小半徑曲線區(qū)段大機清篩作業(yè)安全控制技術(shù)

王志強 上海鐵路局上海大型養(yǎng)路機械運用檢修段

小半徑曲線區(qū)段大機清篩作業(yè)安全控制技術(shù)

王志強 上海鐵路局上海大型養(yǎng)路機械運用檢修段

為了更好控制大機在小半徑曲線區(qū)段的作業(yè)安全，針對現(xiàn)有作業(yè)中可能產(chǎn)生的問題，結(jié)合需求，進行安全風(fēng)險排查，梳理出四大類安全風(fēng)險，并進行詳細(xì)分析，提出安全控制措施。

大機作業(yè)；安全；控制

大型養(yǎng)路機械作為既有線施工主要施工設(shè)備，因其具有較高的作業(yè)精度和作業(yè)效率，在鐵路線路維護中發(fā)揮了不可替代的作用；目前，大型養(yǎng)路機械承擔(dān)了百分之八十左右的線路維修工作，大型機械的作業(yè)安全是工務(wù)線路維修安全的控制重點。大機清篩集中了多機組、多工種的協(xié)同作業(yè)，施工配合環(huán)節(jié)多，相比較來說，大機清篩作業(yè)安全控制難度更大，特別是在曲線半徑較小（曲線半徑在400 m到800 m之間，半徑小于400 m的曲線在鐵路正線現(xiàn)已基本取締）的區(qū)段大機作業(yè)安全風(fēng)險更加突出。

正是考慮大機在小半徑曲線區(qū)段作業(yè)安全可靠運行重要性的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有作業(yè)中可能產(chǎn)生的問題，結(jié)合需求，對作業(yè)安全風(fēng)險進行排查和分析，提出安全控制措施。

1 大機在小半徑曲線區(qū)段作業(yè)的安全風(fēng)險

本人多年從事大型養(yǎng)路機械施工安全管理，總結(jié)多年來的經(jīng)驗，后果嚴(yán)重且發(fā)生概率較大的安全風(fēng)險項主要有以下幾類：

（1）線路水平控制不當(dāng)，出現(xiàn)水平三角坑，導(dǎo)致清篩機后轉(zhuǎn)向架、與之編組同步作業(yè)的卸砟K車及后續(xù)其他作業(yè)大機脫軌風(fēng)險。

（2）軌排出現(xiàn)橫向位移，導(dǎo)致作業(yè)機組脫軌風(fēng)險、無法開通封鎖線路運行列車。

（3）連續(xù)大量欠超高，后續(xù)搗固車作業(yè)困難乃至脫軌，作業(yè)后線路穩(wěn)定性差，開通后列車運行安全留下隱患。

（4）不能正確設(shè)置道床排水坡，線路質(zhì)量留病害，列車運行安全留隱患。

2 安全風(fēng)險分析

2.1 水平三角坑分析

（1）水平三角坑概念

如果在一段不太長的距離內(nèi)，先是左股鋼軌較右股鋼軌高，后是右股鋼軌比左股高，而且兩個最大水平誤差點之間的距離不足18 m，則把這種水平誤差稱為“三角坑”。水平差超過4 mm的三角坑，就會使車輛轉(zhuǎn)向架的四個車輪中的一個懸空。如果恰好在這個車輪上出現(xiàn)最大橫向力，就可能使車輪爬上鋼軌，發(fā)生脫軌事故。因此線路上不能存在三角坑。

（2）清篩機作業(yè)時水平三角坑控制標(biāo)準(zhǔn)

大型清篩機組作業(yè)走行速度慢，清篩機及與其編組的K車最大走行速度為1.6 km/h，后續(xù)搗固車最大走行速度3 km/h～8 km/h，水平三角坑在清篩作業(yè)時控制值可以適當(dāng)放寬，按我段在作業(yè)軌控方面的研究成果、并請同濟大學(xué)根據(jù)清篩機、K車、搗固車動力學(xué)性能參數(shù)進行仿真實驗得出的三角坑控制標(biāo)準(zhǔn)值為30 mm。

（3）產(chǎn)生三角坑的原因

清篩機清篩作業(yè)是通過篩分后道砟回填來實現(xiàn)線路水平控制的，即通過枕下墊砟調(diào)節(jié)軌道橫向水平。清篩機作業(yè)時，機器慢速運行，高速旋轉(zhuǎn)的挖掘鏈將道床石砟挖出并運送至振動篩，經(jīng)過篩分的清潔道砟在左右道砟分配板導(dǎo)流下從振動篩末端左右兩通道落下，通過道砟回填分配裝置由前、后道砟分配板和左、右道砟回填輸送裝置控制回填至道床上。由以上分析知：填砟位置（軌枕端部或軌枕下方）、前配石砟量和后配砟量、以及左右股石砟回填量關(guān)系都直接影響機器作業(yè)后線路水平誤差能否控制在要求范圍內(nèi)。需要作業(yè)操作手及時準(zhǔn)確掌握作業(yè)后線路狀況并采取適時適度的綜合配砟調(diào)整，作業(yè)較復(fù)雜，需有豐富的配砟經(jīng)驗并在其他測量人員準(zhǔn)確測量配合的前提下才能良好完成。如配砟操作經(jīng)驗不足，操作變換太頻繁，左右分砟及填砟位置不合理，作業(yè)后軌道幾何參數(shù)測量不準(zhǔn)或掌握不及時而誤操作，極易造成線路水平三角坑。

2.2 軌排橫向位移分析

（1）有砟鐵路軌排受力及狀態(tài)

有砟鐵路軌道在正常運行狀態(tài)時，軌排受自身重力、道床承載力、鋼軌內(nèi)應(yīng)力、道砟的橫向阻力、及列車通過時列車施加的作用力，各力的合力為零，軌排處于相對靜止?fàn)顟B(tài)（列車通過時有局部較小的彈性變形）。

（2）清篩機作業(yè)時軌排的受力狀態(tài)

清篩機作業(yè)時，起撥道裝置通過夾鉗滾輪抓住鋼軌，挖掘鏈穿過軌排下部，靠扒指將石砟挖起，并將石砟運送到振動篩，經(jīng)篩分后的石砟通過分配回填輸送裝置回填至軌道，石砟回填由前部的回填輸送帶和后部配砟裝置完成；各作業(yè)裝置布置如圖1所示，挖掘鏈在起撥道裝置前，回填輸送帶裝配在起撥道裝置后，后配砟裝置在振動篩下方距挖掘區(qū)約15 m處；挖掘鏈至前部石砟回填輸送帶配砟位置有一段1.5 m左右的無砟挖掘斷面，因前回填輸送帶回填石砟量有限，主要起回落軌排的支承作用，對回落后的軌排橫向阻力較小，也就是說，挖掘鏈至后配砟處這一段近16 m的軌排橫向阻力主要靠前起撥道裝置和后撥道裝置（裝配在距前起撥道裝置后5.25 m處）提供；即清篩機作業(yè)過程中，前后兩轉(zhuǎn)向架之間的軌排，主要受軌排重力、回填后石砟的支承力和橫向阻力、前起撥道裝置提軌抓力、前后起撥道裝置的撥道力以及鋼軌的內(nèi)應(yīng)力作用。

圖1 清篩機工作裝置布置圖

（3）軌排橫向位移主要原因一是前起撥道裝置和后撥道裝置設(shè)置的撥道不合理直接導(dǎo)致軌排橫移，因較小的撥道誤差累計而導(dǎo)致大范圍的軌道偏移；二是小半徑曲線地段超高量大，軌排面與水平面夾角大，重力沿軌排面（道床支承面）分量大，如道床石砟不能給軌排提供足夠的橫向阻力以平衡此重力分量，軌排產(chǎn)生橫向移動；三是施工時環(huán)境溫度與鋼軌鎖定軌溫差距大，鋼軌內(nèi)應(yīng)力加大，如大機清篩作業(yè)時起道量過大，進一步加劇鋼軌內(nèi)應(yīng)力，也易造成軌排橫移。

2.3 連續(xù)大量欠超高原因分析

（1）因準(zhǔn)確實現(xiàn)線路超高作業(yè)難度較大，導(dǎo)致連續(xù)大量欠超高。如前所述，大機清篩是通過人工調(diào)節(jié)兩股軌石砟量以墊砟方式實現(xiàn)軌道水平控制的，要使兩股鋼軌有超高，就必須一側(cè)軌墊砟多于另一側(cè)軌，操作難度大于兩側(cè)軌均分石砟工況；在緩和曲線地段超高值是遞變的，更增加了控制難度；為了保持線路縱斷面的連續(xù)性，避免出現(xiàn)水平三角坑，經(jīng)驗不足的作業(yè)人員往往犧牲線路超高方面的作業(yè)要求。

（2）“寧欠勿高”規(guī)則加劇了連續(xù)大量欠超高。為了防范軌排橫移、避免作業(yè)線路出現(xiàn)水平三角坑，我們在作業(yè)實踐中、綜合考慮利弊總結(jié)出了大機在曲線地段作業(yè)中“寧欠勿高”的成功經(jīng)驗，“寧欠勿高”規(guī)則的主要弊病是加劇了大量連續(xù)欠超高情況出現(xiàn)。

2.4 復(fù)線排水坡設(shè)置問題

線路排水坡按標(biāo)準(zhǔn)要求4%的坡率，Ⅲ型混凝土軌枕長2.6 m，水泥枕兩端清篩深度差約為100 mm方能滿足排水坡要求。復(fù)線區(qū)段超高股設(shè)置在內(nèi)側(cè)（兩線間）時，排水坡方向與軌面同向，按要求設(shè)置排水坡較易實現(xiàn)；但如超高股在路肩側(cè)時，排水坡方向與軌面不同向（如圖2），滿足排水坡要求需軌枕兩端理論挖掘深度差100 mm，加上曲線超高H（設(shè)計值一般在0 mm～125 mm），故按理論計算軌枕兩端的挖掘深度差應(yīng)為（H+100 mm）,最大值超過200 mm，清篩機常規(guī)作業(yè)基準(zhǔn)軌挖掘深度應(yīng)達300 mm，以此推算，外側(cè)挖掘深度將超過500 mm，實際施工過程中挖掘深度完全滿足該要求是基本不可能的，這樣就導(dǎo)致了復(fù)線且超高股在路肩側(cè)軌道，大機清篩作業(yè)時排水坡設(shè)置不當(dāng)，有時甚至不做排水坡或做反坡。

圖2 排水坡與軌道平面不同向示意圖

3 大機在小半徑曲線區(qū)段作業(yè)安全控制技術(shù)

3.1 水平三角坑控制

（1）確保充足的石砟。施工前認(rèn)真調(diào)查線路狀況，根據(jù)情況預(yù)卸石砟，確保施工時有充足石砟用以調(diào)節(jié)線路水平。

（2）及時拆、排除影響施工的固定設(shè)備及障礙物，適當(dāng)降低作業(yè)速度。保持清篩機作業(yè)的連續(xù)均勻是大機清篩作業(yè)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，清篩機作業(yè)中停頓必然造成回填石砟不均，導(dǎo)致線路出現(xiàn)高低、水平三角坑；拆除影響清篩機作業(yè)的固定設(shè)備及障礙物，減少對清篩機作業(yè)的干擾，并且適當(dāng)降低作業(yè)速度，以不大于5 m/min為宜，出現(xiàn)異常情況時有充分的應(yīng)變條件補救。

（3）加強監(jiān)控。現(xiàn)我段的清篩機均已加裝作業(yè)后線路水平檢測系統(tǒng)，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)控，指導(dǎo)配砟調(diào)節(jié)準(zhǔn)確進行。

（4）適時適度調(diào)節(jié)配砟。如前所述配砟調(diào)節(jié)是綜合性調(diào)節(jié)，控制難度大；調(diào)節(jié)后效果檢驗（水平檢測傳感器）只能在機后，有滯后性；因此配砟調(diào)節(jié)不可太頻繁、調(diào)節(jié)幅度不宜太大；當(dāng)水平在±15 mm范圍內(nèi)，無需調(diào)節(jié)；當(dāng)水平誤差超過10 mm時應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)控誤差的發(fā)展趨勢，如誤差繼續(xù)加大，才予以微調(diào)，以調(diào)節(jié)回填輸送帶控制石砟回填位置為主。

3.2 防范軌排橫移超限

（1）正確設(shè)置預(yù)撥量

①撥道單弦法整正線路的基本原理

鐵路軌道的曲線半徑相對于現(xiàn)場實測而言一般比較大,現(xiàn)場無法用人工實測半徑的方法來檢查曲線是否達標(biāo)。因此，實際工程應(yīng)用過程中，常依靠曲線半徑、弦長和正矢之間的幾何關(guān)系，利用一定長度的弦線測量曲線正矢，來檢查線路的圓順。這種用人工間接測量方法來檢查整正曲線的圓順稱為繩正法。

大型機械對鐵路軌向的檢測也是運用上述繩正法的基本原理實現(xiàn)的，檢測出的偏差值靠撥道裝置撥動消除，以校正鐵路線路的方向，該系統(tǒng)稱為單弦測量與軌道撥道系統(tǒng)。如下示意圖，曲線的半徑OD=R、弦的長度BD=L、正矢MP= H，之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 軌道曲線半徑、軌道弦長、正矢的關(guān)系圖

在圖中三角形ΔDMO為直角三角形，所以可以根據(jù)直角三角形勾股定理得出，2RH=（L/2）2＋H2。

由于鐵道曲線半徑大（相較于測量弦和測量正矢而言），H2與R相比不到萬分之一，H2可以忽略不計，所以可以得出H=（L/2）2/2R。

同理可得弦上任一點C的近似矢距值H1≈（BC*CD）/2R

②清篩機撥道方式及預(yù)撥量設(shè)置

常規(guī)作業(yè)中，清篩機是通過人工操縱電磁閥控制油缸橫移推動前起撥道裝置實現(xiàn)撥道的，撥道量可以由標(biāo)尺讀取；在曲線區(qū)段作業(yè)時，前后轉(zhuǎn)向架間是一段圓弧，如前起撥道裝置處的矢距值與該點的理論矢距值相等，說明本段圓弧符合標(biāo)準(zhǔn)，無需撥道；也即撥道量（標(biāo)尺數(shù)值）設(shè)置為該點的理論矢距值就能準(zhǔn)確實施撥道。

清篩機兩轉(zhuǎn)向架間距離23 m，前起撥道裝置距前轉(zhuǎn)向架距離為8.35 m，由前述撥道理論推知前撥道裝置處的理論矢距值H1=（8.35*14.65）/2R（R為曲線半徑）。

冬季作業(yè)時，作業(yè)擾動對鋼軌收縮變形較明顯，按經(jīng)驗預(yù)撥量應(yīng)按照矢距值H1+20 mm預(yù)撥，緩和曲線預(yù)撥量根據(jù)圓曲線預(yù)撥量和緩和曲線長進行順坡。

（2）合理回填石砟

①施工前認(rèn)真調(diào)查線路狀況，根據(jù)原有線路的石砟量、線路的板結(jié)程度、設(shè)計起落道等情況，確定預(yù)卸石砟量，確保施工時石砟量充足。

②施工作業(yè)中嚴(yán)格控制石碴回填，采用大部分石碴前配的方式，合理調(diào)整左右道砟分配量和回填帶位置，使得清篩后石砟能大量堆積在軌枕端部，同時保證曲線水平。

（3）避免鋼軌過大內(nèi)應(yīng)力對施工安全造成后果

①準(zhǔn)確掌握鎖定軌溫，當(dāng)鎖定軌溫和實測軌溫差過大（大于10℃）時禁止作業(yè)。

②嚴(yán)禁起道清篩。避免鋼軌因橫向、縱向的復(fù)合變形造成更大的內(nèi)應(yīng)力。

（4）加強觀測，及時應(yīng)變。施工前每5 m設(shè)置位移觀測樁，發(fā)現(xiàn)超過30 mm的較大位移時及時進行撥道調(diào)整。

3.3 連續(xù)大量欠超高病害防范

作業(yè)時如出現(xiàn)大量連續(xù)欠超高情況，因線路縱斷面平順，對清篩機及與之編組同步作業(yè)K車作業(yè)安全基本不構(gòu)成危害，對后續(xù)搗固車作業(yè)安全及施工后線路質(zhì)量病害主要表現(xiàn)在以下兩方面：一是搗固車作業(yè)恢復(fù)線路時必須校正超高，如一次性校正超高量過大，因搗固車前轉(zhuǎn)向架在欠超高軌面，后轉(zhuǎn)向架在搗固校正超高后軌面，剛性搗固車架通過中心銷支承在兩轉(zhuǎn)向架上，必然導(dǎo)致一組轉(zhuǎn)向架部分車輪離軌趨勢，加以搗固裝置下?lián)c時對車架的反作用頂力，極易造成搗固車后轉(zhuǎn)向架脫軌，我段在過去的作業(yè)中有過此類事故發(fā)生。二是搗固作業(yè)兩股軌起道量差距大，導(dǎo)致單側(cè)搗固不實，線路穩(wěn)定性差，開通后晃車，過去也發(fā)生過此類事件。

為防范此兩種大病害，可行而有效的做法是分層起道、多次搗固。

（1）當(dāng)欠超高小于30 mm時，可以一次性校正超高，欠超高量大于30 mm小于60 mm時，分兩次校正超高，也即一次搗固作業(yè)校準(zhǔn)超高量最大不允許超過30 mm。

（2）及時補砟、穩(wěn)定作業(yè)，要保證每搗固一遍穩(wěn)定一遍，并及時組織補砟，確保重復(fù)搗固前不缺石砟，尤其在超高股加強補砟。

3.4 線路排水坡設(shè)置

（1）復(fù)線區(qū)段超高股設(shè)置在路肩側(cè)機器清篩作業(yè)時，非超高股挖掘深度設(shè)為250 mm,超高股挖掘深度為380 mm；即便超高大于100 mm，仍可實現(xiàn)一定的排水坡，排水坡計算=（380-250-H）/2500，又不超越清篩機的作業(yè)能力；當(dāng)超高小于100 mm時，排水坡率大于1.2%，超高越小，越接近標(biāo)準(zhǔn)排水坡。

（2）復(fù)線地段超高股設(shè)置在鄰線側(cè)時，當(dāng)超高大于80 mm時，保持水平導(dǎo)槽與軌枕面平行作業(yè)，兩側(cè)軌挖掘深度一樣，排水坡=超高H/2500，滿足標(biāo)準(zhǔn)排水坡要求；當(dāng)超高小于80 mm時，水平導(dǎo)槽挖掘深度差按照40 mm+H控制，也能保證標(biāo)準(zhǔn)排水坡實現(xiàn)。

責(zé)任編輯：宋飛 龔佩毅

來稿時間：2015-8-11