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Rose, Swiderski, and Anderson
采用强化道床的公铁平交道口长期性能
Jerry G Rose，PE
土木工程教授
Raymond大厦261号
肯塔基大学
Lexington，KY 40506-0281
859 / 257-4278
jrose@engr.uky.edu
玛丽·斯威德斯基，EIT
员工岩土工程师
AMEC地球与环境
690英联邦商务中心
11003 Bluegrass Parkway
Louisville，KY 40299
502 / 267-0700
mgsramon@msn.com
Justin S. Anderson，EI
岩土工程师
HDR工程公司
8404 Indian Hills Drive
Omaha，NE 68114-4098
402 / 399-1092
Justin.Anderson@hdrinc.com
发表于：724在交通研究委员会
第88届年会并收录在2009年TRB年会论文集
2008.11.15
Rose, Swiderski, and Anderson
摘要：
通常由常规全粒状道板支撑的铁路/高速公路平交道口很好的解决了高速公路和铁路的交汇的问题。这在很大程度上由于在共同使用（共同）区域中增加了负载的问题的解决。通常这些类型的交叉必须每次在轨道上进行重要维护时更新。此外，一种典型的铁路轨道将由于轨道重载连续地偏转大约0.25英寸（6.5mm），而相邻的高速公路在重型卡车装载下发生的偏转却是不显着。这些冲突的反应，是由于不同的支持，而导致过度偏转，以及交叉部件的快速磨损、过早沉降和道口粗糙化。
这项研究的目的是探讨多种平交道口的长期性能。因此，使用24个平交道口来总结交叉口表面的长期性能。在一个三年的平均服务期内，用公路铁路到交汇区域的路段与交叉区域进行性能对比。
强化道床的道口与传统全粒状载体材料的交叉的长期性能相比，强化道床道口由用沥青层（称为底层）代替全粒状亚稳定层。沥青在交叉口的更新期间安装，这也涉及到安装新的轨道板。更新过程是“快速跟踪”，使轨道在4小时内恢复使用，公路将在8至12小时内恢复使用，恢复的速度取决于进场安装的程度。沥青层与压载的立即压实相结合的工序使强化道床的道口不需要在几天时间内的火车交通压实。更新一个交叉道口可以在一天内完成，不但最小的停用道口，还有益于通行人群。这涉及与铁路公司和政府机构的合作方法。
对于全颗粒支撑的轨道交叉，轨下有沥青的轨道交叉占其总量的41％。此外，交叉区域铺设沥青的路段占毗邻的全粒支撑轨道的44％。 t—试验的数据验证了差异结果的重要性。全粒状轨道到交叉区域的路段在数据上性能与交叉区域彼此相似。
引言
驾驶者经常遇到公铁平交道口并需要降低速度以保证安全和舒适地横穿过路口。 道口光滑或粗糙可能是三个影响通行性能和道口的长期性能的主要原因中一个或多个作用下的结果。这些在图1中示出。
最可能导致降速的是直接交叉区域的表面粗糙。这涉及道路的宽度和等于轨道的宽度的长度，约9英尺（2.7m）。交叉的结构充足性和材料、安装过程的质量会主要影响这方面。论文探讨的方法主要涉及到把对交叉表面区域过度沉降和交叉表面区域粗糙化的不利影响降到最低。
第二个原因是高速公路路面的粗糙度。独立交叉的路面受道口安装时路面的长度影响会在0-100英尺（0-30.5米）之间变化。它高度依赖于道口安装质量和高速公路的铺设。即使交叉表面积可以保持平滑，高速公路路面的影响可能不利于交叉的平滑性。用于保证交叉平滑度在合理范围内的简单解决方案可能仅有重新铺设路面的。 铁路基本上不受这项活动的影响。 它可能需要铣削现有的路面，使得铺路材料在合理的厚度范围内与匹配交叉表面的高程匹配。
第三个原因涉及高速公路与相交铁路的的纵断面几何形状。这对特定的交叉影响较大，但当高速公路和铁路垂直剖面是平的并且在公铁相交在同一高度时又基本上没有影响。然而，常见的是铁路的高程会高于或低于的高速公路，因此在公路垂直剖面中会出现波峰（上凸）或波谷（下凹）。两者的这些情况都会对车辆乘客产生“刺激碰撞” ——或粗糙的感觉，尽管如此交叉口表面和高速公路路面平缓。常见的方法是通过增加交叉口附近路面的厚度以把竖曲线上凸的影响降到最小。降低铁路的高度是另一个解决方案，但是很难完成的。竖曲线的下凹现象更难以解决。
难以解决的另一种情况是当公路处某个垂直坡度时且它与在切线上的铁路相交，但铁路没有与高速公路匹配的超高。 这实际上在公路轮廓中产生平坦点，导致路面的粗糙，即使交叉区域可能非常平坦和平滑。
在铁路和公路在水平曲线上相交的情况下，个别超高可能不匹配，导致高速公路竖直剖面中的翘曲。这也是难以解决的，除非超高可以调整。它对道口的平滑是不利的，即使交叉口表面和高速公路路面可能是平滑的。
背景
退化和粗糙的交叉表面，往往导致不良的运输方式和驾驶条件。铁路和公路交通量和轴重继续增加，所以会遇到越来越多的粗糙路口。这两种模式的需求是相互冲突的[1]。铁路路床和轨道追踪系统是灵活的，可以在正常铁路交通下偏转约0.25英寸（6.5毫米）。这种支撑通常在交叉口应用。公路路面结构设计是有一定的刚度的，甚至在重型卡车下也偏转微小。交叉（轨道）支撑基本上是由粒状（粉碎的集料或碎石）组成的轨道结构，其可以提供像高速公路一样的不同水平的承载能力。因此，交叉区域随着随后的永久沉降而过度偏转。这导致交叉表面和支撑材料的快速磨损，并且由于交叉的劣化和沉降，道口表面也会过早地失效。
铁路/公路交叉口最常见的轨道（轨下结构）支持包括的未结合的颗粒材料，如图2所示。其通常由尺寸为3英寸（75mm）至约0.25英寸（6.5mm）的开级配、自由散落的碎石颗粒组成。由更细尺寸的颗粒或亚级碎石组成的颗粒层在碎石下面。碎石层中的空隙可以潜在地提供水通过并渗透到下面的亚级碎石层，也可能渗透到路基里。这降低了支撑的结构完整性。在轨道交叉区域内一直缺乏对高速公路车辆的支持可能导致道口的过度偏转。与由于支撑材料的高水分含量而导致道口过度的挠曲和支撑强度的减小，产生了交叉的永久沉降。这对交叉区域的铁路和公路的纵断面产生不利影响。
公铁平交道口的理想轨下结构支撑系统：
1.提供足够的强度以抵抗组合的钢轨和公路负载，从而最小化基础路基上的应力
2.最小化由于轨道和公路负载引起的交叉的垂直偏转，从而使交叉结构的磨损和损坏最小化
3.使用防水的基础路基，使其承载能力不会削减，即使是边际质量路基。
为道口的长期使用，应把长期的固结沉降到最小来确保有一个行驶性能更强、路面更平滑的道口。平交道口不必像铁路公司，政府机构和旅行公众那样频繁地进行修复，从而造成破坏和费用。
在轨道基础结构内使用一层热混沥青代替常规的颗粒道砟，被广泛用于为交叉[2]提供理想的性能。 使用这个工序，数以千计的道口已经恢复或已初步建造。基本过程包括移除旧的交叉路面和轨道面板，随后挖掘道床底层混合物，底渣和路基到所需的深度。这些被替换为热混沥青（称为沥青衬垫）的压实层，压实的碎石层，新的轨道面板和新的交叉表面。 图2为含有沥青衬垫的公铁平交道口的典型视图。
目的
本研究的主要目的是确定是否由热混沥青构成的强化道床会比颗粒底碴更有助于降低后续沉降并保持光滑的表面，从而一定的延长交叉路口的性能寿命。
一个辅助目标是记录“快速轨道”方案的发展，使得可以立即增强结构支撑，在安装期间快速稳定轨道，从而立即消除了对受影响轨道“调节”的需要，确保最小的后续轨道沉降。新的交叉口将在安装后尽快开放交通，最大限度地减少公路用户的不便，减少火车变慢的现状。
另一个目标是优化和分类合作实践，受影响的铁路公司和政府（公路）机构将共同参与材料采购，交通控制以及道口安装/更新过程的总体规划/管理。通过利用铁路公司和政府机构的固有专业知识及时提供高质量的产品，相当的经济体便会注入。另一个好处是最大限度地减少铁路和公路交通的高成本中断。
提高道口行驶性能的措施
没有广泛使用的用于定量测量交叉的行驶性能的措施。美国铁路工程和维修协会（AREMA）和美国国家公路和运输官员协会（AASHTO）已经提供了推荐做法[3]，用作制定关于交叉口、方案的概况和调整的政策和实践的指南[4]。
这些准则为铁路/公路平交道口建立了统一的几何设计方法，并有助于通过消除道口粗糙度，直接提高安全性并减少诸如磨损或车辆挂起和高中心的问题。交叉口总体设计和调整的准则指出，在轨道外侧2英尺（0.6m），高速公路必须与轨道顶部水平。此外，高速公路的路面在离轨道30英尺（9.1米）的点处不能高于最近轨道的顶部3英寸（75毫米）或低于6英寸（150毫米），在右边测量 除非轨道有超高[5]。
有广泛使用的标准，以定量测量公路路面的粗糙度。粗糙度由AASHTO定义为表面与真实平面表面的偏差，其特殊的尺寸具有影响车辆动力学和行驶质量的效果[6]。路面粗糙度的标准尺度称为国际粗糙度指数（IRI）。这个尺度是世界银行在20世纪80年代制定的，目的是创造一种可以在全世界使用的确定路面粗糙度的一致方法。IRI是从在路面的内侧和外侧轮路径中的道路轮廓仪测量的单个纵向轮廓计算的。这两个IRI统计的平均值被报告为路面部分的粗糙度[7]。推荐的单位是米每公里（m / km）或毫米每米（mm / m），并且基于累积悬浮（英寸，mm）除以行驶距离（mi / km）。
这些高速公路惯性型材的设计在实际距离的基础上用于报告平均粗糙度数据[8]。使用这些系统并忽略较短距离（交叉）的尝试还并未完全成功[9]。
轨下沥青道床
典型的沥青底层替代了在典型轨下基层中的颗粒碎石和一部分碎石。沥青道床本质上比传统的粒状材料道床更坚固，并有足够的弹性以支撑公路和铁路负载，这是对于两种运输模式的理想的组合形式。最适合做底层的混合物基本上是铺路级沥青粘合剂（水泥）和类似于用于高速公路路面应用[10]的稠密梯度矿物聚集而成的。
已得到的这种道床系统的优点：
1. 在碎石下的加强的轨道支撑层，将减小的压力均匀地分布到道床和路基上；
2. 防水层和固定在下面的路基，为轨道结构提供一致的承载能力，甚至在边缘质量的路基上；
3. 不透水层用于将水转移到侧沟，并且基本上消除路基或路基水分波动，有效地改善和维持基础承载能力;
4. 碎石层的一直高度封闭，让碎石层有较大剪切强度且压力分布均匀;
5. 位于碎石层和路基之间的弹性层，在不增加轨道刚度的情况下可以减少路基抽吸可能性;
6. 一个全天候，均匀稳定的表面，用于放置碎石和轨道上部结构。
当用沥青垫层应用到现有的交叉路口时，典型的两车道高速公路，单轨铁路道口将关闭4至5小时的火车交通和8至12小时的公路交通。建议在恢复[11]之前进行以下活动：
1. 通知公众并制定交通改道和绕行计划
2. 获得足够的中断（时间窗口）
3. 切割钢轨并使用连接钢筋，以保持钢轨还能服务，直到工作开始，
4. 锯路定在轨道两侧接近7英尺（2.1米），以便有足够的挖掘空间，
5. 在现场存储材料，沥青除外，以尽可能有效地工作。
一旦准备完成，安装新底层的过程可以在所选日期开始。以下列表是活动的顺序：
1. 挖走旧的交叉路面，轨下道床挖掘至约28英寸（700毫米）的深度。
2. 如果需要，使用振动压路机紧压实地基。
3. 倾倒和撒匀沥青。沥青垫层的宽度应该延伸1.5到2英尺（0.45至0.60米）。通常长度为12英尺（3.6米）。建议超过最小长度25至100英尺（7.6至30.5米）以提供过渡区。沥青垫层通常为6英寸（150mm）厚。
4. 压实沥青。 优选使用95％的压实水平，使用钢制轮式，振动式标准滚轮。并且留下侧坡用来沿沥青排水。
5. 倾倒和撒匀沥青。在压实之后，沥青的顶部应具有8至12英寸（200至300mm）的道渣的厚度。
6. 压实道砟层以稳定轨下道床，并使随后的沉降降到最小。
7. 将预制轨道面板放置在压实的道砟上。
8. 将新导轨螺栓连接到现有导轨，以后可以进行焊接。
9. 添加道床所用道砟及另外的道砟来填充道床并做到允许轨道可以太高和调整。
10.铺设面层并夯实、打扫紧邻交叉区域。
11.沿着轨道安装包括沟槽的交叉路面。
12.铺设高速公路路线。
理想的公铁平交道口翻新流程
理想的公铁平交道口翻新流程的目的是;
1.提供有质量，安全，成本效益高的铁路/公路交叉口，在最小的年成本（最小化对轨道和交叉的昂贵的中断保养）下，其会保持稳定，平滑和服用于公路和铁路交通至少15年在。
2.用最少时间完成的全部翻新（轨道和交叉路面）并没有显着中断铁路和公路交通（最多四小时火车宵禁和8至12小时公路封闭）。
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