有砟高鐵清篩軌道質量分級控制指標研究

摘要：【目的】為了提高有砟高鐵道床周期維修的效果，以及規范有砟高鐵道床清篩的施工流程。【方法】基于滬蓉線合寧段2019年1月—2023年5月動態檢測數據，繪制軌道質量指數（TQI）的時域曲線和TQI變化率散點圖。【結果】研究發現軌道進入“損耗期”時距離上一次周期維修的最短時間為12 個月；TQI 變化率大于2.0%時對應的TQI 值為TQI≥4.0 mm。基于滬蓉線合寧段2022 年10 月—11 月清篩施工過程中，道床在各工序作業前、后測量的TQI 數據，整理得到各工序后軌道TQI 下降的平均值，結合施工作業驗收要求和有砟高鐵線路清篩前的TQI 值，提出有砟高鐵道床清篩的軌道質量分級控制指標。軌道質量指數（TQI）時域曲線呈現“浴盆曲線”特征，應在軌道處于“損耗期”前進行道床周期性維修作業；有砟高鐵道床周期維修的TQI 指標：TQI≥4.0 mm，有砟高鐵道床周期維修宜以12 個月為周期；提出有砟高鐵道床清篩的作業分級管控指標，施工后靜態軌道質量需滿足：清篩并三搗兩穩后TQI≤5.0 mm，五搗三穩后TQI≤4.5 mm，七搗四穩后TQI≤4.0 mm，1 次精搗后TQI≤3.0 mm，2次精搗后TQI≤2.5 mm。【結論】軌道質量分級控制的研究為有砟高鐵道床養護維修的管理和施工提供了參考。

關鍵詞：有砟高鐵；軌道質量指數；道床清篩；道床搗固；修理周期

中圖分類號：U238；TB535 文獻標志碼：A

本文引用格式：王有能. 有砟高鐵清篩軌道質量分級控制指標研究[J]. 華東交通大學學報，2024，41（6）：35-42.

【研究意義】有砟道床在我國250 km/h等級高鐵線路中廣泛應用。為保證高速鐵路線路的高平順性，需定期對道床進行養護維修，在道床病害嚴重時甚至需要進行道床清篩作業。如何確定有砟高鐵的道床修理周期，以及如何確定道床清篩大修的作業流程和作業驗收指標，是鐵路工務部門亟待解決的一個重要問題。

我國部分有砟高鐵線路運營時間較長，如滬蓉線運營時間近15 年，其道床出現不同程度板結、粉化，并出現道砟磨損嚴重等現象，僅僅通過搗固維修已無法保證道床質量，需要進行道床清篩作業。然而現有規范沒有對有砟高鐵道床周期維修和道床清篩大修提出明確的規定。

【研究進展】關于有砟高鐵道床的養護維修，國內外學者從維修管理和維修效果等不同角度進行了大量研究。寧國平[1]基于金麗溫鐵路的軌道精調工作，總結出有砟高鐵精調內容、精調流程相關注意事項。漆光凱等[2]基于南昆客專線有砟高鐵道床病害，對有砟高鐵道床養護維修中存在的問題進行了分析，并從管理層面提出優化建議。戴宗林[3]基于合寧高鐵搗固維修施工經驗，通過軌道動力學理論，分析了大機搗固、人工精調作業、鋼軌打磨等方法對軌道矢高偏差的改善效果。時瑾等[4]通過撥道效果對搗固作業效果影響的研究，發現撥道量過大或過小、撥道策略不利易導致作業效果不佳，并由此建立了考慮撥道影響因素的撥道方案優化模型。王英杰等[5]通過分析新建有砟高鐵線路的精搗數據，通過帶通濾波及中點弦測法，分析波長對精搗作業質量的影響。張雨瀟[6]梳理了五搗三穩作業流程，提出基于軌道平順性的有砟軌道精搗方案，并實施于實際線路，軌道精搗后平順性優于其他作業區段。Chen[7]基于非線性離散元理論對高速鐵路有砟軌道力學維修方法進行了探討。Xiao 等[8]基于新建有砟高鐵搗固作業數據，分析了搗固模式、穩定頻率和軌道抬升量對軌道質量的影響。這些研究多從高鐵有砟道床的搗固、精搗作業出發，研究撥道、搗固參數等因素對搗固作業效果的影響，對何時需進行周期搗固這一問題沒有給出解答，另外對道床的清篩大修流程和過程中的質量控制等，也鮮有涉及。

【創新特色】滬蓉線合寧段有砟高鐵道床清篩大修作業，是我國第一次對高速鐵路道床進行清篩大修施工。本文基于滬蓉線道床維修工程實例，確定了高鐵有砟道床維修周期及TQI 指標，對道床的狀態評估提供了參考，有利于我國有砟高鐵周期維修作業的規范化、標準化。【關鍵問題】提出的有砟高鐵清篩作業分級管控指標，填補了鐵路工務部門在有砟高鐵清篩維修上管理與施工研究的空白，為有砟高鐵清篩作業提供了依據，保障了有砟高鐵設備質量。

1 道床周期維修的TQI 指標

1.1 TQI 及其單項的時域特征

1.1.1 TQI 時域分析

本文所使用的TQI 及其單項標準差數據，來源于滬蓉線綜合檢測列車2019—2023 年對滬蓉線合寧段上行（K383—K406）的檢測結果。數據的時間跨度為4 年5 個月。滬蓉線上行合寧段TQI 均值隨時間變化的趨勢如圖1 所示。2019 年11 月—2020年2 月、2021 年8 月—9 月、2022 年10 月—11 月，TQI 出現了突降，結合相關檢修記錄（表1），得知這3 個時段為大機維修過程，前兩次突降為周期搗固維修，2022 年10 月—11 月為道床清篩大修作業，與實際符合。

從圖1 可以明顯看到，2019 年11 月—2021 年7月（共21 個月）、2021 年7 月—2022 年9 月（共14 個月），TQI 呈現出先急劇下降、后緩慢增大、再迅速上升的變化過程。在區段TQI 均值趨近4.5 mm時，經過短期的維修施工使得區段TQI 下降到一個較低的水平；軌道在施工作業后的12～15 個月內保持較高的軌道幾何平順性，TQI 緩慢增長；超過12～15 個月之后，TQI 迅速增大，軌道平順性劣化速率加快，區段TQI 迅速增加至4.5 mm左右。并且在2019 年1月—11 月、2022 年9 月—2023 年5 月，TQI 的變化符合已有特征。這種“兩邊高、中間低”的變化規律類似于經典失效率曲線“浴盆曲線”[9]，如圖2 所示。浴盆曲線以時間為橫坐標，以設備失效率為縱坐標，呈現兩邊高、中間低的形狀。失效率隨著時間分為早期故障期、偶然故障期、損耗故障期3 個階段[10]。

《高速鐵路線路維修規則》（國鐵設備監規[2023]15號）中規定：200～250 km/h 線路軌道質量指數需滿足TQIlt;7.0，250（不含）～300 km/h 線路需滿足TQIlt;5.0 mm。滬蓉線列車運行速度在250 km/h 以下，清篩前其TQI 值最高未超過5.0 mm，然而其道床病害已十分嚴重。因此規范中對于200～250 km/h 線路的軌道質量指數要求已不適用于滬蓉線。

為保證軌道道床長期保持平順和穩定狀態，需確立一個有砟高鐵道床周期維修作業的軌道質量參考指標。為分析圖1 中TQI 迅速上升的數據特征，引入TQI 變化率的概念。TQI 變化率，定義為相同時段（這里取1 個月）TQI 值的改變量與上一月TQI 值之比，即

式中：j 為時間序列；αTQI， j 為第j 次的TQI 變化率；TQIj 為第j 次的TQI 值，mm。

以TQI 變化率為縱坐標、TQI 值為橫坐標繪制散點圖（未計入施工時段的TQI 變化率數據），如圖3 所示。從圖3 中可以發現，當TQI≤3.0 mm 和TQI≥4.0 mm時，TQI 變化率往往都大于2.0%，且出現峰值的情況較多。而當3.5 mm

本文結合滬蓉線清篩前后的TQI 數據和浴盆曲線概念模型，將1 個檢修周期中，軌道平順性狀態變化過程劃分為3 個不同的階段。TQI 從峰值經過維修后下降至最低點，為第1 個階段，為軌道的“ 維修期”。以TQI=4.0 mm 為分界點，TQIlt;4.0 mm 代表軌道處于周期維修作業后的“有效壽命期”，為第2 個階段；TQIgt;4.0 mm 代表軌道處于“損耗期”，為第3 個階段。那么滬蓉線上行區段TQI 變化2 段“浴盆曲線”的“有效壽命期”分別為15 個月、12 個月。將周期維修作業后軌道TQIlt;4.0 mm 的狀態（此段時間，線路保持較高的可靠性、穩定性、平順性）定義為周期維修后的軌道質量保持時間。

綜上分析可知，有砟高鐵道床TQI 指標從清篩施工至迅速增加的最短時間約12 個月，即清篩后軌道質量迅速惡化的時間為12 個月。因此建議以12 個月為周期，對有砟高鐵道床進行周期性搗固作業。

1.1.2 單項標準差時域分析

統計2019 年1 月—2023 年5 月滬蓉線合寧段上行TQI 的7 個單項，左軌向、右軌向、左高低、右高低、水平、軌距、三角坑的標準差數據，結果如圖4 所示。

由圖4 可知，TQI 的7 個單項分量，除軌距外，其余單項基本與TQI 保持相同的變化趨勢。搗固維修引起軌距的下降幅度小于其他單項的下降幅度，即軌距受周期搗固維修的影響較小，而清篩大修作業對軌距不平順的改善較為明顯。

軌道左右高低的數值接近，而在2019 年1 月—10 月，左軌向比右軌向小0.3～0.5 mm，經歷2019 年10 月的搗固維修后，左軌向略大于右軌向。

統計道床清篩作業前后各單項指標的變化幅值，與TQI 變化值相比，得到各單項指標對TQI 的貢獻程度。2019—2023 年中3 次維修作業的單項指標貢獻比結果如圖5 所示。

圖5 表明左高低、右高低對TQI 下降的貢獻程度最大，介于16%～20%。軌距不平順由于本身數值較小，因此其對TQI 下降的貢獻程度也較小。

1.2 道床臟污率實驗驗證

我國鐵路道床搗固周期的確認，以道床臟污率為重要參考依據[11]。采用取樣篩分的方法測量滬蓉線清篩后的道床臟污率，以判斷周期搗固維修后約12 個月道床的臟污情況（取樣測試的時間為2022 年8 月21 日，上一次周期維修時間為2021 年8月—9 月）。

按照道岔區每100 m至少測1 處，同一道岔區至少測2 處，區間路段每1 km至少1 處的原則，將取回樣本進行粒徑篩分試驗并進行臟污率分析。取樣對應滬蓉線上行里程為：K396+025，K391+850，K389+275。取樣過程中，將軌枕以下300 mm范圍內的道砟和臟污全部裝入編織袋，按實際挖出砟土量進行后續臟污率測試。分別依次用25，16，10 mm和5 mm 4 種孔徑規格的篩子對砟土進行篩分。其中，25 mm粒徑為我國《高速鐵路線路維修規則》（國鐵設備監規[2023]15 號）中有砟道床臟污率計算的尺寸要求，16 mm和10 mm為國內外專家學者廣泛推薦的粒徑污染物尺寸，5 mm以下粒徑則出于英國Zetica 公司道床臟污指數模型。檢測5 個采樣點的臟污數據如圖6 所示。

以25 mm為篩分孔徑對應的臟污率為例，5 個采樣點的臟污率分別為25.46%，18.83%，33.24%，35.84%，30.71%，所有采樣點均已經達到嚴重臟污標準。因此，從道床臟污率的角度來看，以12 個月為道床搗固周期是合理的。

2 清篩作業軌道質量分級評價指標

2.1 滬蓉線道床清篩作業流程

使用大型養路機械進行線路清篩作業，是一個龐大復雜的作業過程，通常包含多個施工工序[12-13]。本文以2023 年4 月12 日滬蓉線下行合寧段的現場清篩施工流程為例，說明有砟高鐵道床清篩作業的具體施工流程，見圖7。

2023 年滬蓉線下行區段，采用滾動施工制，每個工序的施工長度為1 000～1 200 m。實際施工的單個完整周期為5 個天窗，搗固總次數11 次，穩定次數6 次。通常在精搗1 工序作業結束后，若該區段的軌道質量已達到既定目標，則該區段無需進行精搗2 工序。施工機組配備清篩機（Q）2 臺、搗固車（D）8 臺、穩定車（W）4 臺、配砟車（P）3 臺，物料運輸車（WY）6 臺，平板車（N）、（K）車若干。

2.2 軌道質量分級評價指標

以滬蓉線上行K382+900—K406+670 區域（長23.770 km，共包含28 個作業區段）為例，剖析清篩作業過程中的TQI 變化。

清篩施工作業流程包含5 個工況，見表2。在每個工況的作業前、作業后分別進行一次測量，獲取該區段的TQI 數據。使用Matlab 提取TQI 各單項標準差數據，并將同一工序作業前后的TQI 取平均值，匯總結果如圖8 所示。

從圖8 中可以看到，經清篩+搗固1 工序，區段TQI 平均值下降0.5 mm；經搗穩2、搗穩3 工序，TQI平均值降低總和為1.2 mm；精搗1 工序對軌道質量改善明顯，TQI 值降低達0.7 mm；由于精搗1 工序后道床平順性較高，精搗2 工序后TQI 值降低較小。另外，目前我國有砟高鐵線路大多運營時間較長，且未進行過道床清篩大修，多為1～3 年1 次的周期修，軌道質量難以保證，TQI 值可能高于5.0 mm。為保證清篩大修作業效果，保證高鐵道床的高平順性，使得軌道質量達到作業驗收標準，最后一次精搗作業后軌道TQI 值需滿足條件：TQI≤2.5 mm。本文基于滬蓉線施工經驗，提出有砟高鐵道床清篩作業分級管控指標，施工后靜態軌道質量需滿足：清篩并三搗兩穩后TQI≤5.0 mm，五搗三穩后TQI≤4.5 mm，七搗四穩后TQI≤4.0 mm，精搗1 后TQI≤3.0 mm，精搗2 后TQI≤2.5 mm。分級管控指標示意如圖7 所示。

圖9 中，不同工序使用不同顏色的梯形表示，梯形長邊代表該工序作業前的TQI 值，梯形的短邊代表該工序作業后的TQI 值。各工序作業前后測得的TQI 值應在圖7 中顏色區域范圍內。以第二道工序（黃色區域）為例，黃色梯形的長邊為5.0 mm，代表作業前道床TQI 值須在5.0 mm以下；黃色梯形的短邊為4.5 mm，代表作業后道床TQI值須在4.5 mm 以下。因此五搗三穩工序作業前、后測得的TQI 值，應處在黃色區域內。其余工序以此類推。

3 結論

結合我國首次有砟高鐵道床清篩大修作業工程，基于滬蓉線合寧段綜合檢測車的動態檢測數據，以及清篩施工過程中，各工序前、后測量的TQI數據，經過篩選整理，并結合工程實踐經驗進行分析，得到以下結論。

1）提出有砟高鐵道床清篩的軌道質量指數指標：TQI≥4.0 mm，建議以12 個月為周期對有砟高鐵線路進行周期維修，并通過道床臟污率進行了驗證。

2）基于滬蓉線清篩成功經驗，建議有砟高鐵清篩采用以下流程：第1 天，清篩后三搗兩穩作業；第2 天，兩搗一穩作業；第3 天，兩搗一穩作業，精測網測量；第4 天，大機精搗兩搗一穩作業，同步精測網測量；第5 天，大機精搗兩搗一穩作業。

3）提出有砟高鐵道床清篩作業的分級管控指標，施工后靜態軌道質量需滿足：清篩后TQI≤5.0 mm，三搗兩穩后TQI≤4.5 mm，五搗三穩后TQI≤4.0 mm，精搗1 工序后TQI≤3.0 mm，精搗2工序后TQI≤2.5 mm。

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通信作者：王有能（1981—），男，高級工程師，研究方向為軌道養護維修。E-mail：wangyouneng@163.com。

（責任編輯：李根）

基金項目：中國鐵路上海局集團有限公司科研課題（2022230）