大機作業對道床主要狀態參數影響的試驗研究

師彬

（昆明鐵道職業技術學院，云南 昆明 650217）

道床是有砟軌道最主要的組成部分之一，同時也是有砟維持軌道動力學性能和穩定性的主要組成部分。道床要維持鋼軌的幾何形位和平順性，這就要求道床的橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度等主要狀態參數滿足相關技術標準。國內外學者對道床狀態參數相關研究比較多，比較典型的如下：

于譯等人通過研究床肩寬與砟肩堆高與道床阻力的增長關系，研究結果發現：道床橫向阻力與道床肩寬、砟肩堆高兩種參數的增加都會提高道床的橫向阻力值[1]。

KHATIBI F 等采用離散元法建立了有砟軌道數值模型對道床橫向阻力進行了研究，研究結果表明：道床空隙率是道床橫向阻力最有效的影響因素，當道床空隙率減小10%時，道床橫向阻力平均增加18%[2]。

高亮對秦沈客運專線道床整形結束單元軌節鎖定前、區間無縫線路形成工程車碾壓3 個多月和初驗以前3 個時段道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度等參數進行綜合測試和分析研究的基礎上，對跨區間無縫線路道床狀態指標的確定、施工控制等方面提出合理的建議[3]。

黃海等對膠濟客運專線建設過程中不同施工階段道床質量狀態進行了試驗研究。試驗研究表明：不同施工階段、不同機具、不同作業條件對道床狀態參數的影響有所不同，試驗結果可供客運專線跨區間無縫線路鋪設及安全開通運營提供借鑒[4]。

在新建鐵路有砟軌道施工作業過程中，大型養路機械（后簡稱大機）已成為道床搗固、穩定作業的主要作業手段。那么在大機作業過程中，道床主要狀態參數隨大機作業遍數的增加是如何變化的，為了探尋新建有砟鐵路精整道大機施工作業對道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度等參數的影響，尋求合理的大機施工作業方式，本文將設計大機一搗一穩、一搗兩穩、兩搗一穩等3 種作業模式對道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度影響的試驗研究，為鐵路有砟軌道現場大機施工提供一定的指導依據。

1 試驗設計

本次試驗選擇中老鐵路國內段玉磨鐵路為試驗研究對象，玉磨鐵路為客貨共線鐵路，線路等級Ⅰ級，設計時速160km/h，線路為無縫線路，枕木III 型混凝土枕，道砟為新建鐵路一級道砟。本次試驗時玉磨鐵路已普遍經過人工搗固和大機作業，道床已達到初期穩定階段，鋼軌已經過無縫線路應力放散作業，線路中線預留標高基本在110mm 左右，即道床力學參數符合以下規定：道床支撐剛度不應小于70kN/枕，道床橫向阻力不應小于7.5kN/枕[5]。為了減小本次試驗測量數據的偏差，試驗設計方法和原則具體如下：

1.1 在中老鐵路直線地段選擇3 段線路預留標高大于130mm 的線路作為研究對象，分別進行大機一搗一穩、一搗兩穩和兩搗一穩3 種作業模式，每種作業模式進行6 遍。

1.2 為了減少大機作業誤差，在3 個試驗段作業大機使用同一臺搗固車、穩定車和配砟車進行施工作業，大機作業參數設置不變。

1.3 為了控制道床總體厚度，3 個試驗段大機每遍作業實際起道量為15mm，撥道量根據大機實測設置。

1.4 道床斷面尺寸對橫縱向阻力影響很大，為了減少道床斷面尺寸的影響，每次大機搗固穩定作業后進行補砟配砟作業，然后再進行數據采集。

1.5 本次道床采集橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度數據使用智能道床狀態參數測試儀進行測量，其參數測量理論詳細《鐵路碎石道砟狀態參數測試方法》[6]。

1.6 為了減少試驗誤差，各指標數據在試驗段內進行多次數據采集取平均值作為分析指標。

2 試驗結果分析

在大機作業試驗前，對道床初始狀態數據進行測量，測量方法：在3 個試驗段分別抽取4 根枕木（共12 根枕木）進行道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度進行測量，剔除測量數據中異常點后，將測量數據處理成為平均值，得到試驗地段道床整體的橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度初始值分別為7.61kN/枕、8.12kN/枕、78.3kN/mm。

經現場大機施工作業后，將3 個試驗段測量的橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度等道床參數測量數據分別進行均值處理。由于試驗數據較多，使用matlab 軟件作圖，試驗段道床的橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度隨大機作業遍數增加的變化趨勢如圖1 所示。根據測量結果和圖1 中道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度隨大機作業遍數的整體變化趨勢，可以得出如下結論：

圖1 道床主要狀態參數表變化

（1）在3 種大機作業模式中，橫向阻力、縱向阻力隨著大機作業遍數的增加而增大，其中一搗兩穩作業增加效果最為顯著，兩搗一穩次之，一搗一穩效果相對最小；

（2）在3 種大機作業模式中，支撐剛度隨著大機作業遍數的增加而增大，其中兩搗一穩作業增加效果最為顯著，一搗兩穩次之，一搗一穩效果相對最小。

為了進一步反應不同大機作業遍數效果對道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度的變化影響，定義大機作業各道床狀態參數相對于道床初始狀態的相對變化率作為評價指標，其計算公式如下：

使用公式（1）對測量數據進行處理后，得到第6 遍作業后的道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度相對變化率如圖2 所示。

圖2 第6 遍作業后道床主要狀態參數相對變化率

從圖2 中可以看出：在3 種大機作業模式中，一搗兩穩作業對道床橫向阻力、縱向阻力增加最快，第6 遍作業后分別提升為：50.20%、75.86%；在3 種大機作業模式中，兩搗一穩作業對支撐剛度增加最快，第6 遍作業后提升76.88%。

為了反應相鄰作業遍數之間大機作業遍數效果對道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度的影響變化，定義大機作業相鄰遍數之間相對變化率指標來進行分析，其計算公式如下：

使用公式處理道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度相鄰遍數之間相對變化率如圖3 所示。

圖3 道床各狀態參數大機相鄰遍數之間相對變化率

得出如下結論：對比大機相鄰遍數之間道床狀態參數的相對變化率發現：3 種大機作業模式第1 遍作業對道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度提升最大，然后增加的幅度逐步減小，到第6 遍作業時達到最小；由此可以推斷出：隨著大作業作業遍數的增加，道床主要狀態參數會隨之增加，但增加的幅度會逐步降低。

結合圖1、圖2、圖3 測試數據及變化趨勢，以一搗一穩作業模式為參照標準發現：一搗兩穩作業對道床橫向阻力、縱向阻力提升較快，而兩搗一穩對道床支撐剛度提升較快。結合現場施工實際情況，對于新建有砟鐵路精整道施工階段，若起道量小時，宜采用一搗兩穩模式可快速穩定道床使其達到驗收標準，若起道量較大時，宜采用兩搗一穩模式可相對快速提升道床標高，若起道量適中時，宜采用一搗一穩模式逐步作業使其達到驗收標準，如此減少大機作業遍數，進一步降大機作業低施工成本。

3 結論

有砟軌道道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度是維持有砟軌道動力學性能和穩定性的主要組成部分，為了探尋新建鐵路有砟軌道施工作業過程中，大機作業對道床主要狀態參數的影響，本文將設計大機一搗一穩、一搗兩穩、兩搗一穩3 種作業模式對道床橫向阻力、縱向阻力、支撐剛度影響進行試驗研究，得出以下結論：

3.1 道床的橫向阻力、縱向阻力隨著大機作業遍數的增加而增大，但增加的幅度會隨大機作業遍數逐步降低。其中一搗兩穩作業效果最為顯著，兩搗一穩次之，一搗一穩效果相對最小。

3.2 道床的支撐剛度隨著大機作業遍數的增加而增大，但增加的幅度會隨大機作業遍數逐步降低。其中兩搗一穩作業效果最為顯著，一搗兩穩次之，一搗一穩效果相對最小。

鑒于以上結論，文章對新建鐵路精整道施工階段大機作業方式提供了合理的指導意見，可降低大機施工作業遍數，為鐵路有砟軌道現場大機施工提供一定的指導依據。