大機作業(yè)對道床主要狀態(tài)參數(shù)影響的試驗研究

師彬

（昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650217）

道床是有砟軌道最主要的組成部分之一，同時也是有砟維持軌道動力學(xué)性能和穩(wěn)定性的主要組成部分。道床要維持鋼軌的幾何形位和平順性，這就要求道床的橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度等主要狀態(tài)參數(shù)滿足相關(guān)技術(shù)標準。國內(nèi)外學(xué)者對道床狀態(tài)參數(shù)相關(guān)研究比較多，比較典型的如下：

于譯等人通過研究床肩寬與砟肩堆高與道床阻力的增長關(guān)系，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：道床橫向阻力與道床肩寬、砟肩堆高兩種參數(shù)的增加都會提高道床的橫向阻力值[1]。

KHATIBI F 等采用離散元法建立了有砟軌道數(shù)值模型對道床橫向阻力進行了研究，研究結(jié)果表明：道床空隙率是道床橫向阻力最有效的影響因素，當?shù)来部障堵蕼p小10%時，道床橫向阻力平均增加18%[2]。

高亮對秦沈客運專線道床整形結(jié)束單元軌節(jié)鎖定前、區(qū)間無縫線路形成工程車碾壓3 個多月和初驗以前3 個時段道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度等參數(shù)進行綜合測試和分析研究的基礎(chǔ)上，對跨區(qū)間無縫線路道床狀態(tài)指標的確定、施工控制等方面提出合理的建議[3]。

黃海等對膠濟客運專線建設(shè)過程中不同施工階段道床質(zhì)量狀態(tài)進行了試驗研究。試驗研究表明：不同施工階段、不同機具、不同作業(yè)條件對道床狀態(tài)參數(shù)的影響有所不同，試驗結(jié)果可供客運專線跨區(qū)間無縫線路鋪設(shè)及安全開通運營提供借鑒[4]。

在新建鐵路有砟軌道施工作業(yè)過程中，大型養(yǎng)路機械（后簡稱大機）已成為道床搗固、穩(wěn)定作業(yè)的主要作業(yè)手段。那么在大機作業(yè)過程中，道床主要狀態(tài)參數(shù)隨大機作業(yè)遍數(shù)的增加是如何變化的，為了探尋新建有砟鐵路精整道大機施工作業(yè)對道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度等參數(shù)的影響，尋求合理的大機施工作業(yè)方式，本文將設(shè)計大機一搗一穩(wěn)、一搗兩穩(wěn)、兩搗一穩(wěn)等3 種作業(yè)模式對道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度影響的試驗研究，為鐵路有砟軌道現(xiàn)場大機施工提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

本次試驗選擇中老鐵路國內(nèi)段玉磨鐵路為試驗研究對象，玉磨鐵路為客貨共線鐵路，線路等級Ⅰ級，設(shè)計時速160km/h，線路為無縫線路，枕木III 型混凝土枕，道砟為新建鐵路一級道砟。本次試驗時玉磨鐵路已普遍經(jīng)過人工搗固和大機作業(yè)，道床已達到初期穩(wěn)定階段，鋼軌已經(jīng)過無縫線路應(yīng)力放散作業(yè)，線路中線預(yù)留標高基本在110mm 左右，即道床力學(xué)參數(shù)符合以下規(guī)定：道床支撐剛度不應(yīng)小于70kN/枕，道床橫向阻力不應(yīng)小于7.5kN/枕[5]。為了減小本次試驗測量數(shù)據(jù)的偏差，試驗設(shè)計方法和原則具體如下：

1.1 在中老鐵路直線地段選擇3 段線路預(yù)留標高大于130mm 的線路作為研究對象，分別進行大機一搗一穩(wěn)、一搗兩穩(wěn)和兩搗一穩(wěn)3 種作業(yè)模式，每種作業(yè)模式進行6 遍。

1.2 為了減少大機作業(yè)誤差，在3 個試驗段作業(yè)大機使用同一臺搗固車、穩(wěn)定車和配砟車進行施工作業(yè)，大機作業(yè)參數(shù)設(shè)置不變。

1.3 為了控制道床總體厚度，3 個試驗段大機每遍作業(yè)實際起道量為15mm，撥道量根據(jù)大機實測設(shè)置。

1.4 道床斷面尺寸對橫縱向阻力影響很大，為了減少道床斷面尺寸的影響，每次大機搗固穩(wěn)定作業(yè)后進行補砟配砟作業(yè)，然后再進行數(shù)據(jù)采集。

1.5 本次道床采集橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度數(shù)據(jù)使用智能道床狀態(tài)參數(shù)測試儀進行測量，其參數(shù)測量理論詳細《鐵路碎石道砟狀態(tài)參數(shù)測試方法》[6]。

1.6 為了減少試驗誤差，各指標數(shù)據(jù)在試驗段內(nèi)進行多次數(shù)據(jù)采集取平均值作為分析指標。

2 試驗結(jié)果分析

在大機作業(yè)試驗前，對道床初始狀態(tài)數(shù)據(jù)進行測量，測量方法：在3 個試驗段分別抽取4 根枕木（共12 根枕木）進行道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度進行測量，剔除測量數(shù)據(jù)中異常點后，將測量數(shù)據(jù)處理成為平均值，得到試驗地段道床整體的橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度初始值分別為7.61kN/枕、8.12kN/枕、78.3kN/mm。

經(jīng)現(xiàn)場大機施工作業(yè)后，將3 個試驗段測量的橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度等道床參數(shù)測量數(shù)據(jù)分別進行均值處理。由于試驗數(shù)據(jù)較多，使用matlab 軟件作圖，試驗段道床的橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度隨大機作業(yè)遍數(shù)增加的變化趨勢如圖1 所示。根據(jù)測量結(jié)果和圖1 中道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度隨大機作業(yè)遍數(shù)的整體變化趨勢，可以得出如下結(jié)論：

圖1 道床主要狀態(tài)參數(shù)表變化

（1）在3 種大機作業(yè)模式中，橫向阻力、縱向阻力隨著大機作業(yè)遍數(shù)的增加而增大，其中一搗兩穩(wěn)作業(yè)增加效果最為顯著，兩搗一穩(wěn)次之，一搗一穩(wěn)效果相對最小；

（2）在3 種大機作業(yè)模式中，支撐剛度隨著大機作業(yè)遍數(shù)的增加而增大，其中兩搗一穩(wěn)作業(yè)增加效果最為顯著，一搗兩穩(wěn)次之，一搗一穩(wěn)效果相對最小。

為了進一步反應(yīng)不同大機作業(yè)遍數(shù)效果對道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度的變化影響，定義大機作業(yè)各道床狀態(tài)參數(shù)相對于道床初始狀態(tài)的相對變化率作為評價指標，其計算公式如下：

使用公式（1）對測量數(shù)據(jù)進行處理后，得到第6 遍作業(yè)后的道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度相對變化率如圖2 所示。

圖2 第6 遍作業(yè)后道床主要狀態(tài)參數(shù)相對變化率

從圖2 中可以看出：在3 種大機作業(yè)模式中，一搗兩穩(wěn)作業(yè)對道床橫向阻力、縱向阻力增加最快，第6 遍作業(yè)后分別提升為：50.20%、75.86%；在3 種大機作業(yè)模式中，兩搗一穩(wěn)作業(yè)對支撐剛度增加最快，第6 遍作業(yè)后提升76.88%。

為了反應(yīng)相鄰作業(yè)遍數(shù)之間大機作業(yè)遍數(shù)效果對道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度的影響變化，定義大機作業(yè)相鄰遍數(shù)之間相對變化率指標來進行分析，其計算公式如下：

使用公式處理道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度相鄰遍數(shù)之間相對變化率如圖3 所示。

圖3 道床各狀態(tài)參數(shù)大機相鄰遍數(shù)之間相對變化率

得出如下結(jié)論：對比大機相鄰遍數(shù)之間道床狀態(tài)參數(shù)的相對變化率發(fā)現(xiàn)：3 種大機作業(yè)模式第1 遍作業(yè)對道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度提升最大，然后增加的幅度逐步減小，到第6 遍作業(yè)時達到最小；由此可以推斷出：隨著大作業(yè)作業(yè)遍數(shù)的增加，道床主要狀態(tài)參數(shù)會隨之增加，但增加的幅度會逐步降低。

結(jié)合圖1、圖2、圖3 測試數(shù)據(jù)及變化趨勢，以一搗一穩(wěn)作業(yè)模式為參照標準發(fā)現(xiàn)：一搗兩穩(wěn)作業(yè)對道床橫向阻力、縱向阻力提升較快，而兩搗一穩(wěn)對道床支撐剛度提升較快。結(jié)合現(xiàn)場施工實際情況，對于新建有砟鐵路精整道施工階段，若起道量小時，宜采用一搗兩穩(wěn)模式可快速穩(wěn)定道床使其達到驗收標準，若起道量較大時，宜采用兩搗一穩(wěn)模式可相對快速提升道床標高，若起道量適中時，宜采用一搗一穩(wěn)模式逐步作業(yè)使其達到驗收標準，如此減少大機作業(yè)遍數(shù)，進一步降大機作業(yè)低施工成本。

3 結(jié)論

有砟軌道道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度是維持有砟軌道動力學(xué)性能和穩(wěn)定性的主要組成部分，為了探尋新建鐵路有砟軌道施工作業(yè)過程中，大機作業(yè)對道床主要狀態(tài)參數(shù)的影響，本文將設(shè)計大機一搗一穩(wěn)、一搗兩穩(wěn)、兩搗一穩(wěn)3 種作業(yè)模式對道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度影響進行試驗研究，得出以下結(jié)論：

3.1 道床的橫向阻力、縱向阻力隨著大機作業(yè)遍數(shù)的增加而增大，但增加的幅度會隨大機作業(yè)遍數(shù)逐步降低。其中一搗兩穩(wěn)作業(yè)效果最為顯著，兩搗一穩(wěn)次之，一搗一穩(wěn)效果相對最小。

3.2 道床的支撐剛度隨著大機作業(yè)遍數(shù)的增加而增大，但增加的幅度會隨大機作業(yè)遍數(shù)逐步降低。其中兩搗一穩(wěn)作業(yè)效果最為顯著，一搗兩穩(wěn)次之，一搗一穩(wěn)效果相對最小。

鑒于以上結(jié)論，文章對新建鐵路精整道施工階段大機作業(yè)方式提供了合理的指導(dǎo)意見，可降低大機施工作業(yè)遍數(shù)，為鐵路有砟軌道現(xiàn)場大機施工提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。