廣深Ⅰ線大型養(yǎng)路機(jī)械搗固作業(yè)后高低不平順發(fā)展規(guī)律

樓大鵬 張煜

（1.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司工電檢測(cè)設(shè)計(jì)所，廣州 510088；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081）

利用大型養(yǎng)路機(jī)械（簡(jiǎn)稱大機(jī)）對(duì)有砟軌道線路進(jìn)行綜合維修已經(jīng)成為有砟軌道線路維修的主要形式，大機(jī)搗固車是大機(jī)設(shè)備中使用最廣泛、應(yīng)用最成熟的設(shè)備之一。

軌道質(zhì)量指數(shù)（Track Quality Index，TQI）是評(píng)價(jià)線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，包括水平、三角坑、左右高低、左右軌向、軌距等單項(xiàng)參數(shù)，TQI綜合指數(shù)或單項(xiàng)參數(shù)可以作為編制線路維修計(jì)劃、指導(dǎo)維修作業(yè)的主要參考數(shù)據(jù)。楊飛［1］通過(guò)對(duì)京滬線、京九線部分區(qū)段軌道幾何狀態(tài)長(zhǎng)達(dá)3年的跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)大機(jī)搗固作業(yè)后線路高低的惡化速率要遠(yuǎn)大于三角坑（扭曲）、軌向、長(zhǎng)波高低、長(zhǎng)波軌向，因此認(rèn)為選用惡化速率快且規(guī)律性好的高低指標(biāo)作為搗固維修決策指標(biāo)最為合適。徐偉昌［2-3］通過(guò)對(duì)滬昆線浙贛段的TQI數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，認(rèn)為在一個(gè)維修周期內(nèi)，TQI各子項(xiàng)中水平、三角坑和左右高低標(biāo)準(zhǔn)差均隨時(shí)間的增加而增加，而左右軌向、軌距標(biāo)準(zhǔn)差基本保持不變，進(jìn)而提出了由水平、三角坑和左右高低4項(xiàng)指標(biāo)組成的大機(jī)搗固作業(yè)軌道質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)（TQITW）。從定義的角度看，三角坑TQI為一定基長(zhǎng)（一般為3 m）水平TQI的代數(shù)差，而水平TQI的變化最終是基于高低TQI的變化。因此，本文以高低TQI為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)大機(jī)搗固作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行跟蹤分析和評(píng)價(jià)。

廣深Ⅰ線（上行）、Ⅱ線（下行）為城際客運(yùn)線，正線延長(zhǎng)146.906 km，1994年12月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。新線建成或線路設(shè)備維修后，對(duì)線路的破壞作用主要是線上累計(jì)通過(guò)總重。目前廣深線運(yùn)行的動(dòng)車組列車均為CRH1A型，每天運(yùn)行對(duì)數(shù)和軸重基本固定，線路的累計(jì)通過(guò)總重與累計(jì)運(yùn)營(yíng)時(shí)間基本成線性關(guān)系。本文以廣深Ⅰ線K16+000—K19+000區(qū)段內(nèi)長(zhǎng)2.580 km的線路為研究對(duì)象，對(duì)其大機(jī)搗固作業(yè)前后17次軌道檢查車的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，持續(xù)跟蹤分析其高低TQI的變化。

1 檢測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)段的選擇

對(duì)線路整體不平順的計(jì)算，我國(guó)一般取200 m作為單元軌道區(qū)段長(zhǎng)度。其他國(guó)家取值各有不同，如英國(guó)和荷蘭取200 m，法國(guó)取300 m，美國(guó)取320 m，加拿大一般取400 m（有時(shí)根據(jù)線路標(biāo)志物來(lái)劃分），澳大利亞取100～500 m［4-6］。為使研究樣本盡量豐富，本文在廣深Ⅰ線K16+000—K19+000選取普通直線段、含涵洞的直線段、含完整曲線的區(qū)段、起于橋上直線段（含路橋過(guò)渡段）且含完整曲線的區(qū)段等11個(gè)區(qū)段（表1），其中含完整曲線的區(qū)段的計(jì)算長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況沒(méi)有嚴(yán)格按照200 m基長(zhǎng)取值。為保證研究對(duì)象在廣深Ⅰ線全線具有代表性，所選區(qū)段左右高低TQI值在全線排名為中等略偏下。

表1 K16+000—K19+000區(qū)段線路情況

1.2 檢測(cè)周期的劃分

對(duì)所選區(qū)段左右高低TQI進(jìn)行歷時(shí)537 d的持續(xù)跟蹤。以搗固作業(yè)后第1次檢測(cè)時(shí)間（2012年9月19日）為基準(zhǔn)時(shí)間，2次檢測(cè)之間為1個(gè)檢測(cè)周期，檢測(cè)周期時(shí)間段劃分見(jiàn)表2。其中累計(jì)時(shí)間即距離基準(zhǔn)時(shí)間的天數(shù)。

表2 檢測(cè)周期時(shí)間段劃分

第4區(qū)段因持續(xù)大雨出現(xiàn)線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量短時(shí)間波動(dòng)（跨度約50 m）之后又恢復(fù)穩(wěn)定；第8區(qū)段因存在固有接頭病害，搗固作業(yè)后高低峰值明顯減小，但又快速恢復(fù)到作業(yè)前的狀態(tài)，且在跟蹤時(shí)間跨度內(nèi)進(jìn)行了更換膠墊作業(yè)；其他區(qū)段在537 d內(nèi)處于自然漸變過(guò)程，波形沒(méi)有異常波動(dòng)。

以第1區(qū)段為例，其在537 d的波形疊加（漸變）對(duì)比見(jiàn)圖1。圖中自上而下分別為搗固作業(yè)前、第1～15檢測(cè)周期、全周期的波形對(duì)比。

圖1 第1區(qū)段左高低波形疊加對(duì)比

1.3 數(shù)據(jù)的獲取及里程校準(zhǔn)

從波形文件中導(dǎo)出原始檢測(cè)點(diǎn)以獲取數(shù)據(jù)。以GJ?5型軌檢車為例，從波形文件中導(dǎo)出測(cè)點(diǎn)（4個(gè)/m）的文本數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，再找到某區(qū)段的特征點(diǎn)作為起始點(diǎn)，往后連續(xù)取一定數(shù)量的測(cè)點(diǎn)，用TQI定義公式計(jì)算得TQI值。研究區(qū)段的里程誤差控制在0.25 m以內(nèi)。特征點(diǎn)與文本數(shù)據(jù)可對(duì)應(yīng)查找。

2 高低不平順的發(fā)展規(guī)律

第4區(qū)段因存在路基不穩(wěn)且跨度近50 m，高低TQI變化趨勢(shì)與其他10個(gè)區(qū)段有所不同，具體表現(xiàn)為最后3個(gè)檢測(cè)周期線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量沒(méi)有出現(xiàn)持續(xù)惡化，反而持續(xù)優(yōu)化。其他10個(gè)區(qū)段（20個(gè)單元）的高低TQI走勢(shì)基本一致，其中第8區(qū)段雖存在固有接頭病害，但病害長(zhǎng)度較短，對(duì)其走勢(shì)基本沒(méi)有影響。因此，本文圍繞除第4區(qū)段外的10個(gè)區(qū)段（20個(gè)單元）的高低TQI展開(kāi)分析。

從20個(gè)單元的高低TQI總體發(fā)展變化趨勢(shì)看，只要線路基礎(chǔ)穩(wěn)定，不管線路結(jié)構(gòu)是曲線或直線，路下基礎(chǔ)是橋梁或涵洞或普通路基，高低TQI的走勢(shì)基本一致。

2.1 作業(yè)前及第1檢測(cè)周期高低TQI特點(diǎn)

10個(gè)區(qū)段搗固作業(yè)前及第1檢測(cè)周期的高低TQI值見(jiàn)表3（表內(nèi)將第1檢測(cè)周期簡(jiǎn)稱為作業(yè)后）。

從表3可以看出：

1）搗固作業(yè)前，同一直線區(qū)段左右股單元的高低TQI值基本一致，不同直線區(qū)段之間差距較大；半徑小且長(zhǎng)度短的曲線區(qū)段左右股單元的高低TQI值有明顯差異，如第5區(qū)段左右股單元的高低TQI值相差44.43%（以左股為參考）；半徑大且相對(duì)較長(zhǎng)的曲線區(qū)段左右股單元的高低TQI值差距不明顯。這說(shuō)明在運(yùn)輸條件、軌道結(jié)構(gòu)、自然環(huán)境相似的情況下，由于路基的構(gòu)造特性和初始平順度不同等因素，軌道平順狀態(tài)和惡化速度也不盡相同，這與文獻(xiàn)［7］的結(jié)論一致。

灰塵等雜物進(jìn)行風(fēng)力剔除，煙梗經(jīng)喂料提升帶提升后通過(guò)計(jì)量管5流量控制和電子皮帶秤6計(jì)量后經(jīng)振篩7，進(jìn)入浸梗機(jī)8進(jìn)行浸梗處理。

2）搗固作業(yè)后：①對(duì)于左股單元，高低TQI值下降幅度最小的依次是第3，2，11，8區(qū)段。其中第3，2，11區(qū)段左股單元作業(yè)前的高低TQI值為10個(gè)左股單元中最小的3個(gè)；第8區(qū)段左股單元作業(yè)前的高低TQI值為10個(gè)左股單元中第2大值，該單元含曲線區(qū)段主要荷載集中作用的單邊股（俗稱下股）。②對(duì)于右股單元，高低TQI值下降幅度最小的依次是第5，2，3，10區(qū)段。其中第5區(qū)段右股單元作業(yè)前的高低TQI值為10個(gè)右股單元中的最大值，作業(yè)后高低TQI值不降反升，該單元含曲線區(qū)段的下股；第2，3區(qū)段右股單元作業(yè)前的高低TQI值分別為10個(gè)右股單元中的最小值和第3小值；第10區(qū)段右股單元含曲線區(qū)段的下股。

文獻(xiàn)［8］認(rèn)為，搗固作業(yè)的TQI改善率隨搗固前TQI的增大而增大，且當(dāng)搗固前TQI小于一定值時(shí)，TQI改善率為負(fù)，即軌道狀態(tài)較好時(shí)，搗固作業(yè)非但不能改善TQI，反而會(huì)使TQI惡化。結(jié)合表3的分析可知，下降幅度最小的單元基本集中在作業(yè)前高低TQI值最小的單元，這與文獻(xiàn)［8］的結(jié)論基本一致。

部分作業(yè)后高低TQI下降幅度較小的單元在作業(yè)前高低TQI較大，這些單元均含有曲線區(qū)段的下股，其在主要載荷的集中作用下整體平順度較上股差，但相對(duì)穩(wěn)定且難以改善。

表3 搗固作業(yè)前及第1檢測(cè)周期高低TQI值

2.2 第15檢測(cè)周期高低TQI特點(diǎn)

搗固作業(yè)537 d后，20個(gè)單元的高低TQI值變化情況（以搗固作業(yè)前為基準(zhǔn)）見(jiàn)表4。其中13個(gè)單元的高低TQI值未超過(guò)作業(yè)前（占65%），7個(gè)單元超過(guò)作業(yè)前（占35%）。

表4 搗固作業(yè)537 d后高低TQI值變化情況 %

從表4可以看出：

1）第2，3區(qū)段左右股單元的高低TQI值均超過(guò)搗固作業(yè)前。結(jié)合表3，這4個(gè)單元作業(yè)前的高低TQI值均遠(yuǎn)低于全樣本的平均值。

3）第6，10區(qū)段右股單元的高低TQI值均在搗固作業(yè)537 d后超過(guò)作業(yè)前，這是由于搗固作業(yè)累計(jì)荷載達(dá)到一定程度后線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量發(fā)生了自然變化。

結(jié)合表3、表4可知，搗固作業(yè)537 d后高低TQI值超過(guò)作業(yè)前的單元基本為搗固后第1檢測(cè)周期高低TQI值下降幅度較小的單元，說(shuō)明搗固后高低TQI下降幅度越小的區(qū)段越容易在較短累積時(shí)間后超過(guò)作業(yè)前。

2.3 結(jié)合月度累計(jì)降雨量綜合分析

廣州地區(qū)2012年8月—2014年3月月度累計(jì)降雨量見(jiàn)圖2。TQI的環(huán)比值（當(dāng)次檢測(cè)值與上一次檢測(cè)值的差）與2次檢測(cè)的時(shí)間間隔（天數(shù)）的比值稱為環(huán)比變化速度。其符號(hào)為正代表TQI值升高，線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量惡化；符號(hào)為負(fù)代表TQI值降低，線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量改善。每個(gè)單元從基準(zhǔn)時(shí)間起跨越15個(gè)檢測(cè)周期，產(chǎn)生15個(gè)環(huán)比變化速度值，每個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)重點(diǎn)分析各單元環(huán)比變化速度最大的7個(gè)（簡(jiǎn)稱大值），其中降低的大值用N1D表示，升高的大值用N2D表示。每個(gè)檢測(cè)周期分析20個(gè)單元（N=20），其中降低、升高、持平的單元分別為N1，N2，N0，同時(shí)分析了大值的占比情況，見(jiàn)表5。

圖2 廣州地區(qū)2012年8月—2014年3月月度累計(jì)降雨量

表5 15個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)20個(gè)單元高低TQI值變化情況

從圖2、表5可以看出：

1）第1檢測(cè)周期，20個(gè)單元中8個(gè)降低、12個(gè)升高，線路尚未穩(wěn)定，線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量總體趨于惡化。

2）第2～4檢測(cè)周期，升高的單元個(gè)數(shù)是降低單元的3倍，線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量連續(xù)3個(gè)檢測(cè)周期（時(shí)間跨度150 d）惡化占主導(dǎo)且惡化速度有增加趨勢(shì)。

3）第5檢測(cè)周期，第一次出現(xiàn)線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量改善占主導(dǎo)現(xiàn)象。該檢測(cè)周期對(duì)應(yīng)的月度累計(jì)降雨量由上月（2013年2月）的8.0 mm急劇增加至174.2 mm，增加了近22倍。

4）第6，7檢測(cè)周期，升高的單元個(gè)數(shù)多且大值多，線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量連續(xù)2個(gè)檢測(cè)周期（時(shí)間跨度61 d）惡化占主導(dǎo)且惡化速度有增加趨勢(shì)。這2個(gè)檢測(cè)周期對(duì)應(yīng)的月度累計(jì)降雨量曲線較平緩。

5）第8～10檢測(cè)周期，線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量第一次出現(xiàn)連續(xù)3個(gè)檢測(cè)周期時(shí)間（跨度96 d）改善占主導(dǎo)。這3個(gè)檢測(cè)周期對(duì)應(yīng)月度累計(jì)降雨量快速增加，由228.2 mm急劇增至395.5 mm（全檢測(cè)周期內(nèi)的最大值）。

6）第11，12為2個(gè)極端的檢測(cè)周期。第11檢測(cè)周期所有單元均升高且均為大值，其中包含16個(gè)變化速度最快的單元、3個(gè)變化速度第2的單元和1個(gè)變化速度第5的單元；第12個(gè)檢測(cè)周期，18個(gè)降低單元中有13個(gè)為大值，其分布較為均勻，與第11檢測(cè)周期20個(gè)大值不同。同為極端趨勢(shì)，第11檢測(cè)周期線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量惡化的程度明顯比第12個(gè)檢測(cè)周期線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量?jī)?yōu)化的程度大。

7）最后3個(gè)檢測(cè)周期，即搗固作業(yè)完成累計(jì)時(shí)間414 d后，線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量出現(xiàn)加速惡化的趨勢(shì)。

以第1區(qū)段為例，線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。圖中累計(jì)時(shí)間的負(fù)值表示搗固作業(yè)前。

圖3 第1區(qū)段線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量變化趨勢(shì)

3 結(jié)論

1）大機(jī)搗固作業(yè)對(duì)作業(yè)前線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量平順度較高的區(qū)段，或路基基礎(chǔ)穩(wěn)定而在持續(xù)較大荷載作用下線路平順度較差的區(qū)段（曲線下股）改善作用有限。

2）搗固作業(yè)后高低TQI值下降幅度越小的區(qū)段越容易在較短時(shí)間后超過(guò)作業(yè)前。

3）搗固作業(yè)后線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量趨勢(shì)是趨于惡化的，但是從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，廣深Ⅰ線這樣路基基礎(chǔ)較好的線路，較大的月度累計(jì)降雨量可以緩和甚至改變惡化趨勢(shì)。這種作用在第一次出現(xiàn)較大月度累計(jì)降雨量（如從2月的8.0 mm急劇增加至3月的174.2 mm）和月度累計(jì)降雨量大且較為集中的時(shí)間段（如華南地區(qū)的6—8月）尤為明顯。之后會(huì)出現(xiàn)線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量集中且較為劇烈惡化的現(xiàn)象，使線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量發(fā)展趨勢(shì)又回到原來(lái)的惡化趨勢(shì)線上。

4）搗固作業(yè)后，達(dá)到一定累計(jì)時(shí)間后（廣深Ⅰ線為414 d），線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)加速惡化的現(xiàn)象。

5）廣深Ⅰ線18個(gè)月的大機(jī)搗固周期比較合理。