張西澤

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300142)

1 工程概況

哈齊鐵路客運專線地處東北地區(qū)黑龍江省西南部與內(nèi)蒙古、吉林三省區(qū)交會處，線路東起黑龍江省省會城市哈爾濱，向西北方向經(jīng)肇東、安達、大慶至齊齊哈爾，線路全長280.893 km。哈齊客運專線設(shè)計行車速度為250 km/h，軌道結(jié)構(gòu)采用CRTSⅠ型板式無砟軌道。

1.1 氣象特征

沿線大部屬于中溫帶亞濕潤～亞干旱大陸性季風氣候區(qū)。冬季嚴寒干燥漫長，夏季多雨涼爽，春、秋季干旱多風。沿線最冷月平均氣溫均低于－15℃，極端最低氣溫－39.3℃，屬嚴寒地區(qū)。沿線各主要城市氣象要素(1979年～2007年)見表1。

表1 沿線主要城市氣象要素

1.2 無砟軌道設(shè)計情況

全線除哈爾濱、齊齊哈爾樞紐范圍外均鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無砟軌道，無砟軌道共計鋪設(shè)271.8正線km。其中橋梁地段168.9 km，占無砟軌道長度的62.1%;路基地段 102.9km，占無砟軌道長度的37.9%。

CRTSⅠ型板式無砟軌道由鋼軌、扣件、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿調(diào)整層、混凝土底座、凸形擋臺及其周圍填充樹脂等組成，路基地段軌道結(jié)構(gòu)高度為787 mm。見圖1。

CRTSⅠ型板式無砟軌道是單元板式結(jié)構(gòu)，軌道板沿線路縱向分塊布置，通過凸形擋臺實現(xiàn)縱橫向限位，軌道板縫一般為70 mm;砂漿調(diào)整層通過灌注袋填充在軌道板和底座板中間，起支承調(diào)整和承力傳力的作用;底座板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，沿線路縱向分段設(shè)置，路基地段一般每2～3塊軌道板單元設(shè)置1處伸縮縫，縫內(nèi)用聚乙烯泡沫塑料板填縫，并用嵌縫材料密封。

1.3 路基基床設(shè)計

無砟軌道地段路基基床表層厚度0.4 m，底層厚度2.3 m，總厚度2.7 m。基床表層采用級配碎石，底層及以下采用A、B組填料。為滿足路基防凍脹要求，設(shè)計凍深范圍內(nèi)，要求填料粒徑＜0.075 mm的細顆粒含量＜5%。

2 路基地段線間排水方式研究

由于軌道結(jié)構(gòu)主體是鋼筋混凝土，路基地段兩線之間的積水無法通過基床表層自然流出，需要采取措施解決線間排水問題。從國內(nèi)外鐵路建設(shè)經(jīng)驗來看，無砟軌道線間排水有多種方式，本線地處東北嚴寒地區(qū)，需要結(jié)合氣候條件等情況，選擇或研究最優(yōu)方案，盡量減少由于線間排水引起的路基凍脹，同時考慮對無砟軌道結(jié)構(gòu)的影響。

2.1 國內(nèi)外同類鐵路排水方式簡介

2.1.1 國外基本情況

德國鐵路路基地段排水的主要措施是設(shè)置防水層，以避免水流直接滲入軌道結(jié)構(gòu)下方。考慮到水流量較大時，仍可能會有少量雨水滲入下層，基床表層設(shè)計為可滲透層。直線地段采用兩線之間填平，自軌道結(jié)構(gòu)表面向兩側(cè)排水的方式;曲線地段采用集水井的方式，一般每隔50 m設(shè)置集水井，橫向排水管埋設(shè)在防凍層下150 mm，排水管徑一般為150 mm。如圖2、圖3所示。

圖2 德國鐵路線間排水示意(直線)

圖3 德國鐵路線間排水示意(曲線)

日本鐵路路基地段排水的主要措施是在線路兩側(cè)縱向設(shè)側(cè)溝，在多線、線間水無法排出的地段設(shè)線間縱向排水溝，在適當?shù)攸c加設(shè)集水井，通過橫向排水管與側(cè)溝相連，并在側(cè)溝和坡腳排水溝之間設(shè)橫向排水管道，以防止坡面受水流沖刷。

2.1.2 國內(nèi)鐵路基本情況

京津城際鐵路、京滬高鐵、鄭西客專等項目路基線間排水直線地段采用兩線之間填平，自軌道板表面向兩側(cè)排水的方式，曲線地段采用集水井的方式。如圖4、圖5所示。

滬寧高速和成灌鐵路等項目，路基線間排水不論是直線還是曲線地段均采用集水井的方式。

圖4 直線地段線間封閉排水示意

圖5 曲線地段集水井排水示意

哈大客專采用CRTSⅠ型板式無砟軌道，路基線間排水采用在底座板中設(shè)排水管的方式。如圖6所示。

圖6 橫向排水管排水示意

2.2 哈齊客專排水方案研究

根據(jù)國內(nèi)外鐵路建設(shè)經(jīng)驗，路基地段一般采用線間設(shè)置集水井排水，或線間填平利用軌道結(jié)構(gòu)表面向兩側(cè)排水2種方式。由于利用軌道結(jié)構(gòu)表面排水的方式不適用于單元板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，因此該方案未考慮。結(jié)合哈齊客專實際工況，重點對線間設(shè)置集水井、底座設(shè)置排水管和底座間設(shè)置排水通道3個方案進行研究比選。

2.2.1 線間設(shè)置集水井方案

設(shè)計方案如圖7所示。

圖7 集水井方案示意

該方案在線間級配碎石頂部采用混凝土封閉，并設(shè)置縱坡。集水井設(shè)置在路基中心，用于匯集線間積水，一般沿縱向每50 m左右設(shè)置1個，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);橫向排水管設(shè)置在基床底層內(nèi)或以下，同集水井聯(lián)通，將集水井內(nèi)的水排至路基兩側(cè)的排水系統(tǒng)。橫向排水管由砂墊層和過水管組成，過水管一般采用HDPE管材，管徑250 mm。

線間集水井是目前普遍采用的一種排水方式，但本線處于嚴寒地區(qū)，沿線最大凍深1.89～2.72 m，集水井底部流水面一般位于凍深0.25 m以下，集水井深度將達2.14～3.07 m。

該方案存在以下缺點。

(1)集水井深度位于基床表層以下，且集水井尺寸較大，線間設(shè)置集水井不但破壞了路基的整體性，還導致集水井附近凍脹范圍擴大。集水井雖然位于凍結(jié)深度以下，但由于內(nèi)部空氣流通，依然存在凍害問題，積雪結(jié)冰凍脹不但影響排水效果，還會損害排水設(shè)施，漏水容易產(chǎn)生基床凍害，對路基及軌道結(jié)構(gòu)造成不良影響，甚至危及行車安全。

(2)路基成形后開挖集水井易對既成路基造成破壞，如果先做集水井則附近填料壓實困難，結(jié)合處為薄弱環(huán)節(jié)，易產(chǎn)生病害。

(3)本線低路堤和路塹段落約29.32 km，占無砟段落路基長度的28.5%。集水井排水管一般設(shè)置4%的排水坡，出水口比集水井底低0.268 m，因此低矮路基和路塹地段無排水出路，集水井和排水管施工困難。

(4)養(yǎng)護維修工作量大，集水井和排水管如果產(chǎn)生損壞，維護困難，且維修時影響行車，容易造成安全隱患。

2.2.2 底座內(nèi)設(shè)置橫向排水管方案

設(shè)計方案如圖8所示。

圖8 底座設(shè)排水管方案示意

該方案通過底座內(nèi)預埋的橫向排水管排水。排水管采用外徑100 mm，壁厚為5 mm的不銹鋼鋼管。排水管設(shè)置間距根據(jù)計算確定，直線地段兩線對應設(shè)置橫向排水管，曲線地段僅在曲線內(nèi)側(cè)線路設(shè)置排水管，排水管橫向坡度為2%。

線間級配碎石頂部用混凝土封閉，并設(shè)置縱坡。直線地段封閉層頂面以線路中心線為界向兩側(cè)設(shè)置2%的橫向排水坡，曲線地段封閉層自曲線外側(cè)混凝土底座向內(nèi)側(cè)混凝土底座設(shè)置2%的橫向排水坡。封閉層與無砟軌道混凝土底座間采用塑料薄膜隔離，并用熱瀝青澆筑灌縫處理。橫向排水管安裝如圖9所示。

圖9 橫向排水管安裝示意

在每根鋼管下坡位置處的混凝土底座之間設(shè)置混凝土橫向擋水墻，擋水墻厚度(順線路方向)200 mm，高度與橫向排水管頂部平齊。相鄰擋水墻之間的線間封閉層頂面應設(shè)置不小于2‰的縱坡，施工時縱坡結(jié)合線路縱坡進行設(shè)置。如圖10所示。

該方案施工過程中不對基床造成損壞，同時避免了設(shè)置集水井可能引起的基床凍害。缺點如下。

圖10 擋水墻和封閉層示意

(1)哈齊客專沿線氣候寒冷，冬季長時間覆蓋積雪，在線間積雪不能及時清除的情況下，排水管將被凍結(jié)封閉，不能發(fā)揮排水作用，同時引起管內(nèi)冰雪凍脹，存在損壞軌道結(jié)構(gòu)的隱患。特別是在長期運營后，不銹鋼管受外界因素影響侵蝕損壞，冰雪凍脹將直接作用在底座混凝土內(nèi)部，影響無砟軌道的耐久性。

(2)受底座厚度影響，排水管直徑較小，容易被雜物堵塞，影響排水效果。

(3)以哈大客專為例，底座設(shè)置橫向排水管間距為10～20 m，路基地段排水管設(shè)置數(shù)量較大，后期運營過程中，排水管如果產(chǎn)生堵塞或損壞，維修工作量大。

2.2.3 底座間設(shè)置橫向排水通道方案(圖11)

本方案用底座板之間的伸縮縫作為橫向排水通道。

根據(jù)匯水面積計算，底座板每隔一定距離將伸縮縫加寬至100 mm，作為橫向排水通道，并將對應位置的圓形凸臺調(diào)整為2個半圓形凸臺。排水通道處的底座板下設(shè)置鋼筋混凝土搭板，左右線分別設(shè)置。搭板沿線路縱向長2 m，橫向與底座板等寬，搭板表面設(shè)置2%的橫向排水坡。

圖11 底座間設(shè)排水通道方案示意(單位:mm)

線間級配碎石頂部用C25混凝土封閉，封閉層頂面設(shè)置不小于2‰的縱坡，縱坡宜結(jié)合線路縱坡進行設(shè)置，封閉層與底座板和搭板間采用塑料薄膜隔離，并用熱瀝青澆筑灌縫處理。

在排水通道下坡位置處的底座板之間設(shè)置橫向混凝土擋水墻，擋水墻厚200 mm，高150 mm。如圖12所示。

圖12 擋水墻示意

底座間橫向排水通道的上部空間是開放的，排水效果優(yōu)于底座內(nèi)設(shè)置排水管，一旦出現(xiàn)通道堵塞等情況，維修人員在軌道上面可以直接清除，維修簡便。且由于其上部空間開放，當冰雪凍脹時不會作用于軌道結(jié)構(gòu)，避免了對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損害的隱患。

本方案缺點是底座搭板需要在基床施工完成后再挖槽澆筑混凝土，增加了施工工序和施工難度。

2.2.4 投資分析

經(jīng)測算，各方案每km工程投資情況見表2。

表2 線間排水工程投資

2.3 推薦方案

哈齊客專地處我國最北端，冬季漫長，氣候條件惡劣。綜合各方案分析，線間設(shè)集水井和底座內(nèi)橫向排水管方案會給路基基床結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)帶來隱患，而底座間橫向排水通道方案不但可以避免上述問題，且工程投資相對最少。哈齊客專路基地段線間排水推薦采用底座拉開設(shè)置橫向排水通道的方案。

3 線間排水設(shè)計

3.1 排水通道間距的確定

3.1.1 暴雨強度計算

哈齊客運專線經(jīng)過哈爾濱、大慶、齊齊哈爾地區(qū)，各地區(qū)暴雨強度按《給水排水設(shè)計手冊》第五冊中推薦的計算公式分別為

式中 q——設(shè)計暴雨強度，L/(hm2·s);

P——設(shè)計重現(xiàn)期，采用10年;

t——設(shè)計降雨歷時，min。

t=t1+mt2;t1為地面集水時間，取5 min;m為延緩系數(shù)，取2.0;t2為管內(nèi)雨水流行時間，取0.62 min。

按上述公式計算的各地區(qū)暴雨強度分別為506、474、447(L/hm2·s)，最大降雨量在哈爾濱地區(qū)。為簡化設(shè)計條件，統(tǒng)一設(shè)計標準，以下計算均以哈爾濱地區(qū)為例計算。

3.1.2 排水通道及間距的初步確定

橫向排水通道設(shè)計為100 mm×240 mm矩形排水槽，分別穿越左右正線。哈齊客專正線設(shè)計線間距4.8 m，按線間雨水全部匯入線間排水(增加3 m寬)，按照上述計算的暴雨強度初步分析確定每80 m設(shè)置1處橫向排水通道。

3.1.3 排水能力檢算

雨水量采用如下公式計算

式中 Q——設(shè)計雨水量，L/s;

q——設(shè)計暴雨強度，L/(hm2·s);

ψ——徑流系數(shù)，采用0.9;

F——匯水面積，hm2。

排水通道的截面積=0.1 m×0.24 m×2=0.048 m2，近似折算成DN250管道(DN250截面積=0.125×0.125×3.14=0.049 m2)計算排水能力。

雨水重現(xiàn)期按10年，降雨歷時5 min，計算80 m距離內(nèi)雨水量為23.44 L/s。橫向排水通道的合計排水能力計算為26.59 L/s，大于計算雨水量。

3.1.4 結(jié)論

通過上述計算，按線路縱向每不大于80 m設(shè)置1處100 mm×240 mm矩形排水通道，分別穿越左右正線，排水能力可以滿足雨水排除要求。

3.2 工程措施

(1)一般地段底座板分段設(shè)置，每2塊軌道板長度范圍的底座板設(shè)置1處伸縮縫，伸縮縫寬20 mm，伸縮縫對應凸形擋臺中心并繞過凸形擋臺，縫內(nèi)填充聚乙烯泡沫塑料板，并用聚氨酯密封。

(2)根據(jù)匯水面積計算，排水通道的間距不大于80 m即可滿足排水要求，沿縱向每不大于8塊軌道板的范圍設(shè)置1處排水通道。

(3)排水通道處底座板伸縮縫調(diào)整為100 mm寬，圓形凸臺調(diào)整為2個半圓形凸臺。排水通道處的底座板下設(shè)置鋼筋混凝土搭板，搭板沿線路縱向長2 m，橫向與底座板等寬，表面設(shè)置2%的橫向排水坡。搭板與底座板通過預埋鋼筋聯(lián)接，在排水通道內(nèi)噴涂聚氨酯防水涂料。

(4)線間級配碎石頂部用瀝青混凝土封閉，封閉層頂面設(shè)置不小于2‰的縱坡，將線間積水引至橫向排水通道處，縱坡宜結(jié)合線路縱坡進行設(shè)置。在排水通道處設(shè)置3%橫向排水坡，封閉層最小厚度100 mm。

(5)在排水通道下坡位置處的底座板之間設(shè)置橫向混凝土擋水墻，擋水墻厚200 mm，高150 mm。

(6)線間封閉層與底座板和搭板間采用塑料薄膜隔離，并采用熱瀝青灌縫處理;封閉層沿縱向每5 m左右設(shè)置橫向切縫，深50～70 mm，頂部采用熱瀝青灌縫處理。

(7)施工時應對線間填充做好順坡，避免施工完成后出現(xiàn)積水滯水等現(xiàn)象。

4 結(jié)語

根據(jù)經(jīng)驗，路基地段一般采用線間設(shè)置集水井排水或者利用軌道結(jié)構(gòu)表面向兩側(cè)排水2種方式。結(jié)合哈齊客運專線工程條件，提出了利用底座伸縮縫做橫向排水通道的方式，該方案最大程度地減少了排水設(shè)施對路基本體和軌道結(jié)構(gòu)耐久性的不利影響，為嚴寒地區(qū)其他單元式無砟軌道線間排水設(shè)計提出了借鑒。

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