凍融現象對軌道平順性的影響分析

摘要：本文概述了軌道平順性的概念及其評價方法，凍融現象形成的原因及其危害，本文通過對凍融前后Amberg小車測量軌道數據的對比分析，得出了一些結論和建議。

關鍵詞：平順性 凍融現象 Amberg小車

1 概述

無砟軌道的高平順性是維持行車高舒適性、高安全性的保證，然而多方面的因素都會影響到軌道的平順性。橋體路基的沉降會影響無砟軌道的平順性；隧道內的滲漏水會影響無砟軌道的平順性；地下溶洞處理不當也會影響無砟軌道的平順性；以及寒冷地區的凍融現象也會影響到無砟軌道的平順性。本文主要針對寒冷地區凍融現象對軌道平順性的影響進行了有關的探索分析。

2 平順性及其評價方法

平順性，即兩根鋼軌在高低和左右方向與鋼軌理想位置幾何尺寸的偏差。施工時常通過拉弦測量法來檢測軌道不平順值。

2.1 國內平順性評價方法

我國一般采用固定弦長（比如直線上10m，曲線上20m）對中間點的矢度進行評價，若要對下一點的矢度進行評價，需要把該弦線前移到下一點，被評價點與弦線中間位置相對應，我們將這種評價方法叫做“動弦檢測”。目前，國內有碴鐵路施工及工務維護中常用到此法。該方法的檢測示意圖參見下圖1：

其數學模型如下：

ΔH = h實測-h設計 （1）

公式（1）中h為正矢值，H為絕對偏差[1]。

2.2 德國平順性評價方法

自我國引進并應用無砟軌道技術以后，國內又出現了一種新型的軌道平順性的檢測方法——“定弦檢測”。該方法是拉一條長弦將其固定，對弦線范圍內所有點的矢度進行逐一評價，然后對其相對偏差進行綜合分析的檢測方法。檢測示意圖參見下圖2。

圖2中的點為鋼軌支承點的編號，即P1～P49。P25與P33間的平順性檢測通過下列公式來計算：

由于P1與P49的正矢為零，由此可對P2（對應點P10）到P40（對應點P48）的平順性進行檢測。新的弦線則從已檢測的最后一個點P40開始[2]。

以上方法是國內對軌道平順性評價的兩種方法，目前在無砟軌道上使用比較多的是第二種評價方法。

3 凍融現象及產生的主要災害作用

凍融，即土層由于溫度降到零度以下和升至零度以上而產生凍結和融化的一種物理地質作用和現象。在國內，凍融現象大都屬于冬季凍結、夏季消融的季節性凍土類型，多年凍土比較少見。土地凍融屬于地質災害，它會引起一系列災害作用，危害人類社會的生活和生產建設。在北方地區氣溫低于零度的省均有凍融現象發生，其中比較嚴重的是青藏高原、天山、阿爾泰山、祁連山等高海拔地區以及東北北部高緯度地區。

3.1 凍融產生的主要災害作用和現象

3.1.1 凍脹和融沉

土層凍結體積膨脹，融化使土層變軟發生沉降，嚴重時造成土石翻漿，形成凍脹和融沉作用。季節性凍土地區常發生此類災害。凍脹和融沉會破壞建筑物基礎，使房屋開裂、地面發生沉降，還會使路基變形，不僅影響道路運輸，還有可能威脅行車安全。大興安嶺鐵路牙林線上，冬春季路基凍脹最高可達35cm，夏季沉陷方量達幾萬方。

3.1.2 凍融滑、塌和凍融泥流

凍融災害會改變土體的平衡狀態。如果斜坡地區發生凍融災害，會引起土體崩塌、滑坡等災害；當土層融化成為液態，就會產生泥流。我國的西南、西北高海拔地區常發生此類災害，不僅影響工程建設，還有可能造成人員傷亡。

3.1.3 凍融塌陷

土層的強烈凍融，使地表下沉，從而引起塌陷。這種作用也常見于廣大的季節性凍土地區，并造成了大量的路基破壞、工程建筑物毀損等惡性事件。

可見，土地凍融的危害性是不容忽視的。尤其是在我國的高緯度、高海拔地區已經成為一種災害，應當盡快采取適當的措施加以防御和整治[3]。

3.2 凍融現象對鐵路維護的影響

凍融現象的存在，對我國北方鐵路的運行存在一定影響。東北地區的鐵路在每年的4-7月份都要對有渣的鐵路進行一次大的維修，進行維修的很大原因就是鐵路路基的凍融現象，凍融現象使得鐵路的路基在凍和融兩個物理變化過程中產生了很大變化，而且部分地方產生松土的現象，所以必須在融后對其進行處理。對于有渣軌道來說，進行維修主要利用大型搗固機械，大型搗固機械起到的作用主要是：

3.2.1 對軌道的平順性進行調整

3.2.2 對松土地段進行搗實

通過搗固才能保證軌道的平順性，進而保證乘坐的舒適性。對于無砟軌道，凍融依然會對軌道的平順性產生影響，但是與有渣軌道相比這種影響大大減小，主要的原因如下：

①新建高速鐵路橋梁占的比重大，混凝土的橋梁受凍融的影響非常小。

②路基地段進行了封閉混凝土處理。

但是對于特殊區段依然存在問題，本文利用Amberg軌檢小車對哈大客運專線的軌道進行了數據監測。

4 數據分析

本文利用Amberg軌檢小車主要對路基與橋梁結合處進行了監測，并對數據進行了分析。

路基和橋梁由于其內部結構的不同，所以受凍融的影響也將不同，通過對路基與橋梁結合處的軌道數據的檢測，發現路基地段的數據發生明顯的變化，從2010年8月-2011年6月對結合處的數據進行數據采集發現：

①隨著溫度的下降，路基處軌道平面數據基本沒有變化，但軌道高程數據發生明顯上升，橋梁處平面和高程數據都無太大變化。

②隨著溫度的上升，路基處軌道平面數據基本沒有變化，但軌道數據發生明顯下降趨勢，橋梁處平面和高程數據無太大變化。

4.1 溫度下降對軌道數據影響分析

因在凍融前后軌道平面數據無變化，所以只針對軌道的高程數據進行了分析，首先對溫度下降時路基與橋梁結合處軌道數據的變化作了分析，數據變化趨勢如圖3所示：

圖3中1號點到481號點為橋梁段，481號點到991號點為路基段，通過對圖3中1號點到481號點的分析可以驗證上面所述，隨著溫度的下降橋梁處高程數據基本沒有變化。從圖3也可以看出，隨著月份的變化也就是溫度的變化，軌道數據產生了明顯的變化，6-10月份軌道的高程數據基本沒有變化，進入11月份隨著天氣變冷，路基處數據開始變化，基本上進入到1月份數據基本不變。根據平順性的要求，發現軌道由于溫度的變化產生了不平順，這時就應根據平順性要求對此段數據進行分析處理，以保證高速行車的要求，依據平順性分析原理，最終分析的方案對比圖如下：

通過圖4可以看出，對于這段數據采取的方式是進行軌道向下調整處理，來完成平順性的要求，最大的調整量為向下3個毫米。

4.2 溫度上升對軌道數據影響分析

為了保證軌道的平順性，在溫度下降時對軌道進行了處理，但隨著溫度的上升，這種保證軌道平順性的處理反而成了問題的所在，應在溫度上升的變化過程中，適時的對原處理過的地方進行復原處理，如下是隨溫度上升軌道高程數據的變化情況：

通過對圖5的分析可以得出隨著溫度的逐漸變化，軌道高程數據開始下降，當進入5月份后數據基本沒有變化。根據軌道平順性要求，這時需要對5月份采集的數據進行處理，分析結果對比如下：

這段數據采用對軌道進行升高的處理辦法來解決平順性問題，最大升高值為2mm。

5 結論和建議

①加大路基和橋梁結合處的測量工作，關注此處軌道數據的變化，及時給出處理方案，保證高速行車要求。

②分析動檢車數據，檢核超限區域是否是路基和橋梁結合處，如是應及時采取可行方案。

③溫度發生大變化時，應安排人員對路基和橋梁結合進行監測，防止軌道數據發生大變化對行車安全造成影響。

參考文獻：

[1]羅林.高速鐵路的軌道平順性問題[J].鐵路建筑，1991（S1）.

[2]肖書安，白洪林.LEICA GRP1000用于無碴軌道施工測量[J].鐵道標準設計，2006（12）.

[3]http：//baike.baidu.com.

[4]王知章，潘正風，劉冠蘭.三角高程測量在高鐵特大橋無碴軌道施工測量中的應用[J].工程勘察，2009（06）.