擾動道床施工設備安全狀態評估

王曉晨

（國家能源集團朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司，山西忻州 034100）

0 引言

既有線碎石道床進行機械清篩作業，一般要經過申請要點、封閉線路、清篩、起搗作業、限速通車、恢復穩定等一系列過程。在《鐵路工務安全規則》（鐵運〔2006〕177 號）基礎上修訂的TG/GW 101—2014《普速鐵路工務安全規則》規定：“對于影響道床路基穩定的施工作業，“三搗兩穩”作業后，開通后第一列35 km/h，第二列45 km/h，自第三列起限速60 km/h，至次日搗固后第一列限速60 km/h，第二列起限速80 km/h，至第三日搗固后第一列限速80 km/h，第二列限速120 km/h，至第四日搗固后恢復常速。“三搗兩穩”作業后，開通后第一列45 km/h，第二列60 km/h，自第三列起限速80 km/h，至次日搗固后第一列限速80 km/h，第二列起限速120 km/h，至第三日搗固后恢復常速。未達到上述搗固、穩定遍數的，應相應降低列車放行速度。開通后第一列35 km/h，第二列45 km/h，不少于4 h，以后限速60 km/h，至次日搗固后第一列限速60 km/h，第二列起限速80 km/h，至第三日搗固后第一列限速80 km/h，第二列限速120 km/h，至第四日搗固后恢復常速。”這些要求對線路正常運輸的影響較突出。

提高貨物列車軸重和牽引質量，雖然提高了線路的運能，但線路設備的傷損以及軌道幾何狀態惡化速率會明顯加快。朔黃鐵路萬噸大列開行以來，線路設備病害明顯加劇，設備使用壽命、維修周期縮短，尤其道床的中修和大修周期縮短，線路清篩整道工作量增大，反過來又干擾線路的正常運輸，影響線路的運輸能力。

1 擾動道床作業后碎石道床力學狀態參數評估

鋼軌在自由狀態下因溫度變化而熱脹冷縮，并不存在溫度力，鋼軌的溫度力是在線路被鎖定不能自由伸縮的情況下產生的，因此鋼軌的溫度力與扣件的阻力、道床的阻力、軌道框架的阻力相互存在，要保持無縫線路的穩定性，就要求碎石道床必須穩定，并提供足夠的阻力。有砟軌道道床由散粒體碎石顆粒組成，在方便養護維修的同時，也會由于道砟的這種性質引起軌道的沉降，因此道床清篩后，列車通過時會引起軌道不規則初始沉降，并引發進一步的軌道病害。軌道動力穩定車可使軌道均勻沉降、道床快速穩定，效果相當于通過70～80 萬噸荷載，其原理是在施加垂直荷載的同時，軌道動力穩定裝置能使軌道結構水平振動，道砟顆粒進行動態的重分布，使道砟孔隙減小，道砟石塊相互接觸更加緊密，軌道框架埋入碎石道床，并與之產生摩擦咬合，從而達到一個相對穩定的狀態。如果道床清篩后只進行了搗固作業，則需要在線路通過一定的運量后，通過列車荷載作用使道床逐漸達到穩定狀態，恢復正常速度。道床支承剛度是反映道床密實程度的重要參數，道床累積變形在道床清篩后也是初期變化較大，隨著運營逐漸收斂的過程，也可反映道床的狀態。

2 不同作業方式對道床狀態的影響規律研究

朔黃鐵路大機清篩后道床作業主要采取兩種方式，在一般路基區段采取“三搗兩穩”的作業方式，在橋梁區段采取“三搗”作業方式。采取“三搗兩穩”作業方式：線路開通前，道床橫向阻力為6.8 kN/枕，即11.3 kN/m，道床縱向阻力為10.2 kN/枕，即17.0 kN/m，道床支承剛度為38.5 kN/枕，第一列列車通過后，橫向阻力為7.4 kN/枕，即12.3 kN/m，第二列列車通過后，橫向阻力為7.6 kN/枕，即12.7kN/m；采取“三搗”作業方式：線路開通前，道床橫向阻力為5.7 kN/枕，即9.5 kN/m，道床縱向阻力為9.6 kN/枕，即16.0 kN/m，道床支承剛度為30.1 kN/枕，第一列列車通過后，橫向阻力為6.3 kN/枕，即10.5 kN/m，第二列列車通過后，橫向阻力為7.2 kN/枕，即12.0 kN/m，線路運營2 h后，橫向阻力為7.4 kN/枕，即12.3 kN/m，線路運營24 h 后，橫向阻力為7.5 kN/枕，即12.5 kN/m；隨著線路開通后列車荷載的作用，道床逐漸密實，開通后前三趟列車對道床的密實作用最明顯，前三趟列車后道床橫向阻力增長速率降低，逐漸趨于穩定，而且不同作業方式對清篩作業后道床橫向阻力影響較大，采取“三搗兩穩”作業方式線路密實的更快，與采取“三搗”作業方式相比，前一種作業方式開通前道床阻力與后一種作業方式第一列列車通過后基本相當，第一列列車通過后與線路運營2 h后的阻力基本相當，第二列列車通過后與線路運營24 h 后的阻力基本相當。

3 擾動道床作業后無縫線路穩定性評估

由于有砟軌道道床處于彈性變形范圍，根據實測資料，在荷載作用下軌枕發生微量位移，卸載后道床也會產生殘余變形。允許溫差取值應把防止無縫線路產生彈動現象作為先決條件，并限制軌道產生累積變形。據測得的日溫差頻數及軌溫晝夜變化無縫線路的橫向累積變形，取f=0.02～0.05 cm 所對應的軌溫差作為無縫線路穩定性允許差［Δtu］，f 取值與軌道結構類型及道床密實度有關，通常取f=0.02 cm。只要初始彎曲不超過設計允許值，鎖定軌溫至最高軌溫的溫度差也不超過允許值。在高溫季節一晝夜時間內，無縫線路的最大彎曲變形量不超過0.02 cm，經過一個季度運營后，累積變形量就不會超過0.2 cm，并保證在溫度力和列車荷載作用下，不產生彈動現象而失穩。

基于無縫線路穩定性檢算方法分析可知，擾動道床施工對道床阻力影響較大，道床橫向阻力是決定無縫線路允許溫升的重要因素，該指標對允許溫降影響不大，因此本節主要針對施工過程中道床橫向阻力對無縫線路允許溫升影響進行分析。

TB 10413—2003《鐵路軌道工程施工質量驗收標準》規定：對于混凝土Ⅲ型軌枕，道床達到初期穩定狀態時道床橫向阻力不得低于7.5 kN/枕，道床達到穩定狀態時道床橫向阻力不得低于10 kN/枕。項目研究期間，朔黃鐵路路基段和橋梁段對清篩后道床橫向阻力測試結果符合規定，其中路基段清篩后大機作業方式為“三搗兩穩”，橋梁段道床清篩后大機作業方式為“三搗”。隨著列車運量的增加，道床逐步密實，道床橫向阻力逐步增大。

4 結論

（1）對于路基段采取“三搗兩穩”作業方式，線路開通前，道床縱向阻力已可滿足開通速度80 km/h 的要求，道床橫向阻力已接近開通速度80 km/h 的要求，第一列列車通過后，橫向阻力可滿足開通速度80 km/h 要求，第二列列車通過后道床橫向阻力可滿足達到初期穩定狀態的要求；對于橋梁段采取“三搗”作業方式，線路開通前，道床縱向阻力同樣可滿足開通速度80 km/h的要求，道床橫向阻力在第二列列車通過后可滿足開通速度80 km/h 的要求，在線路開通運營24 h 后，道床橫向阻力可達到初期穩定狀態的要求。

（2）無論是否進行穩定作業，在線路開通后4 h 以內道床變形較快，列車運行8 h 后道床累積變形逐漸穩定，路基區段總變形約5 mm，橋梁區段約7 mm；但橋梁區段不進行動力穩定作業，總體變形大且不均勻沉降約3 mm，路基區段采取動力穩定作業，其沉降變形以均勻沉降為主，不均勻沉降變形約1 mm，采取穩定作業方式的線路道床密實的更快。

（3）采用不等變形波長理論并基于道床阻力現場測試數據，對R400 m、R600 m、R800 m、R1000 m 和R2000 m 以上及直線的不同曲線半徑條件下道床清篩作業前后的無縫線路允許溫升進行計算，由計算結果可知，道床清篩維修作業后，因道床橫向阻力下降，導致無縫線路允許溫升最大下降將近10 ℃。

（4）由監測結果可知，每年7—8 月間軌溫達到年度最高，每日12：00—16：00 軌溫逐步達到當日最高（60 ℃左右），其中監測期間重車線軌溫最高67.6 ℃，朔黃鐵路線路設計鎖定軌溫分布范圍在20～31 ℃，即在夏季高溫時段無縫線路溫升幅度達30～40 ℃。

（5）根據無縫線路允許溫升計算結果分析，R800 m 及以上區段，搗固清篩作業后無縫線路允許溫升高于40 ℃，即高于實際溫升，無縫線路穩定性具備一定安全儲備，R800 m 以下區段，搗固清篩作業后無縫線路允許溫升已低于40 ℃，尤其是R400 m 曲線，作業后允許溫升不足30 ℃，因此應避免在高溫時段進行擾動道床作業。

（6）道床剛度對于車輛的輪軌垂橫向力、輪重減載率、脫軌系數的影響并不顯著，結合現場實際經驗可知，道床剛度變化本身對行車動力特性的影響并不顯著，但由于低剛度道床原本不密實的道砟接觸狀態，在列車碾壓作用下會引起軌面不平順的發展，從而引起列車的運行品質下降。

（7）列車運行速度對脫軌系數影響不顯著，但對輪重減載率的影響卻較大，當列車運行速度由35 km/h 提升至45 km/h、60 km/h、80 km/h、120 km/h 時，列車的輪重減載率分別提高5.26%、15.79%、31.58%、78.95%。說明列車運行速度提高會顯著引起車輛輪重減載率的激增，但其量值均在安全限值以內。

（8）列車運行速度由35 km/h 提升至45 km/h、60 km/h、80 km/h、120 km/h 時，車體的垂向加速度分別提高3.95%、15.79%、19.08%、25.00%；車體的橫向加速度分別提高3.39%、1.86%、3.39%、32.20%。說明車體的垂、橫向加速度均會隨著列車運行速度的增加而增大，但均在安全限值內。

（9）根據現場實測、理論計算和仿真分析結果，對橋、隧區段采用大型機械“三搗”作業程序時的開通速度方案進行優化，開通后第一列仍限35 km/h，第二列由“限速45 km/h 且不少于4 h”優化為“限速55 km/h 且不少于2 h”；“以后限速60 km/h，至次日搗固后第一列限速60 km/h，第二列起限速80 km/h”優化為“以后限65 km/h 不少于24 h，以后恢復常速”。

（10）路基段采取“三搗兩穩”作業方式線路開通后，脫軌系數實測最大值為0.23（限值1.2），輪重減載率實測最大值為0.17（限值0.65），輪軸橫向力實測最大值46.5 kN（軸重25 t，限值119 kN，軸重23 t，限值110.5 kN），各參數均小于相應限值，且有較大的安全冗余；鋼軌動彎應力最大值為40.9 MPa，小于鋼軌的容許應力，清篩作業后在列車荷載作用下鋼軌斷軌的風險較小。鋼軌橫向位移最大值為0.87 mm，軌距變化量最大值1.40 mm，量值均較小，軌道橫向穩定性較好；鋼軌垂向力最大值為155.1 kN，鋼軌垂向位移最大值為0.67 mm，垂向穩定性較好。

（11）橋梁段采取“三搗”作業方式線路開通后，脫軌系數實測最大值為0.67（限值1.2），輪重減載率實測最大值為0.26（限值0.65），輪軸橫向力實測最大值68.7 kN（軸重25 t，限值119 kN，軸重23 t，限值110.5 kN），各參數均小于相應限值；鋼軌動彎應力最大值為76.9 MPa，小于鋼軌的容許應力。鋼軌橫向位移最大值為3.10 mm，軌距變化量最大值5.38 mm，由于測點位于R500 m 曲線區段，動態軌距變化量較大，仍能滿足軌道保養標準要求；鋼軌垂向力最大值為175.6 kN，鋼軌垂向位移最大值為0.86 mm，軌道垂向穩定性較好。