夏孝維 上海鐵路局蚌埠工務(wù)段

既有線有砟軌道垂向不平順影響因素分析及對(duì)策

夏孝維 上海鐵路局蚌埠工務(wù)段

針對(duì)管內(nèi)有砟軌道垂向不平順病害情況，統(tǒng)計(jì)分析車載儀垂向加速度數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查復(fù)核，指出站場道岔、站內(nèi)正線、路橋（涵）過渡處、信號(hào)機(jī)絕緣接頭處及曲線緩和部位是有砟軌道垂向不平順的主要部位；提出及時(shí)清篩臟污道床，做好站場排水，在路橋（涵）部位、絕緣接頭處道床下鋪筑橡膠鋪面實(shí)現(xiàn)減振目的等措施，以期對(duì)治理有砟軌道垂向不平順提供有益的思路。

有砟軌道；垂向不平順；道床臟污；路橋（涵）過渡段

有砟軌道結(jié)構(gòu)是由鋼軌、軌枕、碎石道床、道岔、聯(lián)接零件及防爬設(shè)備等部件組成。有砟軌道結(jié)構(gòu)引導(dǎo)著機(jī)車車輛的運(yùn)行，并承受機(jī)車車輛傳遞的動(dòng)荷載，共同構(gòu)成了輪軌接觸式運(yùn)輸系統(tǒng)，軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的好壞直接影響機(jī)車車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性、舒適性及安全性。有砟軌道結(jié)構(gòu)以散體碎石作為道床，具有較好的彈性，且易于養(yǎng)護(hù)維修等優(yōu)點(diǎn)，繁忙干線以其客貨混跑，行車速度、密度高，載重量大等特點(diǎn)，加速了對(duì)有砟軌道結(jié)構(gòu)的破壞。鋼軌的不均勻磨耗，軌枕的空吊，道床的板結(jié)，道床下不同材料屬性結(jié)構(gòu)物之間的過渡等不利因素的存在，使得軌道結(jié)構(gòu)難以保持應(yīng)有的幾何形位，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及行車安全。

綜合利用動(dòng)靜態(tài)的軌道幾何尺寸檢測設(shè)備對(duì)軌道結(jié)構(gòu)周期性的進(jìn)行檢測是科學(xué)線路養(yǎng)護(hù)維修的重要手段，同時(shí)也為軌道結(jié)構(gòu)病害分析提供了可靠的實(shí)測數(shù)據(jù)。本文以蚌埠工務(wù)段宿州線路車間管內(nèi)京滬線2016年4月至9月車載式線路檢查儀實(shí)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過現(xiàn)場調(diào)查復(fù)核的方式，對(duì)車載儀垂向加速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，查找管內(nèi)京滬線車載儀垂向加速度出分的原因，并針對(duì)病害類型，提出建議性的整治措施，以期對(duì)管內(nèi)線路養(yǎng)護(hù)維修提供有益的思路。

1 管內(nèi)車載儀垂向加速度值統(tǒng)計(jì)分析

1.1 管內(nèi)京滬線線路概況

蚌埠工務(wù)段宿州線路車間管轄京滬線上下行K859+000-K910+000，線路折合102 km，正線道岔84組，鋪設(shè)60 kg/ Mu75鋼軌無縫線路，線路采用Ⅲa型混凝土枕（1 667/km），正線道岔為多為單開12號(hào)AT彈性可彎道岔。包含符離集、宿州、蘆嶺等主要站場，其中K880+ 000-K910+000為200 km/h提速區(qū)段，高速重載、高密度是管內(nèi)京滬線行車的特點(diǎn)。

1.2 車載儀垂向加速度值選取

因京滬線每年安排春秋兩季集中修理時(shí)段，結(jié)合2016年度宿州線路車間管內(nèi)京滬線集中修時(shí)間安排在3月份和10月份，為避免線路施工對(duì)車載儀數(shù)據(jù)的干擾，選取4月至9月時(shí)段管內(nèi)京滬線車載儀數(shù)據(jù)。同時(shí)，為使數(shù)據(jù)更具有概率統(tǒng)計(jì)性，將所有車次的的車載儀垂加在0.15 g及以上的數(shù)據(jù)納入考察分析范圍，本次數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)剔除車載儀水平加速度及水平加速度與垂向加速度同時(shí)出現(xiàn)的地段。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)現(xiàn)場復(fù)核分析時(shí)，根據(jù)線路設(shè)備單元及垂向加速度出分的特點(diǎn)，將分析單元分為道岔部位、路橋（涵）過渡段、曲線地段、站內(nèi)正線、信號(hào)機(jī)絕緣接頭處及一般線路地段。同時(shí)，因管內(nèi)京滬上下行 K883+000-K893+000及K895+000-K900+500為弱膨脹土變化地段，為避免數(shù)據(jù)干擾，本次車載儀垂向加速度統(tǒng)計(jì)分析剔除上述地段數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)分析單元的分布情況，以月份為單位，統(tǒng)計(jì)車載儀垂向加速度出分次數(shù)，并將同一地點(diǎn)重復(fù)出現(xiàn)處所按一處統(tǒng)計(jì)。圖1、圖2分別給出了管內(nèi)京滬線上行、下行2016年4月-9月份車載儀垂向加速度統(tǒng)計(jì)情況。

圖1 管內(nèi)京滬上行線垂加統(tǒng)計(jì)情況

圖2 管內(nèi)京滬下行線垂加統(tǒng)計(jì)情況

由圖1、圖2可以看出，上行車載儀垂向加速度在4-8月份出分處所處于低值穩(wěn)定狀態(tài)，而9月份在道岔部位、路橋（涵）過渡段及一般地段相對(duì)增加；下行線車載儀出分處所則按照4到9月份逐月增長，8月及9月份相對(duì)高于其他月份；對(duì)比圖1、圖2可知，下行線垂向加

速度出分處所要明顯高于上行線。

根據(jù)分析單元的劃分，橫向比較道岔部位、路橋（涵）過渡段、曲線地段、站內(nèi)正線、信號(hào)機(jī)絕緣接頭處及一般線路地段車載儀垂向加速度出分情況，如圖3、圖4。

圖3 管內(nèi)京滬上行線垂加分布比例

圖4 管內(nèi)京滬下行線垂加分布比例

由圖3、圖4可以看出，對(duì)于管內(nèi)京滬上下行線，除去一般線路處所外，道岔部位、站內(nèi)正線、路橋（涵）過渡段是車載儀垂向加速度病害的主要部位?，F(xiàn)場復(fù)核后發(fā)現(xiàn)信號(hào)機(jī)絕緣接頭部位及R〈2 000的曲線緩和曲線部位也是車載儀垂向加速度出分的頑固地點(diǎn)。

2 病害原因分析

2.1 板結(jié)道床力學(xué)行為變化

有砟軌道道床是由25 mm～63 mm窄級(jí)配碎石構(gòu)成，為滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，一般選用質(zhì)地堅(jiān)硬的花崗巖和大理石作為道砟使用。新建或經(jīng)過綜合維修的有砟道床經(jīng)過機(jī)車車輛的壓實(shí)后，道床趨于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖5所示。帶有不規(guī)則棱角的粗顆粒碎石之間密實(shí)排布，相互嵌擠、咬合，使得碎石道床具有較高承壓能力和較好的彈性。隨著線路的運(yùn)營，道砟棱角逐漸磨掉，片狀或針狀碎石逐漸磨碎，粉塵、煤灰逐漸填充到道砟空隙中，圖6到圖8反應(yīng)道床逐步臟污板結(jié)的過程。

圖5 級(jí)配碎石道床示意圖

圖6 道床輕度臟污板結(jié)

圖7 道床重度臟污板結(jié)

圖8 道床完全臟污板結(jié)

道床臟污板結(jié)后，道砟空隙之間填充的石質(zhì)碎屑、粉灰、煤灰等細(xì)小顆?；蚍蹱钗铮@種細(xì)小顆?；蚍蹱钗飼?huì)隔離原有道砟碎石之間的嵌擠與咬合。在上部荷載作用下，道砟會(huì)沿著細(xì)小填充物的的隔離面攢動(dòng)，已有的研究表明，臟污道床抵抗上部荷載的剪切能力大為降低，同時(shí)隨著雨水的灌入及上部機(jī)車車輛動(dòng)荷載的作用，會(huì)導(dǎo)致道砟空隙內(nèi)的粉灰、煤灰細(xì)小顆粒逐漸運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步導(dǎo)致道砟顆粒的不穩(wěn)定，在宏觀上表現(xiàn)為板結(jié)道床空吊板、道床翻漿等病害。同時(shí)，因道床的板結(jié)，導(dǎo)致彈性道床的有效厚度減少，研究表明，板結(jié)道床，道床應(yīng)力增加，把車輛與軌道結(jié)構(gòu)作用一個(gè)系統(tǒng)分析，若輪軌力增加20%，道床的振動(dòng)加速度會(huì)增大50%，反過來板結(jié)道床造成的車輛振動(dòng)也會(huì)增加。同時(shí)彈性道床的有效厚度減少，會(huì)顯著降低軌枕底部的橫向阻力，這也是站場內(nèi)岔區(qū)、正線道床板結(jié)垂向及橫向加速度同時(shí)頻繁出現(xiàn)的一個(gè)原因。

管內(nèi)站內(nèi)道岔、正線就呈現(xiàn)這種狀況，如符離集、宿州、蘆嶺站場內(nèi)道床板結(jié)，排水不暢，如圖9所示，車載儀垂向加速度頻發(fā)。而在信號(hào)機(jī)絕緣接頭處，由于電務(wù)信號(hào)平臺(tái)的阻水作用更為明顯，枕間道床灰漿上翻，道床邊坡灰漿外溢，信號(hào)機(jī)絕緣接頭處也成為車載儀垂向加速度出分的頑固地段。在半徑較小的正線曲線緩和曲線地段，曲線下股道床板結(jié)嚴(yán)重，加之承受較大的荷載作用，這種道床板結(jié)攢動(dòng)作用更加明顯，管內(nèi)表現(xiàn)較為明顯的是京滬線上下行K866+028-K866+590和上下行K877+962-K878+ 841曲線緩和曲線處。

圖9 站場內(nèi)道床板結(jié)嚴(yán)重

圖10 信號(hào)機(jī)絕緣接頭處翻漿外溢

2.2 線路結(jié)構(gòu)物剛度差異

鐵路線路道床以下是由路基、橋梁、涵洞等不同構(gòu)筑物共同組合構(gòu)成的道床基礎(chǔ)，由于各結(jié)構(gòu)物之間因材料強(qiáng)度、剛度差異，在上部列車荷載作用下會(huì)導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)物間存在沉降差異。而這種差異在路、橋、涵接觸部位表現(xiàn)的更為顯著，反映到軌面上形成軌面彎折及垂向不平順。

管內(nèi)橋涵因修筑時(shí)間段、維修狀態(tài)不同，與路基過渡地段呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，路橋（涵）經(jīng)過加固處理的過渡段處能夠與路基較好的過渡。而部分鋼梁橋及管內(nèi)2004年至2006年頂進(jìn)的框構(gòu)涵是車載儀路橋（涵）垂向加速度出分的重點(diǎn)地段。如京滬上行線K869+360處框構(gòu)涵，涵洞兩側(cè)與路基本體間存在明顯的沉降差異，沉降最大處達(dá)15 cm,且在路涵過渡地段道床打白砟嚴(yán)重，如圖11、圖12所示。

圖11 路基側(cè)沉降測量

圖12 路涵過渡處軌面打白砟

2.3 動(dòng)荷載垂向沖擊及運(yùn)量差異

車載儀垂向加速度除道床及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物材料差異外，軌面薄弱及缺陷部位也是產(chǎn)生車載儀垂加出分的的原因，主要表現(xiàn)在道岔轍叉有害空間部位，鋁熱焊焊接接頭部位，扣件松動(dòng)、失效處。在高速動(dòng)荷載作用下，軌道結(jié)構(gòu)受到較大的荷載沖擊作用。

同時(shí)因管內(nèi)京滬上下行線之間運(yùn)量存在差異，京滬年通過總重：上行線為68 Mt，下行線為108 Mt，下行線通過的總重量大，機(jī)車車輛對(duì)軌道的破壞能力更強(qiáng)，惡化了車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性，反映到車載儀上便是下行線病害地段明顯高于上行線。

3 整治措施

3.1 站場道床防污排水

既有線站場正線、道岔地段因道床板結(jié)、厚度不足，線路兩側(cè)有月臺(tái)存在，站場內(nèi)排水不良，加之線路維修往往因施工天窗點(diǎn)不足而丟掉站內(nèi)正線或岔區(qū)。長時(shí)間累積導(dǎo)致站內(nèi)線路道岔維修投入不足，成為線路養(yǎng)修的薄弱環(huán)節(jié)。站內(nèi)正線及岔區(qū)道床板結(jié)，可首先做好站場內(nèi)的排水，充分做好站場內(nèi)排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使降雨及時(shí)排出，不積水。同時(shí)可利用道岔大修時(shí)，將道岔大面抬起，并在岔區(qū)填筑強(qiáng)度高質(zhì)地堅(jiān)硬的優(yōu)質(zhì)道砟，并做好站內(nèi)正線及道岔部位的道床清篩。同時(shí)可做好線路重點(diǎn)地段道床臟污率的定期監(jiān)測，可適時(shí)清篩病害頻發(fā)地段。

3.2 剛度平緩過渡及減緩道床應(yīng)力

針對(duì)管內(nèi)框構(gòu)涵與路基之間存在的沉降差異，因路基側(cè)土體沉降經(jīng)過十余年已固結(jié)穩(wěn)定，可在路基側(cè)沉降部位填筑斷面漸變的預(yù)制鋼筋混凝土板，并在混凝土板與框構(gòu)涵上鋪筑橡膠鋪面，以弱化橋涵結(jié)構(gòu)物與路基本體之間剛度差異，同時(shí)橡膠鋪面也能夠降低上部荷載的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)，起到減振作用，橡膠鋪面的尺寸及力學(xué)指標(biāo)、耐久性指標(biāo)可通過試驗(yàn)確定。同樣可在道床應(yīng)力較為集中的信號(hào)機(jī)絕緣接頭道床下部鋪設(shè)橡膠鋪面，并可兼顧部分道床翻漿及基床翻漿。

3.3 加強(qiáng)日常養(yǎng)護(hù)維修

針對(duì)扣件松動(dòng)、失效，及時(shí)做好連接件的松緊補(bǔ)缺，加強(qiáng)日常養(yǎng)護(hù)維修，注重線路搗固質(zhì)量，堅(jiān)持扒砟窩搗固，使枕下道砟密實(shí)。對(duì)鋁熱焊低塌接頭及時(shí)處理，對(duì)傷損設(shè)備及時(shí)更換。

4 結(jié)束語

既有線有砟軌道的養(yǎng)護(hù)維修主要的工作集中在道床上，以往對(duì)于有砟軌道結(jié)構(gòu)更注重從宏觀上研究去研究軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，如經(jīng)典的把軌道結(jié)構(gòu)簡化成彈性地基梁理論，或是后期演化的輪軌彈性阻尼理論。而由碎石道砟構(gòu)成的散體道床在承受來自軌枕荷載作用時(shí)的力學(xué)行為，以及道砟粉化、臟污、排水不暢引發(fā)的板結(jié)道床的力學(xué)變化則是引起運(yùn)營線路道床病害的直接原因；路橋（涵）結(jié)構(gòu)物之間剛度的差異，在荷載作用下，軌道結(jié)構(gòu)形成以軌面為承接面的垂向振動(dòng)，并傳遞給機(jī)車車輛，導(dǎo)致機(jī)車車輛振動(dòng)。

在線路養(yǎng)護(hù)維修中，應(yīng)加強(qiáng)道床臟污的定期監(jiān)測，針對(duì)站場正線及岔區(qū)部位道床板結(jié)臟污，合理安排道床清篩周期，做好站場內(nèi)的排水設(shè)計(jì)，在路橋（涵）過渡處、絕緣接頭處道床下鋪設(shè)橡膠鋪面達(dá)到減振的作用，并做好日常養(yǎng)護(hù)維修的松緊補(bǔ)缺，注重線路搗固質(zhì)量，做好傷損設(shè)備及時(shí)更換，以達(dá)到軌面垂向平順的要求。

［1］易思蓉.鐵道工程[M].北京：中國鐵道出版社. 2009.

［2］高亮.范俊杰.劉秀波.散體道床流變力學(xué)特性研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2001（1）：85-89.

［3］高亮.井國慶等.臟污對(duì)道床剪切性能影響及評(píng)估指標(biāo)的離散元分析[J].工程力學(xué)，2015（8）：96-102.

［4］翟婉明.車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)（第四版）[M].北京：科學(xué)出版社.2015.

［5］高亮.羅奇等.道床斷面尺寸對(duì)道床橫向阻力的影響[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào).2014（6）：954-959.

責(zé)任編輯：萬寶安

來稿日期：2017-02-27