有砟軌道高速鐵路聯調聯試線路病害整治

徐暐，張遠成，崔鵬，盧平

（中國鐵路南寧局集團有限公司 工電檢測所，廣西 南寧 530029）

0 引言

高速鐵路聯調聯試是新線建設完成后，對各系統功能、性能、狀態和系統間匹配關系進行檢測、調整和優化，使整體系統的功能達到最優，滿足運輸要求，并實現移動設備與固定設備間達到最佳整體匹配的過程［1］。有砟軌道高速鐵路聯調聯試中，線路工程的主要任務是通過軌道精調促使軌道精度滿足要求，該過程通常分成動態調整和靜態調整2個階段，靜態調整的目標是將軌道相對于其他設備的外部尺寸精度調整至容許范圍內；動態調整的目標是消除線路病害使軌道平順度達到容許范圍內。

2013—2020年，中國鐵路南寧局集團有限公司（簡稱南寧局集團公司）先后開展5段有砟軌道高鐵線路的聯調聯試工作。在早期的動態調整階段，因出現病害消除率長時間停滯不前的情況，于是成立專項小組進行長期分析和研究。項目組發現了一些不易解決的難題，例如，鋼軌焊縫引發的病害和動態發生的道床因素病害無法通過測量來研判；長波長高低病害具有極高易發性，從而導致施工中產生大量的再生病害；因大型搗固機（簡稱大機）無落道功能，導致無法按計算值搗固等。在此，針對上述問題，研究提出高效的系統性線路病害整治措施。

1 有砟軌道高鐵聯調聯試初期線路病害

1.1 線路病害概述

線路軌面幾何不平順可采用量化指標來評判，對于200～250 km/h速度列車有12項，分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個扣分級別，當扣分達到Ⅱ及以上級別時，有砟軌道高鐵維修規范規定必須進行整治，可視為發生了線路病害。有砟軌道高鐵線路主要由鋼軌、道岔、扣件、軌枕和道床組成，因這些部件的內因而導致的線路病害，可稱為某個因素引發的線路病害，其不平順扣分可視為病害的表征。

一旦獲知引發線路病害的內因，即可很快找出消除病害的對策，但是微觀探測部件內部非常困難，而檢測病害的表征則簡單得多，因此消除線路病害的常規手段是采用軌檢車或動檢車進行線路檢測，然后通過病害表征與內因間邏輯關系鎖定內因，最后確定整治對策。

1.2 線路病害分布情況

速度200～250 km/h線路軌檢車扣分指標有12項，可分成3類：軌距類（軌距、軌距變化率）、橫向類（軌向、橫向加速度、曲率變化率、橫加變化率、長波長軌向）、垂向類（高低、水平、三角坑、垂向加速度、長波長高低）。

2013—2020年，南寧局集團公司先后進行5段有砟軌道高鐵線路聯調聯試，其中衡柳鐵路北段2013年6月16日軌檢車數據為具有代表性的聯調聯試初期數據，線路病害所占比重見圖1［2］。

其中，長波長高低病害的占比最大，高低、軌距和三角坑病害也占較大比重。之后在其他4段有砟軌道高鐵聯調聯試初始階段，長波長高低病害也占據最大比重（見表1）［2］。表1中，柳南高鐵數據為二次精調數據，在南寧局集團公司介入前，管理公司曾進行過1次線路精調。

表1 聯調聯試初期長波長高低病害的發生率 %

以南昆高鐵南百段為例，在整個線路精調的動態調整階段，病害分布的演變見圖2［2］。

圖2 南昆高鐵南百段聯調聯試線路主要病害分布演變

長波長高低情況屬于旅客舒適度指標，在普速鐵路中雖不被列為考核指標，但在有砟軌道高鐵聯調聯試階段卻是一項重要問題。

2 線路病害整治方法

2.1 鋼軌因素病害

鋼軌因素引發的線路病害可出現3種情況：（1）鋼軌出現肥邊、表面塌陷等鋼軌輪廓幾何超限；（2）鋼軌焊縫區域出現幾何超限；（3）左右股鋼軌位置超限。前2種軌面幾何超限情況，可引發任何一種形式的軌檢車扣分，但又無法通過病害表征與內因間邏輯關系予以鎖定。目前常規的物體表面幾何檢測設備仍無法做到足夠精細，展開精準的軌面缺陷修復操作仍然十分困難，可以采取排除法，采用簡單的全線鋼軌打磨來消除。該類無法精準測量的病害，應率先進行整治，否則可能會在整治其他類型病害時引起誤判。

我國新鋼軌的軌廓沒有針對動車輪轂面做特殊設計，為促使軌面與動車輪轂獲得高匹配度而防止車體產生超限振動，在軌道工程靜態驗收前應進行全線鋼軌預打磨［3］，且應采用鋼軌打磨列車或銑磨列車進行打磨或銑磨［4］。目前我國96頭打磨列車打磨作業已經相當精細，在完成軌頭輪廓打磨的同時能夠有效消除軌面幾何超限，因此軌道精調中可不設置小范圍的軌面缺陷檢測及修正打磨作業，而采取先期進行全線鋼軌預打磨的辦法來消除上述前2種鋼軌因素病害。

左右股鋼軌位置異常會引起軌距類超限扣分，目前基本采用人工操控小型機具來消除，宜在動態調整的末段展開專項整治。

2.2 道床因素病害

2.2.1 動態發生的道床因素病害

道床因素病害的動態發生是指軌面無荷載時為良性狀態，當列車通過時發生幾何超限的現象，其內因是出現了道床不密實或軌枕空吊。動態發生的道床因素病害可能以任何一種非軌距類軌檢車扣分的形式出現，無法通過測量來鎖定，但可以采取排除法，通過多次全線無數控道床搗固（簡稱普搗）進行排除。據測試，普搗3～5遍可基本消除動態發生的道床因素病害。多次普搗不僅能消除動態發生的道床因素病害，還能消除一部分短波長道床因素病害。

2.2.2 靜態發生的道床因素病害

軌面幾何超限和動態發生的道床因素病害，病害表征與內因間無邏輯關系，這種類型病害的存在會導致病害整治靶向混亂，應先行完成整治。因此線路精調中整治線路病害應采取分而治之的總體策略，在靜態調整階段完成鋼軌打磨和焊縫區精磨工作，在動態調整階段的早期完成多次普搗作業。

采用排除法先行完成上述病害整治后，鋼軌因素引發的線路病害，只存在上述第（1）種情況，一旦軌檢車出現軌距類超限扣分，可直接安排人工調整消除。有砟軌道高鐵線路由鋼軌、扣件、軌枕和道床組成，在調聯聯試階段扣件和軌枕引發線路病害的占比極低，因此一旦出現非軌距類超限扣分可鎖定為道床因素引起，進一步可判定為靜態道床因素引起。

靜態發生的道床因素病害也可通過軌面幾何測量來發現，理論上可采用一種通用法則來消除：進行道床搗固，將軌面調整到設計坐標。道床搗固可采用便攜式搗固機、小型液壓搗固和大機作業，三者的作業功效比大致為1∶15∶175，此外大機具有數控搗固能力，而其他兩者無法精細控制，因此整治道床因素線路病害只能依靠大機。

大機橫向調整軌道的能力極強，事實上靜態調整階段結束后，橫向類幾何超限基本被消除，因此動態調整階段的主要任務是消除垂向類幾何超限。而消除垂向類幾何超限，理論上需要有抬道也需要有落道，但大機沒有落道功能，因此需采取變通的施工方法才能有效消除。

2.2.3 靜態發生的長波長高低病害

2.2.3.1 長波長高低扣分容許偏差值

進入動態調整階段后，靜態發生的道床因素病害為垂向類幾何超限，有5種類型，由圖2可見，長波長高低占比最高，其次是高低和三角坑。

長波長高低是一項評價軌面縱向平順度指標，測量弦長采用70 m，長波長高低容許偏差值見表2［4］。

表2 長波長高低容許偏差值 mm

2.2.3.2 長波長高低病害的軌面形態

對長波長高低病害地段軌面幾何狀況進行分析，呈現3種形態：（1）軌面平順，病害以動態方式出現；（2）軌面不平順，病害地點兩側的測量弦長范圍內由多個不同坡度的坡段呈疊加形態；（3）軌面不平順，病害地點兩側的測量弦長范圍內呈單一折角的簡單形態。占比依次為：36%、63%和1%［5］。

2.2.3.3 簡單形態下觸發長波長高低病害軌面臨界值

當病害地段的軌面呈現簡單形態時，長波長高低病害地點A的軌面示意見圖3。

圖3 簡單形態下觸發長波長高低病害的軌面示意圖

假設Hmax為地點A上的最大偏移值，L為測量所用弦長（速度為250 km/h以下時，L=70 m；速度250 km/h以上時，L=120 m），i1和i2分別為兩側坡段的坡度值，Δ為坡度差，則Δ=i2-i1，Δ與Hmax間有如下關系［6］：

將表1中的偏差值代入，得出簡單形態下觸發不同等級長波長高低扣分的軌面坡差值（見表3）。

表3 簡單形態下觸發長波長高低扣分的軌面容許坡差值 ‰

可見200～250 km/h高鐵線路軌面呈簡單形態幾何狀態，且坡度差絕對值大于0.57‰時，將觸發長波長高低病害。

2.2.3.4 疊加形態下觸發長波長高低病害軌面臨界值

某高鐵線路（速度200～250 km/h）病害地段軌面呈疊加形態的案例見圖4［7］，圖中A—G均表示地點。

圖4 軌面呈疊加形態示意圖

在測量弦長70 m的范圍內，相鄰線段坡度差絕對值都小于簡單形態的容許值0.57‰，但因疊加效應，其合計偏差值超過10 mm的容許偏差值，觸發了長波長高低病害。可見在軌面處于坡段疊加形態時，整治長波長高低病害幾乎無定解，只有處于簡單形態下才存在明確的解決辦法，因此整治長波長高低病害應采取下述整治措施：（1）促使病害地點兩側的軌面處于簡單形態；（2）促使其坡度差絕對值小于容許值。

以圖4為例，進一步進行趨向性分析，弦長L范圍內有n個坡段（n為4的倍數），病害地點位于弦長中部，坡段長度均為ι，坡度差絕對值均為Δ，則偏差值為：

按表1規定，對于200～250 km/h速度線路，觸發長波長高低病害的容許偏差值H=0.01 m。若弦長范圍內疊加的坡段數n=8，坡度差容許值Δ=0.29‰；若疊加的坡段數n=16，坡度差容許值Δ=0.14‰。這些數值極為細微，可做出另一個推論：長波長高低病害具有極強易發性。

2.2.3.5 局部平順法整治靜態發生的長波長高低病害

整治靜態發生的道床因素病害，可采用搗固道床將軌面調整到設計坐標的通用法則來消除，但搗固機沒有落道的功能，可采用人工或清篩機進行落道，但落道會破壞道床穩定性，還將引發大量次生病害，通常恢復道床密實度需進行5次以上道床搗固，不適合時間緊湊的聯調聯試工作。

自然狀態下，線路軌面從來都不是絕對平順，而是由無數段坡度細微偏差的坡段連接而成。同理，病害地段的軌面長坡段坡度可調整為由一系列良性連續短坡段代替，并確保軌面抬落量大于0，這種處理方法可稱之為局部平順法。

按表3，觸發長波長高低病害的坡度差臨界值為0.57‰（測量弦長為70 m），同時良性的連續短坡必須具有一定冗余值。根據實踐經驗，進行病害地段的軌面長坡段局部平順法調整時，其控制指標可制定為：連續短坡段的坡段長度不小于150 m（困難條件下不小于75 m），相鄰坡段坡度差絕對值不大于0.3‰，抬落量不小于0。

2.2.3.6 抑制再生性長波長高低病害

長波長高低病害具有極強易發性，所有道床作業都會引發長波長高低病害，根據項目組統計，如無針對性處理措施，整個動態調整階段所發生的長波長高低病害次生病害數量，與原發病害數量大致相等。因此，應制定如下系統性抑制再生性長波長高低病害策略：（1）通過道床搗固整治線路病害對的作業，盡可能采用大機數控搗固作業；（2）所有道床作業采用局部平順法進行抬道量優化處理。

2.2.4 其他靜態發生的垂向道床因素病害

垂向類不平順扣分指標有5項，各自的容許偏差值見表4［4］。

表4 200～250 km/h線路軌道動態質量容許偏差值

（1）高低是一項評價軌面縱向平順度指標，測量弦長采用1.5～42 m，從表4可見，高低容許偏差值指標均低于測量弦長為70 m的長波長高低，因此采用局部平順法進行病害地段抬道量優化處理，不僅可以整治高低病害，而且可以抑制長波長高低次生病害。

（2）水平為評價左右鋼軌頂面高差的指標，按表4，偏差值＞8 mm時為發生線路病害。大機作業有著超強的水平控制能力，常規情況下橫向水平控制在±2 mm以內，縱向水平相距10 m的高低偏差≤3 mm，該數值遠小于發生病害的容許偏差值，由圖1和圖2可見，發生水平超限的占比很小。在動態調整階段，若軌檢車檢測出現水平超限扣分，可對病害地段采用多次普搗或采用局部平順法來消除。

（3）三角坑為評價左右股鋼軌頂面相對軌道平面扭曲程度的指標，軌檢車測量基長為3 m，按表4，偏差值＞6 mm時為發生線路病害。采用局部平順法來消除三角坑超限，軌面坡度差絕對值被控制在3‰以內，假設極限條件下基準點出現2 mm的大機作業水平容許偏差，左股軌面延伸坡度為3‰，右股軌面延伸坡度為-3‰，在距離基準點前方3 m處，左右股軌面偏差值為：2+300×3/1 000+300×3/1 000=3.8 mm，遠小于發生三角坑超限時的偏差值，因此采用局部平順法搗固道床可有效抑制三角坑超限。

（4）垂向加速度是評價旅客舒適度的一項指標，為列車突然上升或下降的加速度數值，按表4，加速度值＞1.5 m/s2時為發生線路病害。采用局部平順法來消除垂向加速度超限，軌面異常變化的坡度差絕對值被控制在0.3‰以內，坡段最小為150 m。假設列車縱向運行時速為極限速度250 km/h，列車縱向運行150 m后，垂向運動速度由0加速到最大值，列車偏離慣性軸最大距離：s=150×0.3/1 000=0.045 m，150 m行程列車運行時間：t=（0.15/250）×3 600=2.16 s，因時間極短，加速度值收斂于某一數值，則垂向變化加速度為：a=2×s/t2=2×0.045/2.162≈0.02 m/s2，遠小于發生垂向加速度超限時的加速度值，因此采用局部平順法搗固道床可有效抑制垂向加速度超限。

總之，消除靜態發生的5種垂向超限扣分，可統一采用局部平順法進行道床搗固，一方面可抑制長波長高低次生病害，另一方面，采取單一作業工法有利于充分發揮大機的作業效能。

水平和三角坑涉及左右股鋼軌的關系，如遇頑固性病害（發生概率極低），可進行左右股鋼軌軌面幾何測量，進行坐標分析，然后制定左右股鋼軌抬道方案。

2.2.5 病害地段線路測量范圍

在實施局部平順法整治靜態發生的道床類病害前，需首先對病害地段進行軌面幾何測量，然后對抬落量按局部平順法進行數據優化處理，最后交由大機數控搗固。因局部平順法規定最短微調坡段的長度為150 m，同時需考慮作業起終點的軌面順坡，制定軌面幾何測量計劃時，起點和終點需距離病害地點超過200 m。

2.2.6 特殊地段處理方法

對于一些特殊地段進行數據優化處理時，應采取下述處理辦法：

（1）始終點的處理：始終測點的抬道量數值應接近零值，始終段坡段長度應不小于70 m，以此確保作業向外順坡時出現不可測狀況。

（2）道岔區的處理：道岔區數據優化處理應避免出現較大數值的抬道，并通過調整道岔區相鄰正線上的坡段來順應道岔區，以此避免岔心重量大、鄰線連接和軌道電路等因素的影響［8］。

（3）過渡段的處理：無砟軌道與有砟軌道間的過渡段進行數據優化處理，保持無砟軌道無抬道量，通過調整有砟軌道的坡段來順應無砟軌道坡段，確保變坡的坡段長度和坡度差值符合前述的規定。

（4）大抬道量的處理：起道量超過50 mm時，應制定多次抬道方案，并及時補砟。

2.3 軌距類病害

線路上實施大機搗固作業，總會產生一定數量的軌距類病害，因此除Ⅱ級以上級別的軌距類超限扣分需當日消除，Ⅱ級及以下級別的軌距類超限扣分，可在動態調整階段的末期展開專項整治，采用人工作業進行消除。

3 聯調聯試階段系統性整治病害流程控制

綜上所述，有砟軌道高鐵線路精調中的動態調整和靜態調整流程見圖5，結合多年實踐經驗，只要單位長度的機具設備配置充足，人員配置合理，施工措施到位，可在30～40 d完成全部任務。

圖5 有砟軌道高鐵線路精調流程

4 結束語

有砟軌道高速鐵路聯調聯試線路精調階段，鋼軌軌面幾何超限、焊縫區域幾何超限和動態道床因素病害，所引發的病害表征具有不確定性，造成病害整治目標難以鎖定；長波長高低病害地段軌面呈坡段疊加形態時，病害呈現極強易發性，也無可操作的整治方案；整治道床因素病害所依賴的大機沒有落道的功能。如果對上述問題沒有充分認知和有效解決辦法，會導致病害整治效果低下，甚至使病害消除率長時間停滯不前。采取分而治之的總體整治策略，采用排除法、局部平順法和系統性抑制再生病害等整治措施，病害整治將更加靶向精準，一次性整治成功率可達到90%以上，大機強大的作業效率也能得到充分發揮，動態整治病害時間可以控制在20 d以內。

消除線路病害工作是有砟軌道高速鐵路聯調聯試的主要成本消耗項目，而有砟軌道高鐵線路在新增高鐵線路中約占45%，因此靶向精準的病害整治以及極短周期的聯調聯試將顯著節約成本。