尼日利亚阿卡铁路路基表层填料改良的研讨与实践

曹保刚

（中国铁建股份有限公司海外业务部 总经理，北京 100855）

0 引言

尼日利亚铁路现代化项目阿布贾至卡杜纳段（以下简称阿卡铁路）是第一条按照中国标准进行设计和施工的海外铁路项目[1]，经过中国铁建中土集团公司阿卡项目全体参建者历时五年的艰苦努力终于成功建成，同时使中国标准在非洲大地上落地生根。2019年，阿卡铁路先后荣获2017—2018年度国家优质工程金质奖、中国建设工程鲁班奖（境外工程）两项殊荣，和ENR全球轨道工程最佳项目奖。

在项目实施过程中，由于尼日利亚当地地材资源等自然条件限制、中西标准的体系差别、尼方业主和欧洲咨询对中国标准的不理解甚至偏见，造成实施初期过程中沟通困难重重。本文仅介绍路基表层填料由原设计的A组填料相当于级配碎石或级配砂砾石,优化变更为改良B料的实践和体会，其研究方法可供类似工程项目借鉴和参考。

1 路基表层A组填料方案比选和优化

阿卡铁路总长186.5 km，标准轨距，单线铁路。内燃牵引，半自动闭塞，采用中国Ⅰ级铁路设计标准。

1.1 当地级配和天然A料缺乏，原方案实施困难

阿卡铁路路基基床表层填料原设计为60%级配碎石掺拌40%鹅卵石，厚度60 cm，并在填料下覆盖一层防水土工膜。

由于尼日利亚阿卡铁路沿线附近的自然地貌和地质水文条件限制，很难寻找天然A组填料（细粒含量少于15%）和优质的砂砾石、鹅卵石。当地地形为低丘平原，局部石丘基岩裸露，通过碴场现场采样发现其石质为中弱风化花岗岩，钙质胶结，实验室对各种筛余骨料进行多次掺配试验，难以满足级配和易破碎指标要求，更无法保证施工时路拌填料的质量。

全线设计基床表层填料共计86.9万m3，如采用级配碎石填筑则需要远距离外购运输，将造成巨大成本压力。且尼国北方现有碴场生产能力有限，据调查市场供应仅有约30万m3每年，加之后续道碴需求量大，外购或新增新的生产线，均不能满足紧张的工期要求。

基于以上几个方面的原因，我们研究认为，有必要探讨对原设计填料进行变更优化。

1.2 填料改良优化方案研究

为此，项目相关技术人员通过比较中国标准不同版本以及中欧标准之间的不同要求和关键区别，提出B料改良替代原设计级配碎石的优化方案，通过理论分析、试验段验证等多种方法进行技术经济可行性研究，并从业主角度出发充分阐述填料变更对节约工程投资、保证工期的有利性。

经与业主和咨询方TEAM公司多次对标研讨和商洽之后，阿卡铁路路基基床表层填料变更申请最终得到了业主的认可和咨询的批准，由原方案的级配改为B组改良料，并在基床表层顶面增设3 cm厚的沥青表面处置封闭层，取消基床底层下的砂夹复合土工膜垫层。

1.3 道床基床结构设计标准的差异和比较

中标[2]与欧标对道床、基床结构设计及填料划分标准和要求有着巨大差异。虽然合同中明确采用中国标准，但同时规定不得低于欧标，因此，相互对标比较和理解工作是在与欧洲咨询沟通中的一项重要的内容。

中欧标准的道床和基床的结构设计分别如图1、图2所示。

图1 中标道床与基床结构示意图（单位:m）

图2 UIC道床与基床结构示意图

以Ⅰ级铁路道床和基床设计为例，中标P160荷载与UIC荷载接近，可比较双方的结构形式。中标《铁路路基设计规范》TB 10001—2005[2]（以下简称05规范）：

面碴30 cm+底碴20 cm+基床表层60 cm+190 cm基床底层。

而国际铁路联盟标准UIC_719R《Earthworks and track bed for railway lines》[3]中，最小道床厚度计算如图3所示。

图3 UIC道床与基床厚度计算示意图

按一般路基计算，E=55 cm，d=5 cm，a、b、c、f均为 0,所以 道床e=60 cm，稍大于中标30+20=50 cm。

UIC底碴层②直接覆盖路基基床④，基床不再区分表层。中标底碴淹没在面碴内，特设60 cm基床表层也能起到相应UIC底碴层②的支撑过渡作用。且合计厚度60+50=110 cm远大于e=60 cm。

对应于基床厚度ef值UIC需个别计算。德标DS836.0501[4]规定 P160/M160/G120/R120有碴轨道基床厚度≥1.50 m，原05规范[2]60介绍1.3 m。中标对应取1.9 m，均可满足。

一般UIC采用：①道碴+②底碴覆盖层50～60 cm+防水层土工布（可选）+④基床150 cm（德）。

对比看出，而05规范所要求的各结构层厚度及合计厚度,均满足且大于UIC要求。

图2可见UIC[3]37中的③Track-bed layers道床层包含①Ballast道碴加②Blanket layer底碴覆盖层。其底碴覆盖层②下面设置防水层（土工布或沥青）用于防水和隔离，UIC标准[3]37,48,75中属于可选择性要求。

两者对道床基床共同的设计原则是：基床结构承受和传递着列车、轨道和道床的荷载应力，并满足排水要求。基床有足够的强度，用以抵抗列车荷载产生的动静应力而不使基床破坏；基床具有足够的刚度，能避免形成过大的不均匀下沉而造成轨道不平顺；基床弹性变形应满足列车高速走行的安全性和舒适性要求，同时还能保障道床的稳固；基床具有良好的排水性，防止雨水浸入造成路基土软化，进而发生翻浆冒泥等病害。

1.4 路基表层填料标准的研讨

由于本项目签订时间比较早，从勘探设计到项目实施到交工比较漫长，期间国内相关标准正处于更新过渡阶段，如何选择安全、可靠、成熟、先进、经济和适宜的设计标准，同时要满足相应欧标的要求，需要深入对比研究和协调沟通。

国内铁路相关标准规范由99系列，逐步更新过渡到2005系列，二者差异较大。

以《铁路路基设计规范》TB 10001—2005为例：05规范适用于“客货共线，客车最大时速160 km/h，货车120 km/h”， 而TB 10001—99规范[5]（简称99规范）适用于“最高行车速度140 km/h”，满足合同要求速度150 km/h似应只能就高不就低。而且05规范的发布通知中明确写到，99规范同时废止，其内容也不再有关于120 km/h的选项。由此给项目适宜标准的选择解释带来一些困惑，直至后续修订版本才解决。

关于Ⅰ级铁路基床表层填料的要求，05规范显然高于99规范（见表1）。99规范填料优先选用A，其次为B。05规范中Ⅰ级铁路基床表层填料应选用A料，可用级配碎石；而对应Ⅰ级铁路基床底层或Ⅱ级铁路基床表层降级后优先选用A，其次为B，同99规范。而99规范细粒土中的部分B组，在05规范则划归为C组，05规范对99规范的填料有多处的降级处分。这种双重标准的提高，在该项目则对工期、成本造成巨大的压力！

表1 I级铁路路基填筑材料要求

中标规定的填料分组与UIC有着较大的差别：《铁路路基设计规范》TB 10001—2005和 《铁路工程岩土分类标准》TB 10077—2001[6]规定普通填料按工程性能及级配特征分为A、B、C、D组填料，粒径或可压实性不满足相应部位要求的粗粒土可以进行物理改良，改善级配和细粒含量[7]34。

UIC_719R[3]14岩土分级是根据土壤的岩土性质和水文地质条件将岩土分为QS0、QS1、QS2、QS3四个质量等级，并对应不同的路基 承载力。其中QS0为“不合格料”（相当于中标的E、D组填料）——须挖除换填或采取土工织物加固；QS1为 “不良料”（部分相当于中标的C组填料）——在养护条件良好、排水顺畅或经改良后才能使用的填料；QS2为“一般料”（部分相当于中标的B组填料）；QS3为“优质料”（相当于中标的A、B组，级配碎石，级配砂砾石填料）。

综上所述，路基表层采用物理改良B料填筑，可以满足规范和对应路基承载力要求。并且设置路肩块进行结构加固，进一步提高基床表层承载及防冲刷能力。

2 路基表层改良B料的实施

2.1 路基表层填料改良的试验段验证

为确保改良B料的力学性能和基床表层的填筑质量，我们采用实验段方法，实地验证最佳的参配含量、最优机械组合和施工工艺。

在试验段中，分别按原设计标准掺入不同比例的人工碎石进行对照比较，分别用于几段路基表层填筑。各层的填筑压实度控制均采用同一标准，除孔隙率、地基系数外，还引入高速铁路使用的EV2与EVD指标，综合评价几段路基的物理力学性能。

经反复验证，改良前填料中2 mm以上的颗粒含量为56%，细粒含量为16%～18%，为砾石类土质细角砾，属B组。在最少掺入20%～25%的碎石情况下，填料改良后为砾石类含土细角砾，细粒含量为13%～15%，按UIC划分为QS2“一般料”。在级配不良的情况下，仍属B组，当级配良好时属A组。

UIC有碴轨道路基表层的EVD标准为50 MPa,EV2标准为120 MPa。

各试验段成果数据见表2。

表2 各试验段关键数据表

在各试验段的施工与碾压中，统一按照孔隙率不大于28%，地基系数大于150 MPa的指标进行碾压填筑，且各试验段的EVD均大于50 MPa，EV2均大于120 MPa。在达到同样的压实程度与基本相同的力学性能指标时，用各型改良B料施工的试验段，其施工难度与碾压遍数未有明显增加。且在掺入不少于20%碎石时，在级配合适时，改良B料有很大几率达到A组填料 （细粒含量小于15%，级配良好），符合中国铁路设计规范的要求，也符合且高于UIC的要求。

原设计路基基床表层排水措施是采用在表层底面位置铺设一层砂夹复合土工膜，考虑到填料变更为改良B料，渗水性较差，如果在非渗水土内部铺设复合土工膜防水效果会不佳。如果将土工膜铺设在路基基床表层顶面又容易出现土工膜老化失效现象。结合咨询的意见，试验段基床表层顶面设置一层3 cm厚的沥青细石表面处置封闭层进行防水和隔离，用以替代砂夹复合土工膜。封闭后经洒水试验验证，具有较好的防水效果，但其最终效果仍有待进一步长期观察。

2.2 路基表层填料改良方案实施

经试验段验证与优化计算，最终确定基床表层采用0.6 m厚改良B组填料（25%碎石+75%天然B组）填筑，颗粒粒径不得大于150 mm，细粒含量≤15%，细粒土指标：Ip≤10、WL≤40%。路基横断面见图4。

图4 路基横断面示意图

基床以下与基床底层均按分段分层作业法施工，基床表层填料按路拌法物理改良后分两层摊铺碾压，并严格按作业指导书要求增加检验指标（见前文）。

基床顶部沥青细石封闭层，用层铺法施工。

2.3 质量控制

路基基床表层施工质量严格按国标《铁路路基设计规范》及《铁路路基工程施工质量验收标准》[8]进行控制。

基床表层填筑时，取自取土场的天然填料，其细粒含量不得大于20%，2 mm以上颗粒含量不少于50%。同一取土场填料未发生明显变化时，每5 000 m3做一次筛分试验，用以验证天然填料的可用性。

路基基床表层改良B料，采用路拌法施工。碎石的掺入数量须过磅计量，不得按体积法估算掺入车数。改良后的B料，其细粒含量不应大于15%，否则及时调整碎石掺量。采用同一种规格碎石进行改良时，每5 000 m3做一次筛分、击实试验，用以验证改良B料的合规性。见图5。

图5 建议的改良B料筛分曲线（改良后为A组）

改良B料填筑时，应严格控制最优含水量，其施工含水量应控制在最优含水量的-3%—+2%范围内。

路基表层填筑压实质量控制指标见表3，表中各项指标应同时满足。

表3 改良B料填筑压实质量控制指标

基床表层分两层填筑，每层压实后的厚度不大于30 cm。第一层填筑，用孔隙率控制压实质量，孔隙率指标每100 m检查2个断面，每个断面检查左中右各1点；第二层填筑完毕后，除应满足孔隙率要求外，还应检测其他各项指标，其检验频率为每100 m检查2个断面，每个断面检查路基中间和边缘各2点。

3 结语与思考

阿卡铁路自2016年6月建成并正式开通运营，至今已有3年时间。通过正式运营实践检验，按此方案填筑的铁路路基，尚未出现病害及其他方面的质量问题，完全满足设计与使用要求。实践证明该技术方案是成功的，该作法降低了工程成本，加快了工期进度，并且为后期实施的拉伊铁路提供了最直接的经验借鉴。

通过第一个中国标准的海外铁路项目实施，我们认识到：第一，在全面理解掌握标准要求的基础上，一定要与当地的实际条件相结合。中国标准走出去，不能简单照搬，而应结合当地的人文自然实际情况，选择适宜标准，优化实施方案，以质量信誉为前提，综合测算成本、工期效益指标，最终实现业主满意和双赢。

第二，中国标准走出去，一定要加强与西方标准的交融，加强与国际咨询的沟通交流。阿卡项目从勘探设计到批图开工竣工，经历了多次对标研讨，最终找到了中欧标准之间的异同点，取得了满足标准的共识，双方技术人员的认识理念也得到了更新和提升，为中国标准走出去走向更远迈出扎实的一步。