小半徑曲線區段大機清篩作業安全控制技術

王志強 上海鐵路局上海大型養路機械運用檢修段

小半徑曲線區段大機清篩作業安全控制技術

王志強 上海鐵路局上海大型養路機械運用檢修段

為了更好控制大機在小半徑曲線區段的作業安全，針對現有作業中可能產生的問題，結合需求，進行安全風險排查，梳理出四大類安全風險，并進行詳細分析，提出安全控制措施。

大機作業；安全；控制

大型養路機械作為既有線施工主要施工設備，因其具有較高的作業精度和作業效率，在鐵路線路維護中發揮了不可替代的作用；目前，大型養路機械承擔了百分之八十左右的線路維修工作，大型機械的作業安全是工務線路維修安全的控制重點。大機清篩集中了多機組、多工種的協同作業，施工配合環節多，相比較來說，大機清篩作業安全控制難度更大，特別是在曲線半徑較小（曲線半徑在400 m到800 m之間，半徑小于400 m的曲線在鐵路正線現已基本取締）的區段大機作業安全風險更加突出。

正是考慮大機在小半徑曲線區段作業安全可靠運行重要性的基礎上，針對現有作業中可能產生的問題，結合需求，對作業安全風險進行排查和分析，提出安全控制措施。

1 大機在小半徑曲線區段作業的安全風險

本人多年從事大型養路機械施工安全管理，總結多年來的經驗，后果嚴重且發生概率較大的安全風險項主要有以下幾類：

（1）線路水平控制不當，出現水平三角坑，導致清篩機后轉向架、與之編組同步作業的卸砟K車及后續其他作業大機脫軌風險。

（2）軌排出現橫向位移，導致作業機組脫軌風險、無法開通封鎖線路運行列車。

（3）連續大量欠超高，后續搗固車作業困難乃至脫軌，作業后線路穩定性差，開通后列車運行安全留下隱患。

（4）不能正確設置道床排水坡，線路質量留病害，列車運行安全留隱患。

2 安全風險分析

2.1 水平三角坑分析

（1）水平三角坑概念

如果在一段不太長的距離內，先是左股鋼軌較右股鋼軌高，后是右股鋼軌比左股高，而且兩個最大水平誤差點之間的距離不足18 m，則把這種水平誤差稱為“三角坑”。水平差超過4 mm的三角坑，就會使車輛轉向架的四個車輪中的一個懸空。如果恰好在這個車輪上出現最大橫向力，就可能使車輪爬上鋼軌，發生脫軌事故。因此線路上不能存在三角坑。

（2）清篩機作業時水平三角坑控制標準

大型清篩機組作業走行速度慢，清篩機及與其編組的K車最大走行速度為1.6 km/h，后續搗固車最大走行速度3 km/h～8 km/h，水平三角坑在清篩作業時控制值可以適當放寬，按我段在作業軌控方面的研究成果、并請同濟大學根據清篩機、K車、搗固車動力學性能參數進行仿真實驗得出的三角坑控制標準值為30 mm。

（3）產生三角坑的原因

清篩機清篩作業是通過篩分后道砟回填來實現線路水平控制的，即通過枕下墊砟調節軌道橫向水平。清篩機作業時，機器慢速運行，高速旋轉的挖掘鏈將道床石砟挖出并運送至振動篩，經過篩分的清潔道砟在左右道砟分配板導流下從振動篩末端左右兩通道落下，通過道砟回填分配裝置由前、后道砟分配板和左、右道砟回填輸送裝置控制回填至道床上。由以上分析知：填砟位置（軌枕端部或軌枕下方）、前配石砟量和后配砟量、以及左右股石砟回填量關系都直接影響機器作業后線路水平誤差能否控制在要求范圍內。需要作業操作手及時準確掌握作業后線路狀況并采取適時適度的綜合配砟調整，作業較復雜，需有豐富的配砟經驗并在其他測量人員準確測量配合的前提下才能良好完成。如配砟操作經驗不足，操作變換太頻繁，左右分砟及填砟位置不合理，作業后軌道幾何參數測量不準或掌握不及時而誤操作，極易造成線路水平三角坑。

2.2 軌排橫向位移分析

（1）有砟鐵路軌排受力及狀態

有砟鐵路軌道在正常運行狀態時，軌排受自身重力、道床承載力、鋼軌內應力、道砟的橫向阻力、及列車通過時列車施加的作用力，各力的合力為零，軌排處于相對靜止狀態（列車通過時有局部較小的彈性變形）。

（2）清篩機作業時軌排的受力狀態

清篩機作業時，起撥道裝置通過夾鉗滾輪抓住鋼軌，挖掘鏈穿過軌排下部，靠扒指將石砟挖起，并將石砟運送到振動篩，經篩分后的石砟通過分配回填輸送裝置回填至軌道，石砟回填由前部的回填輸送帶和后部配砟裝置完成；各作業裝置布置如圖1所示，挖掘鏈在起撥道裝置前，回填輸送帶裝配在起撥道裝置后，后配砟裝置在振動篩下方距挖掘區約15 m處；挖掘鏈至前部石砟回填輸送帶配砟位置有一段1.5 m左右的無砟挖掘斷面，因前回填輸送帶回填石砟量有限，主要起回落軌排的支承作用，對回落后的軌排橫向阻力較小，也就是說，挖掘鏈至后配砟處這一段近16 m的軌排橫向阻力主要靠前起撥道裝置和后撥道裝置（裝配在距前起撥道裝置后5.25 m處）提供；即清篩機作業過程中，前后兩轉向架之間的軌排，主要受軌排重力、回填后石砟的支承力和橫向阻力、前起撥道裝置提軌抓力、前后起撥道裝置的撥道力以及鋼軌的內應力作用。

圖1 清篩機工作裝置布置圖

（3）軌排橫向位移主要原因一是前起撥道裝置和后撥道裝置設置的撥道不合理直接導致軌排橫移，因較小的撥道誤差累計而導致大范圍的軌道偏移；二是小半徑曲線地段超高量大，軌排面與水平面夾角大，重力沿軌排面（道床支承面）分量大，如道床石砟不能給軌排提供足夠的橫向阻力以平衡此重力分量，軌排產生橫向移動；三是施工時環境溫度與鋼軌鎖定軌溫差距大，鋼軌內應力加大，如大機清篩作業時起道量過大，進一步加劇鋼軌內應力，也易造成軌排橫移。

2.3 連續大量欠超高原因分析

（1）因準確實現線路超高作業難度較大，導致連續大量欠超高。如前所述，大機清篩是通過人工調節兩股軌石砟量以墊砟方式實現軌道水平控制的，要使兩股鋼軌有超高，就必須一側軌墊砟多于另一側軌，操作難度大于兩側軌均分石砟工況；在緩和曲線地段超高值是遞變的，更增加了控制難度；為了保持線路縱斷面的連續性，避免出現水平三角坑，經驗不足的作業人員往往犧牲線路超高方面的作業要求。

（2）“寧欠勿高”規則加劇了連續大量欠超高。為了防范軌排橫移、避免作業線路出現水平三角坑，我們在作業實踐中、綜合考慮利弊總結出了大機在曲線地段作業中“寧欠勿高”的成功經驗，“寧欠勿高”規則的主要弊病是加劇了大量連續欠超高情況出現。

2.4 復線排水坡設置問題

線路排水坡按標準要求4%的坡率，Ⅲ型混凝土軌枕長2.6 m，水泥枕兩端清篩深度差約為100 mm方能滿足排水坡要求。復線區段超高股設置在內側（兩線間）時，排水坡方向與軌面同向，按要求設置排水坡較易實現；但如超高股在路肩側時，排水坡方向與軌面不同向（如圖2），滿足排水坡要求需軌枕兩端理論挖掘深度差100 mm，加上曲線超高H（設計值一般在0 mm～125 mm），故按理論計算軌枕兩端的挖掘深度差應為（H+100 mm）,最大值超過200 mm，清篩機常規作業基準軌挖掘深度應達300 mm，以此推算，外側挖掘深度將超過500 mm，實際施工過程中挖掘深度完全滿足該要求是基本不可能的，這樣就導致了復線且超高股在路肩側軌道，大機清篩作業時排水坡設置不當，有時甚至不做排水坡或做反坡。

圖2 排水坡與軌道平面不同向示意圖

3 大機在小半徑曲線區段作業安全控制技術

3.1 水平三角坑控制

（1）確保充足的石砟。施工前認真調查線路狀況，根據情況預卸石砟，確保施工時有充足石砟用以調節線路水平。

（2）及時拆、排除影響施工的固定設備及障礙物，適當降低作業速度。保持清篩機作業的連續均勻是大機清篩作業質量好壞的關鍵，清篩機作業中停頓必然造成回填石砟不均，導致線路出現高低、水平三角坑；拆除影響清篩機作業的固定設備及障礙物，減少對清篩機作業的干擾，并且適當降低作業速度，以不大于5 m/min為宜，出現異常情況時有充分的應變條件補救。

（3）加強監控。現我段的清篩機均已加裝作業后線路水平檢測系統，應嚴密監控，指導配砟調節準確進行。

（4）適時適度調節配砟。如前所述配砟調節是綜合性調節，控制難度大；調節后效果檢驗（水平檢測傳感器）只能在機后，有滯后性；因此配砟調節不可太頻繁、調節幅度不宜太大；當水平在±15 mm范圍內，無需調節；當水平誤差超過10 mm時應嚴密監控誤差的發展趨勢，如誤差繼續加大，才予以微調，以調節回填輸送帶控制石砟回填位置為主。

3.2 防范軌排橫移超限

（1）正確設置預撥量

①撥道單弦法整正線路的基本原理

鐵路軌道的曲線半徑相對于現場實測而言一般比較大,現場無法用人工實測半徑的方法來檢查曲線是否達標。因此，實際工程應用過程中，常依靠曲線半徑、弦長和正矢之間的幾何關系，利用一定長度的弦線測量曲線正矢，來檢查線路的圓順。這種用人工間接測量方法來檢查整正曲線的圓順稱為繩正法。

大型機械對鐵路軌向的檢測也是運用上述繩正法的基本原理實現的，檢測出的偏差值靠撥道裝置撥動消除，以校正鐵路線路的方向，該系統稱為單弦測量與軌道撥道系統。如下示意圖，曲線的半徑OD=R、弦的長度BD=L、正矢MP= H，之間的關系如圖3所示。

圖3 軌道曲線半徑、軌道弦長、正矢的關系圖

在圖中三角形ΔDMO為直角三角形，所以可以根據直角三角形勾股定理得出，2RH=（L/2）2＋H2。

由于鐵道曲線半徑大（相較于測量弦和測量正矢而言），H2與R相比不到萬分之一，H2可以忽略不計，所以可以得出H=（L/2）2/2R。

同理可得弦上任一點C的近似矢距值H1≈（BC*CD）/2R

②清篩機撥道方式及預撥量設置

常規作業中，清篩機是通過人工操縱電磁閥控制油缸橫移推動前起撥道裝置實現撥道的，撥道量可以由標尺讀取；在曲線區段作業時，前后轉向架間是一段圓弧，如前起撥道裝置處的矢距值與該點的理論矢距值相等，說明本段圓弧符合標準，無需撥道；也即撥道量（標尺數值）設置為該點的理論矢距值就能準確實施撥道。

清篩機兩轉向架間距離23 m，前起撥道裝置距前轉向架距離為8.35 m，由前述撥道理論推知前撥道裝置處的理論矢距值H1=（8.35*14.65）/2R（R為曲線半徑）。

冬季作業時，作業擾動對鋼軌收縮變形較明顯，按經驗預撥量應按照矢距值H1+20 mm預撥，緩和曲線預撥量根據圓曲線預撥量和緩和曲線長進行順坡。

（2）合理回填石砟

①施工前認真調查線路狀況，根據原有線路的石砟量、線路的板結程度、設計起落道等情況，確定預卸石砟量，確保施工時石砟量充足。

②施工作業中嚴格控制石碴回填，采用大部分石碴前配的方式，合理調整左右道砟分配量和回填帶位置，使得清篩后石砟能大量堆積在軌枕端部，同時保證曲線水平。

（3）避免鋼軌過大內應力對施工安全造成后果

①準確掌握鎖定軌溫，當鎖定軌溫和實測軌溫差過大（大于10℃）時禁止作業。

②嚴禁起道清篩。避免鋼軌因橫向、縱向的復合變形造成更大的內應力。

（4）加強觀測，及時應變。施工前每5 m設置位移觀測樁，發現超過30 mm的較大位移時及時進行撥道調整。

3.3 連續大量欠超高病害防范

作業時如出現大量連續欠超高情況，因線路縱斷面平順，對清篩機及與之編組同步作業K車作業安全基本不構成危害，對后續搗固車作業安全及施工后線路質量病害主要表現在以下兩方面：一是搗固車作業恢復線路時必須校正超高，如一次性校正超高量過大，因搗固車前轉向架在欠超高軌面，后轉向架在搗固校正超高后軌面，剛性搗固車架通過中心銷支承在兩轉向架上，必然導致一組轉向架部分車輪離軌趨勢，加以搗固裝置下揷時對車架的反作用頂力，極易造成搗固車后轉向架脫軌，我段在過去的作業中有過此類事故發生。二是搗固作業兩股軌起道量差距大，導致單側搗固不實，線路穩定性差，開通后晃車，過去也發生過此類事件。

為防范此兩種大病害，可行而有效的做法是分層起道、多次搗固。

（1）當欠超高小于30 mm時，可以一次性校正超高，欠超高量大于30 mm小于60 mm時，分兩次校正超高，也即一次搗固作業校準超高量最大不允許超過30 mm。

（2）及時補砟、穩定作業，要保證每搗固一遍穩定一遍，并及時組織補砟，確保重復搗固前不缺石砟，尤其在超高股加強補砟。

3.4 線路排水坡設置

（1）復線區段超高股設置在路肩側機器清篩作業時，非超高股挖掘深度設為250 mm,超高股挖掘深度為380 mm；即便超高大于100 mm，仍可實現一定的排水坡，排水坡計算=（380-250-H）/2500，又不超越清篩機的作業能力；當超高小于100 mm時，排水坡率大于1.2%，超高越小，越接近標準排水坡。

（2）復線地段超高股設置在鄰線側時，當超高大于80 mm時，保持水平導槽與軌枕面平行作業，兩側軌挖掘深度一樣，排水坡=超高H/2500，滿足標準排水坡要求；當超高小于80 mm時，水平導槽挖掘深度差按照40 mm+H控制，也能保證標準排水坡實現。

責任編輯：宋飛 龔佩毅

來稿時間：2015-8-11