重載線路道床清篩后搗穩作業模式研究

王新平

國家能源投資集團有限責任公司，北京 100011

隨著技術水平及國家運輸需求不斷提高，重載鐵路近些年持續朝大軸重、高運量的方向發展，雖然有效提高了重載鐵路運能，保障了我國產業鏈健康發展，但也給線路設備造成了極大的損傷和破壞［1］。尤其對于大秦鐵路、朔黃鐵路等運煤鐵路，由掉落煤粉、道砟粉碎等帶來的有砟道床臟污問題已經嚴重影響了有砟道床的承載和穩定性能，使得正常使用的有砟道床逐漸喪失彈性，形成翻漿冒泥等病害［2-3］，危害行車安全。

清篩換砟作業能夠有效篩分出煤粉等道床臟污，使得有砟道床透水性及彈性快速恢復至正常水平。道床清篩作業由于涉及到補砟、回填道床等多個步驟，會破壞有砟道床道砟顆粒間的穩定，引起道床質量狀態短暫惡化［4-5］。為保障清篩作業后道床質量，重載鐵路進行大型養路機械清篩后多通過搗固與穩定相結合的作業方式來保障道床質量狀態［6］。搗固與穩定結合作業雖然能夠有效提高道床質量，但其會對道床穩定性產生影響。王衛東等［7］測試研究了不同搗固模式下有砟道床阻力特性，得出新建線路在搗固6 遍時達到最佳狀態；陳小平等［8］研究了大型養路機械清篩和維修作業對道床阻力的影響，總結出在大機維修和清篩作業后，道床縱向、橫向阻力明顯下降的規律，為無縫線路穩定性設計提供了支持。楊軼科［9］研究了大機組合作業模式對有砟道床狀態的影響機制，從離散元的角度分析了大機作業對有砟道床細觀力學行為的影響。

現階段大型養路機械研究對象多為新線或普速鐵路，對于運營多年的重載鐵路有砟道床在清篩作業后初期的研究較少，尤其是對不同大機作業模式的研究不夠全面，無法準確指導重載鐵路大機作業后限速時間調整。相關研究多集中在道床阻力、行車安全性指標等方面，并未考慮作業后的軌道靜態沉降。

本文在既有重載鐵路線上開展大機清篩后三搗三穩和四搗三穩作業后初期道床質量狀態的試驗和監測，并針對清篩作業后不同作業模式下的無縫線路穩定性進行有限元建模計算，以便于對清篩后大機作業流程進行局部優化，提升大機作業效率。

1 測試概況

選取某運煤專用重載鐵路線路區段作為測試地段，包括上行重車線及下行空車線。上行線鋪設75 kg/m 鋼軌、混凝土Ⅲ型軌枕；下行線鋪設60 kg/m 鋼軌、混凝土Ⅱ型軌枕。上行線和下行線的有砟道床設計標準均為碎石層厚300 mm，砂墊層厚200 mm。

1.1 道床橫向阻力測試方法

道床橫向阻力是道床提供的阻止軌枕橫向移動的力，是保證軌道穩定的重要條件。測試道床橫向阻力時，先將被測軌枕所有的扣件松開并抽出鋼軌墊板，液壓千斤頂、力傳感器及反力架安裝在軌枕一側端部，利用鋼軌和測量裝置的豎向擋板提供橫向反力來推移被測軌枕。將激光位移傳感器安裝在軌枕另一側端部，采用液壓千斤頂對軌枕施加橫向推力。測力傳感器及力顯示器記錄橫向推力，激光位移傳感器測量軌枕相對于鋼軌的橫向位移。道床橫向阻力測試試驗裝置布置如圖1 所示。測試地段曲線半徑為800 m。

圖1 現場測試試驗裝置布置

在測試時發現，由于道砟顆粒屬于離散介質，反向頂推軌枕復位或重復推動軌枕均會導致道砟顆粒間的咬合力降低，影響橫向阻力測試值的大小。為保證測試結果具有一致性，應避免反向推動軌枕［10］。測試時因受重載鐵路天窗作業時間限制與殘余變形的影響，取每次測試的第一組曲線作為分析對象，以確保所得結果與大機作業后的道床初始狀態相對應。

1.2 道床靜態沉降測試方法

道床靜態沉降測量采用無人值守式全自動監測全站儀，其能夠實現測點位置自動搜索、跟蹤、辨識以及后續的精確照準，便捷高效地獲取測量目標點的距離、三維坐標等信息。

軌道靜態累計沉降的大小能夠有效表征有砟軌道清篩過后的道床作業狀態。本次測試統計天窗點作業后每趟運行列車通過后的軌道靜態沉降及其累計沉降。

2 測試結果與分析

2.1 搗穩組合對道床橫向阻力的影響

重車線、空車線道床橫向阻力測試結果見圖2。

由圖2（a）可知：試驗前道床橫向阻力相較于規范值略有減少，原因是該道床邊坡長期未規整且道床臟污已相對較多；進行大型養路機械清篩作業后，無論是四搗三穩作業還是三搗三穩作業，道床橫向穩定性都不能達到擾動道床之前的狀態，道床橫向阻力分別降低了3.02 kN 與3.86 kN；四搗三穩作業模式下道床橫向阻力小于三搗三穩作業，在軌枕橫向位移2 mm 時僅為其阻力值的86.41%，多一次搗固并沒有起到恢復道床質量的作用。這是由于搗固作業會使得枕側道砟變得稀疏，道砟間接觸變得更加松散［11］。枕側阻力是道床橫向阻力的重要來源之一［12］，因此在多一次搗固之后道床橫向阻力存在衰減現象。

圖2 道床橫向阻力測試值

由圖2（b）可知：空車線清篩前的道床橫向阻力也要大于清篩后進行兩種模式搗穩恢復后的數值，四搗三穩、三搗三穩作業分別降低了1.85、2.33 kN；與重車線類似，四搗三穩作業模式下道床橫向阻力小于三搗三穩作業模式，在軌枕橫向位移2 mm時為三搗三穩作業模式的88.65%。

2.2 搗穩組合對道床靜態沉降的影響

搗穩組合作業能夠明顯改善清篩作業的道床質量狀態，然而清篩作業和搗穩作業都會對原有較為穩定的道床產生擾動，需對軌道靜態沉降進行探究。

對測試結果采用指數曲線模型［13］進行擬合，軌道靜態沉降以S（mm）表示，列車累計通過趟數以N表示。各測點擬合結果見表1。

表1 軌道靜態沉降與列車通過趟數關系的擬合結果

1）重車線

以重車線某一側的三組測量數據為例，軌道靜態沉降與列車通過趟數的關系見圖3。可知：①該試驗地段大型養路機械施工質量較高，重車線上各組測點的軌道靜態沉降變化規律及大小幾乎一致，保證了重車線在清篩過后不會出現差異沉降。②重車線清篩作業后進行三搗三穩作業和四搗三穩作業的變化特征較為相似，二者的軌道靜態沉降均在10～12趟車時趨于穩定。不同的是，三搗三穩作業模式軌道靜態沉降穩定在8.5 mm 左右，而四搗三穩作業模式穩定在10.0 mm左右。

圖3 重車線軌道靜態沉降與列車通過趟數的關系

2）空車線

根據空車線清篩過后三搗三穩和四搗三穩作業的三組測量數據，軌道靜態沉降與列車通過趟數的關系見圖4。可知：空車線清篩作業后進行三搗三穩作業和四搗三穩作業的變化特征較為相似，二者的軌道靜態沉降均在14 ～ 15 趟車時達到相對穩定狀態；不同的是，三搗三穩作業模式軌道靜態沉降穩定在6 mm左右，而四搗三穩作業模式穩定在7 mm左右。

圖4 空車線軌道靜態沉降與列車通過趟數的關系

綜上所述，重車線與空車線均出現了四搗三穩作業后的軌道靜態累計沉降大于三搗三穩的現象。這是由于在不補砟的情況下多一次搗固反而對枕底道砟產生了較大擾動，從而使得枕底道砟密實度降低，工后沉降相對較大。

2.3 重車線與空車線道床質量變化對比

1）道床橫向阻力

對各作業模式下的測試結果進行擬合，道床橫向阻力以Q表示，y為軌枕橫向位移。重車線與空車線道床橫向阻力對比見圖5。各測點擬合曲線見表2。

圖5 不同作業模式下重車線與空車線道床橫向阻力對比

表2 道床橫向阻力與軌枕橫向位移關系的擬合結果

由圖5 可知，重車線與空車線在清篩過后道床橫向阻力均呈非線性變化，空車線的道床橫向阻力相對較小，且更加容易達到塑性加載狀態，即位移增加而阻力基本不發生變化。

2）軌道靜態沉降

從軌道靜態沉降的發展趨勢來看（圖6），空車線擬合后的曲線在20趟車之后可能繼續增大，而重車線普遍在20 趟車左右就能夠趨于平緩。這是由于重車線上較大軸重的貨車通過時能夠快速對擾動過的道床產生壓實效應，使其比輕車線較快達到相對穩定狀態。

圖6 不同作業模式下重車線與空車線軌道靜態沉降對比

3 無縫線路穩定性分析

道床橫向阻力是影響無縫線路穩定性的關鍵因素，決定著無縫線路抵抗溫度變形的能力。大機清篩維修養護后道床橫向阻力下降，可能會導致重載鐵路無縫線路在溫度荷載作用下出現軌道橫向位移過大等現象。因此，本文使用有限元法建立大機清篩后重載鐵路無縫線路模型，分析空車線與重車線不同作業模式下容許溫升變化。

3.1 計算模型

建立有砟軌道小半徑曲線無縫線路模型（圖7），模型中包括鋼軌、扣件、道床等部件。

圖7 無縫線路有限元模型

由于上行線及下行線鋼軌、軌枕、扣件不同，所以分別建立上行線、下行線無縫線路穩定性模型。其中鋼軌、軌枕均采用空間梁單元模擬，扣件、道床均采用非線性阻力彈簧模擬，對路基單元施加固定約束。模型長度取100 m。

3.2 大機作業模式對無縫線路穩定性的影響

道床橫向阻力的減小影響了無縫線路臨界溫度，根據TB 10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》，取軌枕橫向位移2 mm 時的溫度作為軌道失穩的臨界溫度。

在有限元模型中輸入不同作業模式下的道床橫向阻力彈簧參數，并施加溫度荷載。各作業模式下容許溫升與軌枕橫向位移的關系見圖8。

圖8 不同作業模式下容許溫升與軌枕橫向位移的關系

由圖8 可知：①道床阻力對有砟軌道無縫線路的影響較為明顯，尤其是隨著軌道橫向位移增長，清篩后阻力較大的作業模式具有更大的穩定性。②容許溫升最大的是重車線清篩后三搗三穩作業模式，為43 ℃左右；容許溫升幅度最小的是空車線清篩后四搗三穩作業模式，為33 ℃左右。③空車線四搗三穩、三搗三穩作業后的容許溫升分別為33、36 ℃；重車線四搗三穩、三搗三穩作業后的容許溫升分別為38、43 ℃。四搗三穩后的容許溫升幅度相對較低。

從安全性上來看，當地無縫線路最高軌道為61 ℃，鎖定軌溫為28 ℃，計算的最大溫升為33 ℃，接近于空車線作業后的最大容許溫升［14］。因此，應適當加強該地區軌道結構，并對相關線路及時進行復搗作業，使其道床阻力盡快恢復至正常水平。

4 結論

本文依據大型養路機械清篩作業后的道床橫向阻力及軌道靜態沉降測試結果，對比分析了清篩作業后采用三搗三穩與四搗三穩作業模式道床質量恢復程度的異同。主要結論如下：

1）清篩后采用三搗三穩和四搗三穩的空車線與重車線道床橫向阻力都不同程度下降，重車線和空車線清篩后四搗三穩作業后的道床橫向阻力分別為三搗三穩作業后的86.41%、88.65%

2）清篩后采用四搗三穩作業的軌道靜態沉降在重車線及空車線上都比三搗三穩作業模式更大，累計沉降差分別為1.5 mm與1.0 mm。

3）清篩作業后道床阻力的減小對于無縫線路的影響明顯。重車線、空車線四搗三穩作業模式下的容許溫升分別為三搗三穩的88.37%、91.67%

4）根據道床橫向阻力與軌道靜態沉降測試數值的分析，建議清篩后重載鐵路有砟道床按照三搗三穩作業，既能減少作業時間，又能提高作業質量。