杜曉燕，常 凱，許鵬飛

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

隨著我國鐵路特別是高速鐵路的發(fā)展，為方便養(yǎng)護維修、保證運營安全，各類線纜一般采用電纜槽的方式進行鋪設。電纜槽作為保障鐵路安全運營的一項基礎設施，其作用不能被忽視。目前，我國高速鐵路路基電纜槽按照通路(2017)8401《鐵路路基電纜槽》設計施工[1]，采用通信信號共槽、電力分槽的形式，電纜槽及蓋板采用鋼筋混凝土材料預制而成，均設置在路肩上。長期以來，各部門對電纜槽引起的影響并未形成足夠的認識，這不僅造成電纜槽在服役期間出現(xiàn)槽身失穩(wěn)、積水等問題，影響線纜服役質(zhì)量，同時引起路基基床排水不暢，導致路基翻漿、路基凍脹等病害的發(fā)生[2-6]。

1 電纜槽對路基結(jié)構的影響

目前，客運專線路基底端電纜槽通常采取預制件拼裝的方式，槽體高37.5 cm、頂寬72 cm，中部設置隔板，通信和信號近線路側(cè)合槽設置，電纜槽遠離線路設置。基床表層級配碎石填筑完成后，采用專用機械在無水條件下切除基床表層填料，切除至電纜槽側(cè)壁以外不小于5 cm。電纜槽鋪設時槽底自下而上分別設置透水礫石和M10水泥砂漿找平層，槽體近線路側(cè)開挖基坑采取C25混凝土回填，槽體外側(cè)設置頂面不小于10 cm的現(xiàn)澆混凝土護肩，要求按一定間距在電纜槽底部、護肩相應電纜槽槽體底部位置處和護肩底部設置泄水孔。

通過對京滬高速鐵路、大西高速鐵路、鄭西客運專線、成貴客運專線等多條運營及新建鐵路的電纜槽調(diào)研，發(fā)現(xiàn)并梳理出電纜槽存在的主要問題。

1.1 基床進水點

由于電纜槽與內(nèi)側(cè)基床表層間、電纜槽槽體拼裝形式等存在縫隙，使得電纜槽成為路基的主要進水點之一。雨水通過縫隙入滲基床，導致基床浸泡，甚至路基邊坡失穩(wěn)等問題。

1.2 阻水效應

電纜槽的存在影響了路基基床排水。由于電纜槽設置在路肩基床表層里，施工過程極其繁瑣，對每填筑一層材料都須處理接縫。實際施工中槽體底部材料不規(guī)范，容易造成地表水下滲；由于材料本身特性和路基后期不均勻變形，護肩泄水孔和電纜槽泄水孔較難定位在同一位置，且橫向排水極其容易堵塞，使得排水管難以達到理想的排水效果。以上因素導致電纜槽結(jié)構像“墻”一樣阻隔了基床表層中的滲水向兩側(cè)排出。

1.3 其他問題

由于路基電纜槽均設置在路肩上，交叉項目多，施工時需對已填筑好的路基基床路肩部分進行切割，由于級配碎石密實、強度高，故切割困難且易造成相鄰未切割級配碎石部分松動，影響基床質(zhì)量。

2 電纜槽對路基影響及演變規(guī)律數(shù)值分析

為研究電纜槽對鐵路路基造成的潛在影響，確定雨水沿縫隙入滲基床的作用范圍，采用GeoStudio軟件對鐵路路基進行數(shù)值分析，模擬降雨期間與停止降雨后的路基，分析路基內(nèi)部孔隙水壓力、含水率等的變化情況。

2.1 計算模型建立

圖1 高速鐵路路基模型示意(單位：m)

表1 填料主要水力學參數(shù)

為了研究電纜槽與內(nèi)側(cè)基床表層縫隙滲水趨勢，該模型將路基表層及路肩邊界設置為不透水邊界，即總流量為零；護肩以下邊界認為由于降雨積累可以從這些邊界排出，故設置為自由滲透邊界，且不考慮雨水入滲；底部地下水水位采用定水頭邊界，假設潛水面不隨降雨變化；降雨量采用定流量邊界，假設降雨量不變。裂隙滲水是一個長時間積累的過程，為加快研究進程，按極端天氣情況下模擬持續(xù)降雨情況[10]。

2.2 計算結(jié)果分析

2.2.1 穩(wěn)態(tài)分析

在給定水位線和水力學參數(shù)的情況下，根據(jù)邊界條件，計算出路基斷面初始狀態(tài)的壓力水頭、孔隙水壓力和含水率分布情況，見圖2?？梢?，初始狀態(tài)下，路基斷面模型的壓力水頭、孔隙水壓力以及含水率均呈由上向下遞增趨勢。其中電纜槽底部附近孔隙水壓力、含水率、壓力水頭分別為-43.2 kPa，0.16，-4.4 m。

圖2 路基斷面初始狀態(tài)的壓力水頭、孔隙水壓力和含水率分布

圖3 降雨1 d后路基斷面各參數(shù)分布

2.2.2 瞬態(tài)分析

持續(xù)降雨1 d 后路基斷面各參數(shù)變化情況，見圖3。由圖3可見，持續(xù)降雨導致雨水從電纜槽和內(nèi)側(cè)基床表層的裂縫入滲進入基床表層后，雨水沿橫向和豎向移動，由電纜槽向路基中部方向逐漸形成一定范圍的水壓區(qū)即圖中虛線部分。電纜槽底部填料中水壓最先改變，其最大孔隙水壓力、含水率、壓力水頭分別為2.99 kPa，0.285，0.23 m，沿路基中部方向呈逐漸減小趨勢，左側(cè)軌道板下填料中各參數(shù)未發(fā)生明顯變化。

持續(xù)降雨3 d后和停止降雨5 d后路基斷面各參數(shù)變化情況，見圖4、圖5。

由圖4可知，持續(xù)降雨導致部分非飽和區(qū)域逐漸變?yōu)轱柡蛥^(qū)域，雨水在基床表層的橫向滲流流速最大為0.5 m/d，而縱向滲流流速最大為0.11 m/d，水壓區(qū)范圍延伸至軌道板下方，其最大孔隙水壓力、含水率、壓力水頭分別為1.44 kPa，0.304，0.15 m。

圖4 降雨3 d后路基斷面各參數(shù)分布

圖5 停止降雨5 d后路基斷面各參數(shù)分布

由圖5可知，停止降雨后，基床表層中入滲雨水逐漸下滲排出。由于電纜槽布設方式的問題，雨水無法及時排出，并且雨水由基床表層向基床底層滲透速率較慢，導致雨水多聚集在電纜槽底部和基床表層與基床底層的分界面處，增加了雨水在路基中的滯留時間，孔隙水壓力及含水率均逐漸增大。

結(jié)合上述數(shù)值分析可知，電纜槽與基床表層之間產(chǎn)生的縫隙成為降雨入滲的優(yōu)勢通道，雨水在基床表層逐漸向路基中部滲透，使路基內(nèi)部水壓和含水量增大，部分區(qū)域變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)。由于電纜槽布設位置欠妥、槽底填料不規(guī)范，導致電纜槽的阻水效應，使入滲雨水無法及時從兩側(cè)排出，路基內(nèi)部的雨水多匯聚于電纜槽底部和基床表層與基床底層分界面，路基內(nèi)孔隙水壓力消散較慢，在列車動荷載、低溫等外部影響因素作用下，易導致路基的翻漿冒泥、凍脹等問題，因此對電纜槽的優(yōu)化設計就顯得非常重要。

3 路基電纜槽改進措施

針對現(xiàn)行高速鐵路路基電纜槽存在的問題，提出了2種設計思路：①使電纜槽脫離基床結(jié)構，徹底避免其對路基排水及穩(wěn)定造成的影響；②將電纜槽及護肩統(tǒng)一設計成透水結(jié)構，避免結(jié)構阻水，提高基床結(jié)構的排水能力。

3.1 脫離基床的電纜槽形式

1)電纜槽布設方式

電纜槽脫離基床結(jié)構后，結(jié)合路基結(jié)構的特點，電纜槽布設位置可選擇在鐵路路肩上、路肩外側(cè)以及路基坡腳位置，以致不影響行車安全及路基穩(wěn)定，并盡量減少對鐵路維護人員的干擾。

電纜槽可通過特制墊板、支墩或支架等結(jié)構形式支撐固定在路基上，該布設形式施工簡單，可有效避免與基床結(jié)構交叉，不影響基床填料穩(wěn)定，確保基床結(jié)構排水通暢。電纜槽支撐結(jié)構不僅可以起到固定電纜槽的作用，同時可以保證路基面雨水順利從電纜槽下方通過。必要時應對固定位置進行加固處理，避免基礎強度不夠，導致失穩(wěn)等問題。

2)電纜槽結(jié)構設計

針對脫離基床的電纜槽布設形式，基于現(xiàn)行混凝土電纜槽結(jié)構尺寸，結(jié)合電纜槽功能和使用要求，可選用輕質(zhì)、高強且耐久性較好的纖維復合材料作為電纜槽的材料，并通過優(yōu)化電纜槽結(jié)構、連接方式、斷面尺寸等，提高電纜槽密封和整體性能，改善線纜的服役環(huán)境，保障線纜的使用壽命及鐵路運營安全。

3.2 結(jié)構透水式電纜槽

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)值模擬結(jié)果可知，電纜槽引起路基病害的主要原因是電纜槽進水和阻水效應。因此，為提高電纜槽的疏排水能力，擬利用經(jīng)過改良的透水混凝土，將電纜槽設計為透水結(jié)構，使得地表進水及基床表層水及時排除，避免產(chǎn)生電纜槽積水、浸泡基床等問題。透水式電纜槽具有以下優(yōu)點：

1)電纜槽布設位置改動小。透水式電纜槽依循現(xiàn)行電纜槽布設位置，極大程度保留了原有線纜上下路基、過軌、接地等過渡設計，降低了設計的難度。

2)優(yōu)化電纜槽結(jié)構和材料。采用透水混凝土現(xiàn)澆結(jié)構，該結(jié)構不僅兼預制結(jié)構的優(yōu)點，而且提高了電纜槽的整體性。不管是電纜槽下滲積水，還是路基基床表層積水都能及時排出。

3)優(yōu)化施工工藝。路基護肩、電纜槽墊層及電纜槽一體化澆筑成型，簡化了施工工序，提高了施工效率，保證了施工質(zhì)量。

4)改善線纜服役環(huán)境。提高了疏排水能力的同時，多孔透水材料有助空氣的流通，又保證了路基基床和電纜槽干燥的服役環(huán)境，降低了后期的運營維護費用，保障線纜的使用壽命及鐵路運營安全。

4 結(jié)論

1)高速鐵路路基電纜槽由于自身結(jié)構、埋設方式等原因，容易造成地表水入滲、橫向排水管失效等問題，不僅影響線纜服役質(zhì)量，同時引起基床排水不暢，導致路基翻漿、凍脹等病害的發(fā)生。

2)通過數(shù)值分析可知，由于電纜槽埋設方式導致與路基表層存在的裂縫成為地表水入滲的便利通道；電纜槽槽身成為雨水外排的障礙，水分不能及時向兩側(cè)排出，使路基內(nèi)部積水，導致路基材料變形，對路基的穩(wěn)定性造成影響。

3)為有效解決現(xiàn)行電纜槽進、阻水等問題，本文對電纜槽的布設方式和結(jié)構設計進行改進，提出了脫離基床結(jié)構電纜槽和透水結(jié)構電纜槽2種形式，可確?；步Y(jié)構和電纜槽干燥的服役環(huán)境，降低路基病害的發(fā)生率及維修費用，保障線纜的使用壽命及鐵路運營安全，具有良好應用前景。