新建高速鐵路有砟軌道線路平順性控制技術(shù)

譚社會(huì),毛曉君

(1.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司工務(wù)部,上海 200071； 2.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所,上海 200071)

1 概述

作為鐵路傳統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)，有砟軌道具有建設(shè)費(fèi)用低、道床彈性好、噪聲傳播范圍小以及自動(dòng)化、機(jī)械化維修效率高等優(yōu)勢[1-2]。因此，有砟軌道依舊是時(shí)速200～250 km高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的首選形式[3]。

高速鐵路通過峰值、均值、動(dòng)力學(xué)指標(biāo)及軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能四個(gè)方面來衡量線路平順性[4-5]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高速鐵路高平順性、高穩(wěn)定性的功能需求。

碎石道床作為散體結(jié)構(gòu)，整體性欠佳。養(yǎng)修實(shí)踐表明，有砟軌道線路設(shè)備狀態(tài)變化規(guī)律受初始狀態(tài)、地理環(huán)境、養(yǎng)修管理方法等多種因素影響，而表現(xiàn)為一定的“記憶性”[6]，即過去的劣化狀態(tài)會(huì)影響當(dāng)前狀態(tài)以及未來狀態(tài)的變化。另一方面，高速鐵路天窗時(shí)間短，增加了運(yùn)營階段有砟軌道養(yǎng)修作業(yè)的困難性[7]。因此，從全壽命周期管理角度出發(fā)，提高高速鐵路有砟軌道初始建設(shè)質(zhì)量具有非常重要的意義。以杭黃高速鐵路施工建設(shè)成果為依托，概況總結(jié)了高速鐵路有砟軌道線路平順性控制理念與技術(shù)，以期豐富高速鐵路有砟軌道建設(shè)施工管理體系，實(shí)現(xiàn)我國高速鐵路有砟軌道高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)。

2 施工階段平順性控制

杭黃鐵路設(shè)計(jì)速度為250 km/h，正線道床采用特級水洗碎石道砟。從平順性、穩(wěn)定性角度分析，有砟軌道與無砟軌道主要區(qū)別在于有砟軌道道床密實(shí)度較低[8-9]，道床穩(wěn)定性較差，線路平順性較難保持。因此，在建設(shè)施工階段提高道床密實(shí)度是有砟軌道線路平順性控制的核心[10]。

2.1 鋪軌前預(yù)鋪道砟階段

在路基、橋梁、隧道基礎(chǔ)驗(yàn)收評估合格后，就進(jìn)入了有砟軌道鋪軌前預(yù)鋪道砟階段。為保證預(yù)鋪道砟的密度和剛度均勻，除按照Q/CR9605—2017《高速鐵路軌道工程施工技術(shù)規(guī)程》[11]要求的施工外，杭黃鐵路還在道砟攤鋪碾壓時(shí)規(guī)定攤鋪碾壓長度不宜小于2 km，以實(shí)現(xiàn)預(yù)鋪道砟剛度的均勻性。

2.2 分層上砟整道階段

分層上砟整道階段是有砟軌道施工的關(guān)鍵階段，其工藝流程如圖1所示。為提高道床初始密實(shí)度，杭黃鐵路軌道工程施工中，在鋪枕鋪軌作業(yè)完成后，通過及時(shí)補(bǔ)充道砟封住軌枕端部，防止軌排移位，然后進(jìn)行1～2遍動(dòng)力穩(wěn)定作業(yè)。

圖1 分層上砟整道施工工藝流程

在分層搗固方面，按照3～4遍(一般地段3遍、個(gè)別地段4遍)進(jìn)行搗固，并按照第一、二遍起道量不宜大于50 mm，后續(xù)每遍起道量不宜大于40 mm進(jìn)行分層控制。在線路穩(wěn)定方面，采取重穩(wěn)措施，即動(dòng)力穩(wěn)定車的作業(yè)振動(dòng)頻率不宜低于29 Hz，橋隧段作業(yè)走行速度控制在1～1.5 km/h，路基段不大于1.0 km/h。分層起道并穩(wěn)定后，預(yù)留高程按50～80 mm控制。

鑒于道砟密實(shí)度不易量測，現(xiàn)場利用道床剛度代替道床密實(shí)度進(jìn)行密實(shí)度衡量，即將反力架固定在鋼軌上，安裝千斤頂及傳感器，給軌枕施加豎向荷載，通過測力傳感器和數(shù)顯儀測量荷載大小，得出單股軌下道床支承剛度，見表1。

表1 杭黃鐵路道床支承剛度測試結(jié)果(初期穩(wěn)定狀態(tài))

由表1可知，經(jīng)過分層上砟，并增加穩(wěn)定遍數(shù)及穩(wěn)定頻率后，橋梁、隧道、路基地段道床支承剛度均滿足TB 10754—2010《高速鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》[12]要求，即道床經(jīng)分層上砟整道達(dá)到初期穩(wěn)定階段時(shí)，道床支承剛度不應(yīng)小于70 kN/mm。

3 軌道精調(diào)階段平順性控制

軌道精調(diào)是確保按期開展靜態(tài)驗(yàn)收與聯(lián)調(diào)聯(lián)試的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，提高軌道精調(diào)質(zhì)量對于高速鐵路順利開通及運(yùn)營維護(hù)有著至關(guān)重要的作用[13-15]。有砟軌道精調(diào)作業(yè)主要包括焊縫打磨、鋼軌矯直、軌距調(diào)整、線形測量、道床補(bǔ)砟、線路起道、撥道、搗固、穩(wěn)定等作業(yè)內(nèi)容，工藝流程如圖2所示。

圖2 有砟軌道精調(diào)作業(yè)工藝流程

3.1 線形測量

3.1.1 軌距調(diào)整

在線形測量前，先進(jìn)行一遍改道，主要目的是消減軌距偏差、補(bǔ)充復(fù)緊扣件，以便測量取得真值，利于大機(jī)作業(yè)方案的定制。

3.1.2 線形測量

高速鐵路線形測量采取“絕對+相對”的方法[16-18]。杭黃高速鐵路有砟軌道測量作業(yè)時(shí)，采取“先絕對定位后相對平順”的線形控制流程。

絕對定位即以軌道控制網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用軌道幾何狀態(tài)測量儀對實(shí)際線形進(jìn)行測量，為提高測量精度，在杭黃鐵路線形測量中，對測站長度、搭接精度、全站儀設(shè)站精度、方案擬合等方面，都進(jìn)行了優(yōu)化。測站長度方面，要求≯150 m；搭接精度方面，要求橫向及垂向不符值≯7 mm，軌距≯0.5 mm，水平≯0.7 mm；搭接長度方面，要求≮6.4 m；方案定制方面，以≮5 km為一個(gè)測量段落，統(tǒng)一納入軟件進(jìn)行方案制定，實(shí)現(xiàn)大線形前后一致，搭接良好。

相對平順是指在大機(jī)作業(yè)后，線形定位的前提下，利用0級軌道檢查儀對作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行檢測，評價(jià)TQI各單項(xiàng)指標(biāo)改善率，并分析改進(jìn)關(guān)鍵項(xiàng)，如大機(jī)標(biāo)定、線路缺砟等因素。

3.2 大機(jī)搗固

大機(jī)作業(yè)是改善有砟軌道線路平順性的最關(guān)鍵措施[19-20]。為提高精調(diào)水平，在大機(jī)作業(yè)方面，采取了以下措施。

3.2.1 大機(jī)作業(yè)質(zhì)量

在作業(yè)方案定制方面，起道搗固均按照評審合格的作業(yè)方案實(shí)施。并按照間距2～3枕密度定制起撥道量。在數(shù)據(jù)錄入方面，利用軟件，自動(dòng)化錄入作業(yè)方案，避免手動(dòng)輸入可能存在的差錯(cuò)，確保了方案傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。在大機(jī)標(biāo)定方面，針對抄平、撥道裝置等機(jī)械部件，采取“轉(zhuǎn)、搖、聽、摸”等手段，對測量輪阻尼性能、加載氣缸靈活性能、抄平桿間隙等影響搗固作業(yè)質(zhì)量的因素，逐一排查，及時(shí)消除影響作業(yè)質(zhì)量精度的機(jī)械偏差。

3.2.2 大機(jī)作業(yè)模式

兩條新建有砟軌道線路A，B，時(shí)速均為200 km，不同之處在于A線在施工時(shí)搗固作業(yè)后未進(jìn)行穩(wěn)定作業(yè)，而B線開展了穩(wěn)定作業(yè)。兩條線開通運(yùn)營后未進(jìn)行搗固維修前12個(gè)月內(nèi)的TQI自然衰減情況如圖3所示。

圖3 兩條200 km/h有砟軌道線路A、B開通運(yùn)營1年內(nèi)的線路平順性變化情況

由圖3可知，雖然A線開通時(shí)初始平順性較高，TQI僅2.67 mm，但由于未進(jìn)行穩(wěn)定作業(yè)，A線道床穩(wěn)定性較差，在12個(gè)月內(nèi)TQI自然衰減了1.46 mm，而B線雖開通時(shí)初始平順性相對較差，但因道床穩(wěn)定性較好，在12個(gè)月內(nèi)TQI自然衰減僅0.33 mm。采用線性函數(shù)擬合二者的衰減規(guī)律，可知未穩(wěn)定道床的平順性衰減率約為穩(wěn)定道床的3倍。

由此可見，有砟道床穩(wěn)定性是線路開通后維持軌道平順性的核心要素。而搗固作業(yè)后的穩(wěn)定作業(yè)，是提高道床密實(shí)度和穩(wěn)定性的主要手段。

鑒于此，在杭黃鐵路軌道精調(diào)階段，提出并實(shí)踐了“少搗多穩(wěn)、低速重穩(wěn)”的大機(jī)作業(yè)模式，一般開展4遍大機(jī)精調(diào)整道作業(yè)，其中前3遍每遍搗固后，根據(jù)需要采取1～2遍重穩(wěn)作業(yè)，第4遍搗固后，根據(jù)需要輕穩(wěn)或不穩(wěn)。

3.3 扣件調(diào)整

扣件調(diào)整是指在最后一遍大機(jī)作業(yè)完成后，結(jié)合TQI單項(xiàng)指標(biāo)，進(jìn)行1遍人工改道作業(yè)，降低線路軌距、高低、軌向等偏差。實(shí)現(xiàn)作業(yè)質(zhì)量最優(yōu)化、作業(yè)效率最大化。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 經(jīng)濟(jì)性分析

在早期工程施工實(shí)際過程中，為使有砟軌道平順性達(dá)到規(guī)范要求，常采用遠(yuǎn)多于施工規(guī)程中規(guī)定的次數(shù)進(jìn)行搗固和穩(wěn)定作業(yè)。而搗固次數(shù)過多會(huì)導(dǎo)致道砟破碎，引起級配裂化和道床臟污。杭黃鐵路施工中采用的“少搗多穩(wěn)”的大機(jī)作業(yè)模式，相比于過去做法搗固次數(shù)不變，雖然穩(wěn)定作業(yè)增加了0～4遍(表2)，但TQI指標(biāo)提高很多。降低了道砟破碎度，加強(qiáng)了道床的穩(wěn)定性，投資增加不多，其理念與做法值得推廣。

表2 杭黃高速鐵路大機(jī)作業(yè)創(chuàng)新模式與傳統(tǒng)模式對比

4.2 技術(shù)性分析

通過杭黃鐵路軌道精調(diào)實(shí)踐，基本固化了高速鐵路有砟軌道主要作業(yè)流程，如圖4所示。

圖4 高速鐵路有砟軌道主要作業(yè)流程

通過軌道精調(diào)流程創(chuàng)新和大機(jī)作業(yè)模式創(chuàng)新，杭黃鐵路拉通試驗(yàn)中正線有砟地段均值指標(biāo)TQI值為2.5，峰值指標(biāo)消滅了所有等級偏差，扣分為0，平順性控制效果顯著。其下行K40+000～K130+000有砟軌道區(qū)段TQI數(shù)值如圖5所示。

圖5 杭黃鐵路下行K40+000～K130+000有砟軌道區(qū)段TQI值

5 結(jié)語

以杭黃鐵路施工建設(shè)成果為依托，總結(jié)了在分層上砟整道階段及軌道精調(diào)階段開展的系列創(chuàng)新，主要結(jié)論如下。

(1)在分層上砟整道階段，通過及時(shí)補(bǔ)充道砟封住軌枕端部，防止軌排移位，然后進(jìn)行1～2遍動(dòng)力穩(wěn)定作業(yè)。

(2)在軌道精調(diào)階段，提出了“先軌距調(diào)整、后大機(jī)整道、再扣件調(diào)整”的有砟高鐵精調(diào)流程。

(3)有砟道床穩(wěn)定性是線路開通后維持軌道平順性的核心要素。而搗固作業(yè)后的穩(wěn)定作業(yè)，是提高道床密實(shí)度和穩(wěn)定性的主要手段，為實(shí)現(xiàn)道床的快速穩(wěn)定，又減少對道砟的破壞，提出了“少搗多穩(wěn)、低速重穩(wěn)”的大機(jī)作業(yè)模式。

實(shí)踐證明，采用上述創(chuàng)新做法，平順性控制效果顯著，可為我國今后高速鐵路有砟軌道施工階段平順性控制提供參考和借鑒。