重載鐵路岔區(qū)施工后限速期間提速行車安全性分析

白新榮

國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 滄州 062350

隨著我國(guó)重載貨物列車軸重和牽引質(zhì)量的進(jìn)一步提升，線路設(shè)備的傷損以及軌道幾何狀態(tài)惡化速率明顯增加。重載鐵路岔區(qū)由于其軌道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，更易出現(xiàn)道岔?yè)p壞和道床臟污［1］，定期道床清篩及更換道岔能夠有效解決重載鐵路岔區(qū)病害［2-4］。但是道床清篩和更換道岔會(huì)破壞道砟顆粒之間的黏結(jié)，影響線路行車安全。李銳等［5］研究得出，朔黃重載線路道床清篩后的道床阻力在清篩后僅為規(guī)范值的90%。TG ∕GW 101—2014《普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則》也對(duì)道床清篩和更換道岔后的線路穩(wěn)定時(shí)間和限速作出了規(guī)定。

伴隨著重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)與大型養(yǎng)路機(jī)械的不斷優(yōu)化，原有限速標(biāo)準(zhǔn)已不再適應(yīng)于目前的重載鐵路，線路作業(yè)后的限速增加了列車慢行附加時(shí)分，既影響運(yùn)輸能力，也影響2 萬(wàn)t 等大運(yùn)量列車的運(yùn)營(yíng)安全［6］。現(xiàn)有的研究多集中于列車正常過(guò)岔時(shí)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析［7］，缺少養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)后列車過(guò)岔的實(shí)測(cè)軌道安全性數(shù)據(jù)。為了降低施工后列車階梯提速對(duì)運(yùn)輸?shù)挠绊懠熬徑? 萬(wàn)t，2 萬(wàn)t 列車操控難度大的問(wèn)題，本文通過(guò)提速試驗(yàn)對(duì)岔區(qū)道床清篩、更換道岔后限速期間輪軌力和軌道靜態(tài)沉降進(jìn)行測(cè)試，對(duì)兩種擾動(dòng)道床施工后行車安全性進(jìn)行綜合評(píng)估，為重載鐵路限行期間精細(xì)化提速提供參考。

1 提速試驗(yàn)

TG∕GW 101—2014 中對(duì)限速和測(cè)量時(shí)間的規(guī)定為：①開(kāi)通后第一輛列車限速35 km∕h，第一輛列車與第二輛列車到達(dá)試驗(yàn)點(diǎn)的時(shí)間間隔；②第二輛列車限速45 km∕h，不少于4 h；③限速60 km∕h，24 h；④恢復(fù)常速，4 h。

本次試驗(yàn)將第二階段列車限速由原45 km∕h 提升為 55 km∕h ，第三階段列車限速由原 60 km∕h 提升為65 km∕h。其他不變。輪軌力及軌道靜態(tài)沉降兩項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容共測(cè)試128輛列車。

選取重載鐵路上行線岔區(qū)，鋪設(shè)PG4∕PG5 重型鋼軌和混凝土Ⅲ型軌枕。岔區(qū)軌道基礎(chǔ)從上到下依次為厚300 mm 碎石層和厚200 mm 砂墊層，其中碎石層起緩沖減震、分擔(dān)荷載的作用。岔區(qū)道床清篩采用大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行，更換道岔型號(hào)為12號(hào)單開(kāi)道岔。

1.1 測(cè)試內(nèi)容及方法

1）輪軌力

輪軌力測(cè)試采用剪應(yīng)力法，在鋼軌軌腰和軌底粘貼應(yīng)變片，采樣頻率1 000 Hz。測(cè)試前需對(duì)安裝好的輪軌力測(cè)試裝置進(jìn)行標(biāo)定。

2）軌道靜態(tài)沉降

軌道靜態(tài)沉降測(cè)試采用全自動(dòng)全站儀，該全站儀能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)點(diǎn)位置的自動(dòng)搜索、跟蹤、辨識(shí)以及后續(xù)精準(zhǔn)鎖定工作，便捷高效地獲取三維坐標(biāo)等信息。軌道靜態(tài)沉降測(cè)試時(shí)需在曲線兩股鋼軌上分別安裝反射棱鏡，共安裝5組棱鏡，每組棱鏡在垂直于軌道方向上位置保持一致。每組測(cè)點(diǎn)間距5 m，以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效。

道床清篩和更換道岔區(qū)段分別設(shè)置5組軌道靜態(tài)沉降測(cè)點(diǎn)，輪軌力測(cè)點(diǎn)與軌道靜態(tài)沉降中心測(cè)點(diǎn)位置重合，如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置

1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1）輪軌垂向力。輪軌間垂直力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致輪軌系統(tǒng)各部件傷損和軌道質(zhì)量狀態(tài)惡化。目前我國(guó)暫無(wú)相關(guān)規(guī)范對(duì)該指標(biāo)的限值予以規(guī)定，一般沿用英國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn)，限值取250 kN。

2）輪軌橫向力。依據(jù)GB∕T 5599—2019《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，單側(cè)輪軌橫向力的限值為0.4P0(P0為靜軸重，kN）。本次測(cè)試機(jī)車軸重為250 kN，計(jì)算得出輪軌橫向力限值為100 kN。

3）脫軌系數(shù)。其為爬軌側(cè)車輪作用于鋼軌上的橫向力Q與車輪作用于鋼軌上的垂向力P的比值。GB∕T 5599—2019 中規(guī)定：機(jī)車Q∕P≤ 0.8；車輛Q∕P≤1.0。為能夠有效分析機(jī)車與車輛在擾動(dòng)道床施工后運(yùn)營(yíng)的安全性，以相對(duì)較小的0.8作為脫軌系數(shù)限值。

4）輪重減載率。其為輪重減載量與列車車軸平均靜輪重的比值，依據(jù)GB∕T 5599—2019限值取0.65。

1.3 安全儲(chǔ)備量計(jì)算方法

為評(píng)判重載線路岔區(qū)道床清篩和更換道岔后限速期間提速行車安全性，需計(jì)算岔區(qū)大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)后軌道安全儲(chǔ)備量S。以施工作業(yè)后出現(xiàn)最大輪軌力時(shí)為最不利工況，計(jì)算該工況下兩種作業(yè)后軌道安全儲(chǔ)備量。S的計(jì)算公式為

式中：Fmax為實(shí)測(cè)列車輪軌力最大值；F為規(guī)范中規(guī)定的輪軌力安全限值。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 最大輪軌力分析

輪軌力影響著重載列車經(jīng)過(guò)岔區(qū)時(shí)的平順性和安全性。對(duì)岔區(qū)道床清篩和更換道岔后128輛列車進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)外軌輪軌橫向力和垂向力均比內(nèi)軌大。因此數(shù)據(jù)分析時(shí)均采用外軌輪軌力。

岔區(qū)道床清篩和更換道岔后各限速階段最大輪軌力見(jiàn)圖2。可知：①無(wú)論是道床清篩后還是更換道岔后，在目前的限速條件下各階段輪軌垂向力均小于250 kN 的限值，輪軌橫向力均小于100 kN 的限值。②以四個(gè)限速階段最大輪軌垂向力計(jì)算，岔區(qū)道床清篩、更換道岔后安全儲(chǔ)備量分別為31.90%、24.90%；③以四個(gè)限速階段最大輪軌橫向力計(jì)算，岔區(qū)道床清篩、更換道岔后安全儲(chǔ)備量分別為40.69%、28.33%。更換道岔后安全儲(chǔ)備量要小于道床清篩，且無(wú)論是哪種工況，最大輪軌力均出現(xiàn)在限速運(yùn)營(yíng)的第二階段，在后續(xù)測(cè)試與修正標(biāo)準(zhǔn)時(shí)建議將二者分開(kāi)考慮，以精細(xì)化管控列車限速。

圖2 岔區(qū)道床清篩和更換道岔后最大輪軌力

2.2 輪軌力平均值分析

各限速階段 5 000 t、1 萬(wàn) t、2 萬(wàn) t 列車經(jīng)過(guò)時(shí)平均輪軌垂向力見(jiàn)表1。本次測(cè)試時(shí)在第一階段通過(guò)了1 輛5 000 t 列車，第二階段通過(guò)了9 輛列車，第三階段通過(guò)了92 輛列車，第四階段常速運(yùn)行時(shí)通過(guò)了26 輛列車，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后不再監(jiān)測(cè)。

表1 各限速階段平均輪軌垂向力（σv）

由表1可知：①在第一階段首輛列車經(jīng)過(guò)時(shí)，岔區(qū)道床清篩、更換道岔后平均輪軌垂向力分別為151.39、167.91 kN，更換道岔后列車經(jīng)過(guò)時(shí)平均輪軌垂向力較大，不利于行車安全；②第二至第四階段均呈現(xiàn)出相同規(guī)律，更換道岔后列車經(jīng)過(guò)時(shí)平均輪軌垂向力大于道床清篩；③1 萬(wàn)t、2 萬(wàn)t 列車經(jīng)過(guò)時(shí)平均輪軌垂向力大于5 000 t 列車經(jīng)過(guò)時(shí)，且相差較大，牽引量的變化會(huì)影響輪軌力的大小。

各限速階段平均輪軌橫向力見(jiàn)表2。對(duì)比表1、表2 可知：①不同限速階段平均輪軌橫向力所呈現(xiàn)的規(guī)律與平均輪軌垂向力一致，更換道岔后平均輪軌橫向力始終大于道床清篩，且最大輪軌橫向力出現(xiàn)在限速運(yùn)營(yíng)的第二階段（參見(jiàn)圖2），由2 萬(wàn)t 列車通過(guò)時(shí)引起。②雖然分為四個(gè)階段進(jìn)行限速，但是由于測(cè)試列車在重載鐵路岔區(qū)運(yùn)行速度較低且各個(gè)階段速度差異較小，所以本次測(cè)試中列車速度帶來(lái)的輪軌力改變并不明顯。高速鐵路列車輪軌力與此會(huì)有所不同。

表2 各限速階段平均輪軌橫向力（σt）

2.3 列車運(yùn)行安全性分析

脫軌系數(shù)能夠用來(lái)評(píng)定列車在輪軌橫向力、輪軌垂向力均滿足要求時(shí)列車運(yùn)行的安全程度。脫軌系數(shù)越大，列車在運(yùn)行過(guò)程中越容易發(fā)生脫軌。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，岔區(qū)道床清篩、更換道岔后限速階段列車經(jīng)過(guò)時(shí)最大脫軌系數(shù)分別為0.47、0.48，小于規(guī)范限值0.8。按128 輛列車經(jīng)過(guò)計(jì)算，岔區(qū)道床清篩、更換道岔后脫軌系數(shù)平均值分別為0.11、0.15。更換道岔后的脫軌系數(shù)較大，但兩者均小于限值。

測(cè)試中發(fā)現(xiàn)同一水平面的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)輪軌垂向力相差較小，輪重減載率在0.08～0.15，道床清篩、更換道岔后限速期間列車經(jīng)過(guò)時(shí)最大減載率分別為0.13、0.15，均小于規(guī)范限值0.65。按128輛列車經(jīng)過(guò)計(jì)算，道床清篩、更換道岔后減載率平均值分別為0.10、0.13。更換道岔后輪重減載率較大，但兩者均小于限值。與道床清篩相比，更換道岔后有砟軌道更不利于行車安全。

2.4 岔區(qū)軌道靜態(tài)沉降量對(duì)比

除了輪軌力之外，岔區(qū)軌道的沉降量是另外一個(gè)值得關(guān)注的指標(biāo)。由文獻(xiàn)［8-10］可知，道床垂向變形與道床密實(shí)度存在一定關(guān)聯(lián)。從軌道沉降量能夠看出岔區(qū)道床清篩和更換道岔后有砟道床內(nèi)部的差異。有砟道床擾動(dòng)越小，軌道靜態(tài)沉降量就越小。

岔區(qū)道床清篩和更換道岔對(duì)道床的擾動(dòng)程度不同，不同限速階段沉降量、沉降速度自然有所差別。因此，對(duì)限速期間沉降量進(jìn)行分析，從而判斷岔區(qū)道床清篩和更換道岔后行車安全性。

擾動(dòng)道床施工后岔區(qū)軌道靜態(tài)累計(jì)沉降量變化曲線見(jiàn)圖3。可知：①擾動(dòng)道床施工后岔區(qū)軌道沉降總體上隨列車通過(guò)數(shù)量增加而逐漸減小，沉降增長(zhǎng)速率逐漸減小，說(shuō)明充足的列車碾壓可以有效改善施工帶來(lái)的擾動(dòng)，使散體道床重新恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。限速結(jié)束時(shí)，岔區(qū)道床清篩、更換道岔區(qū)段軌道靜態(tài)累計(jì)沉降量分別為7.8、5.1 mm。②限速四個(gè)階段岔區(qū)道床清篩區(qū)段軌道靜態(tài)累計(jì)沉降量明顯大于更換道岔區(qū)段，且需經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間列車碾壓有砟道床才能進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明道床清篩對(duì)道床密實(shí)度影響較大。

圖3 擾動(dòng)道床施工后岔區(qū)軌道靜態(tài)累計(jì)沉降量變化曲線

3 結(jié)論

依據(jù)岔區(qū)道床清篩、道岔更換后輪軌力及軌道靜態(tài)沉降測(cè)試結(jié)果，分析了岔區(qū)擾動(dòng)道床施工后限速期間提速行車安全性。結(jié)論如下：

1）與道床清篩相比，更換道岔施工后道床狀態(tài)更加復(fù)雜，軌道安全儲(chǔ)備量更小。

2）更換道岔后列車通過(guò)時(shí)輪軌力、脫軌系數(shù)與輪重減載率均大于道床清篩后，但其均小于規(guī)范限值。

3）更換道岔、道床清篩后軌道靜態(tài)累計(jì)沉降分別為5.1、7.8 mm。道床清篩后道砟顆粒密實(shí)度不足，建議安排穩(wěn)定車補(bǔ)強(qiáng)擾動(dòng)施工后軌道質(zhì)量。

綜上，在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下岔區(qū)道床清篩、更換道岔施工區(qū)段均具備安全行車條件。