钢轮压路机(先静压后振动)+胶轮压路机+钢轮压路机”的组合方式进行沥青混凝土的初压、复压、终压。选用的钢轮压路机不低于 13 t，振动压实时，钢轮压路机应紧跟在摊铺机后面，采用高频率、低振幅的方式慢速碾压，概括起来为“紧跟、慢压、高频、低幅”。胶轮压路机不低于 25 t。沥青混凝土的各项性能均与温度有着密切的关系。在不产生推移和裂缝的前提下，应确保初压、复压、终压在尽可能高的温度下进行。对于大型压路机难以作业的部位，应采用小型振动压路机或夯锤碾压密实。

3 防水效果评价

采用渗水仪进行检测，以渗水系数(应小于等于60 mL/min)来评价沥青混凝土防水封闭结构的防水效果。渗水系数按照下式进行计算。

(1)

式中：Cw为沥青混凝土渗水系数,mL/min；V1为第一次计时所对应的水量,mL，通常为100 mL；V2为第二次计时所对应的水量,mL，通常为500 mL；t1为第一次计时的时间,s；t2为第二次计时的时间,s。

由式(1)可知，渗水系数计算是以水面从100 mL下降到500 mL所需的时间为标准。若渗水时间过长，可通过3 min通过的透水量来计算渗水系数[9]。

采用上述试验方法对郑万铁路路基全断面沥青混凝土防水封闭结构在路肩(横坡为4%和17.7%)、线间、底座板下、接触网支柱基础周围等位置的渗水系数进行检验,结果如下述。

1)所有测试点的渗水系数均小于60 mL/min，说明沥青混凝土防水封闭结构具有良好的防排水性能，可为路基提供整体化的防水保护。

2)路肩(横坡为4%)、底座板下、线间等位置沥青混凝土的渗水系数均为0 mL/min，而路肩(横坡为17.7%)和接触网支柱基础周围沥青混凝土的渗水系数分别为10.8 mL/min和5.2 mL/min，说明相对于其他位置，横坡较大的路肩和接触网支柱基础周围沥青混凝土的防水效果较弱。究其原因在于：压路机在大横坡路肩上行驶时，其重力被分解为平行和垂直坡面2个方向的分量，导致有效重量和压实功降低。路肩、底座板、线间等范围工作面宽阔，且无障碍物影响，可采用大型机械进行压实，接触网支柱基础周围工作面受限，采用冲击夯、重锤等方法进行压实可满足防水要求，但仍有进一步优化的空间。

3)建议进行大横坡压实时，应给压路机增加配重块，保证有效重量满足压实要求。此外，如果条件允许，接触网支柱基础可在沥青混凝土防水封闭结构之后进行施做，同时研发适用于构筑物周围边角压实的专用小型压实设备也是下一步研究工作的重点。

4 结语

依托郑万铁路沥青混凝土防水封闭结构工程的实施，本文总结了铁路沥青混凝土可能存在的病害类型，并对其成因进行了分析。在此基础上，从原材料、配合比设计、施工准备工作、拌和与运输、摊铺与压实等方面提出了质量控制要点，最后利用渗水系数评价了沥青混凝土的防水效果。结合目前工程实施的效果，有必要从结构形式系列化、施工工艺流程化、质量控制标准化、施工设备专业化等方面进行深入研究，进而丰富我国高铁路基沥青混凝土防水封闭成套应用技术。