扰动道床施工设备安全状态评估

王晓晨

（国家能源集团朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西忻州 034100）

0 引言

既有线碎石道床进行机械清筛作业，一般要经过申请要点、封闭线路、清筛、起捣作业、限速通车、恢复稳定等一系列过程。在《铁路工务安全规则》（铁运〔2006〕177 号）基础上修订的TG/GW 101—2014《普速铁路工务安全规则》规定：“对于影响道床路基稳定的施工作业，“三捣两稳”作业后，开通后第一列35 km/h，第二列45 km/h，自第三列起限速60 km/h，至次日捣固后第一列限速60 km/h，第二列起限速80 km/h，至第三日捣固后第一列限速80 km/h，第二列限速120 km/h，至第四日捣固后恢复常速。“三捣两稳”作业后，开通后第一列45 km/h，第二列60 km/h，自第三列起限速80 km/h，至次日捣固后第一列限速80 km/h，第二列起限速120 km/h，至第三日捣固后恢复常速。未达到上述捣固、稳定遍数的，应相应降低列车放行速度。开通后第一列35 km/h，第二列45 km/h，不少于4 h，以后限速60 km/h，至次日捣固后第一列限速60 km/h，第二列起限速80 km/h，至第三日捣固后第一列限速80 km/h，第二列限速120 km/h，至第四日捣固后恢复常速。”这些要求对线路正常运输的影响较突出。

提高货物列车轴重和牵引质量，虽然提高了线路的运能，但线路设备的伤损以及轨道几何状态恶化速率会明显加快。朔黄铁路万吨大列开行以来，线路设备病害明显加剧，设备使用寿命、维修周期缩短，尤其道床的中修和大修周期缩短，线路清筛整道工作量增大，反过来又干扰线路的正常运输，影响线路的运输能力。

1 扰动道床作业后碎石道床力学状态参数评估

钢轨在自由状态下因温度变化而热胀冷缩，并不存在温度力，钢轨的温度力是在线路被锁定不能自由伸缩的情况下产生的，因此钢轨的温度力与扣件的阻力、道床的阻力、轨道框架的阻力相互存在，要保持无缝线路的稳定性，就要求碎石道床必须稳定，并提供足够的阻力。有砟轨道道床由散粒体碎石颗粒组成，在方便养护维修的同时，也会由于道砟的这种性质引起轨道的沉降，因此道床清筛后，列车通过时会引起轨道不规则初始沉降，并引发进一步的轨道病害。轨道动力稳定车可使轨道均匀沉降、道床快速稳定，效果相当于通过70～80 万吨荷载，其原理是在施加垂直荷载的同时，轨道动力稳定装置能使轨道结构水平振动，道砟颗粒进行动态的重分布，使道砟孔隙减小，道砟石块相互接触更加紧密，轨道框架埋入碎石道床，并与之产生摩擦咬合，从而达到一个相对稳定的状态。如果道床清筛后只进行了捣固作业，则需要在线路通过一定的运量后，通过列车荷载作用使道床逐渐达到稳定状态，恢复正常速度。道床支承刚度是反映道床密实程度的重要参数，道床累积变形在道床清筛后也是初期变化较大，随着运营逐渐收敛的过程，也可反映道床的状态。

2 不同作业方式对道床状态的影响规律研究

朔黄铁路大机清筛后道床作业主要采取两种方式，在一般路基区段采取“三捣两稳”的作业方式，在桥梁区段采取“三捣”作业方式。采取“三捣两稳”作业方式：线路开通前，道床横向阻力为6.8 kN/枕，即11.3 kN/m，道床纵向阻力为10.2 kN/枕，即17.0 kN/m，道床支承刚度为38.5 kN/枕，第一列列车通过后，横向阻力为7.4 kN/枕，即12.3 kN/m，第二列列车通过后，横向阻力为7.6 kN/枕，即12.7kN/m；采取“三捣”作业方式：线路开通前，道床横向阻力为5.7 kN/枕，即9.5 kN/m，道床纵向阻力为9.6 kN/枕，即16.0 kN/m，道床支承刚度为30.1 kN/枕，第一列列车通过后，横向阻力为6.3 kN/枕，即10.5 kN/m，第二列列车通过后，横向阻力为7.2 kN/枕，即12.0 kN/m，线路运营2 h后，横向阻力为7.4 kN/枕，即12.3 kN/m，线路运营24 h 后，横向阻力为7.5 kN/枕，即12.5 kN/m；随着线路开通后列车荷载的作用，道床逐渐密实，开通后前三趟列车对道床的密实作用最明显，前三趟列车后道床横向阻力增长速率降低，逐渐趋于稳定，而且不同作业方式对清筛作业后道床横向阻力影响较大，采取“三捣两稳”作业方式线路密实的更快，与采取“三捣”作业方式相比，前一种作业方式开通前道床阻力与后一种作业方式第一列列车通过后基本相当，第一列列车通过后与线路运营2 h后的阻力基本相当，第二列列车通过后与线路运营24 h 后的阻力基本相当。

3 扰动道床作业后无缝线路稳定性评估

由于有砟轨道道床处于弹性变形范围，根据实测资料，在荷载作用下轨枕发生微量位移，卸载后道床也会产生残余变形。允许温差取值应把防止无缝线路产生弹动现象作为先决条件，并限制轨道产生累积变形。据测得的日温差频数及轨温昼夜变化无缝线路的横向累积变形，取f=0.02～0.05 cm 所对应的轨温差作为无缝线路稳定性允许差［Δtu］，f 取值与轨道结构类型及道床密实度有关，通常取f=0.02 cm。只要初始弯曲不超过设计允许值，锁定轨温至最高轨温的温度差也不超过允许值。在高温季节一昼夜时间内，无缝线路的最大弯曲变形量不超过0.02 cm，经过一个季度运营后，累积变形量就不会超过0.2 cm，并保证在温度力和列车荷载作用下，不产生弹动现象而失稳。

基于无缝线路稳定性检算方法分析可知，扰动道床施工对道床阻力影响较大，道床横向阻力是决定无缝线路允许温升的重要因素，该指标对允许温降影响不大，因此本节主要针对施工过程中道床横向阻力对无缝线路允许温升影响进行分析。

TB 10413—2003《铁路轨道工程施工质量验收标准》规定：对于混凝土Ⅲ型轨枕，道床达到初期稳定状态时道床横向阻力不得低于7.5 kN/枕，道床达到稳定状态时道床横向阻力不得低于10 kN/枕。项目研究期间，朔黄铁路路基段和桥梁段对清筛后道床横向阻力测试结果符合规定，其中路基段清筛后大机作业方式为“三捣两稳”，桥梁段道床清筛后大机作业方式为“三捣”。随着列车运量的增加，道床逐步密实，道床横向阻力逐步增大。

4 结论

（1）对于路基段采取“三捣两稳”作业方式，线路开通前，道床纵向阻力已可满足开通速度80 km/h 的要求，道床横向阻力已接近开通速度80 km/h 的要求，第一列列车通过后，横向阻力可满足开通速度80 km/h 要求，第二列列车通过后道床横向阻力可满足达到初期稳定状态的要求；对于桥梁段采取“三捣”作业方式，线路开通前，道床纵向阻力同样可满足开通速度80 km/h的要求，道床横向阻力在第二列列车通过后可满足开通速度80 km/h 的要求，在线路开通运营24 h 后，道床横向阻力可达到初期稳定状态的要求。

（2）无论是否进行稳定作业，在线路开通后4 h 以内道床变形较快，列车运行8 h 后道床累积变形逐渐稳定，路基区段总变形约5 mm，桥梁区段约7 mm；但桥梁区段不进行动力稳定作业，总体变形大且不均匀沉降约3 mm，路基区段采取动力稳定作业，其沉降变形以均匀沉降为主，不均匀沉降变形约1 mm，采取稳定作业方式的线路道床密实的更快。

（3）采用不等变形波长理论并基于道床阻力现场测试数据，对R400 m、R600 m、R800 m、R1000 m 和R2000 m 以上及直线的不同曲线半径条件下道床清筛作业前后的无缝线路允许温升进行计算，由计算结果可知，道床清筛维修作业后，因道床横向阻力下降，导致无缝线路允许温升最大下降将近10 ℃。

（4）由监测结果可知，每年7—8 月间轨温达到年度最高，每日12：00—16：00 轨温逐步达到当日最高（60 ℃左右），其中监测期间重车线轨温最高67.6 ℃，朔黄铁路线路设计锁定轨温分布范围在20～31 ℃，即在夏季高温时段无缝线路温升幅度达30～40 ℃。

（5）根据无缝线路允许温升计算结果分析，R800 m 及以上区段，捣固清筛作业后无缝线路允许温升高于40 ℃，即高于实际温升，无缝线路稳定性具备一定安全储备，R800 m 以下区段，捣固清筛作业后无缝线路允许温升已低于40 ℃，尤其是R400 m 曲线，作业后允许温升不足30 ℃，因此应避免在高温时段进行扰动道床作业。

（6）道床刚度对于车辆的轮轨垂横向力、轮重减载率、脱轨系数的影响并不显著，结合现场实际经验可知，道床刚度变化本身对行车动力特性的影响并不显著，但由于低刚度道床原本不密实的道砟接触状态，在列车碾压作用下会引起轨面不平顺的发展，从而引起列车的运行品质下降。

（7）列车运行速度对脱轨系数影响不显著，但对轮重减载率的影响却较大，当列车运行速度由35 km/h 提升至45 km/h、60 km/h、80 km/h、120 km/h 时，列车的轮重减载率分别提高5.26%、15.79%、31.58%、78.95%。说明列车运行速度提高会显著引起车辆轮重减载率的激增，但其量值均在安全限值以内。

（8）列车运行速度由35 km/h 提升至45 km/h、60 km/h、80 km/h、120 km/h 时，车体的垂向加速度分别提高3.95%、15.79%、19.08%、25.00%；车体的横向加速度分别提高3.39%、1.86%、3.39%、32.20%。说明车体的垂、横向加速度均会随着列车运行速度的增加而增大，但均在安全限值内。

（9）根据现场实测、理论计算和仿真分析结果，对桥、隧区段采用大型机械“三捣”作业程序时的开通速度方案进行优化，开通后第一列仍限35 km/h，第二列由“限速45 km/h 且不少于4 h”优化为“限速55 km/h 且不少于2 h”；“以后限速60 km/h，至次日捣固后第一列限速60 km/h，第二列起限速80 km/h”优化为“以后限65 km/h 不少于24 h，以后恢复常速”。

（10）路基段采取“三捣两稳”作业方式线路开通后，脱轨系数实测最大值为0.23（限值1.2），轮重减载率实测最大值为0.17（限值0.65），轮轴横向力实测最大值46.5 kN（轴重25 t，限值119 kN，轴重23 t，限值110.5 kN），各参数均小于相应限值，且有较大的安全冗余；钢轨动弯应力最大值为40.9 MPa，小于钢轨的容许应力，清筛作业后在列车荷载作用下钢轨断轨的风险较小。钢轨横向位移最大值为0.87 mm，轨距变化量最大值1.40 mm，量值均较小，轨道横向稳定性较好；钢轨垂向力最大值为155.1 kN，钢轨垂向位移最大值为0.67 mm，垂向稳定性较好。

（11）桥梁段采取“三捣”作业方式线路开通后，脱轨系数实测最大值为0.67（限值1.2），轮重减载率实测最大值为0.26（限值0.65），轮轴横向力实测最大值68.7 kN（轴重25 t，限值119 kN，轴重23 t，限值110.5 kN），各参数均小于相应限值；钢轨动弯应力最大值为76.9 MPa，小于钢轨的容许应力。钢轨横向位移最大值为3.10 mm，轨距变化量最大值5.38 mm，由于测点位于R500 m 曲线区段，动态轨距变化量较大，仍能满足轨道保养标准要求；钢轨垂向力最大值为175.6 kN，钢轨垂向位移最大值为0.86 mm，轨道垂向稳定性较好。