郝晉斐，潘振，谷牧，王寧，周謙

（1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081；3.中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京100081）

基于移動加載車的重載鐵路區(qū)段軌道剛度限值研究

郝晉斐1，潘振2，谷牧2，王寧1，周謙3

（1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081；3.中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京100081）

基于移動加載車對朔黃鐵路重車線軌道剛度測試數(shù)據(jù)，分析不同道床清篩年份（反映了通過總重的大?。┞坊?、橋梁和隧道剛性基礎(chǔ)區(qū)段軌道剛度分布特征，進(jìn)而針對不同線路區(qū)段軌道剛度演變規(guī)律，采取軌道剛度和軌道剛度變化率作為評價(jià)指標(biāo)，研究提出重載鐵路各區(qū)段軌道剛度管理建議值。路基段軌道剛度管理采用軌道剛度變化率作為控制指標(biāo)，軌道剛度變化率應(yīng)≤20（kN/mm）/m；橋梁段選用軌道剛度和軌道剛度變化率2項(xiàng)指標(biāo)，區(qū)段軌道剛度平均值應(yīng)＜340 kN/mm，軌道剛度變化率應(yīng)＜50（kN/mm）/m；隧道段宜按軌道剛度平均值≤330 kN/mm和軌道剛度變化率≤45（kN/mm）/m控制。

移動加載車；軌道剛度分布；軌道剛度管理值

國內(nèi)外重載鐵路的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)表明，軌道總剛度、軌道各部件剛度、軌道剛度沿縱向的變化率等是影響軌道荷載、結(jié)構(gòu)振動和輪軌相互作用的重要因素。軌道剛度過大會造成輪軌間動力作用增大，軌道結(jié)構(gòu)振動加劇，從而加速軌道及其部件的變形失效、破損；軌道剛度過小會導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)薄弱，造成過大的變形，不利于保持軌道的幾何狀態(tài)，從而增加養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。軌道的各種過渡段之間剛度可能出現(xiàn)較大差異。在這些過渡段中若不合理控制軌道剛度的變化率則會形成大的軌道不平順，進(jìn)而對行車舒適性產(chǎn)生很大影響［1-2］。

近20多年來，國內(nèi)外關(guān)于軌道剛度不合理所產(chǎn)生的問題、某些軌道部件剛度的合理取值等取得了一定的研究成果，但有關(guān)軌道剛度的研究主要集中在軌道剛度不平順對軌道狀態(tài)和軌道部件振動與受力的影響［3-4］，關(guān)于軌道剛度的合理范圍及其對輪軌系統(tǒng)動力特性的影響，在軌道變形失效、部件傷損過程中所起的作用等問題，因無法獲得大量軌道剛度實(shí)測數(shù)據(jù)而缺乏全面深入的研究。

移動加載車研制成功使得軌道剛度連續(xù)、快速檢測得以實(shí)現(xiàn)，為研究不同線路軌道剛度分布特征提供了大量實(shí)測數(shù)據(jù)［5］。本文應(yīng)用2015年8月移動加載車對朔黃鐵路重車線K0+000—K108+000區(qū)段實(shí)測的軌道剛度數(shù)據(jù)，結(jié)合近6年該區(qū)段道床清篩情況，對不同通過總重條件下路基和橋隧剛性基礎(chǔ)區(qū)段的軌道剛度分布特征與演化規(guī)律進(jìn)行分析，并以指導(dǎo)線路清篩作業(yè)為目標(biāo)，嘗試提出朔黃重載鐵路軌道剛度區(qū)段管理建議值。

本文在軌道剛度測試數(shù)據(jù)處理過程中，剔除了線路中過渡段、結(jié)構(gòu)變化頻繁區(qū)段的數(shù)據(jù)。參照軌道幾何狀態(tài)管理中軌道質(zhì)量指數(shù)（TQI）概念，以200 m為數(shù)據(jù)單元，按照不同軌下基礎(chǔ)形式和道床清篩年限，將測試數(shù)據(jù)劃分為不同清篩年份條件下路基區(qū)段、橋梁區(qū)段和隧道區(qū)段3類軌道剛度統(tǒng)計(jì)分析樣本。在數(shù)據(jù)分析過程中，從軌道剛度平均值、軌道剛度變化率2方面，分析不同清篩年份條件下不同線路區(qū)段軌道剛度變化規(guī)律。

1　路基段軌道剛度分布特征與管理建議值

在所研究的區(qū)段中，典型路基段軌道剛度數(shù)據(jù)樣本有229個(gè)，累計(jì)長度47.625 km。全樣本軌道剛度平均值和軌道剛度變化率頻率分布見圖1。路基段軌道剛度平均值的最小值、最大值、平均值分別為92.58，198.11，133.74 kN/mm。路基段軌道剛度平均值頻率＞5%的區(qū)段在105～150 kN/mm，占總體樣本的80.79%。樣本中95%的區(qū)段軌道剛度＜170 kN/mm。路基段軌道剛度變化率的最小值、最大值、平均值分別為3.47，37.80，11.70（kN/mm）/m。路基段軌道剛度變化率頻率＞5%的區(qū)段在4～6（kN/mm）/m，且占總體樣本的82.04%。樣本中96%的區(qū)段剛度變化率＜24（kN/mm）/m。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，朔黃鐵路重車線路基段道床清篩采用機(jī)械清篩和大機(jī)搗固，現(xiàn)場作業(yè)質(zhì)量良好，清篩計(jì)劃的制訂主要依據(jù)大修周期分區(qū)段依次作業(yè)。在統(tǒng)計(jì)的229個(gè)典型路基段軌道剛度樣本中，2015，2014和2013年樣本分別有11，18，5個(gè)。路基段的清篩作業(yè)主要集中在2012，2011和2010年，樣本分別為68，54，34個(gè)，6年內(nèi)沒有清篩的樣本34個(gè)。

路基段軌道剛度和軌道剛度變化率（采用區(qū)段平均值）隨清篩年份的變化見圖2。

圖2　路基段軌道剛度和軌道剛度變化率隨清篩年份的變化

由圖2（a）可見，不同清篩年份路基段軌道剛度無明顯變化，僅2014年較小。路基段軌道剛度數(shù)據(jù)樣本出現(xiàn)較大值和較小值的位置均與線下基礎(chǔ)密切相關(guān)。如總體樣本軌道剛度最大值198.11 kN/mm出現(xiàn)在K92+500—K92+700石河口隧道出口的巖質(zhì)路基段，2012年樣本軌道剛度最大值180.66 kN/mm出現(xiàn)在K64+100—K64+300上陽武11#隧道出口處的巖質(zhì)路基段。軌道區(qū)段剛度平均值＜100 kN/mm的區(qū)段共4個(gè)，分別是K4+050—K4+250，K8+860—K9+ 060，K10+663—K10+863，K33+630—K33+830，依次為小狗澗1#大橋、王虎莊2#大橋、郝家坡2#橋、梁家溝2#橋的出橋填土路基段。

由圖2（b）可見，隨著道床服役時(shí)間增長，路基段軌道剛度變化率增大，6年道床未清篩的樣本達(dá)18.93（kN/mm）/m。軌道剛度變化率大值樣本主要集中在6年內(nèi)道床未清篩的K81+300—K85+700區(qū)段，與線路條件相近的K78+000—K81+300區(qū)段相比軌道剛度變化率明顯增大，表明未清篩條件下道床與路基劣化顯著。由此可見，隨著道床服役時(shí)間增長，軌道剛度變化率逐步增加，隨道床、路基劣化的發(fā)生發(fā)展，軌道剛度變化率最終穩(wěn)定在約20（kN/mm）/m。

依據(jù)路基段軌道剛度劣化規(guī)律，建議采用軌道剛度變化率作為軌道剛度管理指標(biāo)，軌道剛度變化率管理限值定為20（kN/mm）/m。路基段影響軌道剛度的主要因素是線下基礎(chǔ)條件，軌道剛度劣化主要表現(xiàn)為軌道剛度不平順的變化。從現(xiàn)有朔黃鐵路大機(jī)配置數(shù)量以及歷年作業(yè)量來看，基于軌道剛度管理限值的大機(jī)作業(yè)量約占整個(gè)區(qū)段的10%。該管理值可以較好指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修且預(yù)留一定的維修設(shè)備冗余。

2　橋上軌道剛度分布特征與管理建議值

在所研究的區(qū)段中，選取不同清篩年份條件下的橋上軌道剛度樣本，涵蓋該區(qū)段所有大中橋梁。樣本共有40個(gè)，累計(jì)長度7.61 km。在樣本構(gòu)成方面，2014—2010各年樣本數(shù)分別為16，7，2，6，1個(gè)。6年內(nèi)未清篩樣本8個(gè)。

橋梁段全樣本軌道剛度平均值和軌道剛度變化率頻率分布見圖3。橋梁段軌道剛度平均值的最小值、最大值、平均值分別為189.20，386.33，269.11 kN/mm。軌道剛度平均值在各區(qū)間分布均勻，僅在380～400 kN/mm內(nèi)分布頻率較少，占總體樣本的2.5%。橋梁段軌道剛度變化率最小值、最大值、平均值分別為17.26，75.35，35.56（kN/mm）/m。軌道剛度變化率頻率＞5%的區(qū)段分布在10～60（kN/mm）/m，占總體樣本的92.5%。

圖3　橋梁段軌道剛度平均值和軌道剛度變化率頻率分布

橋梁段軌道剛度和軌道剛度變化率（采用區(qū)段平均值）隨清篩年份的變化見圖4。

由圖4（a）可見，隨著通過總重增加橋梁段軌道剛度平均值逐漸增加，2014年清篩樣本軌道剛度平均值為225.02 kN/mm，2011，2010年和6年內(nèi)未清篩道床樣本軌道剛度平均值均達(dá)到300 kN/mm以上，且這3類樣本中軌道剛度平均值＞300 kN/mm的樣本占總數(shù)的80%。由此可以看出在橋梁段軌道基礎(chǔ)較為均衡的條件下，軌道剛度主要受道床狀態(tài)的影響，隨著軌道服役年限增加橋上道床剛度不斷增大，軌道服役3年后軌道剛度平均值穩(wěn)定在340 kN/mm左右。

由圖4（b）可見，2014，2013，2012年清篩樣本軌道剛度變化率分別為26.95，29.85，27.72（kN/mm）/m。隨著軌道服役年限的增加，軌道服役3年后軌道剛度變化率明顯增加，2011，2010年和6年內(nèi)未清篩樣本剛度變化率依次為55.18，54.17，42.00（kN/mm）/m。由此可以得到，橋上軌道服役3年后軌道劣化明顯，且最終軌道剛度變化率平均值穩(wěn)定在50（kN/mm）/m。

朔黃鐵路橋上線路道床清篩采用人工清篩、小機(jī)搗固，相對于大機(jī)作業(yè)存在作業(yè)效率低、清篩不徹底、搗固作業(yè)質(zhì)量難以控制的問題。再加上橋上線路道床厚度普遍不足，橋上線路軌道剛度分布特征與路基區(qū)段顯著不同。從軌道劣化規(guī)律來看，可將橋上線路軌道剛度區(qū)段平均值管理值定為340 kN/mm，將區(qū)段軌道剛度變化率平均值管理值定為50（kN/mm）/m。從橋上道床清篩工作量的角度來看，樣本中軌道剛度＞340 kN/mm的區(qū)段約占12.5%，樣本中軌道剛度變化率＞50（kN/mm）/m的區(qū)段約占12.5%。根據(jù)朔黃鐵路歷年作業(yè)工作量，該管理值可以較好指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修并隨著“狀態(tài)修”的進(jìn)一步深入，在將來維修過程中留有較多的維修能力冗余。

圖4　橋梁段軌道剛度和軌道剛度變化率隨清篩年份的變化

3　隧道內(nèi)軌道剛度分布特征與管理建議值

在所研究的區(qū)段中，選取不同清篩年份隧道段軌道剛度樣本，涵蓋該范圍內(nèi)的所有長大隧道。根據(jù)清篩年份對隧道段軌道剛度樣本進(jìn)行劃分，樣本總數(shù)136個(gè)，累計(jì)長度28.82 km。在樣本構(gòu)成方面，2015—2010年各年樣本個(gè)數(shù)分別為8，22，2，22，7，2個(gè)。6年內(nèi)道床未清篩的樣本為73個(gè)。在維修計(jì)劃制訂中常以整條隧道為單位進(jìn)行清篩，不同隧道長度差異造成不同清篩年份樣本數(shù)量有很大的波動。朔黃鐵路全線最長隧道——長梁山隧道，全長12.78 km，清篩難度最大。在歷年清篩計(jì)劃中僅對隧道洞口處道床進(jìn)行了清篩，隧道內(nèi)絕大部分道床6年內(nèi)未經(jīng)過清篩，故造成6年內(nèi)未清篩樣本較多。

隧道段全樣本軌道剛度平均值和剛度變化率頻率分布見圖5?？梢姡核淼纼?nèi)軌道剛度平均值的最小值、最大值、平均值分別為191.89，432.70，299.16 kN/mm。軌道剛度平均值主要分布在230～350 kN/mm。隧道剛度＞390 kN/mm的區(qū)段占樣本總數(shù)的4.30%。隧道段軌道剛度變化率最小值、最大值、平均值分別為14.71，92.30，37.03（kN/mm）/m。樣本中軌道剛度變化率＞70（kN/mm）/m的區(qū)段占樣本總數(shù)的2.94%。相對橋梁段而言，隧道段軌道剛度整體較大，軌道剛度平順性較差。

圖5　隧道段軌道剛度平均值和軌道剛度變化率頻率分布

隧道段軌道剛度和軌道剛度變化率（采用區(qū)段平均值）隨清篩年份的變化見圖6。

圖6　隧道段軌道剛度和軌道剛度變化率隨清篩年份的變化

由圖6（a）可知，除個(gè)別小樣本對統(tǒng)計(jì)規(guī)律的影響外，不同清篩年份軌道剛度平均值在330 kN/mm左右。從樣本分布情況來看，相較于橋梁段，隧道段軌道剛度＞300 kN/mm樣本分布頻率較高且出現(xiàn)在清篩完成年份較短的樣本中。2015年清篩樣本中已經(jīng)出現(xiàn)軌道剛度＞300 kN/mm的樣本。表明隧道內(nèi)道床清篩整體作業(yè)水平不高，個(gè)別區(qū)段在清篩作業(yè)完成后區(qū)段軌道剛度仍較大，隧道段隨著道床劣化軌道剛度最終穩(wěn)定在330 kN/mm左右。

由圖6（b）可知，除2010年小樣本對統(tǒng)計(jì)規(guī)律的影響外，不同清篩年份軌道剛度變化率均分布在45（kN/mm）/m左右。因此可以看出，隧道段道床清篩質(zhì)量控制較差。

朔黃鐵路隧道段道床清篩施工難度較大，隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境較差，隧道基底病害、隧道內(nèi)煤灰淤積都會嚴(yán)重影響道床狀態(tài)。此外大型機(jī)械設(shè)備難以進(jìn)入隧道進(jìn)行清篩，只能采用人工清篩。考慮到隧道內(nèi)道床清篩難度大，結(jié)合隧道基底病害特點(diǎn)，建議對隧道段軌道剛度管理按軌道剛度平均值≤330 kN/mm和軌道剛度變化率≤45（kN/mm）/m作為清篩作業(yè)控制依據(jù)。

4　結(jié)論

1）隨著道床服役年份（通過總重）增加，路基段軌道剛度變化率逐步增大，可將區(qū)段軌道剛度變化率作為管理指標(biāo)，路基段區(qū)段軌道剛度變化率應(yīng)≤20（kN/mm）/m。

2）橋上線路在服役過程中，軌道剛度、軌道剛度變化率均逐步增大，可選取區(qū)段軌道剛度平均值、軌道剛度變化率作為管理指標(biāo)，區(qū)段軌道剛度平均值應(yīng)＜340 kN/mm，軌道剛度變化率應(yīng)＜50（kN/mm）/m。

3）隧道段軌道剛度變化與橋梁段相似，考慮到隧道內(nèi)道床狀態(tài)受施工條件、基底病害、煤灰淤積的影響，隧道段軌道剛度管理宜按軌道剛度平均值≤330 kN/mm和軌道剛度變化率≤45（kN/mm）/m控制。

［1］張格明.軌道剛度合理值評價(jià)指標(biāo)的研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2002，23（1）：51-57.

［2］王午生，耿傳智.鋼軌墊板和道床動力參數(shù)的試驗(yàn)研究［R］.上海：上海鐵道大學(xué)，2001.

［3］趙國堂.鐵路軌道剛度的確定方法［J］.中國鐵道科學(xué)，2005，26（1）：1-6.

［4］翟婉明.車輛-軌道耦合動力學(xué)［M］.2版.北京：中國鐵道出版社，2002.

［5］潘振，金花，柴雪松，等.移動式線路動態(tài)加載試驗(yàn)車軌道剛度檢測技術(shù)［J］.鐵道建筑，2015（6）：143-146.

（責(zé)任審編李付軍）

Study on Limit Value of Track Stiffness in Heavy Haul Railway
Section with Track Loading Vehicle

HAO Jinfei1，PAN Zhen2，GU Mu2，WANG Ning1，ZHOU Qian3
（1.Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；3.Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Based on the track stiffness test data on Shuozhou-Huanghuagang heavy haul railway based on the mobile loading vehicle，this paper analyzed the track stiffness distribution characteristics of subgrade sections，bridge section and tunnel rigid foundation sections with different ballast bed cleaning years，and put forward the suggestion values for track stiffness management of different heavy haul railway section according to the track stiffness developing law of each section by taking the track stiffness or change rate of track stiffness as the evaluation index. T he change rate of track stiffness should be used as the control index for track stiffness management in subgrade section，which should be≤20（kN/mm）/m，the two indexes including the track stiffness and change rate of track stiffness should be adopted for bridge section，the average value of track stiffness should be＜340 kN/mm and change rate of track stiffness should be＜50（kN/mm）/m in this section，the average value of track stiffness should be≤330 kN/mm and the change rate of track stiffness should be≤45（kN/mm）/m in tunnel section.

M obile loading vehicle；T rack stiffness distribution；T rack stiffness management value

U213.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.28

1003-1995（2016）10-0105-04

2016-05-16；

2016-07-07

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（2015G004-A）

郝晉斐（1989—），男，碩士研究生。