基于移動加載車的重載鐵路區段軌道剛度限值研究

郝晉斐，潘振，谷牧，王寧，周謙

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京100081；2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081；3.中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京100081）

基于移動加載車的重載鐵路區段軌道剛度限值研究

郝晉斐1，潘振2，谷牧2，王寧1，周謙3

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京100081；2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081；3.中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京100081）

基于移動加載車對朔黃鐵路重車線軌道剛度測試數據，分析不同道床清篩年份（反映了通過總重的大小）路基段、橋梁和隧道剛性基礎區段軌道剛度分布特征，進而針對不同線路區段軌道剛度演變規律，采取軌道剛度和軌道剛度變化率作為評價指標，研究提出重載鐵路各區段軌道剛度管理建議值。路基段軌道剛度管理采用軌道剛度變化率作為控制指標，軌道剛度變化率應≤20（kN/mm）/m；橋梁段選用軌道剛度和軌道剛度變化率2項指標，區段軌道剛度平均值應＜340 kN/mm，軌道剛度變化率應＜50（kN/mm）/m；隧道段宜按軌道剛度平均值≤330 kN/mm和軌道剛度變化率≤45（kN/mm）/m控制。

移動加載車；軌道剛度分布；軌道剛度管理值

國內外重載鐵路的運營經驗表明，軌道總剛度、軌道各部件剛度、軌道剛度沿縱向的變化率等是影響軌道荷載、結構振動和輪軌相互作用的重要因素。軌道剛度過大會造成輪軌間動力作用增大，軌道結構振動加劇，從而加速軌道及其部件的變形失效、破損；軌道剛度過小會導致軌道結構薄弱，造成過大的變形，不利于保持軌道的幾何狀態，從而增加養護維修費用。軌道的各種過渡段之間剛度可能出現較大差異。在這些過渡段中若不合理控制軌道剛度的變化率則會形成大的軌道不平順，進而對行車舒適性產生很大影響［1-2］。

近20多年來，國內外關于軌道剛度不合理所產生的問題、某些軌道部件剛度的合理取值等取得了一定的研究成果，但有關軌道剛度的研究主要集中在軌道剛度不平順對軌道狀態和軌道部件振動與受力的影響［3-4］，關于軌道剛度的合理范圍及其對輪軌系統動力特性的影響，在軌道變形失效、部件傷損過程中所起的作用等問題，因無法獲得大量軌道剛度實測數據而缺乏全面深入的研究。

移動加載車研制成功使得軌道剛度連續、快速檢測得以實現，為研究不同線路軌道剛度分布特征提供了大量實測數據［5］。本文應用2015年8月移動加載車對朔黃鐵路重車線K0+000—K108+000區段實測的軌道剛度數據，結合近6年該區段道床清篩情況，對不同通過總重條件下路基和橋隧剛性基礎區段的軌道剛度分布特征與演化規律進行分析，并以指導線路清篩作業為目標，嘗試提出朔黃重載鐵路軌道剛度區段管理建議值。

本文在軌道剛度測試數據處理過程中，剔除了線路中過渡段、結構變化頻繁區段的數據。參照軌道幾何狀態管理中軌道質量指數（TQI）概念，以200 m為數據單元，按照不同軌下基礎形式和道床清篩年限，將測試數據劃分為不同清篩年份條件下路基區段、橋梁區段和隧道區段3類軌道剛度統計分析樣本。在數據分析過程中，從軌道剛度平均值、軌道剛度變化率2方面，分析不同清篩年份條件下不同線路區段軌道剛度變化規律。

1　路基段軌道剛度分布特征與管理建議值

在所研究的區段中，典型路基段軌道剛度數據樣本有229個，累計長度47.625 km。全樣本軌道剛度平均值和軌道剛度變化率頻率分布見圖1。路基段軌道剛度平均值的最小值、最大值、平均值分別為92.58，198.11，133.74 kN/mm。路基段軌道剛度平均值頻率＞5%的區段在105～150 kN/mm，占總體樣本的80.79%。樣本中95%的區段軌道剛度＜170 kN/mm。路基段軌道剛度變化率的最小值、最大值、平均值分別為3.47，37.80，11.70（kN/mm）/m。路基段軌道剛度變化率頻率＞5%的區段在4～6（kN/mm）/m，且占總體樣本的82.04%。樣本中96%的區段剛度變化率＜24（kN/mm）/m。

根據現場調研，朔黃鐵路重車線路基段道床清篩采用機械清篩和大機搗固，現場作業質量良好，清篩計劃的制訂主要依據大修周期分區段依次作業。在統計的229個典型路基段軌道剛度樣本中，2015，2014和2013年樣本分別有11，18，5個。路基段的清篩作業主要集中在2012，2011和2010年，樣本分別為68，54，34個，6年內沒有清篩的樣本34個。

路基段軌道剛度和軌道剛度變化率（采用區段平均值）隨清篩年份的變化見圖2。

圖2　路基段軌道剛度和軌道剛度變化率隨清篩年份的變化

由圖2（a）可見，不同清篩年份路基段軌道剛度無明顯變化，僅2014年較小。路基段軌道剛度數據樣本出現較大值和較小值的位置均與線下基礎密切相關。如總體樣本軌道剛度最大值198.11 kN/mm出現在K92+500—K92+700石河口隧道出口的巖質路基段，2012年樣本軌道剛度最大值180.66 kN/mm出現在K64+100—K64+300上陽武11#隧道出口處的巖質路基段。軌道區段剛度平均值＜100 kN/mm的區段共4個，分別是K4+050—K4+250，K8+860—K9+ 060，K10+663—K10+863，K33+630—K33+830，依次為小狗澗1#大橋、王虎莊2#大橋、郝家坡2#橋、梁家溝2#橋的出橋填土路基段。

由圖2（b）可見，隨著道床服役時間增長，路基段軌道剛度變化率增大，6年道床未清篩的樣本達18.93（kN/mm）/m。軌道剛度變化率大值樣本主要集中在6年內道床未清篩的K81+300—K85+700區段，與線路條件相近的K78+000—K81+300區段相比軌道剛度變化率明顯增大，表明未清篩條件下道床與路基劣化顯著。由此可見，隨著道床服役時間增長，軌道剛度變化率逐步增加，隨道床、路基劣化的發生發展，軌道剛度變化率最終穩定在約20（kN/mm）/m。

依據路基段軌道剛度劣化規律，建議采用軌道剛度變化率作為軌道剛度管理指標，軌道剛度變化率管理限值定為20（kN/mm）/m。路基段影響軌道剛度的主要因素是線下基礎條件，軌道剛度劣化主要表現為軌道剛度不平順的變化。從現有朔黃鐵路大機配置數量以及歷年作業量來看，基于軌道剛度管理限值的大機作業量約占整個區段的10%。該管理值可以較好指導養護維修且預留一定的維修設備冗余。

2　橋上軌道剛度分布特征與管理建議值

在所研究的區段中，選取不同清篩年份條件下的橋上軌道剛度樣本，涵蓋該區段所有大中橋梁。樣本共有40個，累計長度7.61 km。在樣本構成方面，2014—2010各年樣本數分別為16，7，2，6，1個。6年內未清篩樣本8個。

橋梁段全樣本軌道剛度平均值和軌道剛度變化率頻率分布見圖3。橋梁段軌道剛度平均值的最小值、最大值、平均值分別為189.20，386.33，269.11 kN/mm。軌道剛度平均值在各區間分布均勻，僅在380～400 kN/mm內分布頻率較少，占總體樣本的2.5%。橋梁段軌道剛度變化率最小值、最大值、平均值分別為17.26，75.35，35.56（kN/mm）/m。軌道剛度變化率頻率＞5%的區段分布在10～60（kN/mm）/m，占總體樣本的92.5%。

圖3　橋梁段軌道剛度平均值和軌道剛度變化率頻率分布

橋梁段軌道剛度和軌道剛度變化率（采用區段平均值）隨清篩年份的變化見圖4。

由圖4（a）可見，隨著通過總重增加橋梁段軌道剛度平均值逐漸增加，2014年清篩樣本軌道剛度平均值為225.02 kN/mm，2011，2010年和6年內未清篩道床樣本軌道剛度平均值均達到300 kN/mm以上，且這3類樣本中軌道剛度平均值＞300 kN/mm的樣本占總數的80%。由此可以看出在橋梁段軌道基礎較為均衡的條件下，軌道剛度主要受道床狀態的影響，隨著軌道服役年限增加橋上道床剛度不斷增大，軌道服役3年后軌道剛度平均值穩定在340 kN/mm左右。

由圖4（b）可見，2014，2013，2012年清篩樣本軌道剛度變化率分別為26.95，29.85，27.72（kN/mm）/m。隨著軌道服役年限的增加，軌道服役3年后軌道剛度變化率明顯增加，2011，2010年和6年內未清篩樣本剛度變化率依次為55.18，54.17，42.00（kN/mm）/m。由此可以得到，橋上軌道服役3年后軌道劣化明顯，且最終軌道剛度變化率平均值穩定在50（kN/mm）/m。

朔黃鐵路橋上線路道床清篩采用人工清篩、小機搗固，相對于大機作業存在作業效率低、清篩不徹底、搗固作業質量難以控制的問題。再加上橋上線路道床厚度普遍不足，橋上線路軌道剛度分布特征與路基區段顯著不同。從軌道劣化規律來看，可將橋上線路軌道剛度區段平均值管理值定為340 kN/mm，將區段軌道剛度變化率平均值管理值定為50（kN/mm）/m。從橋上道床清篩工作量的角度來看，樣本中軌道剛度＞340 kN/mm的區段約占12.5%，樣本中軌道剛度變化率＞50（kN/mm）/m的區段約占12.5%。根據朔黃鐵路歷年作業工作量，該管理值可以較好指導養護維修并隨著“狀態修”的進一步深入，在將來維修過程中留有較多的維修能力冗余。

圖4　橋梁段軌道剛度和軌道剛度變化率隨清篩年份的變化

3　隧道內軌道剛度分布特征與管理建議值

在所研究的區段中，選取不同清篩年份隧道段軌道剛度樣本，涵蓋該范圍內的所有長大隧道。根據清篩年份對隧道段軌道剛度樣本進行劃分，樣本總數136個，累計長度28.82 km。在樣本構成方面，2015—2010年各年樣本個數分別為8，22，2，22，7，2個。6年內道床未清篩的樣本為73個。在維修計劃制訂中常以整條隧道為單位進行清篩，不同隧道長度差異造成不同清篩年份樣本數量有很大的波動。朔黃鐵路全線最長隧道——長梁山隧道，全長12.78 km，清篩難度最大。在歷年清篩計劃中僅對隧道洞口處道床進行了清篩，隧道內絕大部分道床6年內未經過清篩，故造成6年內未清篩樣本較多。

隧道段全樣本軌道剛度平均值和剛度變化率頻率分布見圖5。可見：隧道內軌道剛度平均值的最小值、最大值、平均值分別為191.89，432.70，299.16 kN/mm。軌道剛度平均值主要分布在230～350 kN/mm。隧道剛度＞390 kN/mm的區段占樣本總數的4.30%。隧道段軌道剛度變化率最小值、最大值、平均值分別為14.71，92.30，37.03（kN/mm）/m。樣本中軌道剛度變化率＞70（kN/mm）/m的區段占樣本總數的2.94%。相對橋梁段而言，隧道段軌道剛度整體較大，軌道剛度平順性較差。

圖5　隧道段軌道剛度平均值和軌道剛度變化率頻率分布

隧道段軌道剛度和軌道剛度變化率（采用區段平均值）隨清篩年份的變化見圖6。

圖6　隧道段軌道剛度和軌道剛度變化率隨清篩年份的變化

由圖6（a）可知，除個別小樣本對統計規律的影響外，不同清篩年份軌道剛度平均值在330 kN/mm左右。從樣本分布情況來看，相較于橋梁段，隧道段軌道剛度＞300 kN/mm樣本分布頻率較高且出現在清篩完成年份較短的樣本中。2015年清篩樣本中已經出現軌道剛度＞300 kN/mm的樣本。表明隧道內道床清篩整體作業水平不高，個別區段在清篩作業完成后區段軌道剛度仍較大，隧道段隨著道床劣化軌道剛度最終穩定在330 kN/mm左右。

由圖6（b）可知，除2010年小樣本對統計規律的影響外，不同清篩年份軌道剛度變化率均分布在45（kN/mm）/m左右。因此可以看出，隧道段道床清篩質量控制較差。

朔黃鐵路隧道段道床清篩施工難度較大，隧道內作業環境較差，隧道基底病害、隧道內煤灰淤積都會嚴重影響道床狀態。此外大型機械設備難以進入隧道進行清篩，只能采用人工清篩。考慮到隧道內道床清篩難度大，結合隧道基底病害特點，建議對隧道段軌道剛度管理按軌道剛度平均值≤330 kN/mm和軌道剛度變化率≤45（kN/mm）/m作為清篩作業控制依據。

4　結論

1）隨著道床服役年份（通過總重）增加，路基段軌道剛度變化率逐步增大，可將區段軌道剛度變化率作為管理指標，路基段區段軌道剛度變化率應≤20（kN/mm）/m。

2）橋上線路在服役過程中，軌道剛度、軌道剛度變化率均逐步增大，可選取區段軌道剛度平均值、軌道剛度變化率作為管理指標，區段軌道剛度平均值應＜340 kN/mm，軌道剛度變化率應＜50（kN/mm）/m。

3）隧道段軌道剛度變化與橋梁段相似，考慮到隧道內道床狀態受施工條件、基底病害、煤灰淤積的影響，隧道段軌道剛度管理宜按軌道剛度平均值≤330 kN/mm和軌道剛度變化率≤45（kN/mm）/m控制。

［1］張格明.軌道剛度合理值評價指標的研究［J］.中國鐵道科學，2002，23（1）：51-57.

［2］王午生，耿傳智.鋼軌墊板和道床動力參數的試驗研究［R］.上海：上海鐵道大學，2001.

［3］趙國堂.鐵路軌道剛度的確定方法［J］.中國鐵道科學，2005，26（1）：1-6.

［4］翟婉明.車輛-軌道耦合動力學［M］.2版.北京：中國鐵道出版社，2002.

［5］潘振，金花，柴雪松，等.移動式線路動態加載試驗車軌道剛度檢測技術［J］.鐵道建筑，2015（6）：143-146.

（責任審編李付軍）

Study on Limit Value of Track Stiffness in Heavy Haul Railway
Section with Track Loading Vehicle

HAO Jinfei1，PAN Zhen2，GU Mu2，WANG Ning1，ZHOU Qian3
（1.Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；3.Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Based on the track stiffness test data on Shuozhou-Huanghuagang heavy haul railway based on the mobile loading vehicle，this paper analyzed the track stiffness distribution characteristics of subgrade sections，bridge section and tunnel rigid foundation sections with different ballast bed cleaning years，and put forward the suggestion values for track stiffness management of different heavy haul railway section according to the track stiffness developing law of each section by taking the track stiffness or change rate of track stiffness as the evaluation index. T he change rate of track stiffness should be used as the control index for track stiffness management in subgrade section，which should be≤20（kN/mm）/m，the two indexes including the track stiffness and change rate of track stiffness should be adopted for bridge section，the average value of track stiffness should be＜340 kN/mm and change rate of track stiffness should be＜50（kN/mm）/m in this section，the average value of track stiffness should be≤330 kN/mm and the change rate of track stiffness should be≤45（kN/mm）/m in tunnel section.

M obile loading vehicle；T rack stiffness distribution；T rack stiffness management value

U213.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.28

1003-1995（2016）10-0105-04

2016-05-16；

2016-07-07

中國鐵路總公司科技研究開發計劃（2015G004-A）

郝晉斐（1989—），男，碩士研究生。