大機分層整道作業(yè)對道砟級配破壞的試驗研究

師 彬 楊永平 楊思偉 張燕磊

（1、昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學院，云南 昆明 650217

2、中國鐵路昆明局集團有限公司昆明工務機械段，云南 昆明 650000）

有砟軌道新建鐵路施工時，在長鋼軌單元軌放散之前需要進行分層上砟整道作業(yè)，施工時使用的大型養(yǎng)路機械化整修作業(yè)車（搗固車、穩(wěn)定車、配砟整形車等）具有改善有砟道床幾何平順性和穩(wěn)定性，恢復道床彈性和動力學性能，成為了現(xiàn)代鐵路新建建設的主要施工機具[1]。

在國內(nèi)外的學者研究中發(fā)現(xiàn)：大機養(yǎng)路機械（后簡稱大機）作業(yè)會對有砟鐵路道砟級配破壞效果極為顯著，尤其是搗固車多次大機作業(yè)會加快道砟級配的破壞、臟污道床[2-4]。然而在新建鐵路有砟軌道施工過程中，采用分層上砟整道作業(yè)使道床狀態(tài)達到施工驗收標準，即大機每作業(yè)一遍，會根據(jù)作業(yè)起道量提前進行一遍新道砟補入，如此循環(huán)。大機作業(yè)會破壞道砟的級配，那么大機分層整道作業(yè)后的道砟級配是否還滿足規(guī)定的級配標準，這就需要進行試驗研究。同時在本項目前期研究中發(fā)現(xiàn)在大機常用的組合作業(yè)模式中，兩搗一穩(wěn)作業(yè)對道砟級配破壞極為顯著，為此本文設計兩搗一穩(wěn)的作業(yè)組合模式下大機分層整道作業(yè)對道砟級配的破壞試驗，研究大機分層整道作業(yè)對道砟級配破壞的影響規(guī)律，為鐵路有砟軌道現(xiàn)場的大機分層整道作業(yè)施工提供一定的指導依據(jù)。

1 試驗標準和方法

本次試驗選擇中老鐵路有砟線路為研究對象，其道砟標準為新建鐵路花崗巖一級道砟[5]。根據(jù)相關(guān)施工技術(shù)標準、作業(yè)標準的規(guī)定，具體試驗標準和方法如下：

1.1 技術(shù)標準

（1）大機起道作業(yè)第1、2 遍起道量不宜大于60mm，第3、4 遍起道作業(yè)不宜大于50mm；（2）一次撥道量不宜大于50mm；（3）道床道砟厚度不足150mm 時，不得進行搗固作業(yè)。

1.2 試驗方法及實施

為了減少試驗數(shù)據(jù)的誤差，試驗方法設計如下：

（1）在中老鐵路直線地段進行試驗，選擇3 段初始道砟級配基本一致且道床厚度大于150mm 的線路作為研究對象，大機作業(yè)模式為兩搗一穩(wěn)。（2）在3 個試驗段采用同一臺搗固車、穩(wěn)定車和配砟車進行作業(yè)，作業(yè)參數(shù)除起道量和撥道量外，其它參數(shù)保持一致。（3）由于試驗遍數(shù)較多，為了控制道床總體厚度，3 個試驗段起道量分別為選擇10mm、20mm、30mm，撥道量根據(jù)實測調(diào)整控制在50mm 范圍以內(nèi)，每種起道量分別進行6 遍作業(yè)。（4）每個試驗段新補入道砟為同一批道砟，保持新補入道砟初始級配盡可能一致。（5）大機作業(yè)前線路經(jīng)過人工小機搗固作業(yè)，確保滿足大機作業(yè)條件。兩搗一穩(wěn)施工作業(yè)組織和工序模式。（6）數(shù)據(jù)采集：大機施工作業(yè)后，道砟級配數(shù)據(jù)采用鋼篩進行分類，然后使用臺秤進行稱重。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗結(jié)果分析

將現(xiàn)場使用鋼制篩網(wǎng)篩分稱重后各徑粒道砟的重量數(shù)據(jù)處理成為過篩質(zhì)量百分率，得到6 遍大機兩搗一穩(wěn)作業(yè)起道量為10mm、20mm、30mm 的道砟級配施工數(shù)據(jù)分別如表1、表2、表3 所示。

表1 起道量10mm 的道砟級配測試結(jié)果

表2 起道量20mm 的道砟級配測試結(jié)果

表3 起道量30mm 的道砟級配測試結(jié)果

為了更為直觀反映不同大機作業(yè)起道量下的大機作業(yè)對道砟級配過程性的變化影響，使用matlab 作出6 遍大機作業(yè)后道砟級配隨起道量變化條形圖如圖1 所示。

圖1 不同起道量道砟級配變化圖

從大機兩搗一穩(wěn)分層整道作業(yè)道砟級配的試驗結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

（1）在起道量為10mm 作業(yè)模式中，第2 遍作業(yè)后造成徑粒25mm 以下道砟總量超過一級道砟標準，在第3～4 遍作業(yè)后造成徑粒35.5mm 以下道砟總量超過一級道砟標準，在第5～6 遍作業(yè)后造成徑粒56mm 以下道砟總量超過一級道砟標準。（2）在起道量為20mm 作業(yè)模式中，在第3～5 遍作業(yè)后造成徑粒25mm 以下道砟總量超過一級道砟標準，在第3-4 遍作業(yè)后造成徑粒35.5mm 以下道砟總量超過一級道砟標準，在第6 遍作業(yè)后造成徑粒56mm 以下道砟總量超過一級道砟標準。（3）在起道量為30mm 作業(yè)模式中，未發(fā)現(xiàn)各徑粒道砟超過一級道砟標準，在第4 遍作業(yè)開始道砟級配變化相對平穩(wěn)。

2.2 對比分析

為了進一步分析道砟級配隨大機分層整道作業(yè)起道量和作業(yè)遍數(shù)的變化影響，定義道砟級配質(zhì)量相對變化率為評價指標來分析其變化規(guī)律。道砟級配質(zhì)量相對變化率以道砟初始級配為比較標準，大機每遍作業(yè)后各徑粒道砟變化的相對偏差即為道砟級配質(zhì)量相對變化率，其計算公式如下：

公式（1）中：xij為大機第i 遍第j 種j 徑粒道砟級配，x0j為大機作業(yè)前道砟初始級配。

當δ>0 時，說明該徑粒道砟占比增加；當δ<0 時，說明該徑粒道砟占比減少。

使用公式（1）將數(shù)據(jù)表1、表2、表3 中數(shù)據(jù)進行處理計算后，得到大機作業(yè)后起道量為10mm、20mm、30mm道砟級配質(zhì)量相對變化率隨大機作業(yè)遍數(shù)對比圖如圖2所示。

圖2 不同起道量道砟級配質(zhì)量相對變化率

可以得到以下結(jié)論：

（1）大機作業(yè)徑粒56mm 以上的道砟會逐步破壞成為徑粒35.5mm 以下的道砟，而起隨著作業(yè)遍數(shù)的增加破壞效果也越明顯；（2）同一起道量下即新補入道砟一樣，但每遍作業(yè)作業(yè)前道砟級配不一樣，作業(yè)后道砟也不一樣，說明作業(yè)前道砟會影響作業(yè)后級配變化，即受道砟作業(yè)前級配狀態(tài)影響每遍作業(yè)的破壞量是不一樣的；（3）通過比較起道量為10mm、20mm、30mm 的道砟級配質(zhì)量相對變化率發(fā)現(xiàn)，隨著起道量的增加，道砟級配質(zhì)量相對變化率越小，即新道砟補入越多，大機作業(yè)道砟級配變化越穩(wěn)定。（4）根據(jù)第（3）條結(jié)論，分析起道量為30mm 試驗數(shù)據(jù)，在大機第4 遍后道砟級配變化相對穩(wěn)定且不存在超過一級道砟標準的級配數(shù)據(jù)，因此可以推斷：起道量為30mm 及以上的大機分層整道作業(yè)，隨著大機作業(yè)遍數(shù)的增加，道砟級配變化越穩(wěn)定，不存在超過一級道砟級配標準的現(xiàn)象。

2.3 分層整道作業(yè)下道砟級配變化關(guān)系研究

根據(jù)2.2 節(jié)道砟級配試驗數(shù)據(jù)和結(jié)論，可以推斷出大機分層整道作業(yè)前后的道砟級配變化關(guān)系如下：

（1）大機作業(yè)前道砟級配狀態(tài)以及新補入道砟級配的初始狀態(tài)會影響作業(yè)后的道砟級配狀態(tài)；（2）新道砟補入量越多，大機作業(yè)道砟級配變化越穩(wěn)定；（3）同一起道量下，受施工環(huán)境不同的影響每遍作業(yè)對各徑粒道砟的破壞量是不一樣的。

按照試驗結(jié)果和推理，大機作業(yè)后道砟級配與作業(yè)前道砟級配、新道砟級配和補入量、每遍作業(yè)的破壞量之間存在如下數(shù)學關(guān)系：

式中：Xi-1j：為第i 遍作業(yè)前第j 種徑粒道砟級配；Yij：為第i 遍作業(yè)前新補入道砟第j 種徑粒道砟級配；Δij第i 遍作業(yè)時第j 種徑粒道砟的破壞量；ai，bi為系數(shù)，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和分析，存在ai>0，bi>0。

3 結(jié)論

大機作業(yè)會加快道砟級配的破壞、臟污道床，使得道砟級配不再滿足相關(guān)技術(shù)標準。為了探尋大機分層整道作業(yè)對道砟級配破壞的影響規(guī)律，本文設計了兩搗一穩(wěn)作業(yè)起道量為10mm、20mm、30mm 道砟級配的數(shù)據(jù)試驗，通過分析比較，主要得出以下結(jié)論：

（1）大機作業(yè)徑粒56mm 以上的道砟會逐步破壞成為徑粒35.5mm 以下的道砟，而起隨著作業(yè)遍數(shù)的增加破壞效果也越明顯；（2）在兩搗一穩(wěn)組合作業(yè)模式中，當作業(yè)起道量為10mm、20mm 時，隨著大機作業(yè)遍數(shù)的增加，都會使得道砟級配超過一級道砟標準。當作業(yè)起道量為30mm 時，在整個施工作業(yè)過程中，未發(fā)現(xiàn)各徑粒道砟超過一級道砟標準且在大機第4 遍后道砟級配變化相對穩(wěn)定；（3）隨著大機作業(yè)起道量的增加，道砟級配質(zhì)量相對變化率越小，即大機作業(yè)起道量的越大，道砟級配變化越穩(wěn)定。

鑒于上述結(jié)論，建議在新建鐵路有砟軌道分層整道作業(yè)過程中，應加強施工前線路標高測量控制，大機作業(yè)前確保道砟充足，合理設置大機作業(yè)起道量（即起道量控制30mm 及以上），在道床各項指標滿足的情況，盡可能減少大機作業(yè)遍數(shù)，以免因大機作業(yè)加快道床的臟污。