专业文章|铁道行业“十三五”期间土工合成材料技术创新与工程应用
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周诗广，中国铁道学会标准与认证部
姚洪锡，中铁第四勘察设计院集团有限公司地质路基设计研究院
1 概述
土工合成材料是应用于土木工程的高分子合成材料的总称，在国际上被称为继钢材、水泥、木材之后的“第四大建筑材料”，是社会基础设施建设不可或缺的一种新型岩土工程材料。土工合成材料以天然或人工合成的聚合物为原料制成，将其置于土体内部、表面或与其他岩土材料或结构相结合，起到隔离、反滤、排水、防渗、加筋和防护等功能和作用，解决岩土工程结构的稳定、变形和防渗排水等方面的系列工程问题，广泛应用于铁路、公路、水利、电力、建筑、海港、矿山、军工、环保等国民经济建设领域。2006年我国铁路大规模建设以来，土工合成材料相关产品在铁路工程领域的应用深度和广度发生了显著变化，用途得以横向拓展、用量也在大幅增加（见图1）。
为全面深入了解和掌握土工合成材料在铁路领域的研究水平和应用现状，调研2016年9月—2020年9月铁路行业各设计院、高校和科研机构等不同性质的13家单位土工合成材料技术创新与工程应用情况，主要包括科研立项、工程应用、成果获奖以及发表论文专著、软件和专利等知识产权情况，共搜集到949条信息，其中科研立项41条，工程应用751条，成果获奖11条，论文及专著105条，软件5条，专利36条。通过对调研数据进行研究，分析铁道行业土工合成材料技术创新与工程应用的发展现状与趋势，以期为管理部门合理制定铁道行业土工合成材料等相关产业技术政策、完善产业链服务提供依据。
2 行业发展现状
2.1 技术发展与创新现状
2.1.1 科研立项现状
土工合成材料相关科研立项（含在研）共41项，其中立项主持单位为高校共25项，占总量的61%，其次为设计院（13项）、科研机构（3项），各调研单位科研立项课题具体数量见图2。在41项科研课题中立项国家级课题12项，省部级12项，其余17项，表明土工合成材料的科技创新在各个层面均受到了重视，开展了相应的科研攻关工作。从应用部位来看（见图3），各单位土工合成材料科研立项主要集中在支挡防护、隧道防排水等方面；从产品类型来看（见图4），各单位土工合成材料科研立项主要集中在土工格栅等加筋材料、防水材料、排水材料等方面；从科研立项时间方面看（见图5），土工合成材料系列产品规范（Q/CR549.X—2016）的发布促进了行业内土工合成材料的科技研发，自2016年起为进一步推进土工合成材料的研发与应用，各单位逐年加大了科研投入，并于2018年达到了高峰。
2.1.2 创新成果现状
与土工合成材料相关的科研成果共获各类奖项11项，其中省部级及以上7项，主要集中在科研机构，其次为设计单位、高校。各单位发表与土工合成材料相关的论文105篇，其中高校发表论文68篇，占总量的65%，其次为设计院（24篇，占比23%）、科研机构（13篇，占比12%）。各单位土工合成材料发表论文及专著产品类型主要集中在土工格栅等加筋材料方面，其中加筋土挡墙的设计计算理论、受力与变形特征及应用技术是研究的热点（见图6）。各单位土工合成材料发表论文及专著研究部位主要集中在支挡防护、地基处理及隧道防排水等方面（见图7），各单位土工合成材料专利授权分布见图8。
2.2 工程应用现状
2.2.1 不同等级铁路应用总量情况
2016—2020年，土工合成材料在各大设计院项目设计中得到了广泛应用，4年应用总量达5.3亿m2以上，土工合成材料在高等级铁路中应用多于在普速铁路的应用，其中高铁应用占比62%（见图8）。
2.2.2 路、隧、轨三专业用量对比
从各专业土工合成材料工程应用总量占比看，路基专业最多（2.5亿m2，占比48%），其次为隧道专业（2.3亿m2，占比44%）、轨道专业（0.4亿m2，占比8%）。对比不同产品种类和不同应用部位的土工合成材料工程应用总量分布，路基专业因应用种类多、应用范围广而总量占比最高；隧道专业将土工合成材料广泛应用于隧道衬砌的防排水中，工程应用占比相对较高；轨道专业主要应用于无砟轨道隔离层，应用范围相对小，占比相对较少。
2.2.3 不同种类产品应用对比
不同产品种类的土工合成材料工程应用总量分布见图9，土工格栅的应用最多，主要是由于行业内对土工格栅应用于路基本体填筑、地基处理时起到的加固防护作用得到普遍认可，并积累了丰富的工程经验；其次为土工布、防水材料、土工膜、排水材料、土工格室、防沙材料及保温材料等。从土工合成材料不同应用部位占比看（见图10），隧道防排水应用最多，其次为地基处理、路基防护和路基本体，三者应用量相当，次之为轨道隔离层、支挡防护应用等。
2.2.4 各铁路设计院材料用量对比
各设计单位土工合成材料用量总量存在一定的差 异，从各设计院不同专业土工合成材料工程应用占比 分析 （见图11、图12），其差异主要与各设计院所承揽 的勘察设计项目的特点有关，具有明显的区域性特点， 西南山区隧道应用占比高 （中铁二院工程集团有限责任公司），其余地区路基应用占比高 （中铁第四勘察设 计院集团有限公司、中国铁路设计集团有限公司、中 铁第五勘察设计院集团有限公司等） 或与隧道应用占 比相当 （中铁第一勘察设计院集团有限公司、中铁工 程设计咨询集团有限公司等）。
2.3 技术标准及建设管理现状
我国土工合成材料行业虽然起步较晚，但已经初步形成了较为完善的土工合成材料标准体系。按照标准管理属性划分，主要包括政府系列的国家标准、行业标准、地方标准和市场系列的团体标准、企业标准。为了满足铁路工程对土工合成材料的应用需要，规范我国铁路工程土工合成材料产品质量和应用，促进铁路土工合成材料产品标准化、规范化和系列化，统一产品相关技术要求，进而保障铁路工程建设质量，总公司于2013—2015年连续立项，在铁总企业标准体系中纳入了土工合成材料系列标准，于2016年和2017年发布了包括土工格室、土工格栅、土工膜、土工网、土工布及防沙材料、排水材料、防水材料和保温材料等9项技术标准，填补了我国铁路领域土工合成材料产品技术标准的空白。
3 存在的问题及对策
通过调研分析，目前铁路工程土工合成材料科技创新与工程应用尚存在的问题及相应对策分析如下：
（1）各单位在土工合成材料的技术创新与应用方面各有特点，相关管理部门应进一步发挥纽带及引领作用。
（2）软件研发主要集中在加筋土挡墙设计计算方面，可考虑组织统一编制相应软件在行业内推广。
（3）土工格栅、防水材料、排水材料等新型土工合成材料是研发的热点，应进一步关注该领域相关产业技术政策的制定与完善。
（4）有关铁路工程预算定额已经发布，但缺乏与新标准配套的指导价格，建议依托新建铁路建设，选择代表性工点作为试验段，开展技术经济性研究，同步开展定额测定工作。
4 结论
2016年以来，土工合成材料在铁道行业中得到了广泛应用，通过调研2016年9月—2020年9月铁道行业设计院、高校和科研机构等不同性质的13家单位在土工合成材料科技创新与工程应用情况，经分析得到以下主要结论：
（1）各设计单位土工合成材料用量总量存在一定的差异，从各设计院不同专业土工合成材料工程应用占比分析，其差异主要与各设计院所承揽的勘察设计项目的特点有关，具有明显的区域性特点，西南山区隧道应用占比高，其余地区路基应用占比高或与隧道应用占比相当。
（2）各单位在土工合成材料的技术创新与应用中各有特点，高校和科研院所在科研攻关、理论创新等方面发挥了主要作用，设计院在成果转化、工程应用技术等方面扮演了重要角色。
（3）从科研立项、论文及专著发表、专利授权情况看，土工合成材料科技研发呈现多样化特点，其中土工格栅、防水材料、排水材料等新型土工合成材料是研发的热点。管理部门应进一步关注该领域相关产业技术政策的制定与完善，引领行业发展。
（4）管理部门应进一步发挥纽带及引领作用，组织加强各单位产、学、研、用深度合作交流，充分整合各单位优势资源，促进和拓展土工合成材料的不断创新与工程应用。
随着以铁路和公路为代表的交通基础设施的快速发展，我国土工合成材料的生产能力和应用水平取得了长足进步，未来随着我国“一带一路”倡议和“走出去”等国家战略的实施推进，土工合成材料领域将迎来新的发展契机、迈入新的发展阶段。
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