高速铁路路基电缆槽对路基结构的影响分析及优化建议

随着我国铁路特别是高速铁路的发展，为方便养护维修、保证运营安全，各类线缆一般采用电缆槽的方式进行铺设。电缆槽作为保障铁路安全运营的一项基础设施，其作用不能被忽视。目前，我国高速铁路路基电缆槽按照通路(2017)8401《铁路路基电缆槽》设计施工[1]，采用通信信号共槽、电力分槽的形式，电缆槽及盖板采用钢筋混凝土材料预制而成，均设置在路肩上。长期以来，各部门对电缆槽引起的影响并未形成足够的认识，这不仅造成电缆槽在服役期间出现槽身失稳、积水等问题，影响线缆服役质量，同时引起路基基床排水不畅，导致路基翻浆、路基冻胀等病害的发生[2-6]。

1 电缆槽对路基结构的影响

目前，客运专线路基底端电缆槽通常采取预制件拼装的方式，槽体高37.5 cm、顶宽72 cm，中部设置隔板，通信和信号近线路侧合槽设置，电缆槽远离线路设置。基床表层级配碎石填筑完成后，采用专用机械在无水条件下切除基床表层填料，切除至电缆槽侧壁以外不小于5 cm。电缆槽铺设时槽底自下而上分别设置透水砾石和M10水泥砂浆找平层，槽体近线路侧开挖基坑采取C25混凝土回填，槽体外侧设置顶面不小于10 cm的现浇混凝土护肩，要求按一定间距在电缆槽底部、护肩相应电缆槽槽体底部位置处和护肩底部设置泄水孔。

通过对京沪高速铁路、大西高速铁路、郑西客运专线、成贵客运专线等多条运营及新建铁路的电缆槽调研，发现并梳理出电缆槽存在的主要问题。

1.1 基床进水点

由于电缆槽与内侧基床表层间、电缆槽槽体拼装形式等存在缝隙，使得电缆槽成为路基的主要进水点之一。雨水通过缝隙入渗基床，导致基床浸泡，甚至路基边坡失稳等问题。

1.2 阻水效应

电缆槽的存在影响了路基基床排水。由于电缆槽设置在路肩基床表层里，施工过程极其繁琐，对每填筑一层材料都须处理接缝。实际施工中槽体底部材料不规范，容易造成地表水下渗；由于材料本身特性和路基后期不均匀变形，护肩泄水孔和电缆槽泄水孔较难定位在同一位置，且横向排水极其容易堵塞，使得排水管难以达到理想的排水效果。以上因素导致电缆槽结构像“墙”一样阻隔了基床表层中的渗水向两侧排出。

1.3 其他问题

由于路基电缆槽均设置在路肩上，交叉项目多，施工时需对已填筑好的路基基床路肩部分进行切割，由于级配碎石密实、强度高，故切割困难且易造成相邻未切割级配碎石部分松动，影响基床质量。

2 电缆槽对路基影响及演变规律数值分析

为研究电缆槽对铁路路基造成的潜在影响，确定雨水沿缝隙入渗基床的作用范围，采用GeoStudio软件对铁路路基进行数值分析，模拟降雨期间与停止降雨后的路基，分析路基内部孔隙水压力、含水率等的变化情况。

2.1 计算模型建立

本文建立了一个双线高速铁路板式轨道路基模型[7]，见图1。主要结构分为基床表层、基床底层、地基土和电缆槽。模型地层主要为黏土，基床表层为级配碎石，基床底层为A，B组填料，地下水位位于模型底部。通过对比前人研究经验[8-9]，确定路基断面模型及主要水力学参数，见表1。

图1 高速铁路路基模型示意(单位：m)

表1 填料主要水力学参数

为了研究电缆槽与内侧基床表层缝隙渗水趋势，该模型将路基表层及路肩边界设置为不透水边界，即总流量为零；护肩以下边界认为由于降雨积累可以从这些边界排出，故设置为自由渗透边界，且不考虑雨水入渗；底部地下水水位采用定水头边界，假设潜水面不随降雨变化；降雨量采用定流量边界，假设降雨量不变。裂隙渗水是一个长时间积累的过程，为加快研究进程，按极端天气情况下模拟持续降雨情况[10]。

2.2 计算结果分析

2.2.1 稳态分析

在给定水位线和水力学参数的情况下，根据边界条件，计算出路基断面初始状态的压力水头、孔隙水压力和含水率分布情况，见图2。可见，初始状态下，路基断面模型的压力水头、孔隙水压力以及含水率均呈由上向下递增趋势。其中电缆槽底部附近孔隙水压力、含水率、压力水头分别为-43.2 kPa，0.16，-4.4 m。

图2 路基断面初始状态的压力水头、孔隙水压力和含水率分布

图3 降雨1 d后路基断面各参数分布

2.2.2 瞬态分析

持续降雨1 d 后路基断面各参数变化情况，见图3。由图3可见，持续降雨导致雨水从电缆槽和内侧基床表层的裂缝入渗进入基床表层后，雨水沿横向和竖向移动，由电缆槽向路基中部方向逐渐形成一定范围的水压区即图中虚线部分。电缆槽底部填料中水压最先改变，其最大孔隙水压力、含水率、压力水头分别为2.99 kPa，0.285，0.23 m，沿路基中部方向呈逐渐减小趋势，左侧轨道板下填料中各参数未发生明显变化。

持续降雨3 d后和停止降雨5 d后路基断面各参数变化情况，见图4、图5。

由图4可知，持续降雨导致部分非饱和区域逐渐变为饱和区域，雨水在基床表层的横向渗流流速最大为0.5 m/d，而纵向渗流流速最大为0.11 m/d，水压区范围延伸至轨道板下方，其最大孔隙水压力、含水率、压力水头分别为1.44 kPa，0.304，0.15 m。

图4 降雨3 d后路基断面各参数分布

图5 停止降雨5 d后路基断面各参数分布

由图5可知，停止降雨后，基床表层中入渗雨水逐渐下渗排出。由于电缆槽布设方式的问题，雨水无法及时排出，并且雨水由基床表层向基床底层渗透速率较慢，导致雨水多聚集在电缆槽底部和基床表层与基床底层的分界面处，增加了雨水在路基中的滞留时间，孔隙水压力及含水率均逐渐增大。

结合上述数值分析可知，电缆槽与基床表层之间产生的缝隙成为降雨入渗的优势通道，雨水在基床表层逐渐向路基中部渗透，使路基内部水压和含水量增大，部分区域变为饱和状态。由于电缆槽布设位置欠妥、槽底填料不规范，导致电缆槽的阻水效应，使入渗雨水无法及时从两侧排出，路基内部的雨水多汇聚于电缆槽底部和基床表层与基床底层分界面，路基内孔隙水压力消散较慢，在列车动荷载、低温等外部影响因素作用下，易导致路基的翻浆冒泥、冻胀等问题，因此对电缆槽的优化设计就显得非常重要。

3 路基电缆槽改进措施

针对现行高速铁路路基电缆槽存在的问题，提出了2种设计思路：①使电缆槽脱离基床结构，彻底避免其对路基排水及稳定造成的影响；②将电缆槽及护肩统一设计成透水结构，避免结构阻水，提高基床结构的排水能力。

3.1 脱离基床的电缆槽形式

1)电缆槽布设方式

电缆槽脱离基床结构后，结合路基结构的特点，电缆槽布设位置可选择在铁路路肩上、路肩外侧以及路基坡脚位置，以致不影响行车安全及路基稳定，并尽量减少对铁路维护人员的干扰。

电缆槽可通过特制垫板、支墩或支架等结构形式支撑固定在路基上，该布设形式施工简单，可有效避免与基床结构交叉，不影响基床填料稳定，确保基床结构排水通畅。电缆槽支撑结构不仅可以起到固定电缆槽的作用，同时可以保证路基面雨水顺利从电缆槽下方通过。必要时应对固定位置进行加固处理，避免基础强度不够，导致失稳等问题。

2)电缆槽结构设计

针对脱离基床的电缆槽布设形式，基于现行混凝土电缆槽结构尺寸，结合电缆槽功能和使用要求，可选用轻质、高强且耐久性较好的纤维复合材料作为电缆槽的材料，并通过优化电缆槽结构、连接方式、断面尺寸等，提高电缆槽密封和整体性能，改善线缆的服役环境，保障线缆的使用寿命及铁路运营安全。

3.2 结构透水式电缆槽

根据现场调研和数值模拟结果可知，电缆槽引起路基病害的主要原因是电缆槽进水和阻水效应。因此，为提高电缆槽的疏排水能力，拟利用经过改良的透水混凝土，将电缆槽设计为透水结构，使得地表进水及基床表层水及时排除，避免产生电缆槽积水、浸泡基床等问题。透水式电缆槽具有以下优点：

1)电缆槽布设位置改动小。透水式电缆槽依循现行电缆槽布设位置，极大程度保留了原有线缆上下路基、过轨、接地等过渡设计，降低了设计的难度。

2)优化电缆槽结构和材料。采用透水混凝土现浇结构，该结构不仅兼预制结构的优点，而且提高了电缆槽的整体性。不管是电缆槽下渗积水，还是路基基床表层积水都能及时排出。

3)优化施工工艺。路基护肩、电缆槽垫层及电缆槽一体化浇筑成型，简化了施工工序，提高了施工效率，保证了施工质量。

4)改善线缆服役环境。提高了疏排水能力的同时，多孔透水材料有助空气的流通，又保证了路基基床和电缆槽干燥的服役环境，降低了后期的运营维护费用，保障线缆的使用寿命及铁路运营安全。

4 结论

1)高速铁路路基电缆槽由于自身结构、埋设方式等原因，容易造成地表水入渗、横向排水管失效等问题，不仅影响线缆服役质量，同时引起基床排水不畅，导致路基翻浆、冻胀等病害的发生。

2)通过数值分析可知，由于电缆槽埋设方式导致与路基表层存在的裂缝成为地表水入渗的便利通道；电缆槽槽身成为雨水外排的障碍，水分不能及时向两侧排出，使路基内部积水，导致路基材料变形，对路基的稳定性造成影响。

3)为有效解决现行电缆槽进、阻水等问题，本文对电缆槽的布设方式和结构设计进行改进，提出了脱离基床结构电缆槽和透水结构电缆槽2种形式，可确保基床结构和电缆槽干燥的服役环境，降低路基病害的发生率及维修费用，保障线缆的使用寿命及铁路运营安全，具有良好应用前景。