大機分層整道作業對道砟級配破壞的試驗研究

師 彬 楊永平 楊思偉 張燕磊

（1、昆明鐵道職業技術學院，云南 昆明 650217

2、中國鐵路昆明局集團有限公司昆明工務機械段，云南 昆明 650000）

有砟軌道新建鐵路施工時，在長鋼軌單元軌放散之前需要進行分層上砟整道作業，施工時使用的大型養路機械化整修作業車（搗固車、穩定車、配砟整形車等）具有改善有砟道床幾何平順性和穩定性，恢復道床彈性和動力學性能，成為了現代鐵路新建建設的主要施工機具[1]。

在國內外的學者研究中發現：大機養路機械（后簡稱大機）作業會對有砟鐵路道砟級配破壞效果極為顯著，尤其是搗固車多次大機作業會加快道砟級配的破壞、臟污道床[2-4]。然而在新建鐵路有砟軌道施工過程中，采用分層上砟整道作業使道床狀態達到施工驗收標準，即大機每作業一遍，會根據作業起道量提前進行一遍新道砟補入，如此循環。大機作業會破壞道砟的級配，那么大機分層整道作業后的道砟級配是否還滿足規定的級配標準，這就需要進行試驗研究。同時在本項目前期研究中發現在大機常用的組合作業模式中，兩搗一穩作業對道砟級配破壞極為顯著，為此本文設計兩搗一穩的作業組合模式下大機分層整道作業對道砟級配的破壞試驗，研究大機分層整道作業對道砟級配破壞的影響規律，為鐵路有砟軌道現場的大機分層整道作業施工提供一定的指導依據。

1 試驗標準和方法

本次試驗選擇中老鐵路有砟線路為研究對象，其道砟標準為新建鐵路花崗巖一級道砟[5]。根據相關施工技術標準、作業標準的規定，具體試驗標準和方法如下：

1.1 技術標準

（1）大機起道作業第1、2 遍起道量不宜大于60mm，第3、4 遍起道作業不宜大于50mm；（2）一次撥道量不宜大于50mm；（3）道床道砟厚度不足150mm 時，不得進行搗固作業。

1.2 試驗方法及實施

為了減少試驗數據的誤差，試驗方法設計如下：

（1）在中老鐵路直線地段進行試驗，選擇3 段初始道砟級配基本一致且道床厚度大于150mm 的線路作為研究對象，大機作業模式為兩搗一穩。（2）在3 個試驗段采用同一臺搗固車、穩定車和配砟車進行作業，作業參數除起道量和撥道量外，其它參數保持一致。（3）由于試驗遍數較多，為了控制道床總體厚度，3 個試驗段起道量分別為選擇10mm、20mm、30mm，撥道量根據實測調整控制在50mm 范圍以內，每種起道量分別進行6 遍作業。（4）每個試驗段新補入道砟為同一批道砟，保持新補入道砟初始級配盡可能一致。（5）大機作業前線路經過人工小機搗固作業，確保滿足大機作業條件。兩搗一穩施工作業組織和工序模式。（6）數據采集：大機施工作業后，道砟級配數據采用鋼篩進行分類，然后使用臺秤進行稱重。

2 試驗結果分析

2.1 試驗結果分析

將現場使用鋼制篩網篩分稱重后各徑粒道砟的重量數據處理成為過篩質量百分率，得到6 遍大機兩搗一穩作業起道量為10mm、20mm、30mm 的道砟級配施工數據分別如表1、表2、表3 所示。

表1 起道量10mm 的道砟級配測試結果

表2 起道量20mm 的道砟級配測試結果

表3 起道量30mm 的道砟級配測試結果

為了更為直觀反映不同大機作業起道量下的大機作業對道砟級配過程性的變化影響，使用matlab 作出6 遍大機作業后道砟級配隨起道量變化條形圖如圖1 所示。

圖1 不同起道量道砟級配變化圖

從大機兩搗一穩分層整道作業道砟級配的試驗結果，可以得出如下結論：

（1）在起道量為10mm 作業模式中，第2 遍作業后造成徑粒25mm 以下道砟總量超過一級道砟標準，在第3～4 遍作業后造成徑粒35.5mm 以下道砟總量超過一級道砟標準，在第5～6 遍作業后造成徑粒56mm 以下道砟總量超過一級道砟標準。（2）在起道量為20mm 作業模式中，在第3～5 遍作業后造成徑粒25mm 以下道砟總量超過一級道砟標準，在第3-4 遍作業后造成徑粒35.5mm 以下道砟總量超過一級道砟標準，在第6 遍作業后造成徑粒56mm 以下道砟總量超過一級道砟標準。（3）在起道量為30mm 作業模式中，未發現各徑粒道砟超過一級道砟標準，在第4 遍作業開始道砟級配變化相對平穩。

2.2 對比分析

為了進一步分析道砟級配隨大機分層整道作業起道量和作業遍數的變化影響，定義道砟級配質量相對變化率為評價指標來分析其變化規律。道砟級配質量相對變化率以道砟初始級配為比較標準，大機每遍作業后各徑粒道砟變化的相對偏差即為道砟級配質量相對變化率，其計算公式如下：

公式（1）中：xij為大機第i 遍第j 種j 徑粒道砟級配，x0j為大機作業前道砟初始級配。

當δ>0 時，說明該徑粒道砟占比增加；當δ<0 時，說明該徑粒道砟占比減少。

使用公式（1）將數據表1、表2、表3 中數據進行處理計算后，得到大機作業后起道量為10mm、20mm、30mm道砟級配質量相對變化率隨大機作業遍數對比圖如圖2所示。

圖2 不同起道量道砟級配質量相對變化率

可以得到以下結論：

（1）大機作業徑粒56mm 以上的道砟會逐步破壞成為徑粒35.5mm 以下的道砟，而起隨著作業遍數的增加破壞效果也越明顯；（2）同一起道量下即新補入道砟一樣，但每遍作業作業前道砟級配不一樣，作業后道砟也不一樣，說明作業前道砟會影響作業后級配變化，即受道砟作業前級配狀態影響每遍作業的破壞量是不一樣的；（3）通過比較起道量為10mm、20mm、30mm 的道砟級配質量相對變化率發現，隨著起道量的增加，道砟級配質量相對變化率越小，即新道砟補入越多，大機作業道砟級配變化越穩定。（4）根據第（3）條結論，分析起道量為30mm 試驗數據，在大機第4 遍后道砟級配變化相對穩定且不存在超過一級道砟標準的級配數據，因此可以推斷：起道量為30mm 及以上的大機分層整道作業，隨著大機作業遍數的增加，道砟級配變化越穩定，不存在超過一級道砟級配標準的現象。

2.3 分層整道作業下道砟級配變化關系研究

根據2.2 節道砟級配試驗數據和結論，可以推斷出大機分層整道作業前后的道砟級配變化關系如下：

（1）大機作業前道砟級配狀態以及新補入道砟級配的初始狀態會影響作業后的道砟級配狀態；（2）新道砟補入量越多，大機作業道砟級配變化越穩定；（3）同一起道量下，受施工環境不同的影響每遍作業對各徑粒道砟的破壞量是不一樣的。

按照試驗結果和推理，大機作業后道砟級配與作業前道砟級配、新道砟級配和補入量、每遍作業的破壞量之間存在如下數學關系：

式中：Xi-1j：為第i 遍作業前第j 種徑粒道砟級配；Yij：為第i 遍作業前新補入道砟第j 種徑粒道砟級配；Δij第i 遍作業時第j 種徑粒道砟的破壞量；ai，bi為系數，根據實驗數據和分析，存在ai>0，bi>0。

3 結論

大機作業會加快道砟級配的破壞、臟污道床，使得道砟級配不再滿足相關技術標準。為了探尋大機分層整道作業對道砟級配破壞的影響規律，本文設計了兩搗一穩作業起道量為10mm、20mm、30mm 道砟級配的數據試驗，通過分析比較，主要得出以下結論：

（1）大機作業徑粒56mm 以上的道砟會逐步破壞成為徑粒35.5mm 以下的道砟，而起隨著作業遍數的增加破壞效果也越明顯；（2）在兩搗一穩組合作業模式中，當作業起道量為10mm、20mm 時，隨著大機作業遍數的增加，都會使得道砟級配超過一級道砟標準。當作業起道量為30mm 時，在整個施工作業過程中，未發現各徑粒道砟超過一級道砟標準且在大機第4 遍后道砟級配變化相對穩定；（3）隨著大機作業起道量的增加，道砟級配質量相對變化率越小，即大機作業起道量的越大，道砟級配變化越穩定。

鑒于上述結論，建議在新建鐵路有砟軌道分層整道作業過程中，應加強施工前線路標高測量控制，大機作業前確保道砟充足，合理設置大機作業起道量（即起道量控制30mm 及以上），在道床各項指標滿足的情況，盡可能減少大機作業遍數，以免因大機作業加快道床的臟污。