重載鐵路岔區(qū)施工后限速期間提速行車安全性分析

白新榮

國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 滄州 062350

隨著我國重載貨物列車軸重和牽引質(zhì)量的進(jìn)一步提升，線路設(shè)備的傷損以及軌道幾何狀態(tài)惡化速率明顯增加。重載鐵路岔區(qū)由于其軌道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，更易出現(xiàn)道岔損壞和道床臟污［1］，定期道床清篩及更換道岔能夠有效解決重載鐵路岔區(qū)病害［2-4］。但是道床清篩和更換道岔會破壞道砟顆粒之間的黏結(jié)，影響線路行車安全。李銳等［5］研究得出，朔黃重載線路道床清篩后的道床阻力在清篩后僅為規(guī)范值的90%。TG ∕GW 101—2014《普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則》也對道床清篩和更換道岔后的線路穩(wěn)定時間和限速作出了規(guī)定。

伴隨著重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)與大型養(yǎng)路機械的不斷優(yōu)化，原有限速標(biāo)準(zhǔn)已不再適應(yīng)于目前的重載鐵路，線路作業(yè)后的限速增加了列車慢行附加時分，既影響運輸能力，也影響2 萬t 等大運量列車的運營安全［6］?，F(xiàn)有的研究多集中于列車正常過岔時的動力學(xué)響應(yīng)分析［7］，缺少養(yǎng)護維修作業(yè)后列車過岔的實測軌道安全性數(shù)據(jù)。為了降低施工后列車階梯提速對運輸?shù)挠绊懠熬徑? 萬t，2 萬t 列車操控難度大的問題，本文通過提速試驗對岔區(qū)道床清篩、更換道岔后限速期間輪軌力和軌道靜態(tài)沉降進(jìn)行測試，對兩種擾動道床施工后行車安全性進(jìn)行綜合評估，為重載鐵路限行期間精細(xì)化提速提供參考。

1 提速試驗

TG∕GW 101—2014 中對限速和測量時間的規(guī)定為：①開通后第一輛列車限速35 km∕h，第一輛列車與第二輛列車到達(dá)試驗點的時間間隔；②第二輛列車限速45 km∕h，不少于4 h；③限速60 km∕h，24 h；④恢復(fù)常速，4 h。

本次試驗將第二階段列車限速由原45 km∕h 提升為 55 km∕h ，第三階段列車限速由原 60 km∕h 提升為65 km∕h。其他不變。輪軌力及軌道靜態(tài)沉降兩項測試內(nèi)容共測試128輛列車。

選取重載鐵路上行線岔區(qū)，鋪設(shè)PG4∕PG5 重型鋼軌和混凝土Ⅲ型軌枕。岔區(qū)軌道基礎(chǔ)從上到下依次為厚300 mm 碎石層和厚200 mm 砂墊層，其中碎石層起緩沖減震、分擔(dān)荷載的作用。岔區(qū)道床清篩采用大型養(yǎng)路機械進(jìn)行，更換道岔型號為12號單開道岔。

1.1 測試內(nèi)容及方法

1）輪軌力

輪軌力測試采用剪應(yīng)力法，在鋼軌軌腰和軌底粘貼應(yīng)變片，采樣頻率1 000 Hz。測試前需對安裝好的輪軌力測試裝置進(jìn)行標(biāo)定。

2）軌道靜態(tài)沉降

軌道靜態(tài)沉降測試采用全自動全站儀，該全站儀能夠?qū)崿F(xiàn)測點位置的自動搜索、跟蹤、辨識以及后續(xù)精準(zhǔn)鎖定工作，便捷高效地獲取三維坐標(biāo)等信息。軌道靜態(tài)沉降測試時需在曲線兩股鋼軌上分別安裝反射棱鏡，共安裝5組棱鏡，每組棱鏡在垂直于軌道方向上位置保持一致。每組測點間距5 m，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效。

道床清篩和更換道岔區(qū)段分別設(shè)置5組軌道靜態(tài)沉降測點，輪軌力測點與軌道靜態(tài)沉降中心測點位置重合，如圖1所示。

圖1 測點布置

1.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

1）輪軌垂向力。輪軌間垂直力過大會導(dǎo)致輪軌系統(tǒng)各部件傷損和軌道質(zhì)量狀態(tài)惡化。目前我國暫無相關(guān)規(guī)范對該指標(biāo)的限值予以規(guī)定，一般沿用英國鐵路標(biāo)準(zhǔn)，限值取250 kN。

2）輪軌橫向力。依據(jù)GB∕T 5599—2019《機車車輛動力學(xué)性能評定及試驗鑒定規(guī)范》，單側(cè)輪軌橫向力的限值為0.4P0(P0為靜軸重，kN）。本次測試機車軸重為250 kN，計算得出輪軌橫向力限值為100 kN。

3）脫軌系數(shù)。其為爬軌側(cè)車輪作用于鋼軌上的橫向力Q與車輪作用于鋼軌上的垂向力P的比值。GB∕T 5599—2019 中規(guī)定：機車Q∕P≤ 0.8；車輛Q∕P≤1.0。為能夠有效分析機車與車輛在擾動道床施工后運營的安全性，以相對較小的0.8作為脫軌系數(shù)限值。

4）輪重減載率。其為輪重減載量與列車車軸平均靜輪重的比值，依據(jù)GB∕T 5599—2019限值取0.65。

1.3 安全儲備量計算方法

為評判重載線路岔區(qū)道床清篩和更換道岔后限速期間提速行車安全性，需計算岔區(qū)大型養(yǎng)路機械作業(yè)后軌道安全儲備量S。以施工作業(yè)后出現(xiàn)最大輪軌力時為最不利工況，計算該工況下兩種作業(yè)后軌道安全儲備量。S的計算公式為

式中：Fmax為實測列車輪軌力最大值；F為規(guī)范中規(guī)定的輪軌力安全限值。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 最大輪軌力分析

輪軌力影響著重載列車經(jīng)過岔區(qū)時的平順性和安全性。對岔區(qū)道床清篩和更換道岔后128輛列車進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)外軌輪軌橫向力和垂向力均比內(nèi)軌大。因此數(shù)據(jù)分析時均采用外軌輪軌力。

岔區(qū)道床清篩和更換道岔后各限速階段最大輪軌力見圖2?？芍孩贌o論是道床清篩后還是更換道岔后，在目前的限速條件下各階段輪軌垂向力均小于250 kN 的限值，輪軌橫向力均小于100 kN 的限值。②以四個限速階段最大輪軌垂向力計算，岔區(qū)道床清篩、更換道岔后安全儲備量分別為31.90%、24.90%；③以四個限速階段最大輪軌橫向力計算，岔區(qū)道床清篩、更換道岔后安全儲備量分別為40.69%、28.33%。更換道岔后安全儲備量要小于道床清篩，且無論是哪種工況，最大輪軌力均出現(xiàn)在限速運營的第二階段，在后續(xù)測試與修正標(biāo)準(zhǔn)時建議將二者分開考慮，以精細(xì)化管控列車限速。

圖2 岔區(qū)道床清篩和更換道岔后最大輪軌力

2.2 輪軌力平均值分析

各限速階段 5 000 t、1 萬 t、2 萬 t 列車經(jīng)過時平均輪軌垂向力見表1。本次測試時在第一階段通過了1 輛5 000 t 列車，第二階段通過了9 輛列車，第三階段通過了92 輛列車，第四階段常速運行時通過了26 輛列車，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后不再監(jiān)測。

表1 各限速階段平均輪軌垂向力（σv）

由表1可知：①在第一階段首輛列車經(jīng)過時，岔區(qū)道床清篩、更換道岔后平均輪軌垂向力分別為151.39、167.91 kN，更換道岔后列車經(jīng)過時平均輪軌垂向力較大，不利于行車安全；②第二至第四階段均呈現(xiàn)出相同規(guī)律，更換道岔后列車經(jīng)過時平均輪軌垂向力大于道床清篩；③1 萬t、2 萬t 列車經(jīng)過時平均輪軌垂向力大于5 000 t 列車經(jīng)過時，且相差較大，牽引量的變化會影響輪軌力的大小。

各限速階段平均輪軌橫向力見表2。對比表1、表2 可知：①不同限速階段平均輪軌橫向力所呈現(xiàn)的規(guī)律與平均輪軌垂向力一致，更換道岔后平均輪軌橫向力始終大于道床清篩，且最大輪軌橫向力出現(xiàn)在限速運營的第二階段（參見圖2），由2 萬t 列車通過時引起。②雖然分為四個階段進(jìn)行限速，但是由于測試列車在重載鐵路岔區(qū)運行速度較低且各個階段速度差異較小，所以本次測試中列車速度帶來的輪軌力改變并不明顯。高速鐵路列車輪軌力與此會有所不同。

表2 各限速階段平均輪軌橫向力（σt）

2.3 列車運行安全性分析

脫軌系數(shù)能夠用來評定列車在輪軌橫向力、輪軌垂向力均滿足要求時列車運行的安全程度。脫軌系數(shù)越大，列車在運行過程中越容易發(fā)生脫軌。

經(jīng)過計算，岔區(qū)道床清篩、更換道岔后限速階段列車經(jīng)過時最大脫軌系數(shù)分別為0.47、0.48，小于規(guī)范限值0.8。按128 輛列車經(jīng)過計算，岔區(qū)道床清篩、更換道岔后脫軌系數(shù)平均值分別為0.11、0.15。更換道岔后的脫軌系數(shù)較大，但兩者均小于限值。

測試中發(fā)現(xiàn)同一水平面的兩個測點輪軌垂向力相差較小，輪重減載率在0.08～0.15，道床清篩、更換道岔后限速期間列車經(jīng)過時最大減載率分別為0.13、0.15，均小于規(guī)范限值0.65。按128輛列車經(jīng)過計算，道床清篩、更換道岔后減載率平均值分別為0.10、0.13。更換道岔后輪重減載率較大，但兩者均小于限值。與道床清篩相比，更換道岔后有砟軌道更不利于行車安全。

2.4 岔區(qū)軌道靜態(tài)沉降量對比

除了輪軌力之外，岔區(qū)軌道的沉降量是另外一個值得關(guān)注的指標(biāo)。由文獻(xiàn)［8-10］可知，道床垂向變形與道床密實度存在一定關(guān)聯(lián)。從軌道沉降量能夠看出岔區(qū)道床清篩和更換道岔后有砟道床內(nèi)部的差異。有砟道床擾動越小，軌道靜態(tài)沉降量就越小。

岔區(qū)道床清篩和更換道岔對道床的擾動程度不同，不同限速階段沉降量、沉降速度自然有所差別。因此，對限速期間沉降量進(jìn)行分析，從而判斷岔區(qū)道床清篩和更換道岔后行車安全性。

擾動道床施工后岔區(qū)軌道靜態(tài)累計沉降量變化曲線見圖3?？芍孩贁_動道床施工后岔區(qū)軌道沉降總體上隨列車通過數(shù)量增加而逐漸減小，沉降增長速率逐漸減小，說明充足的列車碾壓可以有效改善施工帶來的擾動，使散體道床重新恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。限速結(jié)束時，岔區(qū)道床清篩、更換道岔區(qū)段軌道靜態(tài)累計沉降量分別為7.8、5.1 mm。②限速四個階段岔區(qū)道床清篩區(qū)段軌道靜態(tài)累計沉降量明顯大于更換道岔區(qū)段，且需經(jīng)歷較長時間列車碾壓有砟道床才能進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，說明道床清篩對道床密實度影響較大。

圖3 擾動道床施工后岔區(qū)軌道靜態(tài)累計沉降量變化曲線

3 結(jié)論

依據(jù)岔區(qū)道床清篩、道岔更換后輪軌力及軌道靜態(tài)沉降測試結(jié)果，分析了岔區(qū)擾動道床施工后限速期間提速行車安全性。結(jié)論如下：

1）與道床清篩相比，更換道岔施工后道床狀態(tài)更加復(fù)雜，軌道安全儲備量更小。

2）更換道岔后列車通過時輪軌力、脫軌系數(shù)與輪重減載率均大于道床清篩后，但其均小于規(guī)范限值。

3）更換道岔、道床清篩后軌道靜態(tài)累計沉降分別為5.1、7.8 mm。道床清篩后道砟顆粒密實度不足，建議安排穩(wěn)定車補強擾動施工后軌道質(zhì)量。

綜上，在現(xiàn)有試驗條件下岔區(qū)道床清篩、更換道岔施工區(qū)段均具備安全行車條件。