有砟高鐵清篩軌道質(zhì)量分級(jí)控制指標(biāo)研究

摘要：【目的】為了提高有砟高鐵道床周期維修的效果，以及規(guī)范有砟高鐵道床清篩的施工流程。【方法】基于滬蓉線合寧段2019年1月—2023年5月動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)，繪制軌道質(zhì)量指數(shù)（TQI）的時(shí)域曲線和TQI變化率散點(diǎn)圖。【結(jié)果】研究發(fā)現(xiàn)軌道進(jìn)入“損耗期”時(shí)距離上一次周期維修的最短時(shí)間為12 個(gè)月；TQI 變化率大于2.0%時(shí)對(duì)應(yīng)的TQI 值為TQI≥4.0 mm。基于滬蓉線合寧段2022 年10 月—11 月清篩施工過(guò)程中，道床在各工序作業(yè)前、后測(cè)量的TQI 數(shù)據(jù)，整理得到各工序后軌道TQI 下降的平均值，結(jié)合施工作業(yè)驗(yàn)收要求和有砟高鐵線路清篩前的TQI 值，提出有砟高鐵道床清篩的軌道質(zhì)量分級(jí)控制指標(biāo)。軌道質(zhì)量指數(shù)（TQI）時(shí)域曲線呈現(xiàn)“浴盆曲線”特征，應(yīng)在軌道處于“損耗期”前進(jìn)行道床周期性維修作業(yè)；有砟高鐵道床周期維修的TQI 指標(biāo)：TQI≥4.0 mm，有砟高鐵道床周期維修宜以12 個(gè)月為周期；提出有砟高鐵道床清篩的作業(yè)分級(jí)管控指標(biāo)，施工后靜態(tài)軌道質(zhì)量需滿足：清篩并三搗兩穩(wěn)后TQI≤5.0 mm，五搗三穩(wěn)后TQI≤4.5 mm，七搗四穩(wěn)后TQI≤4.0 mm，1 次精搗后TQI≤3.0 mm，2次精搗后TQI≤2.5 mm。【結(jié)論】軌道質(zhì)量分級(jí)控制的研究為有砟高鐵道床養(yǎng)護(hù)維修的管理和施工提供了參考。

關(guān)鍵詞：有砟高鐵；軌道質(zhì)量指數(shù)；道床清篩；道床搗固；修理周期

中圖分類號(hào)：U238；TB535 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

本文引用格式：王有能. 有砟高鐵清篩軌道質(zhì)量分級(jí)控制指標(biāo)研究[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2024，41（6）：35-42.

【研究意義】有砟道床在我國(guó)250 km/h等級(jí)高鐵線路中廣泛應(yīng)用。為保證高速鐵路線路的高平順性，需定期對(duì)道床進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，在道床病害嚴(yán)重時(shí)甚至需要進(jìn)行道床清篩作業(yè)。如何確定有砟高鐵的道床修理周期，以及如何確定道床清篩大修的作業(yè)流程和作業(yè)驗(yàn)收指標(biāo)，是鐵路工務(wù)部門亟待解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

我國(guó)部分有砟高鐵線路運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)，如滬蓉線運(yùn)營(yíng)時(shí)間近15 年，其道床出現(xiàn)不同程度板結(jié)、粉化，并出現(xiàn)道砟磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象，僅僅通過(guò)搗固維修已無(wú)法保證道床質(zhì)量，需要進(jìn)行道床清篩作業(yè)。然而現(xiàn)有規(guī)范沒(méi)有對(duì)有砟高鐵道床周期維修和道床清篩大修提出明確的規(guī)定。

【研究進(jìn)展】關(guān)于有砟高鐵道床的養(yǎng)護(hù)維修，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從維修管理和維修效果等不同角度進(jìn)行了大量研究。寧國(guó)平[1]基于金麗溫鐵路的軌道精調(diào)工作，總結(jié)出有砟高鐵精調(diào)內(nèi)容、精調(diào)流程相關(guān)注意事項(xiàng)。漆光凱等[2]基于南昆客專線有砟高鐵道床病害，對(duì)有砟高鐵道床養(yǎng)護(hù)維修中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并從管理層面提出優(yōu)化建議。戴宗林[3]基于合寧高鐵搗固維修施工經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)軌道動(dòng)力學(xué)理論，分析了大機(jī)搗固、人工精調(diào)作業(yè)、鋼軌打磨等方法對(duì)軌道矢高偏差的改善效果。時(shí)瑾等[4]通過(guò)撥道效果對(duì)搗固作業(yè)效果影響的研究，發(fā)現(xiàn)撥道量過(guò)大或過(guò)小、撥道策略不利易導(dǎo)致作業(yè)效果不佳，并由此建立了考慮撥道影響因素的撥道方案優(yōu)化模型。王英杰等[5]通過(guò)分析新建有砟高鐵線路的精搗數(shù)據(jù)，通過(guò)帶通濾波及中點(diǎn)弦測(cè)法，分析波長(zhǎng)對(duì)精搗作業(yè)質(zhì)量的影響。張雨瀟[6]梳理了五搗三穩(wěn)作業(yè)流程，提出基于軌道平順性的有砟軌道精搗方案，并實(shí)施于實(shí)際線路，軌道精搗后平順性優(yōu)于其他作業(yè)區(qū)段。Chen[7]基于非線性離散元理論對(duì)高速鐵路有砟軌道力學(xué)維修方法進(jìn)行了探討。Xiao 等[8]基于新建有砟高鐵搗固作業(yè)數(shù)據(jù)，分析了搗固模式、穩(wěn)定頻率和軌道抬升量對(duì)軌道質(zhì)量的影響。這些研究多從高鐵有砟道床的搗固、精搗作業(yè)出發(fā)，研究撥道、搗固參數(shù)等因素對(duì)搗固作業(yè)效果的影響，對(duì)何時(shí)需進(jìn)行周期搗固這一問(wèn)題沒(méi)有給出解答，另外對(duì)道床的清篩大修流程和過(guò)程中的質(zhì)量控制等，也鮮有涉及。

【創(chuàng)新特色】滬蓉線合寧段有砟高鐵道床清篩大修作業(yè)，是我國(guó)第一次對(duì)高速鐵路道床進(jìn)行清篩大修施工。本文基于滬蓉線道床維修工程實(shí)例，確定了高鐵有砟道床維修周期及TQI 指標(biāo)，對(duì)道床的狀態(tài)評(píng)估提供了參考，有利于我國(guó)有砟高鐵周期維修作業(yè)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。【關(guān)鍵問(wèn)題】提出的有砟高鐵清篩作業(yè)分級(jí)管控指標(biāo)，填補(bǔ)了鐵路工務(wù)部門在有砟高鐵清篩維修上管理與施工研究的空白，為有砟高鐵清篩作業(yè)提供了依據(jù)，保障了有砟高鐵設(shè)備質(zhì)量。

1 道床周期維修的TQI 指標(biāo)

1.1 TQI 及其單項(xiàng)的時(shí)域特征

1.1.1 TQI 時(shí)域分析

本文所使用的TQI 及其單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)，來(lái)源于滬蓉線綜合檢測(cè)列車2019—2023 年對(duì)滬蓉線合寧段上行（K383—K406）的檢測(cè)結(jié)果。數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度為4 年5 個(gè)月。滬蓉線上行合寧段TQI 均值隨時(shí)間變化的趨勢(shì)如圖1 所示。2019 年11 月—2020年2 月、2021 年8 月—9 月、2022 年10 月—11 月，TQI 出現(xiàn)了突降，結(jié)合相關(guān)檢修記錄（表1），得知這3 個(gè)時(shí)段為大機(jī)維修過(guò)程，前兩次突降為周期搗固維修，2022 年10 月—11 月為道床清篩大修作業(yè)，與實(shí)際符合。

從圖1 可以明顯看到，2019 年11 月—2021 年7月（共21 個(gè)月）、2021 年7 月—2022 年9 月（共14 個(gè)月），TQI 呈現(xiàn)出先急劇下降、后緩慢增大、再迅速上升的變化過(guò)程。在區(qū)段TQI 均值趨近4.5 mm時(shí)，經(jīng)過(guò)短期的維修施工使得區(qū)段TQI 下降到一個(gè)較低的水平；軌道在施工作業(yè)后的12～15 個(gè)月內(nèi)保持較高的軌道幾何平順性，TQI 緩慢增長(zhǎng)；超過(guò)12～15 個(gè)月之后，TQI 迅速增大，軌道平順性劣化速率加快，區(qū)段TQI 迅速增加至4.5 mm左右。并且在2019 年1月—11 月、2022 年9 月—2023 年5 月，TQI 的變化符合已有特征。這種“兩邊高、中間低”的變化規(guī)律類似于經(jīng)典失效率曲線“浴盆曲線”[9]，如圖2 所示。浴盆曲線以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以設(shè)備失效率為縱坐標(biāo)，呈現(xiàn)兩邊高、中間低的形狀。失效率隨著時(shí)間分為早期故障期、偶然故障期、損耗故障期3 個(gè)階段[10]。

《高速鐵路線路維修規(guī)則》（國(guó)鐵設(shè)備監(jiān)規(guī)[2023]15號(hào)）中規(guī)定：200～250 km/h 線路軌道質(zhì)量指數(shù)需滿足TQIlt;7.0，250（不含）～300 km/h 線路需滿足TQIlt;5.0 mm。滬蓉線列車運(yùn)行速度在250 km/h 以下，清篩前其TQI 值最高未超過(guò)5.0 mm，然而其道床病害已十分嚴(yán)重。因此規(guī)范中對(duì)于200～250 km/h 線路的軌道質(zhì)量指數(shù)要求已不適用于滬蓉線。

為保證軌道道床長(zhǎng)期保持平順和穩(wěn)定狀態(tài)，需確立一個(gè)有砟高鐵道床周期維修作業(yè)的軌道質(zhì)量參考指標(biāo)。為分析圖1 中TQI 迅速上升的數(shù)據(jù)特征，引入TQI 變化率的概念。TQI 變化率，定義為相同時(shí)段（這里取1 個(gè)月）TQI 值的改變量與上一月TQI 值之比，即

式中：j 為時(shí)間序列；αTQI， j 為第j 次的TQI 變化率；TQIj 為第j 次的TQI 值，mm。

以TQI 變化率為縱坐標(biāo)、TQI 值為橫坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖（未計(jì)入施工時(shí)段的TQI 變化率數(shù)據(jù)），如圖3 所示。從圖3 中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TQI≤3.0 mm 和TQI≥4.0 mm時(shí)，TQI 變化率往往都大于2.0%，且出現(xiàn)峰值的情況較多。而當(dāng)3.5 mm

本文結(jié)合滬蓉線清篩前后的TQI 數(shù)據(jù)和浴盆曲線概念模型，將1 個(gè)檢修周期中，軌道平順性狀態(tài)變化過(guò)程劃分為3 個(gè)不同的階段。TQI 從峰值經(jīng)過(guò)維修后下降至最低點(diǎn)，為第1 個(gè)階段，為軌道的“ 維修期”。以TQI=4.0 mm 為分界點(diǎn)，TQIlt;4.0 mm 代表軌道處于周期維修作業(yè)后的“有效壽命期”，為第2 個(gè)階段；TQIgt;4.0 mm 代表軌道處于“損耗期”，為第3 個(gè)階段。那么滬蓉線上行區(qū)段TQI 變化2 段“浴盆曲線”的“有效壽命期”分別為15 個(gè)月、12 個(gè)月。將周期維修作業(yè)后軌道TQIlt;4.0 mm 的狀態(tài)（此段時(shí)間，線路保持較高的可靠性、穩(wěn)定性、平順性）定義為周期維修后的軌道質(zhì)量保持時(shí)間。

綜上分析可知，有砟高鐵道床TQI 指標(biāo)從清篩施工至迅速增加的最短時(shí)間約12 個(gè)月，即清篩后軌道質(zhì)量迅速惡化的時(shí)間為12 個(gè)月。因此建議以12 個(gè)月為周期，對(duì)有砟高鐵道床進(jìn)行周期性搗固作業(yè)。

1.1.2 單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)域分析

統(tǒng)計(jì)2019 年1 月—2023 年5 月滬蓉線合寧段上行TQI 的7 個(gè)單項(xiàng)，左軌向、右軌向、左高低、右高低、水平、軌距、三角坑的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可知，TQI 的7 個(gè)單項(xiàng)分量，除軌距外，其余單項(xiàng)基本與TQI 保持相同的變化趨勢(shì)。搗固維修引起軌距的下降幅度小于其他單項(xiàng)的下降幅度，即軌距受周期搗固維修的影響較小，而清篩大修作業(yè)對(duì)軌距不平順的改善較為明顯。

軌道左右高低的數(shù)值接近，而在2019 年1 月—10 月，左軌向比右軌向小0.3～0.5 mm，經(jīng)歷2019 年10 月的搗固維修后，左軌向略大于右軌向。

統(tǒng)計(jì)道床清篩作業(yè)前后各單項(xiàng)指標(biāo)的變化幅值，與TQI 變化值相比，得到各單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)TQI 的貢獻(xiàn)程度。2019—2023 年中3 次維修作業(yè)的單項(xiàng)指標(biāo)貢獻(xiàn)比結(jié)果如圖5 所示。

圖5 表明左高低、右高低對(duì)TQI 下降的貢獻(xiàn)程度最大，介于16%～20%。軌距不平順由于本身數(shù)值較小，因此其對(duì)TQI 下降的貢獻(xiàn)程度也較小。

1.2 道床臟污率實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

我國(guó)鐵路道床搗固周期的確認(rèn)，以道床臟污率為重要參考依據(jù)[11]。采用取樣篩分的方法測(cè)量滬蓉線清篩后的道床臟污率，以判斷周期搗固維修后約12 個(gè)月道床的臟污情況（取樣測(cè)試的時(shí)間為2022 年8 月21 日，上一次周期維修時(shí)間為2021 年8月—9 月）。

按照道岔區(qū)每100 m至少測(cè)1 處，同一道岔區(qū)至少測(cè)2 處，區(qū)間路段每1 km至少1 處的原則，將取回樣本進(jìn)行粒徑篩分試驗(yàn)并進(jìn)行臟污率分析。取樣對(duì)應(yīng)滬蓉線上行里程為：K396+025，K391+850，K389+275。取樣過(guò)程中，將軌枕以下300 mm范圍內(nèi)的道砟和臟污全部裝入編織袋，按實(shí)際挖出砟土量進(jìn)行后續(xù)臟污率測(cè)試。分別依次用25，16，10 mm和5 mm 4 種孔徑規(guī)格的篩子對(duì)砟土進(jìn)行篩分。其中，25 mm粒徑為我國(guó)《高速鐵路線路維修規(guī)則》（國(guó)鐵設(shè)備監(jiān)規(guī)[2023]15 號(hào)）中有砟道床臟污率計(jì)算的尺寸要求，16 mm和10 mm為國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者廣泛推薦的粒徑污染物尺寸，5 mm以下粒徑則出于英國(guó)Zetica 公司道床臟污指數(shù)模型。檢測(cè)5 個(gè)采樣點(diǎn)的臟污數(shù)據(jù)如圖6 所示。

以25 mm為篩分孔徑對(duì)應(yīng)的臟污率為例，5 個(gè)采樣點(diǎn)的臟污率分別為25.46%，18.83%，33.24%，35.84%，30.71%，所有采樣點(diǎn)均已經(jīng)達(dá)到嚴(yán)重臟污標(biāo)準(zhǔn)。因此，從道床臟污率的角度來(lái)看，以12 個(gè)月為道床搗固周期是合理的。

2 清篩作業(yè)軌道質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 滬蓉線道床清篩作業(yè)流程

使用大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行線路清篩作業(yè)，是一個(gè)龐大復(fù)雜的作業(yè)過(guò)程，通常包含多個(gè)施工工序[12-13]。本文以2023 年4 月12 日滬蓉線下行合寧段的現(xiàn)場(chǎng)清篩施工流程為例，說(shuō)明有砟高鐵道床清篩作業(yè)的具體施工流程，見(jiàn)圖7。

2023 年滬蓉線下行區(qū)段，采用滾動(dòng)施工制，每個(gè)工序的施工長(zhǎng)度為1 000～1 200 m。實(shí)際施工的單個(gè)完整周期為5 個(gè)天窗，搗固總次數(shù)11 次，穩(wěn)定次數(shù)6 次。通常在精搗1 工序作業(yè)結(jié)束后，若該區(qū)段的軌道質(zhì)量已達(dá)到既定目標(biāo)，則該區(qū)段無(wú)需進(jìn)行精搗2 工序。施工機(jī)組配備清篩機(jī)（Q）2 臺(tái)、搗固車（D）8 臺(tái)、穩(wěn)定車（W）4 臺(tái)、配砟車（P）3 臺(tái)，物料運(yùn)輸車（WY）6 臺(tái)，平板車（N）、（K）車若干。

2.2 軌道質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)

以滬蓉線上行K382+900—K406+670 區(qū)域（長(zhǎng)23.770 km，共包含28 個(gè)作業(yè)區(qū)段）為例，剖析清篩作業(yè)過(guò)程中的TQI 變化。

清篩施工作業(yè)流程包含5 個(gè)工況，見(jiàn)表2。在每個(gè)工況的作業(yè)前、作業(yè)后分別進(jìn)行一次測(cè)量，獲取該區(qū)段的TQI 數(shù)據(jù)。使用Matlab 提取TQI 各單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)，并將同一工序作業(yè)前后的TQI 取平均值，匯總結(jié)果如圖8 所示。

從圖8 中可以看到，經(jīng)清篩+搗固1 工序，區(qū)段TQI 平均值下降0.5 mm；經(jīng)搗穩(wěn)2、搗穩(wěn)3 工序，TQI平均值降低總和為1.2 mm；精搗1 工序?qū)壍蕾|(zhì)量改善明顯，TQI 值降低達(dá)0.7 mm；由于精搗1 工序后道床平順性較高，精搗2 工序后TQI 值降低較小。另外，目前我國(guó)有砟高鐵線路大多運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)，且未進(jìn)行過(guò)道床清篩大修，多為1～3 年1 次的周期修，軌道質(zhì)量難以保證，TQI 值可能高于5.0 mm。為保證清篩大修作業(yè)效果，保證高鐵道床的高平順性，使得軌道質(zhì)量達(dá)到作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，最后一次精搗作業(yè)后軌道TQI 值需滿足條件：TQI≤2.5 mm。本文基于滬蓉線施工經(jīng)驗(yàn)，提出有砟高鐵道床清篩作業(yè)分級(jí)管控指標(biāo)，施工后靜態(tài)軌道質(zhì)量需滿足：清篩并三搗兩穩(wěn)后TQI≤5.0 mm，五搗三穩(wěn)后TQI≤4.5 mm，七搗四穩(wěn)后TQI≤4.0 mm，精搗1 后TQI≤3.0 mm，精搗2 后TQI≤2.5 mm。分級(jí)管控指標(biāo)示意如圖7 所示。

圖9 中，不同工序使用不同顏色的梯形表示，梯形長(zhǎng)邊代表該工序作業(yè)前的TQI 值，梯形的短邊代表該工序作業(yè)后的TQI 值。各工序作業(yè)前后測(cè)得的TQI 值應(yīng)在圖7 中顏色區(qū)域范圍內(nèi)。以第二道工序（黃色區(qū)域）為例，黃色梯形的長(zhǎng)邊為5.0 mm，代表作業(yè)前道床TQI 值須在5.0 mm以下；黃色梯形的短邊為4.5 mm，代表作業(yè)后道床TQI值須在4.5 mm 以下。因此五搗三穩(wěn)工序作業(yè)前、后測(cè)得的TQI 值，應(yīng)處在黃色區(qū)域內(nèi)。其余工序以此類推。

3 結(jié)論

結(jié)合我國(guó)首次有砟高鐵道床清篩大修作業(yè)工程，基于滬蓉線合寧段綜合檢測(cè)車的動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)，以及清篩施工過(guò)程中，各工序前、后測(cè)量的TQI數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)篩選整理，并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

1）提出有砟高鐵道床清篩的軌道質(zhì)量指數(shù)指標(biāo)：TQI≥4.0 mm，建議以12 個(gè)月為周期對(duì)有砟高鐵線路進(jìn)行周期維修，并通過(guò)道床臟污率進(jìn)行了驗(yàn)證。

2）基于滬蓉線清篩成功經(jīng)驗(yàn)，建議有砟高鐵清篩采用以下流程：第1 天，清篩后三搗兩穩(wěn)作業(yè)；第2 天，兩搗一穩(wěn)作業(yè)；第3 天，兩搗一穩(wěn)作業(yè)，精測(cè)網(wǎng)測(cè)量；第4 天，大機(jī)精搗兩搗一穩(wěn)作業(yè)，同步精測(cè)網(wǎng)測(cè)量；第5 天，大機(jī)精搗兩搗一穩(wěn)作業(yè)。

3）提出有砟高鐵道床清篩作業(yè)的分級(jí)管控指標(biāo)，施工后靜態(tài)軌道質(zhì)量需滿足：清篩后TQI≤5.0 mm，三搗兩穩(wěn)后TQI≤4.5 mm，五搗三穩(wěn)后TQI≤4.0 mm，精搗1 工序后TQI≤3.0 mm，精搗2工序后TQI≤2.5 mm。

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通信作者：王有能（1981—），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檐壍鲤B(yǎng)護(hù)維修。E-mail：wangyouneng@163.com。

（責(zé)任編輯：李根）

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研課題（2022230）