大機(jī)清篩后軌道動態(tài)質(zhì)量變化影響因素分析及對策

夏孝維 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司蚌埠工務(wù)段

肖虎 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司工務(wù)部

有砟軌道是由鋼軌、軌枕、碎石道床、道岔、聯(lián)接零件及防爬設(shè)備等部件組成的線路基礎(chǔ)設(shè)備，碎石道床具有保持軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、排水性能良好、富于彈性、利于日常養(yǎng)護(hù)維修的特點。但隨著線路的運行，道砟顆粒間隙間逐步粉灰、煤灰、扁針狀碎石磨后砟屑、基床的翻漿冒泥等充填，在列車動載及雨水灌入等因素作用下，使得碎石道床結(jié)構(gòu)產(chǎn)生板結(jié)，逐步失去彈性，進(jìn)而影響線形線位的變化。因而需要對道床進(jìn)行周期性的清篩，以整治道床病害、恢復(fù)有砟軌道結(jié)構(gòu)彈性。

現(xiàn)有的線路清篩方式主要包括人工清篩、小型機(jī)械清篩、大型養(yǎng)路機(jī)械清篩作業(yè)方式，根據(jù)作業(yè)清篩機(jī)械功能的不同，大型養(yǎng)路機(jī)械清篩又可分為全斷面清篩、邊坡清篩及道岔清篩。線路道床清篩篩除污土、恢復(fù)道床彈性的同時，也是對既有運行線路道床破壞重塑的過程，因此有必要對線路清篩后軌道變化情況作跟蹤考察，以探索其內(nèi)在發(fā)生發(fā)展規(guī)律。本文結(jié)合選取的我段管內(nèi)京滬線線路大機(jī)清篩地段，以總公司0#綜合檢測列車檢測數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過對其軌道質(zhì)量指數(shù)（TQI值）及其7個子項目進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以獲取軌道質(zhì)量動態(tài)變化的影響因素，并提出針對性的對策。

1 大機(jī)清篩分析區(qū)段選取

我段近年來線路大機(jī)清篩主要為全斷面線路清篩，并結(jié)合我段京滬線管內(nèi)部分區(qū)段為弱膨脹土地段，選取2016年我段京滬線兩次集中修線路大機(jī)清篩區(qū)段區(qū)間線路進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其基本概況如表1所示。

表1 大機(jī)清篩分析區(qū)段基本概況

如表1所示，地段一位于京滬下行線蘆嶺-唐南集區(qū)間，大機(jī)清篩時間為2016年京滬線第一次集中修，地段一為非弱膨脹土地段，于2016年京滬線10月進(jìn)行大機(jī)復(fù)搗。地段二位于京滬下行線唐南集-固鎮(zhèn)區(qū)間，大機(jī)清篩時間為2016年京滬線第一次集中修，為弱膨脹土地段，并分別于2016年9月及2017年3月進(jìn)行大機(jī)復(fù)搗。地段三位于京滬下行線連城-新馬橋、新馬橋-曹老集區(qū)間，大機(jī)清篩時間為2016年京滬線第二次集中修，為非弱膨脹土地段，并于2017年10月進(jìn)行大機(jī)復(fù)搗。

2 清篩地段TQI值及其子項分析

軌道質(zhì)量指數(shù)（track quality index，TQI）是以200 m軌道區(qū)段為單元區(qū)段，分別計算單元區(qū)段內(nèi)左軌向、右軌向、左高低、右高低、水平、軌距、三角坑七項軌道幾何不平順的標(biāo)準(zhǔn)差，這七項軌道幾何不平順幅值的標(biāo)準(zhǔn)差之和作為判定該單元區(qū)段內(nèi)軌道平順性。依次對上述選取的地段的TQI值及其子項進(jìn)行選取分析。

2.1 地段一TQI值及其子項分析

如圖1、圖2所示，分別為地段一TQI值及其子項變化情況，其中2017年8月份0#綜合軌檢車未給出數(shù)據(jù)，不納入統(tǒng)計范圍。

圖1 地段一TQI值變化情況

圖2 地段一TQI值子項變化情況

由表1可知，地段一大機(jī)清篩時間為2016年3月5日至3月15日，線路大機(jī)復(fù)搗時間為2016年10月27日至11月2日，對比圖1、圖2可以看出，地段一在線路大機(jī)清篩后的2016年4月至8月呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，而9月份則突然增大，10月份呈現(xiàn)較大值，經(jīng)過大機(jī)復(fù)搗后，該區(qū)段TQI值恢復(fù)較低水平。并在2017年5月份出現(xiàn)一個小幅增加，其后恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)?，F(xiàn)以線路清篩后的第一個月（2016年4月）檢測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，對比分析該區(qū)段TQI值及其子項變化情況，如圖3所示。

圖3 地段一清篩后TQI值及子項增幅情況

由圖3可以看出，地段一在線路大機(jī)清篩后，TQI值子項中增幅較大的依次為左高低、右高低、水平、右軌向、左軌向，左高低增幅最大達(dá)到100%，右高低、水平最大增幅達(dá)83.33%、82.61%，而軌距基本沒有變化。

2.2 地段二TQI值及其子項分析

因地段一與地段二為相鄰區(qū)間，其中區(qū)段一為非弱膨脹土區(qū)段，區(qū)段二為弱膨脹土變化區(qū)段，圖4給出了區(qū)段一與區(qū)段二TQI值周期內(nèi)的變化情況，圖5給出了地段二TQI值周期內(nèi)子項變化情況。

圖4 地段一與地段二清篩后TQI值對比情況

由圖4可以看出，對比地段一、地段二的TQI值變化情況，大機(jī)清篩后的7到9月份，弱膨脹土地段TQI值增幅較大，地段二的TQI值由4月份的3.93增幅至8.72，在2016年9月26日進(jìn)行大機(jī)線路搗固后降至5.30，但在第二次大機(jī)復(fù)搗之前，與地段一相比，仍處于較高幅值。如圖5所示，對于所選取的地段二為京滬下行線唐南集-固鎮(zhèn)區(qū)間弱膨脹土地段，在進(jìn)行線路大機(jī)清篩后，其TQI值子項在2016年9月份動檢車檢車時，變化較大的依次為左高低、右高低、水平、三角坑及左右軌向，而軌距基本保持不變。地段二在經(jīng)過2017年3月19日大機(jī)第二次復(fù)搗后，該段線路TQI值小幅回落，并在2017年5月以后趨于穩(wěn)定。

圖5 地段二TQI值子項變化情況

2.3 地段TQI值及其子項分析

圖6、圖7為地段三TQI值及其子項變化情況，地段三位于京滬下行線連城-新馬橋、新馬橋-曹老集區(qū)間，大機(jī)清篩時間為2016年京滬線第二次集中修，為非弱膨脹土地段，并于2017年10月進(jìn)行大機(jī)復(fù)搗。

圖6 地段三TQI值變化情況

圖7 地段三TQI值子項變化情況

通過圖6可以看出，地段三TQI值在線路大機(jī)清篩前出現(xiàn)一個小的峰值，即2016年10月18日檢測數(shù)據(jù)，線路大機(jī)清篩后，該地段在2017年5月份出現(xiàn)一個峰值，經(jīng)2017年10月份線路大機(jī)搗固后，其TQI值趨于穩(wěn)定。對該地段TQI值子項分析可以知道，線路大機(jī)清篩后至2017年5月份TQI值出現(xiàn)的峰值，其中左高低、右高低、水平、三角坑幅值依次變化較大，而左右軌向、軌距變化不明顯。

通過對選取的三地段線路大機(jī)清篩后的TQI值及其子項分析可以看出：

（1）在一年內(nèi)的4至5月份、9至10月份，線路TQI值出現(xiàn)兩次明顯的峰值，而經(jīng)過線路大機(jī)清篩后的線路在4至5月份、9至10月份其TQI值出現(xiàn)的峰值幅值更大；

（2）線路大機(jī)清篩地段其TQI子項中，幅值變化明顯的依次為左高低、右高低、水平、三角坑，左右軌向及軌距變化幅值較小；

（3）京滬線弱膨脹土地段經(jīng)過線路大機(jī)清篩后其TQI值變化比非弱膨脹土地段變化更為顯著，其左右高低、水平、三角坑、左右軌向均有較大變化，而軌距基本保持不變。

3 清篩地段TQI值變化原因分析及對策

保持無縫線路穩(wěn)定的因素主要因素包括以下幾個方面：溫度壓力、軌道初始不平順、道床橫向阻力、軌道結(jié)構(gòu)框架剛度及扣件阻力。其中溫度壓力及軌道初始不平順為破壞無縫線路穩(wěn)定、惡化軌道平順的因素；道床橫向阻力、軌道框架剛度及扣件阻力為保持無縫線路穩(wěn)定的因素；結(jié)合我段京滬線弱膨脹土地段的基床不穩(wěn)定等因素，對我段京滬線線路大機(jī)清篩地段軌道質(zhì)量變化進(jìn)行分析。

3.1 軌道溫度壓力及初始不平順

無縫線路鎖定后，由于受一年四季氣溫變化的影響，導(dǎo)致在鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生拉壓兩種不同性質(zhì)的鋼軌應(yīng)力，而在軌溫高于鎖定軌溫時，便會產(chǎn)生溫度壓力。通過扣件的鎖定來約束鋼軌，使得鋼軌、軌枕構(gòu)成軌道框架，因軌道結(jié)構(gòu)初始的縱向、橫向不平順的存在，導(dǎo)致鋼軌溫度壓力轉(zhuǎn)變加劇軌道不平順的作用力。而無縫線路溫度壓力一般在4至5月、9至10月份晝夜氣溫變化的季節(jié)而出現(xiàn)壓力峰值，影響無縫線路的軌道平順性，這一點可以從文中所選取的分析地段一的2017年5月及地段三2016年10月檢測的TQI值反映出來。

3.2 清篩后道床橫向力變化

線路大機(jī)破底清篩作業(yè)對于無縫線路道床是一個破壞重塑的過程，清篩機(jī)的清篩過程短時間內(nèi)嚴(yán)重削弱道床縱橫向阻力，通過后續(xù)的大機(jī)搗固及穩(wěn)定作業(yè)，促使清篩后的道床密實并逐步恢復(fù)道床縱向及橫線阻力。而道床橫向阻力主要有三部分，分別由枕底、枕側(cè)及枕端提供，枕底及枕側(cè)所提供的橫向阻力在道砟搗固密實后并受到周圍約束的影響變化較小，而枕側(cè)道砟由于約束力的減少。同時已有的研究表明無縫線路鋼軌的自振頻率會隨著溫度力的增加而增加，且在受到列車荷載壓力作用下激振作用更加顯著。因此，當(dāng)鋼軌溫度壓力達(dá)到壓力峰值時會對線路大機(jī)清篩后的枕端道砟的密實性進(jìn)行弱化，減少其枕端橫向阻力的構(gòu)成，表現(xiàn)為軌道不平順的顯著。這點在所選取地段一、地段二的2016年9月至10月TQI值及其子項，地段三的2017年2017年5月份的TQI值及其子項可以反映出來。

3.3 弱膨脹土地段基床不穩(wěn)定

線路大機(jī)搗固后，道床的縱橫向阻力一般在8 Mt～9 Mt達(dá)到穩(wěn)定，而道床的下沉碾壓密實也在該階段完成。但基床的不穩(wěn)定則會擾動道床的穩(wěn)定性，由于我段京滬線管內(nèi)部分地段存在弱膨脹土，在每年夏秋季節(jié)，受氣候變化影響，或持續(xù)干旱少雨，或連續(xù)暴雨，造成基床的不穩(wěn)定，這種基床的變化反映到軌面上，便會加劇軌道不平順，使得軌道幾何尺寸發(fā)生較大變化。這一點在所選地段一與地段二的2016年8至9月份的TQI值及其子項分析中表現(xiàn)明顯。

3.4 大機(jī)清篩后軌面控制對策

針對線路大機(jī)清篩后軌道質(zhì)量變化及原因分析，結(jié)合現(xiàn)有的作業(yè)技術(shù)及作業(yè)手段，提出以下控制措施：

（1）做好線路清篩地段的應(yīng)力放散以降低鋼軌壓力峰值，減少鋼軌應(yīng)力引起的軌道橫向不平順；

（2）做好清篩后的大機(jī)搗固及后續(xù)細(xì)整糾缺作業(yè)質(zhì)量控制，主要通過軌距精改降低軌道橫向不平衡，主要降低的指標(biāo)有軌距、軌距遞減率、左右軌向等指標(biāo)，最大限度的減少軌道初始不平順；

（3）增加線路外側(cè)砟肩寬度，由現(xiàn)有的400 mm～450 mm增加至砟肩極限550 mm，同時增加砟肩堆高的寬度；

（4）對弱膨脹土地段進(jìn)行砍伐綠籬、增植保水草皮、覆蓋瓜子片等措施以保持路基的穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

無縫線路軌道結(jié)構(gòu)由于受氣溫的影響，在每年4至5月、9至10月會在鋼軌內(nèi)出現(xiàn)溫度壓力峰值，鋼軌受壓在列車動載作用下會造成軌道結(jié)構(gòu)激振作用顯著，線路大機(jī)清篩地段由于道床的擾動后重塑，會在這種作用力下弱化道床橫向作用力，造成軌道不平順加劇。管內(nèi)京滬線弱膨脹土地段基床的不穩(wěn)定則會影響道床的穩(wěn)定性，進(jìn)一步影響軌道不平順。針對線路大機(jī)清篩后軌控所存在的問題，提出加強清篩后的線路大機(jī)搗固及線路軌道幾何尺寸細(xì)整的作業(yè)質(zhì)量控制，同時增加線路砟肩寬度及砟肩堆高的寬度，以提高枕端道床阻力，并加快管內(nèi)京滬線弱膨脹土地段的整治進(jìn)度。