京九線軌距精改與大機(jī)精搗組合作業(yè)效果分析

丁有康 張陽 王曉凱 王英杰 賈斌

1.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司， 北京 100081； 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；3.中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司 麻城工務(wù)段， 湖北 黃岡 438300； 4.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044

軌道不平順作為輪軌系統(tǒng)振動(dòng)的激擾源，是影響列車安全性和旅客舒適性的主要因素［1］。我國鐵路工務(wù)部門普遍采用軌道質(zhì)量指數(shù)（Track Quality Index，TQI）作為量化軌道不平順的重要指標(biāo)，即計(jì)算200 m單元內(nèi)軌向（左右軌）、高低（左右軌）、水平、軌距、三角坑7項(xiàng)軌道幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差之和。該指標(biāo)能夠較好地反映軌道整體平順性狀態(tài)［2-3］。

京九線于1996年9月1日全線開通，2003年1月10日完成復(fù)線建設(shè)，2013 年2 月6 日完成全線電氣化改造，改造后設(shè)計(jì)時(shí)速120 km，局部路段可達(dá)160 km。經(jīng)過十余年的運(yùn)營，實(shí)際線形較原始設(shè)計(jì)線形發(fā)生了較大變化，軌道幾何狀態(tài)逐步劣化，給現(xiàn)場線路養(yǎng)護(hù)維修工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。

為有效提高普速鐵路軌道幾何狀態(tài)和列車運(yùn)行品質(zhì)，在借鑒高速鐵路軌道精調(diào)作業(yè)模式的基礎(chǔ)上，利用軌道精測數(shù)據(jù)開展大機(jī)搗固作業(yè)已成為當(dāng)前普速鐵路線路維修的核心工作［4］?，F(xiàn)場實(shí)踐表明，大機(jī)搗固作業(yè)對軌距不平順影響較小，而軌距精改可彌補(bǔ)這一不足［5-6］。譚社會(huì)、木東升等［7-8］依托高速鐵路建設(shè)實(shí)踐，對軌距精改、大機(jī)精搗等組合作業(yè)手段的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，組合作業(yè)后軌道整體平順性改善效果顯著。然而在我國運(yùn)營普速鐵路中，尚未針對軌距精改與大機(jī)精搗組合作業(yè)工藝和改善效果進(jìn)行系統(tǒng)性研究分析。

本文結(jié)合京九線典型區(qū)段線路條件和養(yǎng)護(hù)維修實(shí)踐，建立普速鐵路有砟軌道軌距精改和大機(jī)精搗作業(yè)工藝流程，并選取典型區(qū)段對軌距精改、大機(jī)精搗及二者組合作業(yè)效果進(jìn)行對比分析，研究不同作業(yè)模式對軌道幾何不平順的改善效果。

1 作業(yè)流程及標(biāo)準(zhǔn)

選取京九線典型區(qū)段作為試驗(yàn)段，里程為下行線K1080 —K1250。該區(qū)段位于湖北省麻城工務(wù)段管內(nèi)，線路允許速度為160 km/h，采用60 kg/m 鋼軌，有砟軌道，軌枕為混凝土Ⅲ型，扣件類型為彈條Ⅱ型，沿線布設(shè)北斗基準(zhǔn)站網(wǎng)與固定樁控制網(wǎng)［9］。結(jié)合該區(qū)段線路條件和養(yǎng)護(hù)維修實(shí)踐，設(shè)計(jì)軌距精改和大機(jī)精搗作業(yè)工藝流程。

1.1 軌距精改

軌距精改的主要目的是削減軌距偏差，保證扣件系統(tǒng)功能良好、扣壓力達(dá)標(biāo)。作業(yè)后應(yīng)滿足：動(dòng)態(tài)軌距不平順不大于0.6 mm。作業(yè)流程包括工作量調(diào)查、精改作業(yè)、靜態(tài)驗(yàn)收三部分。

1）工作量調(diào)查

采用0 級軌檢儀檢查精改區(qū)段軌距，并根據(jù)軌距目標(biāo)值計(jì)算軌距調(diào)整量，同時(shí)對尼龍座及扣板離縫、膠墊失效偏斜、軌距桿松動(dòng)失效進(jìn)行調(diào)查與現(xiàn)場標(biāo)記。根據(jù)工作量調(diào)查結(jié)果，準(zhǔn)備所需工機(jī)具及材料。

2）精改作業(yè)

①基準(zhǔn)軌軌向調(diào)整：軌距精改應(yīng)以軌向幾何狀態(tài)較好的一股鋼軌作為基準(zhǔn)軌；當(dāng)基準(zhǔn)軌動(dòng)態(tài)軌向不平順大于0.6 mm 時(shí)，先根據(jù)靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)對基準(zhǔn)軌軌向不平順進(jìn)行調(diào)整。②軌距調(diào)整：基準(zhǔn)軌軌向不平順調(diào)整完成后，采用0級軌檢儀檢查精改區(qū)段軌距，計(jì)算軌距調(diào)整量，并根據(jù)軌距調(diào)整量對非基準(zhǔn)軌進(jìn)行調(diào)整；調(diào)整后采用道尺復(fù)核軌距是否調(diào)整到位。

3）靜態(tài)驗(yàn)收

精改作業(yè)后，采用0 級軌檢儀對作業(yè)區(qū)段進(jìn)行檢查，結(jié)果應(yīng)滿足：直線及曲線半徑R＞ 600 m 區(qū)段，軌距±1 mm 以內(nèi)，軌距變化率不大于1‰；R≤ 600 m 區(qū)段，軌距 ±2 mm以內(nèi)，軌距變化率不大于2‰。

4）注意事項(xiàng)

作業(yè)前應(yīng)對軌距尺和軌檢儀進(jìn)行校對，保證測量器具精度的統(tǒng)一性和準(zhǔn)確性；鋼軌工作邊存在肥邊時(shí)，應(yīng)先修理肥邊。

1.2 大機(jī)精搗

大機(jī)精搗的主要目的是改善軌道高低、軌向、水平、三角坑平順性狀態(tài)，作業(yè)流程包括軌道測量、平縱斷面重構(gòu)設(shè)計(jì)、線形優(yōu)化、搗固作業(yè)四部分。

1）軌道測量

為實(shí)現(xiàn)軌道絕對位置和相對平順性的同步控制，軌道測量采用衛(wèi)星/激光定位+慣性測量組合作業(yè)模式，快速獲取軌道中線三維坐標(biāo)［10］。軌道測量作業(yè)應(yīng)滿足：①采用衛(wèi)星定位 + 慣性測量作業(yè)模式時(shí)，測量前應(yīng)將流動(dòng)站置于已知點(diǎn)上進(jìn)行校核，與已知點(diǎn)的平面、高程坐標(biāo)差應(yīng)分別不大于15、20 mm。②測量作業(yè)起終點(diǎn)應(yīng)位于直線區(qū)段，且起終直線區(qū)段長度不應(yīng)小于200 m。③軌道測量過程中，測量儀每行進(jìn)至整百米和曲線四大樁點(diǎn)處時(shí)，應(yīng)在路肩側(cè)軌枕進(jìn)行標(biāo)記，為后續(xù)大機(jī)搗固提供里程基準(zhǔn)。

2）平縱斷面重構(gòu)設(shè)計(jì)

軌道測量完成后，結(jié)合線路設(shè)備技術(shù)臺賬、建筑限界、橋梁偏心等限制條件，采用最小二乘法完成測量區(qū)段平縱斷面重構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算平面和高程偏差以及標(biāo)記點(diǎn)設(shè)計(jì)里程［11-12］。平面重構(gòu)設(shè)計(jì)中，曲線半徑、緩和曲線長與臺賬保持一致，曲線樁點(diǎn)里程變化量不應(yīng)大于5 m；縱斷面重構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》相關(guān)規(guī)定。

3）線形優(yōu)化

根據(jù)重構(gòu)設(shè)計(jì)得到的偏差值，對設(shè)計(jì)線形進(jìn)行綜合優(yōu)化，得到滿足本次搗固作業(yè)要求的目標(biāo)線形以及起道、撥道調(diào)整方案。線形優(yōu)化過程須要滿足以下限制條件。

①目標(biāo)線形平順性限制條件

目標(biāo)線形平順性應(yīng)滿足10 m 和60 m 檢測弦中點(diǎn)矢矩限值要求，表達(dá)式為

式中：Hl（E）、Hl（i）和Hl（F）為目標(biāo)線形在不同檢測弦下起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)的偏差值，檢測弦長l分別為10 m和60 m；ul為不同檢測弦下中點(diǎn)矢矩限值，檢測弦長為10 m 時(shí)取4 mm，檢測弦長為60 m 時(shí)，平面取6 mm，高程取7 mm。

②起道量、撥道量大小限制條件

綜合考慮基本起道量、作業(yè)軌溫、建筑限界、橋梁偏心、線間距等限制條件，起道量、撥道量應(yīng)滿足

式中：Q（i）和B（i）為第i測點(diǎn)起道量和撥道量；Qmin和Bmin為起道量和撥道量下限；Qmax和Bmax為起道量和撥道量上限。

③起道量、撥道量變化率限制條件

相鄰測點(diǎn)起道量、撥道量變化率應(yīng)滿足

式中：d為相鄰測點(diǎn)間距離；ζQ和ζB分別為起道量和撥道量變化率限值，分別取1.2‰和1‰。

④起道量、撥道量比例限制條件

同一測點(diǎn)起道量、撥道量比例應(yīng)滿足

式中：δ為起道量、撥道量比例限值，一般條件下取1.0，困難條件下可取0.5。

4）搗固作業(yè)

搗固作業(yè)采用單搗 + 單搗 + 穩(wěn)定模式。第一遍搗固采用通過線形優(yōu)化得到的起道量、撥道量，通過精確法進(jìn)行起道、撥道作業(yè)，目的是改善軌道長波不平順；第二遍搗固采用近似法進(jìn)行起道、撥道作業(yè)，目的是改善第一遍搗固作業(yè)遺留下的局部不平順［13］。搗固車每行進(jìn)至測量作業(yè)標(biāo)記點(diǎn)位置時(shí)，計(jì)算搗固車?yán)锍膛c標(biāo)記點(diǎn)設(shè)計(jì)里程的誤差，誤差大于0.5 m 時(shí)應(yīng)對搗固車?yán)锍踢M(jìn)行校正。

2 作業(yè)效果

2.1 軌距精改

選取京九線下行線K1089 + 000 —K1090 + 200 區(qū)段作為軌距精改試驗(yàn)段，精改過程中以右軌為基準(zhǔn)軌。精改前后軌道幾何狀態(tài)對比見表1。可知：軌距精改后試驗(yàn)段TQI 由6.13 mm 降至5.59 mm，改善率為8.81%；7 項(xiàng)不平順指標(biāo)中，軌距改善最為顯著，改善率達(dá)到49.49%，非基準(zhǔn)軌（左軌）軌向不平順的改善率為12.86%；其余不平順指標(biāo)變化較小，均在5.00%以內(nèi)。可見，軌距精改可有效改善軌距不平順，對高低、水平和三角坑不平順影響較小。

表1 軌距精改前后軌道幾何狀態(tài)對比mm

為研究軌距精改對軌向不平順的影響，對該區(qū)段軌距精改前后左右軌向不平順分布情況進(jìn)行對比，見圖1?？芍?，與軌距精改前相比，軌距精改后左右軌向不平順分布趨勢呈現(xiàn)出較強(qiáng)的相似性。

圖1 軌距精改前后左右軌向不平順對比

為進(jìn)一步分析軌距精改前后左右軌向不平順的關(guān)系，以右軌向不平順為自變量，左軌向不平順為因變量，進(jìn)行線性回歸分析［14］，見圖2。軌距精改前，擬合直線為y= 0.512x-0.002，相關(guān)系數(shù)為0.429；軌距精改后，擬合直線為y= 0.839x-0.001，相關(guān)系數(shù)為0.807?？芍号c軌距精改前相比，軌距精改后散點(diǎn)分布更集中；軌距精改前，左右軌向不平順為低度相關(guān)；軌距精改后左右軌向不平順表現(xiàn)為高度相關(guān)，且二者一致性得到明顯提升。

圖2 軌距精改前后左右軌向不平順線性回歸分析對比

綜上，軌距精改可明顯改善軌距不平順。作業(yè)過程中以軌向平順性狀態(tài)較好的一股鋼軌作為基準(zhǔn)軌，可通過提升左右軌向不平順的一致性，達(dá)到改善非基準(zhǔn)軌軌向不平順的目的。

2.2 大機(jī)精搗

選取京九線下行線K1225 + 000 —K1226 + 400 區(qū)段為精搗試驗(yàn)段。該區(qū)段在大機(jī)精搗前未進(jìn)行軌距精改，精搗過程中以左軌為基準(zhǔn)軌。精搗前后軌道幾何狀態(tài)對比見表2?？芍捍髾C(jī)精搗后試驗(yàn)段TQI 由5.39 mm 降至4.44 mm，改善率為17.63%；7項(xiàng)不平順指標(biāo)中，左軌向、左高低、右高低、水平、三角坑不平順改善較為明顯，改善率為18.57% ～ 50.55%；軌距不平順未發(fā)生變化；非基準(zhǔn)軌（右軌）軌向不平順指標(biāo)由0.65 mm升至0.78 mm，劣化率20.00%。

表2 大機(jī)精搗前后軌道幾何狀態(tài)對比mm

為分析大機(jī)精搗后非基準(zhǔn)軌向TQI 劣化原因，對大機(jī)精搗前左右軌向不平順進(jìn)行線性回歸分析。擬合直線為y= 0.581x- 0.005，相關(guān)系數(shù)為0.433。該區(qū)段左右軌向不平順的一致性較差，導(dǎo)致大機(jī)精搗在改善基準(zhǔn)軌軌向不平順的同時(shí)，對非基準(zhǔn)軌軌向平順性狀態(tài)造成了破壞。因此，通過大機(jī)精搗可改善基準(zhǔn)軌軌向不平順，但當(dāng)非基準(zhǔn)軌與基準(zhǔn)軌間軌向不平順一致性較差時(shí)，易對非基準(zhǔn)軌的軌向平順性狀態(tài)造成破壞。

2.3 組合作業(yè)

對軌距精改區(qū)段進(jìn)行大機(jī)精搗，精搗過程中以左軌為基準(zhǔn)軌。軌距精改與大機(jī)精搗組合作業(yè)前后軌道幾何狀態(tài)對比見表3?？芍壘嗑呐c大機(jī)精搗組合作業(yè)后，該區(qū)段TQI 由6.13 mm 降至4.46 mm，改善率為27.24%；7 項(xiàng)不平順指標(biāo)改善效果均較為顯著，改善率為17.81% ～ 49.49%；受軌距精改影響，該區(qū)段非基準(zhǔn)軌（右軌）軌向不平順由0.58 mm 降至0.43 mm，改善率為25.86%。

表3 組合作業(yè)前后軌道幾何狀態(tài)對比mm

根據(jù)表1—表3，分別計(jì)算軌距精改、大機(jī)精搗及組合作業(yè)模式下各項(xiàng)不平順指標(biāo)及TQI 改善（負(fù)值表示劣化）情況，見圖3。

圖3 不同作業(yè)模式下各項(xiàng)不平順指標(biāo)及TQI改善情況

由圖3 可知：從整體TQI 改善效果來看，組合作業(yè)效果最佳，大機(jī)精搗次之，軌距精改效果最差；軌距精改后軌距不平順改善效果最佳，左軌向不平順次之，右軌向、左高低、右高低、水平、三角坑不平順無明顯改善；大機(jī)精搗后左軌向、左高低、右高低、水平、三角坑不平順改善效果較好，軌距不平順未發(fā)生變化，右軌向不平順產(chǎn)生劣化；組合作業(yè)對7 項(xiàng)不平順指標(biāo)均有較大程度改善?？梢?，為同時(shí)獲得軌道不平順7 項(xiàng)指標(biāo)和TQI 的良好改善效果，在普速鐵路有砟軌道線路日常養(yǎng)維時(shí)可采用軌距精改與大機(jī)精搗組合作業(yè)模式。

3 結(jié)論

本文結(jié)合京九線線路條件和養(yǎng)維實(shí)踐，建立了普速鐵路有砟軌道軌距精改和大機(jī)精搗作業(yè)工藝流程，并選取典型區(qū)段針對軌距精改、大機(jī)精搗及二者組合作業(yè)效果進(jìn)行了對比分析。主要結(jié)論如下：

1）軌距精改后，軌距不平順改善效果最為顯著，改善率為49.49%，非基準(zhǔn)軌（左軌）軌向不平順改善率為12.86%，其余不平順指標(biāo)變化較小，均在5.00%以內(nèi)。軌距精改使左右軌向不平順的一致性得到了明顯提升。

2）大機(jī)精搗可有效改善左高低、右高低、基準(zhǔn)軌（左軌）軌向、水平、三角坑不平順，改善率為18.57% ～50.55%，無法改善軌距不平順。當(dāng)非基準(zhǔn)軌與基準(zhǔn)軌間軌向不平順一致性較差時(shí)，大機(jī)精搗易對非基準(zhǔn)軌軌向平順性狀態(tài)造成破壞。在大機(jī)精搗前進(jìn)行軌距精改可實(shí)現(xiàn)左右軌向不平順的同步改善。

3）為同時(shí)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)不平順的全面改善，在對普速鐵路有砟軌道線路進(jìn)行日常養(yǎng)維作業(yè)時(shí)可采用軌距精改與大機(jī)精搗組合作業(yè)模式。

本文研究成果可為京九線有砟區(qū)段線路精細(xì)維修工作提供指導(dǎo)，同時(shí)也可為國內(nèi)其他運(yùn)營普速鐵路日常養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)提供參考。