中俄高速铁路路基主要技术标准对比研究

2019-07-27王心同王连俊

铁道标准设计 2019年8期

王心同，王连俊

(北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

中国高铁“走出去”战略是我国“一带一路”倡议下的重要组成部分，近年来我国在海外的高铁建设项目也在稳步推进，其中俄罗斯“莫斯科—喀山—叶卡捷琳堡”高速铁路干线的“莫斯科—喀山”段(以下简称莫喀高铁)作为中俄两国铁路合作的品牌项目与中国高铁海外的第一单为国内外所瞩目[1]。根据莫喀高铁设计专业技术条款[2]，莫喀高铁全线共长770 km，最大坡度24‰，设计速度400 km/h，为双线宽轨(1 520 mm)客货共线电气化铁路。莫喀高铁沿线地处东欧平原，地形以低地丘陵为主，全线桥隧比约为20%[3]，主体工程为土质路基。俄罗斯作为传统铁路大国，其铁路技术标准自成体系，特别是在冻土、软弱土路基方面有大量的工程实践经验和技术规范[4-5]；另一方面，我国在海外铁路建设的过程中，国内标准与建设项目所在国标准在标准组成、计算理论、条文释义等方面存在的兼容互通性问题越来越多[6-7]，因此有必要厘清中俄高速铁路路基主要技术标准的异同。通过对比分析增进我国工程学界对俄罗斯技术标准的了解，同时为中国企业今后参与俄罗斯高铁建设项目提供参考借鉴，更好地服务中国高铁“走出去”战略。

2017年由俄罗斯圣彼得堡国立交通大学牵头制定了《时速400 km“莫斯科—喀山—叶卡捷琳堡”高速铁路干线“莫斯科—喀山”段设计专业技术条款》，其中第三分册《路基技术标准与设计施工要求》[8]对莫喀高铁路基设计施工的主要技术标准做出了规定，同时俄罗斯也正在积极推动本国高速铁路路基设计与施工规范汇编的制订工作[9]；目前我国高速铁路路基设计主要依据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[10]和TB 10001—2016《铁路路基设计规范》[11]。主要结合以上相关技术规范，从计算荷载、路基结构、路基填料及压实标准、变形要求4个方面展开对比分析。

1 计算荷载

中国高速铁路特指“设计开行时速250 km以上(含预留)，初期运营时速200 km以上的标准轨距客运列车专线铁路”[12]，列车轴重一般不大于170 kN；而莫喀高铁为宽轨客货混跑线路，需满足设计时速达400 km的高速客运列车、时速200 km以上快速客运列车和特殊货运列车(集装箱式)同时通行，其中高速客运列车轴重最大不超过170 kN，快速客运列车与特殊货运列车的电力机车轴重最大取226 kN，普通列车轴重取210 kN[2]。莫喀高铁在设计时速、行车条件等方面比我国高速铁路情况复杂。

中俄标准下的路基面竖向设计荷载都采取均布荷载的形式，路基面荷载分布见图1。其中，中国标准将荷载分为轨道结构自重荷载q1、列车荷载q2和线间回填荷载q0三种类型，其中轨道结构荷载和列车荷载分布宽度b取值相同，线间回填均布荷载分布宽度b0取线间距与轨道与列车荷载分布宽度b的差值。我国标准根据高铁线路采取的不同轨道形式，对荷载的大小及分布宽度均给出了具体的数值规定[10-11]。

图1 路基面荷载分布(单位：m)

根据俄罗斯《高速铁路路基设计施工暂行规定(送审稿)》，俄罗斯标准仅考虑轨道结构荷载与列车荷载[13]：在有砟轨道条件下，将轨道结构荷载作为整体考虑，荷载大小取10.6 kPa，分布宽度按“线间距D+4.5 m”进行取值；列车荷载分布宽度取轨枕长度(俄罗斯Ш型混凝土枕)2.7 m[14]，均布荷载大小一般取100 kPa，约为我国标准相同轨道条件下列车均布荷载大小的2.7倍。无砟轨道条件下，列车荷载与轨道结构荷载定义为分布宽度b相同的两个独立叠加的均布荷载，其中轨道结构荷载的大小与分布宽度b取决于无砟轨道结构类型，列车均布荷载大小一般取60 kPa，约为我国标准相同轨道条件下列车均布荷载大小的1.5倍。

针对荷载在路基本体内的垂向应力分布，我国提出了应力分布沿路基深度的衰减规律和计算理论；俄罗斯基于弹性半空间理论计算路基面以下应力分布特征与规律，并规定路基面枕下3.5 m深度范围为路基工作区。

综上所述，相较我国标准，俄罗斯高速铁路列车通行条件更加复杂，列车荷载取值大于我国标准；两国标准的荷载形式、计算理论基本类同；在荷载分类上，俄罗斯标准没有考虑线间回填荷载，荷载分布宽度取值上比中国标准更加灵活。

2 路基结构

中俄标准下的路基结构均应按照土工结构物进行设计，相比中国标准，俄罗斯标准对高速铁路路基的组成部分做出了明确阐释[8]，其中包括：路基基床(保护层)，路堤、路堤边坡、路堤基底、路堑边坡、路堑基底、地表与土体水排水设施、加固支挡结构。以双线路堤标准横断面结构为例，从横断面形式、边坡坡度、基床结构三个方面对中俄标准在路基结构设计上的差异进行比较分析。

俄罗斯标准中，路基面结构统一为三角形，由路基面中心向两侧设置4%的横向排水坡。此规定与我国标准下有砟轨道路基面设计形状基本相同，同时按照我国标准，无砟轨道支承层(或底座)底部范围内路基面可水平设置，支承层(或底座)外侧路基面设置不小于4%的横向排水坡。此外，我国标准对有砟轨道路基两侧的路肩宽度做出了明确的规定(双线不小于1.4 m，单线不小于1.5 m)，并根据轨道类型、线路设计时速对标准路基面宽度给出了具体数值[9]。俄罗斯莫喀高铁路基面宽度B按下式计算确定[8]

B=D+G1+G2+2B0

式中D——双线线间距，m；

G1，G2——接触网支柱至一股道、二股道线路中心距离，m；

B0——接触网支柱到路基面路肩距离，m。

线间距是铁路线路的主要技术标准之一。高速铁路正线线间距主要考虑高速列车交会时的空气动力作用对列车运行的安全性与乘客的舒适性的影响，中俄高速铁路双线线间距均取决于线路设计时速，线间距设计参数对比见表1。

表1 中俄高速铁路双线线间距设计参数对比

高速铁路路基边坡形式与坡度应满足路基强度与稳定性要求，中俄两国标准下路堤边坡形式一般均采用折线形或台阶形，土质路堑边坡采用直线形。针对边坡限值高度，俄罗斯标准规定莫喀高铁路堤与路堑边坡高度不宜大于12 m。在我国TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[10]中，并未对路基边坡高度与坡度进行明确要求，根据TB 10001—2016《铁路路基设计规范》[11]，路堤与土质路堑边坡高度不宜大于20 m。两国标准中边坡坡度取值与路基填料与边坡高度相关，具体设计参数对比见表2、表3。

表2 中俄高速铁路路堤边坡形式与坡度设计参数对比

表3 中俄高速铁路土质路堑边坡形式与坡度设计参数对比

基床是高速铁路路基的关键部位，在中俄两国标准中，均提出高速铁路路基由基床表层与基床底层构成。不同之处在于，我国基床厚度按照列车荷载在基床内产生的动应力与路基自重应力之比为0.2的原则确定，虽然经过我国长期高速铁路运营实践，但这一假定缺乏理论支撑，在与俄方交流时遇到了障碍[15]。俄罗斯标准主要参考德国标准设计原理[8]，路基基床厚度由列车荷载引起的动应力与路基基床允许应力决定，此外路基基床必须满足防冻性要求，避免包括冻胀引起的不均匀沉降。中俄高速铁路路基基床表层、基床底层厚度对比见表4。

综上，中俄标准下路基结构形式基本类同：横截面形式方面，俄罗斯标准取值相对中国标准更加灵活；边坡限制高度莫喀高铁较我国标准取值更低，坡度选取较我国标准更缓，边坡设计根据填料土质类别不同，我国标准主要通过调整上下坡高度进行控制，俄罗斯标准则通过调整上下坡坡度进行控制；在基床厚度设计上，两国标准中基床表层设计厚度一致(有砟0.7 m，无砟0.4 m)，基床底层厚度选取中国标准更偏安全，较俄罗斯标准大0.5 m。

表4 中俄高速铁路路基基床层厚度对比 m

3 路基填料与压实标准

3.1 路基填料对比分析

我国标准下基床表层填料采用粒径限值小于60 mm的级配碎石，要求不均匀系数Cu不应小于15，且填料中0.075 mm以下颗粒质量百分率不应大于3%，基床表层的抗冻性通过填料压实后的渗透系数进行控制，要求大于5×10-5m/s。俄罗斯标准要求基床表层填料使用碎石砂砾混合料(ЩПГС)，其中0.063 mm以下细粉颗粒质量百分率不大于5%，片状、针状碎石颗粒质量不超过15%，考虑到莫喀高铁沿线严酷的气候条件，标准还要求碎石料的抗冻性指标不低于F150，并对混合料含水量、天然放射性核素活度比值有相应规定。

我国基床表层级配碎石筛分所用筛网尺寸为0.075，0.5，1.7，7.1，22.4，31.5、45 mm；俄罗斯碎石砂砾混合料(ЩПГС)筛分所用筛网尺寸为0.063，0.5，1.0，2.0，4.0，8.0，16.0，31.5，45 mm，与我国筛网尺寸存在较大差异。两国标准下基床表层填料级配碎石粒径级配曲线对比见图2。由图2可知，我国基床表层采用的级配碎石平均粒径大于俄罗斯碎石砂砾混合料的平均粒径，中俄基床表层填料的粒径最大值均为45 mm。

图2 路基基床表层填料级配碎石粒径级配曲线对比

按照TB 10001—2016《铁路路基设计规范》[11]，我国对普通路基填料根据填料的粒径大小、颗粒形状、细粒含量、级配特征进行分类，分为A1、A2、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、E 共11类，并以具体量化指标予以解释说明。我国高铁路基基床底层一般采用粒径限值小于60 mm的砂石类、砂类A、B组填料或化学改良土，基床以下路堤宜选用A、B组填料和C组碎石类、砾石类填料，当选用C组细粒土填料时，应根据填料性质进行改良。

俄罗斯莫喀高铁《路基技术标准与设计施工要求》[8]对于铁路路基填料分类主要遵循国际标准ГОСТ25100—2011《土分类》[16]，标准规定高速铁路路基基床底层按照耐冻稳定层进行设计，填料采用不均匀系数不小于6的非黏结性、非膨胀性土，如粗中粒度的砂砾土、含砂巨粒土等；基床以下路堤宜选用弱风化性岩石类土、巨粒土、含砂巨粒土、不均匀系数大于3的粗中粒度砂砾土。当选用细粉砂、黏土类填料时，有砟轨道区段需满足条件0.1 mm以下细粉砂颗粒质量百分率不超过10%，黏土类填料仅限夏季填筑且液性指数IL≤0.25；无砟轨道区段需采取附加措施进行填料性质改良。

3.2 压实标准

中俄标准下路基填筑质量均采用物理与力学双重指标进行控制。其中物理指标均采用压实系数K，不同之处在于我国标准采用重型击实试验，俄罗斯标准采用轻型击实试验[6，9]；力学指标我国标准采用地基系数K30，动态变形模量Evd，俄罗斯标准采用二次变形模量Ev2，动态变形模量Evd以及模量比Ev2/Ev1。研究表明，二次变形模量Ev2、动态变形模量Evd与地基系数K30反映的路基力学特性基本相同且具有较好的相关性[17-18]。需特别说明的是，德国标准一般采用Ev2，Evd作为路基压实标准指标，在我国标准TB10621—2009《高速铁路设计规范(试行)》中[19]，无砟轨道条件下亦可采用二次变形模量Ev2与模量比Ev2/Ev1评价压实质量，俄罗斯在制定莫喀高铁路基压实标准的过程中，对中德两国高速铁路路基压实标准进行过对比分析[8]。中俄高速铁路路基填筑质量参数对比见表5。

表5 中俄高速铁路路基填筑质量参数对比

注：*参数取自TB10621—2009《高速铁路设计规范(试行)》

综上所述，中俄标准对路基填料与填筑质量的控制要求基本类同，相比俄罗斯，我国的工程实践积累与成果更加丰富，在路基填筑质量控制指标上俄罗斯标准对我国标准有所借鉴。此外，针对化学改良土，我国标准提出采用7 d饱和无侧限抗压强度作为控制指标，而俄罗斯标准对此无具体要求。

4 变形要求

变形控制是高速铁路路基设计的主要控制因素。中俄标准中对于无砟轨道路基，均要求工后沉降应符合线路服役期内的平顺性、结构的稳定性与扣件调节能力的要求，工后沉降不应大于15 mm，路基过渡段区域内的工后差异沉降不超过5 mm。不同之处在于，我国标准对于沉降比较均匀且调整轨面高程后竖曲线半径满足公式Rsh≥0.4v2的路段，允许工后沉降为30 mm，而俄罗斯标准无此规定；不均匀沉降引起的竖平面折角，中国标准规定不大于1‰，俄罗斯规定不大于0.25‰。

针对有砟轨道，俄罗斯标准提出路基面的最大残余变形在25年运营期间不应超过100 mm，且年沉降速率不大于10 mm/a；我国规范根据设计时速和路基区段类型给出了工后沉降限值，并对沉降速率进行控制，具体见表6。

表6 有砟轨道正线路基工后沉降控制标准

对路基面的弹性变形要求，根据我国TB10761—2013《高速铁路工程动态验收技术规程》规定，有砟轨道的路基动变形不得大于1 mm，无砟轨道的路基动变形不得大于0.22 mm[20]，而俄罗斯莫喀高铁要求路基面在列车荷载作用下的弹性变形不超过1 mm。此外，俄罗斯标准规定路基面内不允许产生冻胀变形，土体的季节性冻结深度需根据气候条件进行测算。

综上所述，中俄标准对无砟轨道的路基沉降控制标准基本相同，在可通过竖平面调节的路基地段，俄罗斯标准相比中国标准更严格；对于有砟轨道的工后沉降，两国标准均通过沉降值与沉降速率进行控制，中国标准较俄罗斯标准划分更为精细；对于路基面的弹性变形要求，有砟轨道两国标准要求一致，无砟轨道中国标准较俄罗斯标准更为严格。