基于不平順質(zhì)量指數(shù)的有砟鐵路建筑技術(shù)分析

摘要：鐵路軌道屬于基礎(chǔ)性工程建設(shè)范疇，承載著列車順利通行的重任。軌道建設(shè)質(zhì)量容易受到周圍環(huán)境和施工技術(shù)水平的影響，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下必須要保證有相對的平順性。軌道質(zhì)量指數(shù)（Track Quality Index，TQI）是軌道質(zhì)量狀態(tài)尤其是不平順性的重要判斷依據(jù)。對TQI值的概念和物理意義以及計(jì)算方法進(jìn)行了總結(jié)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合中至中衛(wèi)城際鐵路K202+500-K207+500段的TQI值進(jìn)行了計(jì)算、分析，并有針對性地提出了降低TQI值的施工技術(shù)改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：TQI值;軌道建設(shè);有砟鐵路

0" "引言

鐵路工程建設(shè)項(xiàng)目在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃中具有戰(zhàn)略意義，發(fā)揮著拉動區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長的重要作用，被譽(yù)為提振國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的“主動脈”。截至2020年底，我國鐵路營運(yùn)總里程達(dá)到了14.14萬km，里程數(shù)在全世界居于前列[1]。在鐵路工程項(xiàng)目各組成部分中，軌道屬于基礎(chǔ)性工程建設(shè)范疇，承載著列車順利通行的重任。

軌道建設(shè)質(zhì)量容易受到周圍環(huán)境和施工技術(shù)水平的影響，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下必須要保證有相對的平順性。我國現(xiàn)行鐵軌主要由有砟軌道和無砟軌道兩類組成，主要是根據(jù)軌下基礎(chǔ)是否為石質(zhì)散粒道床進(jìn)行劃分的。有砟軌道的軌下基礎(chǔ)為石質(zhì)散粒道床，相比于無砟軌道具有承載力較大、彈性形變較小、維護(hù)保養(yǎng)方便、通行噪聲低、成本造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，得到了較為廣泛的應(yīng)用[2]。

有砟軌道的平順性是評價(jià)鐵軌建設(shè)質(zhì)量水平的重要指標(biāo)。軌道不平順必然限制列車運(yùn)行速度的大幅提升，同時(shí)也會對列車的運(yùn)行安全性造成不利影響。造成軌道不平順的原因有很多，既受到設(shè)計(jì)和施工過程中技術(shù)水平的限制，也有使用過程中環(huán)境因素的作用，這些因素的綜合作用導(dǎo)致軌道不平順性帶有隨機(jī)的性質(zhì)[3]。因此，研究有砟軌道的不平順性，不能采用簡單的定量分析方法，而要將其看作一個(gè)多因素耦合作用下的隨機(jī)過程，利用方差、譜密度等技術(shù)手段對不平順性進(jìn)行建模和分析。本文利用軌道質(zhì)量指數(shù)（Track Quality Index，簡稱TQI）作為軌道質(zhì)量狀態(tài)尤其是不平順性的重要判斷依據(jù)，據(jù)此分析有砟軌道的施工改進(jìn)措施和方法。

1" "軌道質(zhì)量指數(shù)概述

1.1" "TQI的物理意義

軌道質(zhì)量指數(shù)是軌道建設(shè)質(zhì)量的重要評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為定量評價(jià)軌道質(zhì)量提供了重要參考依據(jù)。軌道質(zhì)量指數(shù)的基本思想，是利用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，通過設(shè)立科學(xué)的評價(jià)指標(biāo)，并對不同區(qū)段軌道的建設(shè)質(zhì)量進(jìn)行定量描述，計(jì)算出TQI數(shù)值，據(jù)此對軌道建設(shè)質(zhì)量進(jìn)行定量評價(jià)。

1.2" "TQI的計(jì)算方法

軌道質(zhì)量指數(shù)的計(jì)算有一整套科學(xué)的方法。具體來說，每隔200m長度選擇一段軌道作為統(tǒng)計(jì)源，對其在水平、左高低、右高低、左軌向、右軌向、三角坑和軌距等7個(gè)方向上的幾何不平順幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差作為單項(xiàng)指數(shù)，將這7個(gè)單項(xiàng)指數(shù)進(jìn)行線性疊加即可作為評價(jià)該區(qū)段軌道不平順性質(zhì)的TQI值。

不同運(yùn)行速度對軌道的TQI值有不同的要求：一般來說，當(dāng)運(yùn)行速度小于100km/h時(shí)，TQI值應(yīng)該維持在15左右;當(dāng)運(yùn)行速度在100～120km/h時(shí)，TQI值應(yīng)該維持在14左右;當(dāng)運(yùn)行速度在120～160km/h時(shí)，TQI值應(yīng)該維持在11左右;當(dāng)運(yùn)行速度在160～200km/h時(shí)，TQI值應(yīng)該維持在9左右;當(dāng)運(yùn)行速度在200～250km/h時(shí)，TQI值應(yīng)該維持在8左右;當(dāng)運(yùn)行速度在250～300km/h時(shí)，TQI值應(yīng)該維持在5左右。因此，為了保持列車在有砟軌道上安全穩(wěn)定地運(yùn)行，應(yīng)該將軌道的TQI值維持在合適的范圍內(nèi)。另外，通過TQI值的變化也可以反映軌道的平順性，使TQI與軌道平順性之間建立拓?fù)鋵?yīng)關(guān)系[5]。

2" "工程項(xiàng)目背景介紹

吳中至中衛(wèi)城際鐵路K202+500-K207+500段，位于寧夏回族自治區(qū)沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)的吳中和中衛(wèi)兩市，是實(shí)現(xiàn)寧夏自治區(qū)“五市同城化”的關(guān)鍵工程，也是呼包銀蘭快速客運(yùn)通道的重要組成部分，其順利建成與通車具有重要意義。

本鐵路按照客運(yùn)專線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，設(shè)計(jì)時(shí)速為250km/h，最小曲線半徑為3500m（困難情況下為3000m），最大坡度為20‰，初步滿足當(dāng)前使用需求。項(xiàng)目在建設(shè)過程中，需穿越復(fù)雜的自然地理環(huán)境，地質(zhì)水文條件復(fù)雜，同時(shí)坡角變化范圍較小，這些都給鐵路的平順性帶來了不小難度。選擇TQI作為重要的鐵路平順性評價(jià)指標(biāo)，通過對其進(jìn)行計(jì)算來判斷該段鐵路的平順性情況，并有針對性地提出施工改進(jìn)措施。

3" 工程項(xiàng)目TQI值計(jì)算與分析

3.1" "工程項(xiàng)目TQI值計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)TQI值的定義，將吳中至中衛(wèi)城際鐵路K202+500-K207+500段每隔200m劃分為一段統(tǒng)計(jì)源，對其在水平、左高低、右高低、左軌向、右軌向、三角坑和軌距等7個(gè)方向上的幾何不平順幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)公式（1）計(jì)算單段的TQI值，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1中，位置編號代表了選取的部分路段，將其作為統(tǒng)計(jì)源后計(jì)算其平均值與方差，按照式（1）計(jì)算得到TQI分布，其中灰色點(diǎn)表示施工技術(shù)措施未改進(jìn)前TQI值，橙色點(diǎn)表示施工技術(shù)措施改進(jìn)后TQI值。

由圖1可以看出：施工技術(shù)措施改進(jìn)前TQI值普遍較大，施工技術(shù)措施改進(jìn)后TQI值有所下降;施工技術(shù)措施改進(jìn)前，TQI值基本位于1.9～3.5之間，可以滿足速度運(yùn)行要求;但是TQI值變化幅度不均一，在部分路段區(qū)間比較大，在部分路段區(qū)間比較小，反映出路段不平順性相對來說有變化。為了進(jìn)一步提升軌道平順性，需要通過施工方法的改進(jìn)，爭取將TQI值控制在較小變化幅度內(nèi)。

3.2" "軌道線路精調(diào)對TQI值的影響分析

由圖1可以看出，施工技術(shù)措施改進(jìn)前位置編號1～5、15～29等處TQI值變化較為劇烈，出現(xiàn)劇增、峰值超限等情況。這是由于有砟軌道是基于顆粒道床修建的，在建設(shè)過程中由于道床初期難以碾壓密實(shí)，道床穩(wěn)定需要一段時(shí)間。另外，由于吳中至中衛(wèi)城際鐵路K202+500-K207+500段所處自然環(huán)境溫度晝夜差別較大，溫度的變化造成了軌道不平順性變化，導(dǎo)致TQI值出現(xiàn)較大波動。

針對這些現(xiàn)象，需要在施工過程中加強(qiáng)對軌道線路的精調(diào)。有砟軌道的精調(diào)是降低鐵路軌道TQI值的有效方法。對有砟軌道精調(diào)可采用人工精調(diào)和機(jī)械精調(diào)兩種方法，這兩種方法經(jīng)常配合使用。在吳中至中衛(wèi)城際鐵路K202+500～K207+500段建設(shè)過程中，對軌道道床的狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測。道床狀態(tài)穩(wěn)定后對其進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收通過后即開展精調(diào)工作。

在精調(diào)過程中，利用補(bǔ)齊扣配件、矯正膠墊等方法消除鋼軌、軌枕和扣件等在制作加工過程中產(chǎn)生的誤差。隨時(shí)對軌道的軌距、軌向、高低、水平、扭曲、與設(shè)計(jì)高程及中線的偏差進(jìn)行監(jiān)測，將規(guī)矩的偏差控制在±1.5mm，將軌向的偏差控制在2mm/5m，將高低的偏差控制在2mm/5m，將水平的偏差控制在2mm，將扭曲的偏差控制在2mm，將設(shè)計(jì)高程及中線的偏差控制在10mm。通過將這些偏差控制在容許范圍內(nèi)，對公式（1）進(jìn)行微分并與（1）式相除，可以得到TQI。

3.3" "軌道線路搗固對TQI值的影響分析

很多時(shí)候，單純使用精調(diào)難以達(dá)到令人滿意的效果，這時(shí)就需要利用搗固技術(shù)手段增強(qiáng)道床的穩(wěn)定性。配合精調(diào)，可以通過搗固的方法進(jìn)一步增強(qiáng)鐵路的平順性。為了達(dá)到穩(wěn)定的搗固效果，需要對鐵路線路軌距、膠墊厚度等進(jìn)行測量，據(jù)此編制符合平順性要求的搗固方案。搗固方案里需要列明平面偏差調(diào)整方法，當(dāng)平面偏差小于搗固車一次最大撥道量時(shí)，直接按照目標(biāo)值進(jìn)行撥道修正，否則進(jìn)行分次逐步撥道修正。同時(shí)進(jìn)行高程偏差的調(diào)整。

另外，需在每次搗固之后進(jìn)行路基的穩(wěn)定性處理，以進(jìn)一步減小TQI值。對于線路平、縱斷面較差地段，為保證線路整體的平順性，在制定搗固方案時(shí)要對起道量進(jìn)行優(yōu)化處理。搗固方案優(yōu)化原則為：針對線路高點(diǎn)只設(shè)置基本起道量保證撥道及調(diào)整水平。針對線路低洼地段結(jié)合大機(jī)的最大起道量進(jìn)行拉坡處理。

搗固一般采用多次搗固的方法進(jìn)行。多次搗固后的TQI值是單次搗固TQI值的代數(shù)平均值，如公式（3）所示：

對改進(jìn)前編號15-29處的TQI平均值進(jìn)行計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)其值為2.55。一般當(dāng)TQI值超過2.3之后，單獨(dú)使用精調(diào)就難以收到令人滿意的平順性效果，對此可以搭配使用多遍搗固措施。針對該段編號對應(yīng)的軌道，在精調(diào)基礎(chǔ)上采用5遍搗固技術(shù)措施，即前3遍搗固采用雙搗“精準(zhǔn)法”作業(yè)方案、后2遍搗固采用單搗“平順法”作業(yè)方案。經(jīng)過如此5遍搗固之后，對TQI值進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)施工技術(shù)措施改進(jìn)后最大TQI值變?yōu)榱?.1，最小TQI值變?yōu)榱?.8，平均TQI值為1.87，TQI值下降明顯，鐵軌的平順性得到了大幅度提升。

4" "結(jié)論

TQI值是判定軌道平順度的重要指標(biāo)參數(shù)，在有砟鐵路建設(shè)過程中是重要的施工參考依據(jù)。本文對TQI值的概念和物理意義以及計(jì)算方法進(jìn)行了總結(jié)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合中至中衛(wèi)城際鐵路K202+500～K207+500段的TQI值進(jìn)行了計(jì)算、分析，并在此基礎(chǔ)上有針對性地提出了降低TQI值的施工技術(shù)改進(jìn)措施。

在后續(xù)研究中，應(yīng)該對TQI值的影響因素進(jìn)行進(jìn)一步深入分析，通過歸類的方法列舉出TQI值的影響因素，針對每一種影響因素分析其對TQI值的具影響及相互之間的耦合關(guān)系，這樣才能深入理解有砟鐵路的平順性控制方法，進(jìn)一步提升施工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 張念，朱焱，王小敏，等.鐵路軌道不平順預(yù)測模型研究與應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2015（9）：56-63.

[2] 王乃珍，王福田.基于灰色區(qū)間預(yù)測模型的軌道不平順狀態(tài)預(yù)測[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用， 2015， 24（1）：1-3.

[3] 劉永乾，郭猛剛，侯銀慶，等.有砟客運(yùn)專線鋼軌周期性不平順整治技術(shù)研究[J].中國鐵路，2020， 699（9）：103-110.

[4] 譚社會，毛曉君.新建高速鐵路有砟軌道線路平順性控制技術(shù)"[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2019， 696（12）：5-8.

[5] 律百軍.高速鐵路有砟軌道不平順缺陷檢測與整治措施研究[J]."鐵道建筑技術(shù)， 2019（7）： 12-15.