鐵路運(yùn)煤專線道床臟污率標(biāo)定試驗(yàn)線的建設(shè)及應(yīng)用

秦懷兵，肖志宇，陳 斐

（國(guó)家能源集團(tuán)朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧062350）

目前探地雷達(dá)系統(tǒng)在我國(guó)鐵路道床和路基檢測(cè)中逐步推廣應(yīng)用，如從美國(guó)、英國(guó)、意大利等國(guó)家進(jìn)口的車載雷達(dá)系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)都不能提供道床臟污率的量化指標(biāo)［1］。

美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、內(nèi)布拉斯大學(xué)、GSSI 公司等單位的相關(guān)研究人員進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，利用探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果來(lái)分析道床的磨損及污染程度，但相關(guān)研究均基于普通客運(yùn)和貨運(yùn)鐵路，基于煤炭運(yùn)輸鐵路的尚沒(méi)有先例。英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)、IMC 公司以及Zetica 公司經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)研究表明，探地雷達(dá)可用于確定道床臟污程度，但無(wú)法給出道床臟污率的量化標(biāo)準(zhǔn)。瑞士、德國(guó)、瑞典、捷克、意大利等國(guó)都有探地雷達(dá)應(yīng)用于道床臟污檢測(cè)的案例，但迄今為止也沒(méi)有明確的研究成果來(lái)反映探地雷達(dá)計(jì)算參數(shù)與道床臟污率之間的關(guān)系。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院聯(lián)合德國(guó)WEIBE 公司和意大利IDS 公司在這一領(lǐng)域開(kāi)展過(guò)試驗(yàn)研究，明確了道砟臟污程度的粗略分級(jí)，但由于數(shù)據(jù)量少，沒(méi)有真正涉及道床臟污率指標(biāo)的給定。

1 道床臟污率標(biāo)定試驗(yàn)線的作用和要點(diǎn)

朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司安裝了2套探地雷達(dá)系統(tǒng)用于路基道床檢測(cè)。第1 套為英國(guó)Zetica 公司的檢測(cè)系統(tǒng)，采用2 GHz和400 MHz探地雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)；第2套為朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司與中南大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)，采用400 MHz 和200 MHz 探地雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)。

英國(guó)Zetica 公司道床檢測(cè)系統(tǒng)的SIR-30 型探地雷達(dá)和2 GHz 天線可以檢測(cè)道床臟污狀況，計(jì)算出道床臟污指數(shù)，評(píng)定道床受污染情況。但該道床臟污指數(shù)是基于美國(guó)鐵路建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷亩馑愕贸龅?，所得結(jié)果不能與國(guó)內(nèi)所使用的道床臟污率相對(duì)應(yīng)，需要進(jìn)一步探究?jī)烧咧g的關(guān)系，并且相關(guān)模型和算法需要根據(jù)運(yùn)煤專線的實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)或突破［2］。國(guó)產(chǎn)探地雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)目前主要用于路基病害檢測(cè)，業(yè)界正在研究評(píng)價(jià)道床臟污程度的算法［1］。

為充分發(fā)揮朔黃鐵路現(xiàn)有2套探地雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)道床臟污率檢測(cè)的能力，確立道床實(shí)際臟污率與雷達(dá)計(jì)算參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，須按照運(yùn)煤專線的道床污染特點(diǎn)，建設(shè)道床臟污率標(biāo)定試驗(yàn)線。其作用有：①利用標(biāo)定試驗(yàn)線對(duì)英國(guó)Zetica 公司檢測(cè)系統(tǒng)得出的臟污指數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，期望得到道床臟污率與臟污指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；②為國(guó)產(chǎn)雷達(dá)檢測(cè)提供物理模型，嘗試進(jìn)行道床臟污率檢測(cè)，研究雷達(dá)計(jì)算參數(shù)與道床臟污率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，力圖研究出新的臟污率計(jì)算方法［3］。

道床臟污率標(biāo)定試驗(yàn)線應(yīng)完全模擬朔黃重載鐵路的軌道結(jié)構(gòu)、路基道床結(jié)構(gòu)、道砟級(jí)配、道床臟污介質(zhì)的成分和質(zhì)量比例。其中道床臟污介質(zhì)的成分及質(zhì)量比例是關(guān)鍵因素，取得其數(shù)據(jù)必須選取運(yùn)營(yíng)線不同臟污等級(jí)地段進(jìn)行大量的道床挖驗(yàn)，并對(duì)挖驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)集中度處理。道床臟污率標(biāo)定試驗(yàn)線的技術(shù)要點(diǎn)：①確定道床臟污的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，按照鐵運(yùn)〔2006〕146 號(hào)《鐵路線路修理規(guī)則》和《鐵路線路修理規(guī)則條文說(shuō)明》有關(guān)規(guī)定并結(jié)合實(shí)際需求，確定10%（12.5%），15%，20%，25%，30%共5個(gè)等級(jí)［4-5］；②依據(jù)統(tǒng)計(jì)分析所得到的道床臟污介質(zhì)的成分及質(zhì)量比例數(shù)據(jù)，按不同臟污率地段鋪設(shè)需求，在清潔道砟中摻入不同質(zhì)量的臟污介質(zhì)。

2 運(yùn)營(yíng)線道床臟污情況挖驗(yàn)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

將英國(guó)Zetica 公司檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)得到的道床臟污指數(shù)從最低到最高分成若干個(gè)級(jí)別，每個(gè)臟污等級(jí)各挑選3～5個(gè)地段作為挖驗(yàn)樣點(diǎn)。

試驗(yàn)方法如下：

1）考慮天窗時(shí)間，在計(jì)劃采用大型養(yǎng)路機(jī)械清篩的封鎖地段附近選取所需臟污等級(jí)的挖驗(yàn)樣點(diǎn)。

2）天窗點(diǎn)內(nèi)在挖驗(yàn)樣點(diǎn)挖驗(yàn)取樣。在枕盒內(nèi)（相鄰2 根軌枕和2 根鋼軌所圍矩形垂直向下的部分）從軌枕底部開(kāi)始向下挖出深度為300 mm 以內(nèi)的道砟，依次用25，10，5 mm的方孔篩將污土篩出并稱重。

3）所有試驗(yàn)地段須記錄行別、里程、道砟質(zhì)量、污土質(zhì)量等信息，填入挖驗(yàn)數(shù)據(jù)表；匯總、整理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)的工況數(shù)據(jù)，為建設(shè)標(biāo)定線提供依據(jù)。

本試驗(yàn)階段共開(kāi)挖樣點(diǎn)82處，其中上行線樣點(diǎn)42處，下行線樣點(diǎn)40 處。統(tǒng)計(jì)所有挖驗(yàn)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析道床臟污指數(shù)和臟污率的對(duì)應(yīng)情況，并根據(jù)分析情況判斷其是否可以用來(lái)作為標(biāo)定線道砟和污土配比設(shè)計(jì)的參考。

2.2 挖驗(yàn)后臟污指數(shù)與臟污率相關(guān)性分析

圖1 82處樣點(diǎn)臟污指數(shù)與臟污率相關(guān)性分析結(jié)果

將82 處樣點(diǎn)的臟污指數(shù)與對(duì)應(yīng)臟污率進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。由線性回歸結(jié)果發(fā)現(xiàn)局部有一定的相關(guān)性，但整體上并沒(méi)有明確的相關(guān)趨勢(shì)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)挖驗(yàn)時(shí)觀察的情況，可知隧道地段污染較重，大多數(shù)地段煤灰已將軌枕覆蓋；相比之下，路基地段污染較輕。在隧道的管狀空間內(nèi)，列車運(yùn)行、交會(huì)都會(huì)造成較強(qiáng)的空氣對(duì)流，導(dǎo)致列車裝運(yùn)的表面煤灰被大量吹落，久而久之覆蓋在道床上。因此應(yīng)該將路基和隧道地段分別做相關(guān)性分析。

對(duì)路基地段臟污指數(shù)與臟污率進(jìn)行相關(guān)性分析，見(jiàn)圖2。由線性回歸結(jié)果可以看出二者之間具有較為明顯的相關(guān)性，且二者之間整體呈正相關(guān)。

圖2 路基地段臟污指數(shù)與臟污率相關(guān)性分析結(jié)果

將隧道地段臟污指數(shù)與臟污率做相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。可見(jiàn)所有樣點(diǎn)成散狀分布，二者之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性；再?gòu)亩咧g的線性回歸結(jié)果來(lái)看，呈負(fù)相關(guān)，也就是說(shuō)臟污指數(shù)完全不能反映臟污率變化的趨勢(shì)。因此，隧道地段挖驗(yàn)數(shù)據(jù)暫不用于標(biāo)定線建設(shè)，留待后期深入研究。

圖3 隧道地段臟污指數(shù)與臟污率相關(guān)性分析結(jié)果

再將路基地段分為上、下行線進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)圖4?？芍稀⑾滦芯€挖驗(yàn)樣點(diǎn)的臟污指數(shù)和臟污率數(shù)據(jù)均有較好的相關(guān)性，且根據(jù)線性回歸結(jié)果可知臟污率和臟污指數(shù)呈正相關(guān)?？蓪⒙坊囟紊?、下行線的挖驗(yàn)數(shù)據(jù)作為標(biāo)定線道砟和污土配比的依據(jù)。

圖4 路基地段臟污指數(shù)與臟污率相關(guān)性分析

3 標(biāo)定試驗(yàn)線的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

標(biāo)定試驗(yàn)線的物理參數(shù)模擬正線實(shí)際環(huán)境參數(shù)，包括道砟材料參數(shù)、臟污材料參數(shù)、軌枕型號(hào)及軌枕間距、枕間道砟頂面高度等。保證標(biāo)定試驗(yàn)線的幾何條件、邊界條件、物理性質(zhì)和正線一致。在充分體現(xiàn)道床臟污率變化規(guī)律的需求下，分檔設(shè)計(jì)臟污道床，同時(shí)揭示臟污率變化的極限條件，尤其是參照鐵運(yùn)〔2006〕146號(hào)的維修標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)［4-5］。

標(biāo)定試驗(yàn)線的濕度對(duì)雷達(dá)信號(hào)的影響較大，應(yīng)在試驗(yàn)線路兩旁通過(guò)溝渠實(shí)現(xiàn)有效排水，排水線應(yīng)低于道床墊層底界面，以保證道砟及道床墊層良好的排水條件［3］。

朔黃鐵路上、下行線分別為重車線和空車線。一般上行線軌枕間距為600 mm，臟污介質(zhì)主要為煤渣和煤灰；下行線軌枕間距為544 mm，臟污介質(zhì)主要為沙土、碎石等［6-7］。2 種線路存在較大區(qū)別，標(biāo)定線應(yīng)盡可能反映不同介質(zhì)條件下的臟污情況。

3.2 臟污道砟配比設(shè)計(jì)

用挖驗(yàn)樣點(diǎn)的臟污率和臟污指數(shù)繪制散點(diǎn)圖，去掉受干擾和離散的數(shù)據(jù)，給出擬合曲線，分析臟污指數(shù)、臟污率變化的敏感性。按照臟污等級(jí)對(duì)各個(gè)挖驗(yàn)樣點(diǎn)的粒徑配比進(jìn)行分析，確定各粒徑下道砟或污土所占比重，以所有樣點(diǎn)集中分布值作為標(biāo)定線道砟和污土配比的標(biāo)準(zhǔn)。

參照現(xiàn)場(chǎng)路基地段試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，正線道砟均為不同級(jí)配道砟，其中上行線10～25 mm 粒徑的道砟質(zhì)量比例范圍為7%～11%，則設(shè)計(jì)比例取集中分布值9%；下行線該粒徑的道砟質(zhì)量比例范圍為5%～8%，則設(shè)計(jì)比例取集中分布值6%。上、下行線5～10 mm 粒徑污染物的含量普遍較小，上行線質(zhì)量比例集中在2.5%～4.4%，設(shè)計(jì)比例取集中分布值3.5%；下行線主要污染物為沙土，質(zhì)量比例集中在1.25%～1.52%，設(shè)計(jì)比例取集中分布值1.5%。小于5 mm 的臟污介質(zhì)不作進(jìn)一步區(qū)分，分別按臟污率與5～10 mm、10～25 mm 的質(zhì)量比例差額進(jìn)行臟污配比。上、下行線分別設(shè)計(jì)了5 個(gè)臟污等級(jí)，其中最大臟污率為30.0%，上、下行線各臟污等級(jí)臟污介質(zhì)質(zhì)量比例的設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 各臟污等級(jí)臟污介質(zhì)的質(zhì)量比例

3.3 標(biāo)定線尺寸設(shè)計(jì)

標(biāo)定線軌枕間隔及道床深度應(yīng)該與正線實(shí)際情況以及系統(tǒng)檢測(cè)范圍對(duì)應(yīng)。上行線軌枕中心間隔為600 mm，下行線軌枕中心間隔為544 mm；因探地雷達(dá)探測(cè)臟污指數(shù)的深度在軌枕下300 mm 以內(nèi)，標(biāo)定線臟污道砟鋪設(shè)厚度應(yīng)控制在350～400 mm，以保證雷達(dá)所測(cè)均為設(shè)計(jì)的臟污道砟。

每個(gè)臟污等級(jí)段應(yīng)按規(guī)定長(zhǎng)度鋪設(shè)在標(biāo)定線，上行線12.5%～25.0%臟污率和下行線10%～25%臟污率的道砟跨3 孔4 根軌枕，則上行線每個(gè)臟污等級(jí)的長(zhǎng)度為1.80 m，下行線每個(gè)臟污等級(jí)的長(zhǎng)度為1.62 m。30%臟污率地段設(shè)置為5 根軌枕間距，上行線長(zhǎng)度為3.0 m，下行線長(zhǎng)度為2.7 m。

為實(shí)現(xiàn)道砟層底界面的反射波信號(hào)追蹤，積累道床下沉?xí)r探地雷達(dá)波形，特設(shè)置一段道砟陷槽。陷槽橫跨4孔，上、下行線各占2孔，最大下沉深度200 mm，總長(zhǎng)度2.28 m。

4 標(biāo)定試驗(yàn)線的建設(shè)

建線地點(diǎn)選于朔黃鐵路管內(nèi)某段管線J20 道，線路均為60 kg/m 短軌普通Ⅱ型枕線路無(wú)電氣化區(qū)段，線型為直線。J20位置如圖5所示。

圖5 標(biāo)定線現(xiàn)場(chǎng)線路示意

該地段道床設(shè)計(jì)為有墊層地段，既有線枕下石砟深度為290 mm，碎石墊層為100 mm。標(biāo)定線道床結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 標(biāo)定線道床結(jié)構(gòu)

標(biāo)定線鋪設(shè)按照?qǐng)D7所示流程進(jìn)行。

標(biāo)定線共占用38孔，長(zhǎng)度22 m。其縱斷面臟污率見(jiàn)圖8。標(biāo)定線占用整根25 m標(biāo)準(zhǔn)軌，軌下共有43孔，自東向西分別編號(hào)為1～43，其中5～21孔模擬下行線，22～25孔模擬道砟陷槽，26～42孔模擬上行線。1～23孔設(shè)計(jì)間隔為544 mm，24～43孔設(shè)計(jì)間隔為600 mm。

圖7 標(biāo)定線鋪設(shè)流程

圖8 標(biāo)定線縱斷面臟污率（單位：%）

5 標(biāo)定線試驗(yàn)

標(biāo)定線建成后，使用探地雷達(dá)按月進(jìn)行檢測(cè)，以1 m為單位計(jì)算出標(biāo)定線各處臟污指數(shù)的高低。

用標(biāo)定線各臟污等級(jí)的臟污指數(shù)和臟污率繪制散點(diǎn)圖，用回歸方式確定二者之間的關(guān)系，得出回歸關(guān)系式。進(jìn)而根據(jù)關(guān)系式確定典型臟污率所對(duì)應(yīng)的臟污指數(shù)，明確需清篩道床、清潔道床的臟污指數(shù)限值。道床（路基地段）臟污分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 道床（路基地段）臟污分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

6 結(jié)語(yǔ)

道床臟污率標(biāo)定試驗(yàn)線建設(shè)方法為建設(shè)道床臟污檢測(cè)物理模型提供了明確的思路和方法。在標(biāo)定線進(jìn)行道床臟污指數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)，科學(xué)地運(yùn)用回歸分析方法將道床臟污指數(shù)和國(guó)內(nèi)鐵路采用的道床臟污率建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，可用于指導(dǎo)制定清篩計(jì)劃或評(píng)價(jià)大型養(yǎng)路機(jī)械清篩維修質(zhì)量，克服按周期清篩道床存在的過(guò)維修和欠維修的問(wèn)題。

標(biāo)定線的配比設(shè)計(jì)依據(jù)鐵路實(shí)際線路道床的挖驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以保證所建的標(biāo)定線模型與實(shí)際線路保持配比一致。采用的道砟與實(shí)際線路為同種材料和級(jí)配；污土也全部為從實(shí)際線路清篩出的，使標(biāo)定線高度還原實(shí)際線路的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)。同時(shí)挖驗(yàn)樣點(diǎn)和標(biāo)定線各臟污等級(jí)的尺寸設(shè)計(jì)完全結(jié)合實(shí)際線路情況和探地雷達(dá)探測(cè)情況，以軌枕底面以下300 mm 深度范圍內(nèi)的道床臟污為計(jì)算依據(jù)，同時(shí)也使實(shí)際線路和標(biāo)定線保持一致，能夠進(jìn)一步提高臟污指數(shù)回歸分析的準(zhǔn)確性。

臟污率設(shè)置充分考慮了實(shí)際線路道床清篩維修的典型臟污率，并按10%～30%范圍內(nèi)的各典型臟污率分等級(jí)設(shè)置，可提供較為全面的臟污指數(shù)標(biāo)定模型。該方案還設(shè)計(jì)了道砟陷槽，為利用探地雷達(dá)探測(cè)道床下沉病害提供波形參考依據(jù)。

雖然本文中道床臟污介質(zhì)的成分及質(zhì)量比例模擬了朔黃鐵路，但標(biāo)定線的建設(shè)思路和方法可普遍適應(yīng)于有砟道床臟污率檢測(cè)的研究。