哈齐铁路客运专线路基地段无砟轨道线间排水方案研究

张西泽

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

1 工程概况

哈齐铁路客运专线地处东北地区黑龙江省西南部与内蒙古、吉林三省区交会处，线路东起黑龙江省省会城市哈尔滨，向西北方向经肇东、安达、大庆至齐齐哈尔，线路全长280.893 km。哈齐客运专线设计行车速度为250 km/h，轨道结构采用CRTSⅠ型板式无砟轨道。

1.1 气象特征

沿线大部属于中温带亚湿润～亚干旱大陆性季风气候区。冬季严寒干燥漫长，夏季多雨凉爽，春、秋季干旱多风。沿线最冷月平均气温均低于－15℃，极端最低气温－39.3℃，属严寒地区。沿线各主要城市气象要素(1979年～2007年)见表1。

表1 沿线主要城市气象要素

1.2 无砟轨道设计情况

全线除哈尔滨、齐齐哈尔枢纽范围外均铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道，无砟轨道共计铺设271.8正线km。其中桥梁地段168.9 km，占无砟轨道长度的62.1%;路基地段 102.9km，占无砟轨道长度的37.9%。

CRTSⅠ型板式无砟轨道由钢轨、扣件、轨道板、水泥乳化沥青砂浆调整层、混凝土底座、凸形挡台及其周围填充树脂等组成，路基地段轨道结构高度为787 mm。见图1。

CRTSⅠ型板式无砟轨道是单元板式结构，轨道板沿线路纵向分块布置，通过凸形挡台实现纵横向限位，轨道板缝一般为70 mm;砂浆调整层通过灌注袋填充在轨道板和底座板中间，起支承调整和承力传力的作用;底座板为钢筋混凝土结构，沿线路纵向分段设置，路基地段一般每2～3块轨道板单元设置1处伸缩缝，缝内用聚乙烯泡沫塑料板填缝，并用嵌缝材料密封。

1.3 路基基床设计

无砟轨道地段路基基床表层厚度0.4 m，底层厚度2.3 m，总厚度2.7 m。基床表层采用级配碎石，底层及以下采用A、B组填料。为满足路基防冻胀要求，设计冻深范围内，要求填料粒径＜0.075 mm的细颗粒含量＜5%。

2 路基地段线间排水方式研究

由于轨道结构主体是钢筋混凝土，路基地段两线之间的积水无法通过基床表层自然流出，需要采取措施解决线间排水问题。从国内外铁路建设经验来看，无砟轨道线间排水有多种方式，本线地处东北严寒地区，需要结合气候条件等情况，选择或研究最优方案，尽量减少由于线间排水引起的路基冻胀，同时考虑对无砟轨道结构的影响。

2.1 国内外同类铁路排水方式简介

2.1.1 国外基本情况

德国铁路路基地段排水的主要措施是设置防水层，以避免水流直接渗入轨道结构下方。考虑到水流量较大时，仍可能会有少量雨水渗入下层，基床表层设计为可渗透层。直线地段采用两线之间填平，自轨道结构表面向两侧排水的方式;曲线地段采用集水井的方式，一般每隔50 m设置集水井，横向排水管埋设在防冻层下150 mm，排水管径一般为150 mm。如图2、图3所示。

图2 德国铁路线间排水示意(直线)

图3 德国铁路线间排水示意(曲线)

日本铁路路基地段排水的主要措施是在线路两侧纵向设侧沟，在多线、线间水无法排出的地段设线间纵向排水沟，在适当地点加设集水井，通过横向排水管与侧沟相连，并在侧沟和坡脚排水沟之间设横向排水管道，以防止坡面受水流冲刷。

2.1.2 国内铁路基本情况

京津城际铁路、京沪高铁、郑西客专等项目路基线间排水直线地段采用两线之间填平，自轨道板表面向两侧排水的方式，曲线地段采用集水井的方式。如图4、图5所示。

沪宁高速和成灌铁路等项目，路基线间排水不论是直线还是曲线地段均采用集水井的方式。

图4 直线地段线间封闭排水示意

图5 曲线地段集水井排水示意

哈大客专采用CRTSⅠ型板式无砟轨道，路基线间排水采用在底座板中设排水管的方式。如图6所示。

图6 横向排水管排水示意

2.2 哈齐客专排水方案研究

根据国内外铁路建设经验，路基地段一般采用线间设置集水井排水，或线间填平利用轨道结构表面向两侧排水2种方式。由于利用轨道结构表面排水的方式不适用于单元板式无砟轨道结构，因此该方案未考虑。结合哈齐客专实际工况，重点对线间设置集水井、底座设置排水管和底座间设置排水通道3个方案进行研究比选。

2.2.1 线间设置集水井方案

设计方案如图7所示。

图7 集水井方案示意

该方案在线间级配碎石顶部采用混凝土封闭，并设置纵坡。集水井设置在路基中心，用于汇集线间积水，一般沿纵向每50 m左右设置1个，采用钢筋混凝土结构;横向排水管设置在基床底层内或以下，同集水井联通，将集水井内的水排至路基两侧的排水系统。横向排水管由砂垫层和过水管组成，过水管一般采用HDPE管材，管径250 mm。

线间集水井是目前普遍采用的一种排水方式，但本线处于严寒地区，沿线最大冻深1.89～2.72 m，集水井底部流水面一般位于冻深0.25 m以下，集水井深度将达2.14～3.07 m。

该方案存在以下缺点。

(1)集水井深度位于基床表层以下，且集水井尺寸较大，线间设置集水井不但破坏了路基的整体性，还导致集水井附近冻胀范围扩大。集水井虽然位于冻结深度以下，但由于内部空气流通，依然存在冻害问题，积雪结冰冻胀不但影响排水效果，还会损害排水设施，漏水容易产生基床冻害，对路基及轨道结构造成不良影响，甚至危及行车安全。

(2)路基成形后开挖集水井易对既成路基造成破坏，如果先做集水井则附近填料压实困难，结合处为薄弱环节，易产生病害。

(3)本线低路堤和路堑段落约29.32 km，占无砟段落路基长度的28.5%。集水井排水管一般设置4%的排水坡，出水口比集水井底低0.268 m，因此低矮路基和路堑地段无排水出路，集水井和排水管施工困难。

(4)养护维修工作量大，集水井和排水管如果产生损坏，维护困难，且维修时影响行车，容易造成安全隐患。

2.2.2 底座内设置横向排水管方案

设计方案如图8所示。

图8 底座设排水管方案示意

该方案通过底座内预埋的横向排水管排水。排水管采用外径100 mm，壁厚为5 mm的不锈钢钢管。排水管设置间距根据计算确定，直线地段两线对应设置横向排水管，曲线地段仅在曲线内侧线路设置排水管，排水管横向坡度为2%。

线间级配碎石顶部用混凝土封闭，并设置纵坡。直线地段封闭层顶面以线路中心线为界向两侧设置2%的横向排水坡，曲线地段封闭层自曲线外侧混凝土底座向内侧混凝土底座设置2%的横向排水坡。封闭层与无砟轨道混凝土底座间采用塑料薄膜隔离，并用热沥青浇筑灌缝处理。横向排水管安装如图9所示。

图9 横向排水管安装示意

在每根钢管下坡位置处的混凝土底座之间设置混凝土横向挡水墙，挡水墙厚度(顺线路方向)200 mm，高度与横向排水管顶部平齐。相邻挡水墙之间的线间封闭层顶面应设置不小于2‰的纵坡，施工时纵坡结合线路纵坡进行设置。如图10所示。

该方案施工过程中不对基床造成损坏，同时避免了设置集水井可能引起的基床冻害。缺点如下。

图10 挡水墙和封闭层示意

(1)哈齐客专沿线气候寒冷，冬季长时间覆盖积雪，在线间积雪不能及时清除的情况下，排水管将被冻结封闭，不能发挥排水作用，同时引起管内冰雪冻胀，存在损坏轨道结构的隐患。特别是在长期运营后，不锈钢管受外界因素影响侵蚀损坏，冰雪冻胀将直接作用在底座混凝土内部，影响无砟轨道的耐久性。

(2)受底座厚度影响，排水管直径较小，容易被杂物堵塞，影响排水效果。

(3)以哈大客专为例，底座设置横向排水管间距为10～20 m，路基地段排水管设置数量较大，后期运营过程中，排水管如果产生堵塞或损坏，维修工作量大。

2.2.3 底座间设置横向排水通道方案(图11)

本方案用底座板之间的伸缩缝作为横向排水通道。

根据汇水面积计算，底座板每隔一定距离将伸缩缝加宽至100 mm，作为横向排水通道，并将对应位置的圆形凸台调整为2个半圆形凸台。排水通道处的底座板下设置钢筋混凝土搭板，左右线分别设置。搭板沿线路纵向长2 m，横向与底座板等宽，搭板表面设置2%的横向排水坡。

图11 底座间设排水通道方案示意(单位:mm)

线间级配碎石顶部用C25混凝土封闭，封闭层顶面设置不小于2‰的纵坡，纵坡宜结合线路纵坡进行设置，封闭层与底座板和搭板间采用塑料薄膜隔离，并用热沥青浇筑灌缝处理。

在排水通道下坡位置处的底座板之间设置横向混凝土挡水墙，挡水墙厚200 mm，高150 mm。如图12所示。

图12 挡水墙示意

底座间横向排水通道的上部空间是开放的，排水效果优于底座内设置排水管，一旦出现通道堵塞等情况，维修人员在轨道上面可以直接清除，维修简便。且由于其上部空间开放，当冰雪冻胀时不会作用于轨道结构，避免了对轨道结构产生损害的隐患。

本方案缺点是底座搭板需要在基床施工完成后再挖槽浇筑混凝土，增加了施工工序和施工难度。

2.2.4 投资分析

经测算，各方案每km工程投资情况见表2。

表2 线间排水工程投资

2.3 推荐方案

哈齐客专地处我国最北端，冬季漫长，气候条件恶劣。综合各方案分析，线间设集水井和底座内横向排水管方案会给路基基床结构及轨道结构带来隐患，而底座间横向排水通道方案不但可以避免上述问题，且工程投资相对最少。哈齐客专路基地段线间排水推荐采用底座拉开设置横向排水通道的方案。

3 线间排水设计

3.1 排水通道间距的确定

3.1.1 暴雨强度计算

哈齐客运专线经过哈尔滨、大庆、齐齐哈尔地区，各地区暴雨强度按《给水排水设计手册》第五册中推荐的计算公式分别为

式中 q——设计暴雨强度，L/(hm2·s);

P——设计重现期，采用10年;

t——设计降雨历时，min。

t=t1+mt2;t1为地面集水时间，取5 min;m为延缓系数，取2.0;t2为管内雨水流行时间，取0.62 min。

按上述公式计算的各地区暴雨强度分别为506、474、447(L/hm2·s)，最大降雨量在哈尔滨地区。为简化设计条件，统一设计标准，以下计算均以哈尔滨地区为例计算。

3.1.2 排水通道及间距的初步确定

横向排水通道设计为100 mm×240 mm矩形排水槽，分别穿越左右正线。哈齐客专正线设计线间距4.8 m，按线间雨水全部汇入线间排水(增加3 m宽)，按照上述计算的暴雨强度初步分析确定每80 m设置1处横向排水通道。

3.1.3 排水能力检算

雨水量采用如下公式计算

式中 Q——设计雨水量，L/s;

q——设计暴雨强度，L/(hm2·s);

ψ——径流系数，采用0.9;

F——汇水面积，hm2。

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

雨水重现期按10年，降雨历时5 min，计算80 m距离内雨水量为23.44 L/s。横向排水通道的合计排水能力计算为26.59 L/s，大于计算雨水量。

3.1.4 结论

通过上述计算，按线路纵向每不大于80 m设置1处100 mm×240 mm矩形排水通道，分别穿越左右正线，排水能力可以满足雨水排除要求。

3.2 工程措施

(1)一般地段底座板分段设置，每2块轨道板长度范围的底座板设置1处伸缩缝，伸缩缝宽20 mm，伸缩缝对应凸形挡台中心并绕过凸形挡台，缝内填充聚乙烯泡沫塑料板，并用聚氨酯密封。

(2)根据汇水面积计算，排水通道的间距不大于80 m即可满足排水要求，沿纵向每不大于8块轨道板的范围设置1处排水通道。

(3)排水通道处底座板伸缩缝调整为100 mm宽，圆形凸台调整为2个半圆形凸台。排水通道处的底座板下设置钢筋混凝土搭板，搭板沿线路纵向长2 m，横向与底座板等宽，表面设置2%的横向排水坡。搭板与底座板通过预埋钢筋联接，在排水通道内喷涂聚氨酯防水涂料。

(4)线间级配碎石顶部用沥青混凝土封闭，封闭层顶面设置不小于2‰的纵坡，将线间积水引至横向排水通道处，纵坡宜结合线路纵坡进行设置。在排水通道处设置3%横向排水坡，封闭层最小厚度100 mm。

(5)在排水通道下坡位置处的底座板之间设置横向混凝土挡水墙，挡水墙厚200 mm，高150 mm。

(6)线间封闭层与底座板和搭板间采用塑料薄膜隔离，并采用热沥青灌缝处理;封闭层沿纵向每5 m左右设置横向切缝，深50～70 mm，顶部采用热沥青灌缝处理。

(7)施工时应对线间填充做好顺坡，避免施工完成后出现积水滞水等现象。

4 结语

根据经验，路基地段一般采用线间设置集水井排水或者利用轨道结构表面向两侧排水2种方式。结合哈齐客运专线工程条件，提出了利用底座伸缩缝做横向排水通道的方式，该方案最大程度地减少了排水设施对路基本体和轨道结构耐久性的不利影响，为严寒地区其他单元式无砟轨道线间排水设计提出了借鉴。

［1］铁道第三勘察设计院集团有限公司.哈尔滨至齐齐哈尔铁路客运专线初步设计［R］.天津:铁道第三勘察设计院集团有限公司，2009.

［2］中华人民共和国铁道部.新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定［S］.北京:中国铁道出版社，2006.

［3］中华人民共和国铁道部.TB10082—2005 铁路轨道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［4］北京市市政工程设计研究总院.给水排水设计手册－城镇排水［M］.中国建筑工业出版社2002.

［5］中华人民共和国住房和城乡建设部、中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50010—2010 混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［6］中华人民共和国铁道部.TB10005—2010 铁路混凝土结构耐久性设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2011.

［7］中华人民共和国铁道部.TB10424—2010 铁路混凝土工程施工质量验收标准［S］.北京:中国铁道出版社，2011.

［8］中华人民共和国铁道部.高速铁路轨道工程施工技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2011.

［9］中华人民共和国铁道部.TB10754—2010 高速铁路轨道工程施工质量验收标准［S］.北京:中国铁道出版社，2011.

［10］中华人民共和国铁道部.TB10621—2009 高速铁路设计规范(试行)［S］.北京:中国铁道出版社，2010.

［11］辛学忠.德国铁路无砟轨道分析及建议［J］.铁道标准设计，2005(2):1-6.

［12］刘洋，赖紫辉.武广铁路客运专线无砟轨道路基工程接口设计［J］.铁道标准设计，2010(1):192-196.