大機組合作業模式對道砟級配影響的試驗研究★

師 彬，馬 力，侯明坤

(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)

0 引言

有砟軌道在新建時或者在鐵路后期運營維護中，都需要大型養路機械搗固車、穩定車進行起道、撥道、搗固穩定作業，以便改善有砟道床幾何平順性，恢復道床彈性和動力學性能[1-4]。目前大型養路機械(后簡稱大機)作業已成為改善道床性能的主要手段，對于大機作業與有砟道床性能影響的相關研究，受到了國內外學者大量的關注。

Kim等[5]利用基于圖像的三維離散單元法建立搗固與軌枕之間的模型，對三種軌枕進行模擬搗固作業，研究分析搗固后的密實度和配位數，模擬結果說明不同軌枕對搗固效果具有一定的影響。周海燕等[6]建立鐵路散體道床搗固作業的離散元分析模型模擬搗固作業，結果表明：搗固作業各階段中夾持階段道砟破碎量最大，在滿足道床密實度的條件下，道砟破碎量較小的搗固頻率約為45 Hz。張亞晴等[7-8]利用離散元法模擬分析了不同搗固參數(搗固頻率、搗固振幅)對道砟密實度的影響，結果表明：窄級配的道床采用大振幅、低頻率的搗固參數時，搗固的效果較好,寬級配的道床采用小振幅、高頻率的搗固參數時,搗固的效果較好。王眾保等[9]采用多體動力學幾何外形和離散單元分別對搗固鎬與道砟顆粒的運動狀態進行模擬試驗，研究結果表明：插鎬速度最優值為0.5 m/s，插鎬深度最優值為90 mm。SAUSSINE等[10]通過離散元法模擬搗固作業對道床密實程度的影響，發現搗鎬下插階段道床的密實程度增加50%，搗固頻率的增加密實程度也會隨之增加。LU M等[11-13]為了揭示道砟顆粒破碎機理，使用離散元法建立道砟模型數值模型，分析并預測道砟顆粒破碎后的物理力學特性。劉洋澤鵬等[14]利用大型直剪試驗設備對新建鐵路一級道砟開展壓力直剪試驗，研究表明：道砟在剪切面區域會發生明顯的尖角破碎，大粒徑顆粒減少，小粒徑顆粒明顯增加；隨著法向壓力的增加，表明道砟破碎加劇。Suhr等[15]采用離散元法對兩種不同的道砟進行直剪試驗，試驗發現道砟具有明顯的顆粒破碎。Lim W L等[16-17]對道砟顆粒的壓縮破碎試驗及相對應的離散元計算結果均表明：在拉伸強度下隨著道砟尺寸的增大,道砟破碎率不斷增加。嚴穎等[18]采用離散元法進行數值模擬道砟徑向加載破碎過程，分析應力應變曲線以及顆粒破碎機制。

由于大機作業后道砟級配數據采集困難，國內外學者一般使用軟件仿真模擬研究，因此對于大機實際作業對道砟級配破壞的研究相對較少，根據大機搗固穩定作業原理和現場調查情況，大機作業過程中破壞道砟的現象顯著，針對這種現象并結合施工實際情況，本文研究常用的大機組合作業模式對道砟級配破壞的影響，探尋大機組合作業模式對道砟級配破壞的試驗規律。

1 試驗設計

為使試驗結果盡可能符合現場施工實際，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標準。

具體試驗設計如下：

1)大機組合作業模式選擇現場常用的一搗一穩、一搗兩穩、兩搗一穩3種模式進行，每種作業測試6遍，不設置起撥量，每種模式為同一臺搗固車和同一穩定車在相同參數設置下進行施工，減少大機不一致造成的試驗誤差。

2)3種作業模式試驗在中老鐵路橄欖壩站同一股道線路前后進行，減少道砟初始級配偏差影響。

3)為了避免其他的道砟對試驗道砟影響，施工試驗時采用不回新砟方式進行。

4)試驗地段數據采集步驟：第一步，在試驗地段測試道砟初始級配進行比較分析；第二步，在道砟初始級配之間選擇偏差較小的地段分別進行一搗一穩、一搗兩穩、兩搗一穩3種模式組織施工作業，每進行一遍進行一次數據采集并記錄。例如一搗一穩組合作業模式試驗施工過程中道砟選點取樣、大機作業、篩分、稱重施工如圖1所示。

2 試驗結果分析

2.1 一搗一穩組合作業模式的試驗結果和分析

經過一搗一穩組合作業6遍作業以后，道砟從初始狀態到第6遍作業結束的外觀狀態如圖2所示。

從圖2中可以明顯的看出，大機一搗一穩組合作業后使得道砟外觀、粒徑存在明顯變化，大粒徑的道砟數量減少，小粒徑道砟增多。經現場施作和數據采集，將采集數據處理成為過篩質量百分率，得到一搗一穩組合作業模式6遍的道砟級配如表1所示。

為了分析道砟級配隨大機作業遍數的變化規律，定義各粒徑道砟的質量變化率δij來分析大機作業遍數相對于初始道砟級配的變化影響，其計算公式如下：

(1)

其中，Xij為表1中過篩質量百分率；i=1,2,…,6，表示大機作業遍數；j=0,1,2,…,5，表示過篩質量百分率Xij對應16 mm～63 mm道砟各粒徑數據位置，j=0時，Xi0=0。

表1 試驗結果

為了進一步反映大機第6遍作業后對整體道砟級配的影響變化，定義各粒徑道砟質量整體變化增減率Δj來分析第6遍作業后道砟級配變化，其計算公式如下：

Δj=δ6j(X0j+1-X0)

(2)

利用式(1)、式(2)計算處理后，得到一搗一穩組合作業模式對道砟級配的計算結果見表2。

表2 計算結果

由表2得出以下結論：道砟級配隨著一搗一穩組合作業遍數的增加，粒徑16 mm以下，16 mm～25 mm，25 mm～35.5 mm，35.5 mm～45 mm道砟質量占比逐步增加，而粒徑45 mm～56 mm，56 mm～63 mm道砟占比逐步減少。經過第6遍作業以后，粒徑16 mm以下道砟增加了54.55%、增加量占整體道砟的1.20%，粒徑16 mm～25 mm道砟增加了45.71%、增加量占整體道砟的4.80%，粒徑25 mm～35.5 mm道砟增加了9.02%、增加量占整體道砟的2.20%，粒徑35.5 mm～45 mm粒徑道砟增加了12.55%、增加量占整體道砟的3.40%，粒徑45 mm～56 mm道砟減少了-23.05%、減少量占整體道砟的-6.50%，粒徑56 mm～63 mm道砟減少了-67.11%,減少量占整體道砟的-5.10%。參照新建鐵路一級道砟標準，從表1中數據可以看出大機作業會改變道砟的級配，大機一搗一穩組合作業在第3遍開始使得道砟級配超過一級道砟標準，后隨著作業遍數的增加，超標量逐步增大。

2.2 一搗兩穩組合作業模式的試驗結果和分析

按照一搗一穩同樣的方法對一搗兩穩組合作業模式數據進行采集和處理，得到一搗兩穩組合作業模式對道砟級配的影響結果見表3。

表3 試驗結果和計算結果(一)

由表3得出以下結論：道砟級配隨著一搗兩穩組合作業遍數的增加，粒徑16 mm以下，16 mm～25 mm，25 mm～35.5 mm，35.5 mm～45 mm道砟占比逐步增加，而粒徑45 mm～56 mm，56 mm～63 mm道砟占比逐步減少；其中經歷第6遍作業以后，粒徑16 mm以下道砟增加了52.17%、增加量占整體道砟的1.20%，粒徑16 mm～25 mm道砟增加了49.50%、增加量占整體道砟的5.00%，粒徑25 mm～35.5 mm道砟增加了5.28%、增加量占整體道砟的1.30%，粒徑35.5 mm～45 mm粒徑道砟增加了12.45%、增加量占整體道砟的3.40%，粒徑45 mm～56 mm道砟減少了-22.46%、減少量占整體道砟的-6.40%，粒徑56 mm～63 mm道砟減少了-62.50%、減少量占整體道砟的-4.50%。參照新建鐵路一級道砟標準，大機一搗兩穩組合作業在第3遍開始使得道砟級配超過一級道砟標準，后隨著作業遍數的增加，超標量逐步增大。

2.3 兩搗一穩組合作業模式的試驗結果和分析

按照一搗一穩同樣的方法對兩搗一穩組合作業模式數據進行采集和處理，得到兩搗一穩組合作業模式對道砟級配的影響結果見表4。

由表4得出以下結論：道砟級配隨著兩搗一穩組合作業遍數的增加，粒徑16 mm以下，16 mm～25 mm,25 mm～35.5 mm，35.5 mm～45 mm道砟占比逐步增加，而粒徑45 mm～56 mm,56 mm～63 mm道砟占比逐步減少。其中經歷第6遍作業以后，粒徑16 mm以下道砟增加了190.48%、增加量占整體道砟的4.00%，粒徑16 mm～25 mm道砟增加了76.58%、增加量占整體道砟的8.50%，粒徑25 mm～35.5 mm道砟增加了5.53%、增加量占整體道砟的1.30%，粒徑35.5 mm～45 mm粒徑道砟增加了1.05%、增加量占整體道砟的0.30%，粒徑45 mm～56 mm道砟減少了-25.19%、減少量占整體道砟的-6.70%，粒徑56 mm～63 mm道砟減少了-91.36%、減少量占整體道砟的-7.40%。參照新建鐵路一級道砟標準，大機兩搗一穩組合作業在第2遍開始使得道砟級配超過一級道砟標準，后隨著作業遍數的增加，超標量逐步增大。

表4 試驗結果和計算結果(二)

綜合上述3種組合作業模式可以看出：不管哪種組合作業模式，隨著作業遍數的增加，都會使粒徑56 mm以上道砟破壞成粒徑45 mm以下的道砟，意味著大粒徑道砟隨著大機作業遍數的增加會逐步破碎成為小粒徑道砟，使得道砟級配發生改變。因此建議在不回砟的情況下，一搗一穩、一搗兩穩組合作業控制在3遍以內，兩搗一穩作業控制在2遍以內，不然易造成一級道砟級配的破壞。

3 不同作業模式道砟級配破壞分析

將一搗一穩、一搗兩穩、兩搗一穩3種大機組合作業模式的道砟初始級配和第6遍作業后的道砟級配進行對比分析如圖3所示，發現3種模式道砟初級級配數據基本一致，經過6遍作業以后，發現一搗一穩、一搗兩穩兩種作業模式道砟級配變化十分相近，而兩搗一穩比一搗一穩、一搗兩穩作業后的級配差別較大，在兩搗一穩作業模式中，小粒徑道砟增加較為顯著。

在3種組合作業模式中，每遍一搗兩穩和兩搗一穩組合作業分別在一搗一穩基礎上多增加一次穩定和一次搗固作業，因此可以一搗一穩組合作業為比較標準來分析3種模式道砟破壞影響。為了進一步分析反映不同大機組合作業模式對道砟級配破壞之間的研究，減少初始道砟級配對比較結果的影響，定義同一作業遍數下不同組合作業模式之間道砟級配相差率e作為評定指標，由式(3)進行計算。

e=δ-δ0

(3)

其中，δ0為一搗一穩作業道砟質量變化率；δ為一搗兩穩或兩搗一穩作業道砟質量變化率。

根據表2～表4中得到的隨大機作業遍數道砟質量變化率，利用式(3)得到一搗兩穩、兩搗一穩相對于一搗一穩作業道砟相差率見圖4。

得到如下結論：

1)一搗一穩和一搗兩穩組合作業數據比較發現，動力穩定車作業對道砟級配破壞相對較小，在相同遍數下各粒徑道砟級配破壞相差率在10%以內。

2)一搗一穩和兩搗一穩組合作業數據比較發現，搗固車對道砟級配破壞比較大，各粒徑道砟級配破壞質量變化相差率最大達135.93%，明顯將大粒徑56 mm以上的道砟逐步破壞成小粒徑25 mm以下的道砟。

4 結論

大機組合作業是改善鐵路有砟軌道幾何不平順的主要手段，但在施工作業過程中會破壞道砟的初始級配。本文采用3種大機組合作業模式來研究道砟在不同作業模式下的破壞規律，主要得到以下結論：

1)隨著作業遍數的增加，都會使粒徑56 mm及以上道砟破壞成粒徑45 mm以下的道砟，使得道砟級配發生改變。

2)不同組合作業模式中比較發現，搗固車對道砟破壞較為明顯，第6遍作業后各粒徑道砟級配破壞質量變化相差率最高達135.93%，而穩定車作業對道砟級配破壞相對較小，各粒徑道砟級配破壞相差率在10%以內。

3)在不回砟大機組合作業模式施工中，如線路中線撥道作業，建議一搗一穩、一搗兩穩組合作業控制在3遍以內，兩搗一穩作業控制在2遍以內，以免造成一級道砟級配破壞嚴重。