高速鐵路有砟道床結(jié)構(gòu)特性分析與線型控制

莫植均

摘 要：大機(jī)精確數(shù)據(jù)搗固是高速鐵路改善線路整體質(zhì)量、提升軌道平順度及保持線路縱斷面線型的主要措施，但其存在突出問題有軌面長波高低整治效果不佳、作業(yè)后超限處所居高不下、質(zhì)量保證周期短。本文基于對高速鐵路線路的搗固質(zhì)量進(jìn)行研究，追蹤分析，提出線路大機(jī)搗固的優(yōu)化措施及改善方法，有利于提高高速鐵路線路質(zhì)量，為制定合理的控制措施及作業(yè)質(zhì)量控制提供參考。

關(guān)鍵詞：大機(jī)搗固;補(bǔ)償系數(shù);線型優(yōu)化;作業(yè)模式

隨著高速鐵路的持續(xù)發(fā)展，高速運(yùn)行的動車組對軌道質(zhì)量提出更高的要求。由于軌道結(jié)構(gòu)的差異有砟軌道相比無砟軌道可塑性更強(qiáng)，線型高平順性控制到位要求控制措施精細(xì)化。有砟軌道線型控制主要通過大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)實(shí)現(xiàn)。常用的線路搗固作業(yè)模式是通過客專軌道控制網(wǎng)精測數(shù)據(jù)無修正擬合的方式確定作業(yè)方案，并采取“搗一穩(wěn)”的作業(yè)模式進(jìn)行搗固。搗固后運(yùn)用軌道控制網(wǎng)復(fù)測的線路高程較擬合線型高程有一定偏差（見圖1）、現(xiàn)場作業(yè)驗(yàn)收中幾何尺寸超作業(yè)驗(yàn)收值、作業(yè)地段的平均TQI未達(dá)預(yù)期目標(biāo)。

1 存在問題的原因分析

針對大機(jī)搗固線型控制不到位而引發(fā)的問題，通過長期的作業(yè)質(zhì)量追蹤比較，主要存在以下兩個方面的因素影響。

1.1 道床及軌排缺陷

1.1.1 受彈條變形影響，導(dǎo)致枕下實(shí)際抬道量不足

V型彈條扣件系統(tǒng)在滿足扣壓力為130 N.m～170 N.m且彈條中部前段下顎與鋼軌之間的間隙不大于1 mm時，扣件系統(tǒng)最小的抗拔力為60 kN。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)30%～45%的扣件在長期動荷載作用下，彈條中部前段下顎與鋼軌之間的間隙大于1 mm或扣件扣壓力小于130 kN.m，導(dǎo)致扣件的抗拔力不足。當(dāng)大機(jī)對鋼軌進(jìn)行抬道作業(yè)時，彈條受到一對反向力的作用造成扣件塑性變形，從而引起鋼軌底部與膠墊之間出現(xiàn)離縫，導(dǎo)致軌枕下實(shí)際抬道量不足。

1.1.2 特級石砟的級配特性，影響搗固密實(shí)度

以南昆客專有砟道床為例，鋪設(shè)粒徑標(biāo)準(zhǔn)為22.4 mm～60 mm的“窄級配”石砟，該石砟具有摩擦力強(qiáng)、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，有利于提高道床的穩(wěn)定性。由于石砟級配范圍窄、粒徑顆粒大，在快速機(jī)械搗固過程中，石砟顆粒之間的間隙不易填充飽滿，造成搗固作業(yè)后枕下道床的密實(shí)度不足。

1.2 作業(yè)模式缺陷

1.2.1 穩(wěn)定作業(yè)后，導(dǎo)致軌道平順度降低

DWL步進(jìn)式搗固穩(wěn)定車搗穩(wěn)模式采用前端搗固后端穩(wěn)定的形式來達(dá)到抬道搗固，穩(wěn)定軌道的效果。通過對09步進(jìn)式搗固車將搗固、穩(wěn)定作業(yè)后的質(zhì)量效果分析可知，雖前車搗固作業(yè)后高低、方向、水平及三角坑等軌道幾何尺寸均已達(dá)標(biāo)，但在后車震動穩(wěn)定時，因?yàn)楦咛У罁v固枕下石砟密實(shí)不足且間隙不一致，在穩(wěn)定作用下軌枕出現(xiàn)不均勻的下沉，從而導(dǎo)致軌道平順度降低，甚至出現(xiàn)超限。針對該問題，我們對127公里的搗固地段作業(yè)質(zhì)量持續(xù)性追蹤，超作業(yè)驗(yàn)收值處所達(dá)到了24處。經(jīng)分析搗固的順坡起終點(diǎn)（抬道量快速遞變，枕下空隙不均）容易出現(xiàn)三角坑、高低超作業(yè)驗(yàn)收值;曲線直緩點(diǎn)易出現(xiàn)方向超限。

1.2.2 超限處所的重復(fù)返工，引起線路上拱

為了提升搗固優(yōu)良率，作業(yè)中通常會對超限地段進(jìn)行大機(jī)返工處理。通過對返工地段進(jìn)行軌道控制網(wǎng)的精測數(shù)據(jù)回檢如圖2可知，重復(fù)返工地段因多次對軌道進(jìn)行抬升搗固、撥道，造成返工地段的線型較設(shè)計擬合線型凸起，形成長波高低不平順。

2 線路大機(jī)搗固的優(yōu)化措施及改善方法

為了解決搗固后高程線型較擬合線型差距大、作業(yè)質(zhì)量受限等問題，本文結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)的影響因素，提出以下幾點(diǎn)質(zhì)量控制措施，有助于改善有砟軌道大機(jī)搗固作業(yè)質(zhì)量。

2.1 抓好前期準(zhǔn)備，保障軌道框架

補(bǔ)充道床石砟。大機(jī)搗固作業(yè)前對道床進(jìn)行均勻補(bǔ)充，確保枕木盒內(nèi)及軌枕頭的石砟均勻、飽滿;對于抬道量較大的地方，必須保證軌下石砟和枕頭石砟達(dá)到最大堆碼臨界值，以提高枕間石砟壓強(qiáng)，提升枕下石砟的密實(shí)度，控制穩(wěn)定后軌道下沉量。

優(yōu)化軌排框架狀態(tài)，并全面復(fù)緊軌道扣件。搗固作業(yè)前，組織班組對搗固地段軌距TQI大于0.4的地段進(jìn)行軌道精調(diào)，消除搗固地段因兩股鋼軌的方向變化不同步引起的軌距變化率或軌距波形不平順。同時，利用內(nèi)燃扳手對搗固地段線路的扣件進(jìn)行全面復(fù)緊，鞏固扣件扭力矩，保障彈條中鄂與軌底之間的縫隙不大于0.5 mm，以抵抗軌枕自重和軌枕與道砟摩擦力引起鋼軌、軌枕之間的離縫。

2.2 優(yōu)化作業(yè)數(shù)據(jù)，補(bǔ)償抬道衰減

優(yōu)化線型遞順率，保證搗固基本起道量。利用軌道精測數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計擬合線型和搗固起終點(diǎn)選址時，選擇軌道線型相對較平緩的處所，同時采用不大于0.5‰的遞變率（變坡率）進(jìn)行中線和高程線邊坡擬合設(shè)計。確保搗固起終點(diǎn)擬合線型與既有軌道線型能平緩過渡，設(shè)計線型整體相對平順，避免作業(yè)后的出現(xiàn)動態(tài)晃車。

引用起道量補(bǔ)償系數(shù)緩解搗固衰減量。通過對大機(jī)搗固后的實(shí)際高程線型與設(shè)計擬合對比分析（見表1），搗固起道量越大，搗固后的高程衰減則越嚴(yán)重，當(dāng)起道量達(dá)到25 mm～30 mm時，衰減率達(dá)到30%～50%。為克缺或改善因起道增加引起大機(jī)液壓系統(tǒng)對單面積軌抬升減弱的問題，采用鐵科院劉志輝提出的大機(jī)衰減階梯性系數(shù)修正的措施對大機(jī)精搗數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，減緩大機(jī)搗固后的衰減量。

2.3 改變搗固模式，提升作業(yè)質(zhì)量

針對大機(jī)穩(wěn)定之后，軌道高低、水平、三角坑的平順度降低的問題，本文提出以搗穩(wěn)搗作業(yè)模式替換搗穩(wěn)模式。首先，由第一臺搗固車使用精確的數(shù)據(jù)搗，改善縱斷面的長波高低不平順;穩(wěn)定車緊順其后，對數(shù)據(jù)精確搗固后，形成的枕下石砟間隙進(jìn)行振動擠密;其次，由第二臺搗固車對穩(wěn)定后線路不均勻變形進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)搗固（搗固起道量控制在10 mm左右，確保石砟能搗入枕底）。最后，在進(jìn)行高抬道搗固后穩(wěn)定后，軌枕之間會出現(xiàn)缺砟的現(xiàn)象，及時組織6～10人進(jìn)行補(bǔ)充，為二次補(bǔ)強(qiáng)搗固提供條件，防止搗固時石砟不足，造成枕下石砟間隙擴(kuò)大。通過調(diào)整單枕單次搗固的夾實(shí)時間，由0.4 s增加為0.6 s，使枕下石砟通過多振幅的作用，保障枕下石砟密實(shí)度提升。

2.4 加強(qiáng)后期補(bǔ)強(qiáng)，延緩質(zhì)量反彈

關(guān)于卸砟補(bǔ)砟的方面，為改善原軌道線路中的長波高低不平順，使軌道縱斷面的線型更加趨于平順，大機(jī)搗固地段的平均抬道量達(dá)到了20 mm～30 mm，搗固作業(yè)后部分線路軌道還存在明顯缺砟，造成枕木盒之間的壓力不足。工務(wù)段應(yīng)及時對搗固地段采取卸砟補(bǔ)砟措施，以增強(qiáng)枕木盒之間的壓力，防止枕下吐砟、軌枕下沉。

關(guān)于軌道精調(diào)的方面，因大機(jī)搗固作業(yè)時，對軌排施加了橫向的擠壓力以撥正線路方向。在扣件離縫不均勻的地段，會直接形成軌距遞順不良。通過分析搗固后的動檢車波形圖，分析左右股鋼軌方向不平順，采用人工改道的方法對軌道進(jìn)行優(yōu)化。防范單股方向不良在車體橫向作用力下，造成軌道加速變形。

關(guān)于接頭精磨的方面，焊接接頭的不平順和光帶不良在大機(jī)搗固時是無法整治的，焊接接頭的不平順會在列車重力荷載和垂向沖擊下，加快軌道變形，造成搗固質(zhì)量加速反彈。搗固作業(yè)后，工務(wù)部門應(yīng)及時對焊接接頭不平順、光帶不良進(jìn)行精磨處置，使接頭平順度處所保持在+0.2 mm～0 mm之間，嚴(yán)禁出現(xiàn)負(fù)值。

3 搗固質(zhì)量改善效果

3.1 軌道線型較為貼合設(shè)計

系數(shù)修正后的起道量搗固后，軌面高程線型更加的貼合設(shè)計軌面高程。通過修正前后的精測數(shù)據(jù)對比，在搗固量在20 mm以下的搗固地段，搗固后的高程線型基本與設(shè)計高程線型一致;搗固量在20 mm至35 mm的搗固地段，搗固后的高程線型較設(shè)計高程線型損失率在10%～15%之間。使得搗固作業(yè)后，線路長波高低得到了有效的消除或改善，見圖3。

3.2 超限率明顯降低，TQI改善率提高

通過采用搗穩(wěn)搗作業(yè)模式替換搗穩(wěn)作業(yè)模式后，搗固地段的超限處所明顯降低，見圖4。后期搗固的168公里線路中，超限僅1處（接頭略微偏高）。同時，根據(jù)動檢車TQI數(shù)據(jù)對比，采用搗穩(wěn)模式的TQI平均下降幅度為0.56（由3.81將至3.25）;而采用搗穩(wěn)搗模式后的軌道TQI下降幅度達(dá)到了0.86（由3.63降低至2.78），TQI降低率提升53%。

4 結(jié)束語

本文以軌道精測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過改善搗固前的軌道框架狀態(tài)、道床飽滿度及系數(shù)修正不同起道量的作業(yè)數(shù)據(jù)和作業(yè)后的軌道精調(diào)、精磨，有助于進(jìn)一步改善搗固后的高程線型和軌道整體質(zhì)量，加強(qiáng)運(yùn)營期客專的線路質(zhì)量管理。

參考文獻(xiàn)：

[1]谷永磊，趙國堂，金學(xué)松，等.高速鐵路鋼軌波磨對車輛—軌道動態(tài)響應(yīng)的影響[J].中國鐵道科學(xué)，2015（4）：27-31.