既有線有砟軌道垂向不平順影響因素分析及對策

夏孝維 上海鐵路局蚌埠工務段

既有線有砟軌道垂向不平順影響因素分析及對策

夏孝維 上海鐵路局蚌埠工務段

針對管內有砟軌道垂向不平順病害情況，統計分析車載儀垂向加速度數據，結合現場調查復核，指出站場道岔、站內正線、路橋（涵）過渡處、信號機絕緣接頭處及曲線緩和部位是有砟軌道垂向不平順的主要部位；提出及時清篩臟污道床，做好站場排水，在路橋（涵）部位、絕緣接頭處道床下鋪筑橡膠鋪面實現減振目的等措施，以期對治理有砟軌道垂向不平順提供有益的思路。

有砟軌道；垂向不平順；道床臟污；路橋（涵）過渡段

有砟軌道結構是由鋼軌、軌枕、碎石道床、道岔、聯接零件及防爬設備等部件組成。有砟軌道結構引導著機車車輛的運行，并承受機車車輛傳遞的動荷載，共同構成了輪軌接觸式運輸系統，軌道結構狀態的好壞直接影響機車車輛運行的穩定性、舒適性及安全性。有砟軌道結構以散體碎石作為道床，具有較好的彈性，且易于養護維修等優點，繁忙干線以其客貨混跑，行車速度、密度高，載重量大等特點，加速了對有砟軌道結構的破壞。鋼軌的不均勻磨耗，軌枕的空吊，道床的板結，道床下不同材料屬性結構物之間的過渡等不利因素的存在，使得軌道結構難以保持應有的幾何形位，嚴重時還會危及行車安全。

綜合利用動靜態的軌道幾何尺寸檢測設備對軌道結構周期性的進行檢測是科學線路養護維修的重要手段，同時也為軌道結構病害分析提供了可靠的實測數據。本文以蚌埠工務段宿州線路車間管內京滬線2016年4月至9月車載式線路檢查儀實測數據為依據，通過現場調查復核的方式，對車載儀垂向加速度進行統計分析，查找管內京滬線車載儀垂向加速度出分的原因，并針對病害類型，提出建議性的整治措施，以期對管內線路養護維修提供有益的思路。

1 管內車載儀垂向加速度值統計分析

1.1 管內京滬線線路概況

蚌埠工務段宿州線路車間管轄京滬線上下行K859+000-K910+000，線路折合102 km，正線道岔84組，鋪設60 kg/ Mu75鋼軌無縫線路，線路采用Ⅲa型混凝土枕（1 667/km），正線道岔為多為單開12號AT彈性可彎道岔。包含符離集、宿州、蘆嶺等主要站場，其中K880+ 000-K910+000為200 km/h提速區段，高速重載、高密度是管內京滬線行車的特點。

1.2 車載儀垂向加速度值選取

因京滬線每年安排春秋兩季集中修理時段，結合2016年度宿州線路車間管內京滬線集中修時間安排在3月份和10月份，為避免線路施工對車載儀數據的干擾，選取4月至9月時段管內京滬線車載儀數據。同時，為使數據更具有概率統計性，將所有車次的的車載儀垂加在0.15 g及以上的數據納入考察分析范圍，本次數據統計剔除車載儀水平加速度及水平加速度與垂向加速度同時出現的地段。

在進行數據現場復核分析時，根據線路設備單元及垂向加速度出分的特點，將分析單元分為道岔部位、路橋（涵）過渡段、曲線地段、站內正線、信號機絕緣接頭處及一般線路地段。同時，因管內京滬上下行 K883+000-K893+000及K895+000-K900+500為弱膨脹土變化地段，為避免數據干擾，本次車載儀垂向加速度統計分析剔除上述地段數據。

1.3 數據統計分析

根據分析單元的分布情況，以月份為單位，統計車載儀垂向加速度出分次數，并將同一地點重復出現處所按一處統計。圖1、圖2分別給出了管內京滬線上行、下行2016年4月-9月份車載儀垂向加速度統計情況。

圖1 管內京滬上行線垂加統計情況

圖2 管內京滬下行線垂加統計情況

由圖1、圖2可以看出，上行車載儀垂向加速度在4-8月份出分處所處于低值穩定狀態，而9月份在道岔部位、路橋（涵）過渡段及一般地段相對增加；下行線車載儀出分處所則按照4到9月份逐月增長，8月及9月份相對高于其他月份；對比圖1、圖2可知，下行線垂向加

速度出分處所要明顯高于上行線。

根據分析單元的劃分，橫向比較道岔部位、路橋（涵）過渡段、曲線地段、站內正線、信號機絕緣接頭處及一般線路地段車載儀垂向加速度出分情況，如圖3、圖4。

圖3 管內京滬上行線垂加分布比例

圖4 管內京滬下行線垂加分布比例

由圖3、圖4可以看出，對于管內京滬上下行線，除去一般線路處所外，道岔部位、站內正線、路橋（涵）過渡段是車載儀垂向加速度病害的主要部位?，F場復核后發現信號機絕緣接頭部位及R〈2 000的曲線緩和曲線部位也是車載儀垂向加速度出分的頑固地點。

2 病害原因分析

2.1 板結道床力學行為變化

有砟軌道道床是由25 mm～63 mm窄級配碎石構成，為滿足強度和穩定性的要求，一般選用質地堅硬的花崗巖和大理石作為道砟使用。新建或經過綜合維修的有砟道床經過機車車輛的壓實后，道床趨于穩定狀態，如圖5所示。帶有不規則棱角的粗顆粒碎石之間密實排布，相互嵌擠、咬合，使得碎石道床具有較高承壓能力和較好的彈性。隨著線路的運營，道砟棱角逐漸磨掉，片狀或針狀碎石逐漸磨碎，粉塵、煤灰逐漸填充到道砟空隙中，圖6到圖8反應道床逐步臟污板結的過程。

圖5 級配碎石道床示意圖

圖6 道床輕度臟污板結

圖7 道床重度臟污板結

圖8 道床完全臟污板結

道床臟污板結后，道砟空隙之間填充的石質碎屑、粉灰、煤灰等細小顆?；蚍蹱钗?，而這種細小顆粒或粉狀物會隔離原有道砟碎石之間的嵌擠與咬合。在上部荷載作用下，道砟會沿著細小填充物的的隔離面攢動，已有的研究表明，臟污道床抵抗上部荷載的剪切能力大為降低，同時隨著雨水的灌入及上部機車車輛動荷載的作用，會導致道砟空隙內的粉灰、煤灰細小顆粒逐漸運動，進一步導致道砟顆粒的不穩定，在宏觀上表現為板結道床空吊板、道床翻漿等病害。同時，因道床的板結，導致彈性道床的有效厚度減少，研究表明，板結道床，道床應力增加，把車輛與軌道結構作用一個系統分析，若輪軌力增加20%，道床的振動加速度會增大50%，反過來板結道床造成的車輛振動也會增加。同時彈性道床的有效厚度減少，會顯著降低軌枕底部的橫向阻力，這也是站場內岔區、正線道床板結垂向及橫向加速度同時頻繁出現的一個原因。

管內站內道岔、正線就呈現這種狀況，如符離集、宿州、蘆嶺站場內道床板結，排水不暢，如圖9所示，車載儀垂向加速度頻發。而在信號機絕緣接頭處，由于電務信號平臺的阻水作用更為明顯，枕間道床灰漿上翻，道床邊坡灰漿外溢，信號機絕緣接頭處也成為車載儀垂向加速度出分的頑固地段。在半徑較小的正線曲線緩和曲線地段，曲線下股道床板結嚴重，加之承受較大的荷載作用，這種道床板結攢動作用更加明顯，管內表現較為明顯的是京滬線上下行K866+028-K866+590和上下行K877+962-K878+ 841曲線緩和曲線處。

圖9 站場內道床板結嚴重

圖10 信號機絕緣接頭處翻漿外溢

2.2 線路結構物剛度差異

鐵路線路道床以下是由路基、橋梁、涵洞等不同構筑物共同組合構成的道床基礎，由于各結構物之間因材料強度、剛度差異，在上部列車荷載作用下會導致下部結構物間存在沉降差異。而這種差異在路、橋、涵接觸部位表現的更為顯著，反映到軌面上形成軌面彎折及垂向不平順。

管內橋涵因修筑時間段、維修狀態不同，與路基過渡地段呈現不同的狀態，路橋（涵）經過加固處理的過渡段處能夠與路基較好的過渡。而部分鋼梁橋及管內2004年至2006年頂進的框構涵是車載儀路橋（涵）垂向加速度出分的重點地段。如京滬上行線K869+360處框構涵，涵洞兩側與路基本體間存在明顯的沉降差異，沉降最大處達15 cm,且在路涵過渡地段道床打白砟嚴重，如圖11、圖12所示。

圖11 路基側沉降測量

圖12 路涵過渡處軌面打白砟

2.3 動荷載垂向沖擊及運量差異

車載儀垂向加速度除道床及基礎結構物材料差異外，軌面薄弱及缺陷部位也是產生車載儀垂加出分的的原因，主要表現在道岔轍叉有害空間部位，鋁熱焊焊接接頭部位，扣件松動、失效處。在高速動荷載作用下，軌道結構受到較大的荷載沖擊作用。

同時因管內京滬上下行線之間運量存在差異，京滬年通過總重：上行線為68 Mt，下行線為108 Mt，下行線通過的總重量大，機車車輛對軌道的破壞能力更強，惡化了車輛運行的平穩性，反映到車載儀上便是下行線病害地段明顯高于上行線。

3 整治措施

3.1 站場道床防污排水

既有線站場正線、道岔地段因道床板結、厚度不足，線路兩側有月臺存在，站場內排水不良，加之線路維修往往因施工天窗點不足而丟掉站內正線或岔區。長時間累積導致站內線路道岔維修投入不足，成為線路養修的薄弱環節。站內正線及岔區道床板結，可首先做好站場內的排水，充分做好站場內排水系統的設計，使降雨及時排出，不積水。同時可利用道岔大修時，將道岔大面抬起，并在岔區填筑強度高質地堅硬的優質道砟，并做好站內正線及道岔部位的道床清篩。同時可做好線路重點地段道床臟污率的定期監測，可適時清篩病害頻發地段。

3.2 剛度平緩過渡及減緩道床應力

針對管內框構涵與路基之間存在的沉降差異，因路基側土體沉降經過十余年已固結穩定，可在路基側沉降部位填筑斷面漸變的預制鋼筋混凝土板，并在混凝土板與框構涵上鋪筑橡膠鋪面，以弱化橋涵結構物與路基本體之間剛度差異，同時橡膠鋪面也能夠降低上部荷載的動應力響應，起到減振作用，橡膠鋪面的尺寸及力學指標、耐久性指標可通過試驗確定。同樣可在道床應力較為集中的信號機絕緣接頭道床下部鋪設橡膠鋪面，并可兼顧部分道床翻漿及基床翻漿。

3.3 加強日常養護維修

針對扣件松動、失效，及時做好連接件的松緊補缺，加強日常養護維修，注重線路搗固質量，堅持扒砟窩搗固，使枕下道砟密實。對鋁熱焊低塌接頭及時處理，對傷損設備及時更換。

4 結束語

既有線有砟軌道的養護維修主要的工作集中在道床上，以往對于有砟軌道結構更注重從宏觀上研究去研究軌道結構的振動，如經典的把軌道結構簡化成彈性地基梁理論，或是后期演化的輪軌彈性阻尼理論。而由碎石道砟構成的散體道床在承受來自軌枕荷載作用時的力學行為，以及道砟粉化、臟污、排水不暢引發的板結道床的力學變化則是引起運營線路道床病害的直接原因；路橋（涵）結構物之間剛度的差異，在荷載作用下，軌道結構形成以軌面為承接面的垂向振動，并傳遞給機車車輛，導致機車車輛振動。

在線路養護維修中，應加強道床臟污的定期監測，針對站場正線及岔區部位道床板結臟污，合理安排道床清篩周期，做好站場內的排水設計，在路橋（涵）過渡處、絕緣接頭處道床下鋪設橡膠鋪面達到減振的作用，并做好日常養護維修的松緊補缺，注重線路搗固質量，做好傷損設備及時更換，以達到軌面垂向平順的要求。

［1］易思蓉.鐵道工程[M].北京：中國鐵道出版社. 2009.

［2］高亮.范俊杰.劉秀波.散體道床流變力學特性研究[J].鐵道學報，2001（1）：85-89.

［3］高亮.井國慶等.臟污對道床剪切性能影響及評估指標的離散元分析[J].工程力學，2015（8）：96-102.

［4］翟婉明.車輛-軌道耦合動力學（第四版）[M].北京：科學出版社.2015.

［5］高亮.羅奇等.道床斷面尺寸對道床橫向阻力的影響[J].西南交通大學學報.2014（6）：954-959.

責任編輯：萬寶安

來稿日期：2017-02-27