道岔大修施工一次性配軌誤差模型研究與應(yīng)用★

師 彬

(昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650217)

0 引言

目前鐵路道岔大修施工普遍采用預(yù)鋪法，預(yù)鋪法施工最為關(guān)鍵的是施工技術(shù)，直接決定了道岔大修施工組織的成敗。而鐵路運(yùn)輸部門(mén)壓力大，運(yùn)輸效率與設(shè)備修理相矛盾，施工天窗安排困難，以往的施工技術(shù)(尤其是道岔配軌技術(shù))已逐漸不適應(yīng)現(xiàn)有鐵路運(yùn)輸模式，容易造成施工延點(diǎn)，影響行車(chē)組織，這就要求研究新的道岔施工技術(shù)方案，來(lái)提高道岔大修天窗的利用率，減少施工對(duì)行車(chē)的影響[1]。

1 既有道岔配軌技術(shù)存在的問(wèn)題

現(xiàn)有的預(yù)鋪法道岔大修施工配軌技術(shù)，按照是否設(shè)置龍口軌分為兩種方法：設(shè)置龍口軌(即多次配軌法)和不設(shè)置龍口軌(后稱(chēng)為一次性配軌法)。所謂龍口軌指在既有線路上(或新道岔軌排上)，在新道岔落排時(shí)預(yù)留一處或多處需在新道岔落排后方可切除的鋼軌。一次性配軌指新道岔落排前，將道岔及前后鋼軌全部切軌配置到位。兩種方法優(yōu)缺點(diǎn)如下。

1.1 設(shè)置龍口軌配軌方法優(yōu)缺點(diǎn)

1.1.1 優(yōu)點(diǎn)

1)新道岔軌排落到位，直接按照需要長(zhǎng)度進(jìn)行配軌，配軌的精度受氣候、軌溫、既有線路伸縮膨脹以及方向變化等因素影響較小，如果新道岔方向、剛度控制到位，基本可以實(shí)現(xiàn)精確配軌。

2)對(duì)施工技術(shù)人員業(yè)務(wù)能力要求相對(duì)較低，便于施工技術(shù)控制。

1.1.2 主要缺點(diǎn)

1)施工天窗時(shí)間不足，施工組織困難。目前單開(kāi)道岔大修施工天窗時(shí)間一般為180 min，復(fù)交道岔為210 min，交叉渡線道岔為240 min，同時(shí)在天窗時(shí)間內(nèi)還進(jìn)行同步道岔?yè)Q砟作業(yè)，其作業(yè)時(shí)間基本覆蓋整個(gè)施工天窗。設(shè)置龍口軌后，新道岔就位時(shí)間受新道岔?yè)艿?、橫縱移對(duì)位作業(yè)的影響，按照以往數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，此方法的施工天窗比一次性配軌多20 min～30 min左右。

2)新道岔落排后，基本上無(wú)法做到一步落到位，需進(jìn)行新道岔橫縱移作業(yè)。受龍口軌重疊段的支承影響，造成新道岔縱向移動(dòng)困難，若縱移量較大時(shí)，增加施工時(shí)間，極易造成施工頂點(diǎn)或延點(diǎn)。

3)若新道岔落排不到位或落排后道岔方向和高度偏差較大時(shí)，影響配軌精度，施工后需重新?lián)Q軌，造成鋼軌浪費(fèi)。

鑒于以上原因，目前道岔大修施工中，除非施工天窗時(shí)間充足，一般不采用此方法進(jìn)行道岔配軌。

1.2 一次性配軌方法的優(yōu)缺點(diǎn)

1.2.1 優(yōu)點(diǎn)

1)使新道岔軌排快速到位，便于既有線路連接，減少施工天窗施工約20 min～30 min。

2)新道岔落排后，橫縱移作業(yè)與既有線路連接可同步進(jìn)行，便于起道設(shè)備拆除，加快施工車(chē)輛進(jìn)入時(shí)間，提高天窗利用效率。

1.2.2 主要缺點(diǎn)

1)配軌技術(shù)難度較大，對(duì)施工技術(shù)人員業(yè)務(wù)能力要求高。提前切割配置的鋼軌，配軌精度受測(cè)量軌溫、施工軌溫、測(cè)量人員、新道岔和既有線路情況(軌縫、岔心、撥道量)等因素的影響，需全面分析考慮。

2)若配軌錯(cuò)誤，導(dǎo)致新道岔不到位，需重新進(jìn)行配軌，遇這種情況比設(shè)置龍口軌需要施工時(shí)間還多，易造成施工延點(diǎn)和鋼軌浪費(fèi)，增加施工成本。

雖然一次性配軌方法存在一些缺點(diǎn)，但縮短了施工天窗時(shí)間，提高了天窗利用率，降低了施工對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)挠绊?，因此如何提高一次性配軌精度成為了本文研究的關(guān)鍵。

2 一次性配軌誤差模型建立與分析

以單開(kāi)道岔預(yù)鋪法施工為研究對(duì)象，建立道岔一次性配軌誤差模型。

一次性配軌就是指在新道岔軌排測(cè)量長(zhǎng)度(如圖1所示)與新道岔在既有線路標(biāo)定長(zhǎng)度(如圖2所示)滿足施工時(shí)配軌精度，這就要求新道岔測(cè)量以及在既有線路上的標(biāo)定必須精確到位。

2.1 一次性配軌誤差模型建立

新道岔軌排配軌形成多邊形ABFEDC從理論上近似等于新道岔在既有線路標(biāo)定多邊形abfedc。即存在兩種數(shù)學(xué)關(guān)系：多邊形中各鋼軌長(zhǎng)度近似相等和各對(duì)應(yīng)邊近似平行。

1)ac股直基本軌：Lac≈LAC+Δ總ac；

2)ae股曲尖軌：Lae≈LAE+Δ總ae；

3)bd股直尖軌：Lbd≈LBD+Δ總bd；

4)bf股曲基本軌：Lbf≈LBF+Δ總bf。

其中，Δ總ac，Δ總bd，Δ總ae,Δ總bf為每股鋼軌在測(cè)量、標(biāo)定或施工中存在的誤差或偏差的總和。

鋼軌長(zhǎng)度可包含道岔前后的配軌長(zhǎng)度以及長(zhǎng)度內(nèi)軌縫值。

2.2 一次性配軌誤差分析和控制辦法

2.2.1 新道岔中心定位誤差Δ定位

一般情況下，道岔中心重新定位后都存在一定的偏差，不可能做到絕對(duì)重合，這個(gè)偏差對(duì)道岔及配軌相當(dāng)于縱向平行移動(dòng)，影響相對(duì)較小，基本可以忽略不計(jì)，若是道岔縱移施工，則必須考慮道岔中心定位引起的誤差。

2.2.2 鋼軌長(zhǎng)度測(cè)量誤差Δ測(cè)

1)測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因比較多，主要原因如下：

a.測(cè)量人員測(cè)量時(shí)使用鋼卷尺的拉力不一致；b.測(cè)量鋼軌時(shí)鋼軌軌頭存在一定寬度，測(cè)量鋼卷尺在鋼軌軌頭上的位置不一致；c.使用不同的鋼卷尺測(cè)量鋼軌長(zhǎng)度；d.測(cè)量時(shí)鋼軌存在彎曲，造成測(cè)量不準(zhǔn)確；e.測(cè)量人員粗心，讀數(shù)錯(cuò)誤或測(cè)量零點(diǎn)錯(cuò)位或斜視讀數(shù)；f.一定長(zhǎng)度的鋼軌采用分段多次測(cè)量相加，擴(kuò)大測(cè)量誤差。

2)測(cè)量誤差的控制辦法。

a.測(cè)量前，待測(cè)鋼軌盡可能直或者圓順，減少測(cè)量誤差；b.新道岔鋼軌以及新道岔既有線路標(biāo)定所有測(cè)量工作為同一測(cè)量人員，使用同一把鋼卷尺進(jìn)行測(cè)量，鋼卷尺置于鋼軌軌頭的中間，測(cè)量三次取平均值作為測(cè)量結(jié)果，存在讀數(shù)誤差較大時(shí)重新測(cè)量；c.測(cè)量讀數(shù)確保零點(diǎn)準(zhǔn)確，讀數(shù)時(shí)正視讀數(shù)。

2.2.3 基本軌橫斷面誤差Δ橫誤

由于新道岔預(yù)鋪軌排時(shí)和新道岔在既有線路定位時(shí)，受測(cè)量技術(shù)和施工工藝的影響，兩根基本軌前端橫斷面即存在偏差，而這兩個(gè)偏差不相等，這就造成定位鋼軌橫斷面誤差。

1)定位鋼軌橫斷面誤差Δ橫誤計(jì)算。

在圖1新道岔預(yù)鋪軌排示意圖中，基本軌AC，BF所在的鋼軌要求A，B兩點(diǎn)盡可能在同一橫斷面上，以A點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量B點(diǎn)偏離橫斷面差值記為Δ偏AB。同理在圖2新道岔在既有線路標(biāo)定示意圖中，以a點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量b點(diǎn)偏離橫斷面差值記為Δ偏ab。

綜上分析，定位鋼軌橫斷面誤差：

Δ橫誤=Δ偏AB-Δ偏ab。

2)定位鋼軌橫斷面誤差控制處理辦法。

a.橫向定位測(cè)量盡可能準(zhǔn)確，一是方法是多次測(cè)量取平均值；二是采用正反測(cè)量降低測(cè)量誤差；

b.為同一測(cè)量人員、同一測(cè)量尺進(jìn)行橫向定位測(cè)量，并且新道岔及定位測(cè)量方法應(yīng)一致。

2.2.4 測(cè)量軌溫偏差Δ測(cè)量軌溫

因新道岔軌排未上線，鋼軌在軌枕上受溫度變化伸縮相對(duì)自由，既有線路上的道岔和線路伸縮受到限制，這就造成測(cè)量相等長(zhǎng)度新道岔與既有線路的鋼軌是不相等的。

隨著鐵路的發(fā)展，軌道結(jié)構(gòu)不斷加強(qiáng)，聯(lián)結(jié)零件的阻力普遍大于道床阻力，因此對(duì)于測(cè)量軌溫引起偏差可簡(jiǎn)化計(jì)算，假定新道岔鋼軌自由伸縮，既有線路鋼軌在道床阻力的作用下伸縮困難，假定基本無(wú)伸縮。

根據(jù)鋼軌伸縮膨脹理論[2，3]，測(cè)量軌溫偏差：

Δ測(cè)量軌溫=(t測(cè)-t0)Lα。

其中，t測(cè)為測(cè)量新道岔軌排的測(cè)量軌溫；t0為既有線線路設(shè)定軌溫，普通線路為軌縫調(diào)節(jié)軌溫或鋪設(shè)鋼軌的軌溫，無(wú)縫線路為鎖定軌溫；L為待測(cè)鋼軌的長(zhǎng)度；α為鋼軌的線膨脹系數(shù)，α=0.011 8 mm/(m·℃)。

2.2.5 切軌誤差Δ切軌

切割機(jī)鋸片厚度一般為4 mm，若切軌位置左右變動(dòng)，會(huì)影響配置鋼軌長(zhǎng)度，切軌誤差范圍為0 mm～5 mm。切軌誤差控制，技術(shù)人員在配置鋼軌長(zhǎng)度時(shí)一定要標(biāo)明切割機(jī)鋸片的位置，不然多次切軌后影響較大。

2.2.6 施工撥道誤差Δ撥道誤差

因既有線路方向不良時(shí)，大修施工時(shí)需要進(jìn)行道岔及前后線路進(jìn)行大幅度撥道的，撥道后存在鋼軌冗余(見(jiàn)圖3)，將線路ACB撥道到成ADB，線路ACB長(zhǎng)度明顯大于ADB，如此造成施工撥道誤差。

記C點(diǎn)計(jì)劃撥道量為l0，AC長(zhǎng)度為l1，DB長(zhǎng)度為l2。

施工撥道誤差近似計(jì)算公式：

若斷軌處于該地段，還應(yīng)另作計(jì)算。

2.2.7 普通線路道岔前后軌縫調(diào)節(jié)偏差Δ軌縫

普通線路按照《鐵路線路修理規(guī)程》預(yù)留有軌縫，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中已發(fā)生變化，更換道岔時(shí)應(yīng)考慮道岔前后軌縫調(diào)節(jié)偏差Δ軌縫，大小為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量與預(yù)留軌縫值之差。

Δ軌縫=a1-a0。

其中，a1為實(shí)際軌縫；a0為普通線路預(yù)留軌縫，計(jì)算詳細(xì)見(jiàn)《線路維修規(guī)則》第3.4.6條。

2.2.8 施工軌溫偏差Δ施工軌溫

道岔大修更換施工時(shí)，將既有道岔拆除后由于施工軌溫t施與既有道岔鋪設(shè)軌溫或軌縫調(diào)節(jié)軌溫(無(wú)縫線路為鎖定軌溫)t設(shè)不一致，既有線路就會(huì)發(fā)生伸縮，造成施工軌溫偏差。

1)施工軌溫偏差Δ施工軌溫計(jì)算。

根據(jù)鋼軌膨脹理論和道床阻力平衡關(guān)系，即鋼軌伸縮的溫度力等于伸縮區(qū)段道床阻力，可得出道岔前后施工軌溫偏差為：

其中，l為施工時(shí)伸縮鋼軌的長(zhǎng)度；α為鋼軌的線膨脹系數(shù)，α=0.011 8 mm/(m·℃)；E為鋼的彈性模量,MPa，E=2.1×105MPa；S為鋼軌的斷面面積，60鋼軌斷面面積為7 745 mm2；r為單位道床縱向阻力，不同軌道結(jié)構(gòu)存在差別。

2)施工軌溫偏差控制處理辦法。

a.由于新道岔長(zhǎng)度在既有線路上的標(biāo)定需在施工天窗前完成，此時(shí)若考慮施工軌溫偏差是不科學(xué)的，應(yīng)在施工時(shí)切斷既有鋼軌時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際軌溫進(jìn)行調(diào)整鋼軌斷口點(diǎn)的位置；

b.道床阻力隨著鐵路的運(yùn)營(yíng)已發(fā)生變化，施工技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正處理，使配軌更加準(zhǔn)確。

綜上分析，即可得出單開(kāi)道岔四股鋼軌一次性配軌誤差模型如下：

ac股直基本軌：Lac≈LAC+Δ定位+Δ測(cè)AC+Δ測(cè)ac+Δ測(cè)量軌溫AB+Δ撥道誤差A(yù)C+Δ軌縫ac+Δ施工軌溫。

ae股曲尖軌：Lae≈LAE+Δ定位+Δ測(cè)AE+Δ測(cè)ae+Δ測(cè)量軌溫AB+Δ撥道誤差A(yù)E+Δ軌縫ae+Δ施工軌溫。

bd股直尖軌：Lbd≈LBD+Δ定位+Δ測(cè)BD+Δ橫誤+Δ測(cè)bd+Δ測(cè)量軌溫BD+Δ撥道誤差BD+Δ軌縫bd+Δ施工軌溫。

bf股曲基本軌：Lbf≈LBF+Δ定位+Δ測(cè)BF+Δ橫誤+Δ測(cè)bf+Δ測(cè)量軌溫BF+Δ撥道誤差BF+Δ軌縫bf+Δ施工軌溫。

以上誤差大小和正負(fù)應(yīng)根據(jù)道岔實(shí)際施工情況確定，并不是每一組道岔每一個(gè)誤差都存在，施工技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)其理論合理的運(yùn)用。

2.3 一次性配軌誤差模型配軌精度檢驗(yàn)

1)鋼軌長(zhǎng)度檢驗(yàn)。道岔施工時(shí)同時(shí)滿足以下兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為配軌是準(zhǔn)確的。

a.不存在配軌過(guò)長(zhǎng)。b.不存在鋼軌過(guò)短，也就是線路能夠正常連接滿足行車(chē)標(biāo)準(zhǔn)。

2)軌縫值檢驗(yàn)。在滿足鋼軌長(zhǎng)度檢驗(yàn)后，每一組單開(kāi)道岔施工結(jié)束后，對(duì)道岔前后和鋼軌接頭軌縫值進(jìn)行檢查驗(yàn)收，根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》以及道岔組裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，接頭軌縫值驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 大修道岔軌縫值驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

3 模型應(yīng)用

3.1 施工試驗(yàn)

本文分析建立道岔一次性配軌誤差模型，在2021年3月元昆線牧羊村站3號(hào)、4號(hào)道岔和青龍寺站22號(hào)道岔等3組道岔大修施工進(jìn)行試驗(yàn)，施工結(jié)果見(jiàn)表2，不合格軌縫見(jiàn)表3。

表2 元昆線牧羊村站、青龍寺站道岔配軌施工數(shù)據(jù)

表3 不合格軌縫情況

從表2中可以看出，本文建立道岔大修施工一次性配軌模型的配軌準(zhǔn)確率達(dá)100%，軌縫值達(dá)標(biāo)率87%，對(duì)于預(yù)鋪道岔提前配軌來(lái)說(shuō)，這個(gè)精度是十分高的。從表3可以看出，雖然不合格軌縫偏差不大，但要完全實(shí)現(xiàn)預(yù)留軌縫達(dá)標(biāo)這也是很困難的，受既有線路情況、軌溫等各種因素影響太大，且每一組道岔還不一樣。

3.2 模型推廣

1)本文建立道岔預(yù)鋪法一次性配軌誤差理論，可進(jìn)一步用于常見(jiàn)的復(fù)式交分道岔、交叉渡線道岔、組合道岔以及線路預(yù)鋪軌排的更換施工技術(shù)中去，來(lái)提高鐵路軌道施工的精度。

2)在達(dá)到配軌準(zhǔn)確的基礎(chǔ)之上，若要完全實(shí)現(xiàn)軌縫值100%達(dá)標(biāo)，可選擇待更換某一對(duì)鋼軌使用舊鋼軌過(guò)渡，用于調(diào)節(jié)不達(dá)標(biāo)軌縫，在道岔綜合作業(yè)時(shí)更換過(guò)渡舊軌為新軌即可。

4 結(jié)語(yǔ)

道岔大修施工技術(shù)是鐵路道岔大修施工的關(guān)鍵技術(shù)之一，如何提高天窗使用率，減少施工對(duì)運(yùn)輸?shù)挠绊懀@就需要加強(qiáng)施工技術(shù)管理。本文研究道岔大修預(yù)鋪法施工配軌技術(shù)，以單開(kāi)道岔為例，分析道岔施工中影響配軌精度的8種誤差或偏差，以此建立了道岔大修一次性配軌誤差模型，并在實(shí)際道岔大修施工驗(yàn)證了該模型的精度，為鐵路施工技術(shù)人員提供了一定的理論指導(dǎo)。