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摘要：纵观世界交通运输体系的发展，重载化已成为未来铁路货物运输发展的主导方向，因其运量大、效率高、成本低而受到各国的广泛重视。要求路基基床具有足够的强度，满足一定变形，把动变形和累积残余变形控制在允许范围内，还要使基床具有均一的弹性，因此对基床的要求要高于普通线路。随着列车重量大幅度增加和行车密度进一步提高，对重载铁路路基基床结构的要求也进一步提高，如何提高路基的承载能力和稳定性，强化基床结构，减少基床病害的发生，已成为重载铁路发展中亟待解决的重要问题。本文针对国内外现有重载铁路路基结构形式与技术标准做进一步深入对比研究。
关键词：重载铁路；路基基床；路基结构
0 引言
重载铁路具有运输能力、经济和社会效益等显着特点，逐渐成为各国货运铁路主要发展方向。重载铁路最早于20世纪20年代出现在美国，目前已广布俄罗斯、巴西、澳大利亚、南非、瑞典等国家。相较而言，中国重载铁路整体发展相对滞后。1992年底大秦铁路建成通车，正式标志中国跻身重载铁路国家。
相比普通铁路与高速铁路，重载铁路“亿万次”循环列车荷载作用下路基的动力变形特性更为显着。为保证重载铁路运营期列车运行的平稳性和安全性，对轨下系统的状态及长期使用性能提出更为严格的要求。由于轨下系统的复杂性和不可测性，对重载铁路长期使用性能评价等问题将成为未来一段时间研究的重点和难点。填料作为路基结构主要组成部分，其工程特性与路基长期工作性能密切相关[1]。
1 研究目的与意义
重载线路与一般线路的主要差别在于其运量大且车流密度高，从而使铁路路基所承受的动载强度及疲劳作用[1]加大，基床变形、轨道恶化加快；与此同时由于列车行车间隙减小，不可能有足够的时间进行养护，因此重载铁路路基必须对其基床结构采取一系列特殊要求，在填料组成、强度、刚度、稳定性等方面高于普通线路，以满足路基的整体稳定性、平顺性和安全性。重载铁路路基的技术原则所强调的是保证路基的整体稳定，同时在行车运营期间路基包括地基的变形应不超过轨道结构运行安全和养护条件所允许的变形界限。基床部分须具备适宜的土质和足够的强度以及有效的排水、防冻系统，以确保在可能的最不利水文、气候变化的影响条件和重载列车动载的重复作用下，不发生轨道变形、路基失稳、道碴陷槽以及翻架冒泥、冻害、挤出等基床病害。基床作为路基的基础，其强度、刚度、稳定性以及在运营条件下使线路轨道参数保持在允许的标准范围之内，是确保重载列车高速、安全、平顺运行的前提条件，有助于提高线路上部构件的效能和延长其使用寿命，所以基床是重载铁路路基结构重要的关键部位，其主要作用如下：
（1）基床具有满足列车行进和路基稳定的足够强度，可以有效地抵抗列车动力荷载作用下对基床的破坏，能够抵抗道昨碎石因挤压进入基床土中，从而防止道砟凹陷等病害的形成，在路基填筑施工时能够承受重型机械车辆的走行而不至于形成印坑，避免留下安全隐患。
（2）基床具有满足保持路基整体变形的足够刚度，在列车的重复荷载作用下，使得塑性累积变形减至最小，有效地避免因动力荷载作用形成过大的路基不均匀沉降而造成轨道的不平顺，减少养护维修的频率；同时，基床的弹性变形可以满足列车高速走行的安全性要求，保障道床的稳固。
（3）基床具有良好的排水性，能防止雨水侵入造成路基土软化，防止发生翻衆冒泥等病害[2]。
（4）在可能发生冻害的地区，基床还有防冻等特殊作用，保护路基结构的整体稳固性。
2 国内外研究现状
重载铁路界定经历漫长过程。世界重载铁路协会于1986年、1994年和2005年先后3次对重载铁路评价指标进行完善，确定重载铁路评价指标必须至少满足以下标准中的两条：①列车质量≥8000吨；②货车轴重≥27吨；③在长度≥150公里线路上，年货运总量≥4000万吨。国际重载铁路协会前后3次修订重载铁路评价指标，最显着是重载货车轴重不断增加（20t、25t和27t），反映了重载铁路运输技术水平的不断发展和提高。
我国最新（2017/5/1）颁布实施《重载铁路设计规范》（TB 10652-2017）确定重载铁路评
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图1重载铁路标准变化图
价指标必须至少满足以下标准中的两条：①牵引质量≥8000t；②轴重≥270kN；③在至少150km线路区段上年运量大于40Mt。可见，我国《重载铁路设计规范》（TB 10652-2017）中对“重载铁路界定”标准与世界重载铁路协会界定标准一致。
20世纪50年代，西方发达国家开始出现铁路重载运输。20世纪60年代中后期开始，随列车车钩强度、冲动控制、机车配制、同步操纵及可靠制动等一系列技术问题相继解决，铁路重载运输取得实质性进展，突显生产能力、技术经济优势，美国、加拿大、苏联、澳大利亚、巴西等国家相继修建重载铁路。20世纪80年代后，材料工艺及电子信息技术突飞猛进，重载铁路在牵引动力、车辆大型化、同步操作、制动技术等方面均取得新的突破，从而为重载运输迎来了新的发展。
我国重载铁路发展起步较晚。20世纪80年代，在借鉴国外重载铁路运输经验、引进国外先进技术基础上，结合现有铁路运输现状，选择以煤炭运输紧张线路作为重载铁路运输试点[3]。我国首条重载铁路大秦线全长653km，运营初期列车轴重21吨，最大牵引总量1万吨，年运营量1亿吨；2007年实现年运量3亿吨，列车轴重25吨，最大单车载重2万吨，日开行49对列车；2014年运行列车最大轴重27吨，年运量达到4.5亿吨。第二条重载铁路朔黄线全长590km，2013年首次开行30吨轴重2.5万吨重载列车，设计近期年运量3.5亿吨，远期年运量4.5亿吨。瓦日重载铁路全长1259.836km，实现了列车轴重30吨关键技术攻关，列车设计速度120km/h，年设计运货量2亿吨。2014年4月，在北同蒲线袁树林站到大秦线柳树南站之间3万吨重载列车运行试验圆满成功，实现了我国铁路重载列车牵引重量从2万吨到3万吨的跨跃，使我国成为世界上仅有几个掌握3万吨铁路重载技术的国家之一，这是我国铁路重载技术创新的重大突破。
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图2重载铁路轴重对比图
表1和表2为国外及我国重载铁路主要线路统计表。由表1.2-1和表1.2-2可知：国外重载铁路部分线路运行轴重已超国际最低标准27吨，如澳大利亚纽曼山铁路线已达40吨；南非OREX铁路线运行轴重高达50-60吨；巴西维多利亚铁路和卡拉亚斯铁路运行轴重也达到30吨以上。相比而言，我国重载铁路线运营轴重多为25吨和27吨，等于或低于国际列车轴重标准。其中瓦日线按照轴重30段标准建设，为我国轴重30吨重载铁路综合实验基地，与朔黄线一起正处于轴重30吨列车线路运营技术攻坚与相关成果整理阶段。
表1 国外重载铁路主要线路基本信息汇总表
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表2中国重载铁路主要线路基本信息汇总表
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综上可知：我国重载铁路发展整体滞后于西方发达国家；近年来，通过不断地扩大重载列车开行数量和提高重载货车运量，我国重载铁路技术已得到很大提高；我国大秦线、朔黄线和瓦日线等重载铁路线运行轴重25-27吨，对于轴重30吨线路仍处于技术攻关及完善阶段，进一步提升轴重是我国重载铁路今后发展主要方向之一。
3重载铁路路基基床结构性能研究
世界经济的快速发展，重载运输的迅速起使得对重载线路强度要求更为严格，路基的稳定性、安全性、耐久性等方面的问题迫切需要解决，以满足重载机车反复运行、高效运载的需求[4]。
结合目前国际重载运输技术的发展步伐，分析现己存在的重载铁路干线路基基床结构特性，选取设计理念和技术水平较为先进国家作为研究对象，其中亚洲的日本、欧洲的德国、法国在重载运输技术方面占有世界性的主导地位，其铁路基床研究设计水平达到了一个新的高度。为了更全面地了解认识重载铁路路基基床结构特性，下面分别对亚洲的日本、欧洲的德国、法国的基床结构设计情况做简述。
（1）亚洲重载运输技术起步较早的国家是日本[3]源于此国经济体制的改革和科技产业的扩张迫切要求发展大运量的铁路技术以满足内外需求。日本重载铁路路基结构具有层次明显，各层之间衔接良好，多种材料混合使用的特点。
基床结构是由基床表层和上部填土基床底层两部分组成，基床以下则通过下部填土与地基层连接；其中，基床表层指的是道床下面直接承载轨道的塾层，上部填土指的是基床表面以下以内的部分，详见图3。根据填料组成的不同基床表层又可分为强化基床表层和土基床表层两种；强化基床表层按材质的类型分为碎石基床表层和水硬性矿碴基床表层[5]。基床表层填料的选择主要考虑线路区间的货运量、工程造价及重要程度，包括的材料有：①沥青混凝土，要求为加热混合式的粗骨料拌制；②级配碎石，选材时不应含有片石、软石、条石、脆石等，要求坚硬耐久、比重在2.45以上；③矿渣碎石，应选用经过级配的MS和MHS，要求不含有有机物、条状片状碎石、硫化物等有害物质；④土基床表层材料的选择，一般采用优质天然上或者统货碎石，其厚度根据基床刚度、轨道结构和速度等因素确定，压实系数达95%以上。
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图3重载铁路路基基床结构图（单位：m）
上部填土即基床底层是列车荷载作用较大的域，承受轨道、道床传递的动应力作用明显，填土材料的选择须具体合理的弹性便于有效地缓冲动力荷载的冲击[6]。可以适用的上质有：A类、B类、经过砂化处理的C、D1、V类粗粒土或经过处理的细粒上，控制指标方面除要求压实系数在90%以上，还对含气率有明确要求。
（2）欧洲重载运输技术发展较早的国家有德国、法国等，伴随着工业革命的进程、经济的复苏，铁路运输成为主要的货物进出口渠道，发展重载运输是必然课题。这些国家的重载铁路路基结构具有多种层次、分布复浓、材料高强度等特点[7]。
德国重载铁路路基基床结构分为路基保护层、防冻层、填筑路堤层、地基过渡层，其中防冻层的主要作用为保护路基冻害的发生，增强基床抗冻性能；地基过渡层是为了更好地与地基土衔接过度。对于无碴轨道，与有磁轨道在路基结构的技术要求方面基木一致，其关键的技术是采用水硬性胶结层代替保护层。
路基保护层和防冻层被视作为基床表层，其中有磁轨道分为路基保护层和防冻层，无磁轨道分为水硬性胶结层和防冻层；这两层的厚度要根据线路类别和防冻要求确定。之所以采用这样的设计思想，主要考虑到路基刚度自上而下逐渐减小的变化规律，满足使用功能，降低成木。填筑路堤层和地基过渡层相当于我国的基床底层，主要选择混合型和细粒土作为填筑材料，含气率控制在12%以内，同时要求压实系数、变形模量的控制，这与线路等级和填料的种类有关。
法国重载铁路路基的设计思想和德国有些类似，均为多层次分布形态。基床结构比较特殊，是放在道碴层和路基层之间的调整层即垫层，根据其下部的路基类型呈单层或多层分布，详见图。垫层的主要作用是起到保护路基的上部结构免受道碴压伤和雨水的侵烛、保护路基不受冻害影响、使传输过来的荷载均匀分布、使路基上部的荷载应力在承载力的允许范围内等，其厚度与路基种类和路基表面应力有关，另外还应根据路基等级、运量、轴重和养护情况综合确定。
根据垫层作用的不同呈现多层组成结构，其中包含：①碴垫层，由级配纯烁石组成，压实系数须大于等于1.0；在任何情况下都需要铺设碴垫层，即便是石质路基，此时它为平整层用来减少路基的刚性；碴垫层的厚度随运输条件、轨枕类型和路基类型不同而变化。②底基层，由级配纯碌石构成，压实系数高达0.95；当纯土方工程全部完成时，施工机械可以在底基层上行驶；根据需要若在土质优良的地区，可不设底基层。③防污染层，可以用一层纯砂铺设，也可以加一层合成链垫铺设；需要说明的是如果釆用链塾铺设，则可以铺在路基表层，当路基表层含有扎坏或磨坏该层链塾的成分，则应把该链垫铺在砂层中间[8]。
4国内重载铁路路基基床结构形式研究
我国重载铁路路基基床结构分为基床表层和基床底层两部分，是在我国传统铁路路基设计基础上延伸过来的，针对速度低、人员费用低、经济技术不很发展情况下制定的，已不能完全满足重载铁路发展的需求。基床填料选型方面是按照我国现行《铁路路基设计规范》（TB10001-1999）中相关指标执行，很难满足重载运输在基床强度、刚度、稳定性等技术要求[9]。
基床表层填料的选型根据工程地质及设计情况而定，须符合规范要求：①优先选用A组填料，其次选用B组填料，选择填料的颗粒粒径不能大于150mm；②当缺乏A组填料时，可选用级配砂烁石或者B组填料中的砂粘土，且其液限不得大于32%，塑性指数不得大于12；不得不使用C组填料时，应选择细粒土中的粉土、粉粘土或者细粒土中含量大于30%的碎石土、圆碌土和卵石土，且在平均降水量大于500mm地区，液限不得大于32%，塑性指数不得大于12；④对于不符合以上规范要求的填料时，须采取土质改良措施加以控制，并且严禁使用D、E组填料作为基床表层填料。基床底层填料的选择较为宽松，可选用A组、B组或C组填料，当不得不使用D组填料时，须釆用加固或改良措施[10]。
基床的压实标准控制指标较为简单，对于细粒土和粘砂、粉砂釆用压实系数或地基系数作为控制指标；对粗粒土粘砂、粉砂除外釆用相对密度或地基系数作为控制指标；对碎石类土和块石类混合料釆用地基系数作为控制指标。
5结论与探讨
鉴于对国内外重载铁路路基基床的特性研究，认识到我国重载铁路路基基床在设计理念和技术强化方面均落后于国外：基床结构单一，难以达到对线路纵向刚度的一致性要求；基床填料选型简单且单指标控制；基床强度较低，易引起基床蠕动变形，影响路基的稳定性；基床病害防控措施薄弱，难以抵抗冻胀变形破坏、土性和水文地质等不利条件。随着列车重量大幅度增加和行车密度进一步提高，对重载铁路路基基床结构的要求也进一步提高，迫切需要提高路基的承载能力和稳定性，强化基床结构，减少基床病害的发生。
（1）考虑到目前国内重载铁路的运营现状，在基床结构设计方面与发到国家相比还存在一定的差距，其技术控制指标需进一步严格、完善。
（2）可以建立重载铁路轨道一路基系统三维模型，利用有限元软件进行较为真实的模拟。
（3）合理的分析重载铁路路基基床结构的力学性能对研究路基的稳定性、抵抗变形能力、防止病床灾害等因素提供可靠有力依据，极大力度地保证了重载列车的安全高效运行，这需要不断的完善理论、实践探索。
参考文献：
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（作者简介：方玮（1995-），男，汉族，安徽安庆，本科，助理工程师，铁路工程地质及路基，857125584@qq.com）