基于不平順質量指數的有砟鐵路建筑技術分析

摘要：鐵路軌道屬于基礎性工程建設范疇，承載著列車順利通行的重任。軌道建設質量容易受到周圍環境和施工技術水平的影響，在滿足結構強度的前提下必須要保證有相對的平順性。軌道質量指數（Track Quality Index，TQI）是軌道質量狀態尤其是不平順性的重要判斷依據。對TQI值的概念和物理意義以及計算方法進行了總結，在此基礎上結合中至中衛城際鐵路K202+500-K207+500段的TQI值進行了計算、分析，并有針對性地提出了降低TQI值的施工技術改進措施。

關鍵詞：TQI值;軌道建設;有砟鐵路

0" "引言

鐵路工程建設項目在國家經濟發展規劃中具有戰略意義，發揮著拉動區域經濟增長的重要作用，被譽為提振國民經濟發展水平的“主動脈”。截至2020年底，我國鐵路營運總里程達到了14.14萬km，里程數在全世界居于前列[1]。在鐵路工程項目各組成部分中，軌道屬于基礎性工程建設范疇，承載著列車順利通行的重任。

軌道建設質量容易受到周圍環境和施工技術水平的影響，在滿足結構強度的前提下必須要保證有相對的平順性。我國現行鐵軌主要由有砟軌道和無砟軌道兩類組成，主要是根據軌下基礎是否為石質散粒道床進行劃分的。有砟軌道的軌下基礎為石質散粒道床，相比于無砟軌道具有承載力較大、彈性形變較小、維護保養方便、通行噪聲低、成本造價低等優點，得到了較為廣泛的應用[2]。

有砟軌道的平順性是評價鐵軌建設質量水平的重要指標。軌道不平順必然限制列車運行速度的大幅提升，同時也會對列車的運行安全性造成不利影響。造成軌道不平順的原因有很多，既受到設計和施工過程中技術水平的限制，也有使用過程中環境因素的作用，這些因素的綜合作用導致軌道不平順性帶有隨機的性質[3]。因此，研究有砟軌道的不平順性，不能采用簡單的定量分析方法，而要將其看作一個多因素耦合作用下的隨機過程，利用方差、譜密度等技術手段對不平順性進行建模和分析。本文利用軌道質量指數（Track Quality Index，簡稱TQI）作為軌道質量狀態尤其是不平順性的重要判斷依據，據此分析有砟軌道的施工改進措施和方法。

1" "軌道質量指數概述

1.1" "TQI的物理意義

軌道質量指數是軌道建設質量的重要評價標準，為定量評價軌道質量提供了重要參考依據。軌道質量指數的基本思想，是利用概率論和數理統計的方法，通過設立科學的評價指標，并對不同區段軌道的建設質量進行定量描述，計算出TQI數值，據此對軌道建設質量進行定量評價。

1.2" "TQI的計算方法

軌道質量指數的計算有一整套科學的方法。具體來說，每隔200m長度選擇一段軌道作為統計源，對其在水平、左高低、右高低、左軌向、右軌向、三角坑和軌距等7個方向上的幾何不平順幅值進行統計，分別計算其標準差作為單項指數，將這7個單項指數進行線性疊加即可作為評價該區段軌道不平順性質的TQI值。

不同運行速度對軌道的TQI值有不同的要求：一般來說，當運行速度小于100km/h時，TQI值應該維持在15左右;當運行速度在100～120km/h時，TQI值應該維持在14左右;當運行速度在120～160km/h時，TQI值應該維持在11左右;當運行速度在160～200km/h時，TQI值應該維持在9左右;當運行速度在200～250km/h時，TQI值應該維持在8左右;當運行速度在250～300km/h時，TQI值應該維持在5左右。因此，為了保持列車在有砟軌道上安全穩定地運行，應該將軌道的TQI值維持在合適的范圍內。另外，通過TQI值的變化也可以反映軌道的平順性，使TQI與軌道平順性之間建立拓撲對應關系[5]。

2" "工程項目背景介紹

吳中至中衛城際鐵路K202+500-K207+500段，位于寧夏回族自治區沿黃經濟區的吳中和中衛兩市，是實現寧夏自治區“五市同城化”的關鍵工程，也是呼包銀蘭快速客運通道的重要組成部分，其順利建成與通車具有重要意義。

本鐵路按照客運專線標準進行建設，設計時速為250km/h，最小曲線半徑為3500m（困難情況下為3000m），最大坡度為20‰，初步滿足當前使用需求。項目在建設過程中，需穿越復雜的自然地理環境，地質水文條件復雜，同時坡角變化范圍較小，這些都給鐵路的平順性帶來了不小難度。選擇TQI作為重要的鐵路平順性評價指標，通過對其進行計算來判斷該段鐵路的平順性情況，并有針對性地提出施工改進措施。

3" 工程項目TQI值計算與分析

3.1" "工程項目TQI值計算結果與分析

根據TQI值的定義，將吳中至中衛城際鐵路K202+500-K207+500段每隔200m劃分為一段統計源，對其在水平、左高低、右高低、左軌向、右軌向、三角坑和軌距等7個方向上的幾何不平順幅值進行統計，根據公式（1）計算單段的TQI值，計算結果如圖1所示。

圖1中，位置編號代表了選取的部分路段，將其作為統計源后計算其平均值與方差，按照式（1）計算得到TQI分布，其中灰色點表示施工技術措施未改進前TQI值，橙色點表示施工技術措施改進后TQI值。

由圖1可以看出：施工技術措施改進前TQI值普遍較大，施工技術措施改進后TQI值有所下降;施工技術措施改進前，TQI值基本位于1.9～3.5之間，可以滿足速度運行要求;但是TQI值變化幅度不均一，在部分路段區間比較大，在部分路段區間比較小，反映出路段不平順性相對來說有變化。為了進一步提升軌道平順性，需要通過施工方法的改進，爭取將TQI值控制在較小變化幅度內。

3.2" "軌道線路精調對TQI值的影響分析

由圖1可以看出，施工技術措施改進前位置編號1～5、15～29等處TQI值變化較為劇烈，出現劇增、峰值超限等情況。這是由于有砟軌道是基于顆粒道床修建的，在建設過程中由于道床初期難以碾壓密實，道床穩定需要一段時間。另外，由于吳中至中衛城際鐵路K202+500-K207+500段所處自然環境溫度晝夜差別較大，溫度的變化造成了軌道不平順性變化，導致TQI值出現較大波動。

針對這些現象，需要在施工過程中加強對軌道線路的精調。有砟軌道的精調是降低鐵路軌道TQI值的有效方法。對有砟軌道精調可采用人工精調和機械精調兩種方法，這兩種方法經常配合使用。在吳中至中衛城際鐵路K202+500～K207+500段建設過程中，對軌道道床的狀態進行在線監測。道床狀態穩定后對其進行驗收，驗收通過后即開展精調工作。

在精調過程中，利用補齊扣配件、矯正膠墊等方法消除鋼軌、軌枕和扣件等在制作加工過程中產生的誤差。隨時對軌道的軌距、軌向、高低、水平、扭曲、與設計高程及中線的偏差進行監測，將規矩的偏差控制在±1.5mm，將軌向的偏差控制在2mm/5m，將高低的偏差控制在2mm/5m，將水平的偏差控制在2mm，將扭曲的偏差控制在2mm，將設計高程及中線的偏差控制在10mm。通過將這些偏差控制在容許范圍內，對公式（1）進行微分并與（1）式相除，可以得到TQI。

3.3" "軌道線路搗固對TQI值的影響分析

很多時候，單純使用精調難以達到令人滿意的效果，這時就需要利用搗固技術手段增強道床的穩定性。配合精調，可以通過搗固的方法進一步增強鐵路的平順性。為了達到穩定的搗固效果，需要對鐵路線路軌距、膠墊厚度等進行測量，據此編制符合平順性要求的搗固方案。搗固方案里需要列明平面偏差調整方法，當平面偏差小于搗固車一次最大撥道量時，直接按照目標值進行撥道修正，否則進行分次逐步撥道修正。同時進行高程偏差的調整。

另外，需在每次搗固之后進行路基的穩定性處理，以進一步減小TQI值。對于線路平、縱斷面較差地段，為保證線路整體的平順性，在制定搗固方案時要對起道量進行優化處理。搗固方案優化原則為：針對線路高點只設置基本起道量保證撥道及調整水平。針對線路低洼地段結合大機的最大起道量進行拉坡處理。

搗固一般采用多次搗固的方法進行。多次搗固后的TQI值是單次搗固TQI值的代數平均值，如公式（3）所示：

對改進前編號15-29處的TQI平均值進行計算，可以發現其值為2.55。一般當TQI值超過2.3之后，單獨使用精調就難以收到令人滿意的平順性效果，對此可以搭配使用多遍搗固措施。針對該段編號對應的軌道，在精調基礎上采用5遍搗固技術措施，即前3遍搗固采用雙搗“精準法”作業方案、后2遍搗固采用單搗“平順法”作業方案。經過如此5遍搗固之后，對TQI值進行測量，發現施工技術措施改進后最大TQI值變為了2.1，最小TQI值變為了1.8，平均TQI值為1.87，TQI值下降明顯，鐵軌的平順性得到了大幅度提升。

4" "結論

TQI值是判定軌道平順度的重要指標參數，在有砟鐵路建設過程中是重要的施工參考依據。本文對TQI值的概念和物理意義以及計算方法進行了總結，在此基礎上結合中至中衛城際鐵路K202+500～K207+500段的TQI值進行了計算、分析，并在此基礎上有針對性地提出了降低TQI值的施工技術改進措施。

在后續研究中，應該對TQI值的影響因素進行進一步深入分析，通過歸類的方法列舉出TQI值的影響因素，針對每一種影響因素分析其對TQI值的具影響及相互之間的耦合關系，這樣才能深入理解有砟鐵路的平順性控制方法，進一步提升施工質量。

參考文獻

[1] 張念，朱焱，王小敏，等.鐵路軌道不平順預測模型研究與應用[J].鐵道標準設計， 2015（9）：56-63.

[2] 王乃珍，王福田.基于灰色區間預測模型的軌道不平順狀態預測[J].鐵路計算機應用， 2015， 24（1）：1-3.

[3] 劉永乾，郭猛剛，侯銀慶，等.有砟客運專線鋼軌周期性不平順整治技術研究[J].中國鐵路，2020， 699（9）：103-110.

[4] 譚社會，毛曉君.新建高速鐵路有砟軌道線路平順性控制技術"[J].鐵道標準設計， 2019， 696（12）：5-8.

[5] 律百軍.高速鐵路有砟軌道不平順缺陷檢測與整治措施研究[J]."鐵道建筑技術， 2019（7）： 12-15.