江來偉,岑敏儀,2,3,趙 棟

(1.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756； 2.高速鐵路運(yùn)營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；3.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；4.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 工務(wù)處，甘肅 蘭州 730000)

通過軌道幾何狀態(tài)測量儀和軌道檢查儀(精測)配合大型養(yǎng)路機(jī)械搗固車重復(fù)搗固(精搗)作業(yè)，將軌道方向、左右水平及前后高低的偏差逐漸調(diào)整至作業(yè)驗(yàn)收所容許的范圍內(nèi)，是實(shí)現(xiàn)軌道高平順性和高穩(wěn)定性的一種線路作業(yè)方法。起道抄平作業(yè)為線路精測精搗中一項(xiàng)重要的工作，其一方面通過提升軌排，搗固鎬對軌枕下方道砟進(jìn)行振動(dòng)和擠壓，迫使道砟密實(shí)程度更加均勻，增強(qiáng)道床的穩(wěn)定性；另一方面完成軌道縱橫向抄平，消除軌道方向和高低不平順。新線精搗是聯(lián)調(diào)聯(lián)試之前的一項(xiàng)大型施工作業(yè)，它通過連續(xù)式走行搗固車的搗固穩(wěn)定聯(lián)合重復(fù)作業(yè)實(shí)現(xiàn)有砟軌道的高平順性，其搗固效率和質(zhì)量對線路開通和列車運(yùn)行的安全產(chǎn)生直接影響。

高效率高質(zhì)量的搗固作業(yè)一直是研究的重點(diǎn)，大量學(xué)者致力于研究搗固車養(yǎng)護(hù)作業(yè)對軌道的影響。Kaewunruen等[1]通過建立軌道、軌枕、扣件以及道床動(dòng)態(tài)彈性系統(tǒng)的二維有限元模型，研究不恰當(dāng)搗固引起道床彈性的非線性變化。Saussine等[2]對道砟進(jìn)行三維離散仿真,研究了搗固鎬振動(dòng)頻率對道砟密實(shí)程度的影響。還有些學(xué)者研究既有線軌道惡化數(shù)學(xué)模型，利用非線性規(guī)劃[3]、概率分布與統(tǒng)計(jì)[4]等理論建立搗固作業(yè)預(yù)測模型，以期減少軌道生命周期的養(yǎng)護(hù)成本。徐偉昌[5]提出了由高低、水平和三角坑組成的搗固作業(yè)質(zhì)量評價(jià)指數(shù)，并指出其服從γ分布。Esveld[6]從起道抄平原理角度分析了搗固車作業(yè)誤差及其傳遞函數(shù)。周恭維[7]全面分析了起撥道補(bǔ)償系統(tǒng)。但影響搗固車作業(yè)效果的因素甚多，難以進(jìn)行定量分析。實(shí)踐作業(yè)中，精搗效果與預(yù)期效果差異顯著，實(shí)際起道抄平量與理論值相比不足，致使重復(fù)搗固遍數(shù)增多，成為了困擾精搗工作的主要難題。

本文以提升新建有砟線路精測精搗作業(yè)精度和效率作為出發(fā)點(diǎn)，以一新線近80 km不同精測精搗遍數(shù)后的軌道高低數(shù)據(jù)為研究對象，探索精測精搗作業(yè)起道量更有效的計(jì)算模式。

1 縱向抄平影響因素

圖1 精搗作業(yè)前后軌道高低變化

圖1為該新線3遍精搗作業(yè)前后軌道高低變化?？梢钥闯?，軌道高低的調(diào)整是壓縮縱向不平順幅值的過程，多遍精搗作業(yè)后軌道高低平順性逐步改善。但3遍精搗作業(yè)后軌道高低不平順依舊存在，即依據(jù)軌道高低理論值實(shí)施精測精搗并不能一次性完全消除縱向不平順。對于新建有砟線路而言，通常需要4～5遍精搗作業(yè)方能達(dá)到軌道容許偏差要求。

基于高低不平順數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，搗固車精搗作業(yè)后高低調(diào)整效果與預(yù)計(jì)效果差距顯著的原因主要有：①搗固屬于機(jī)械作業(yè)，本身存在作業(yè)誤差，導(dǎo)致軌道高低理論調(diào)整值與實(shí)際調(diào)整值存在差異；②新建線路軌底與鐵墊板或軌枕之間存在超過2 mm的間隙(吊板)，或軌枕底與道砟之間存在大于2 mm的空隙[9-10](空板或暗坑)；③道砟密實(shí)不均或軌下基礎(chǔ)形式差異(路基、橋梁及隧道)，導(dǎo)致動(dòng)力穩(wěn)定車作業(yè)過后軌道發(fā)生非均勻性下沉；④搗固裝置與高低檢測桿未處于同一點(diǎn)，由于鋼軌本身具有彈性，起道作業(yè)后鋼軌存在下沉量；⑤線路各處起道量大小不一，對應(yīng)產(chǎn)生不同的下沉量。道床彈性不均如圖2所示。綜上，精搗后軌道實(shí)際起道量相較理論起道量不足，實(shí)際表現(xiàn)為線路縱向抄平效果與預(yù)期效果差異顯著。

圖2 道床彈性不均示意

2 精搗作業(yè)高低改善規(guī)律

圖3 精搗作業(yè)前后高低峰值變化

均值管理反映軌道區(qū)段整體質(zhì)量狀態(tài)，下面從均值角度再進(jìn)行探討。軌道高低質(zhì)量指數(shù)(Track Quality Index of Longitudinal，TQIL)作為軌道質(zhì)量指數(shù)(Track Quality Index，TQI)[12]的單項(xiàng)指標(biāo)，可衡量軌道縱向上整體的平順性。圖4顯示了5段線路區(qū)間的TQIL隨精搗作業(yè)遍數(shù)的變化規(guī)律。

圖4 精搗作業(yè)前后TQIL值變化曲線

由圖4可知，左右線軌道高低質(zhì)量指數(shù)變化規(guī)律相近，隨著精搗作業(yè)遍數(shù)增加TQIL值逐漸減小并趨于收斂。精搗作業(yè)前軌道高低質(zhì)量指數(shù)范圍為5.7～6.8，最后1遍精搗作業(yè)后TQIL值平均為0.54。

為研究搗固車縱向抄平效果，定義第i遍精搗作業(yè)后高低不平順改善率(以下簡稱改善率)η為

(1)

式中TQILi表示第i遍精測精搗后軌道高低質(zhì)量指數(shù)。

改善率越高軌道縱向抄平效果越好，反之，改善率越低軌道縱向抄平效果越差。各遍精搗作業(yè)后改善率變化見圖5。

圖5 各遍精搗作業(yè)后改善率變化

從圖5中不難看出，左線和右線第1遍精搗作業(yè)后平均改善率最高，分別為68.67%，68.97%，第2遍作業(yè)后改善率急劇下降至40%以下，最后逐漸降低至20%以下，這與峰值變化中β的變化趨勢一致。η的變化表明，第1遍精搗作業(yè)未能完全消除軌道高低不平順，且高低調(diào)整效果與預(yù)期效果差距顯著(左右線改善率平均僅為68.82%)；當(dāng)軌道高低質(zhì)量指數(shù)下降，其改善率也隨之降低，即高低的調(diào)整愈加困難。綜上可見，第1遍精搗作業(yè)還存在較大提升空間。

以軌道高低質(zhì)量指數(shù)為描述參數(shù)，第1遍精搗作業(yè)后軌道高低質(zhì)量指數(shù)的降低值表示為

ΔTQIL=TQIL1-TQIL2

(2)

將TQIL1與ΔTQIL之比用起道系數(shù)q表示，即

(3)

在TQIL1一定情況下，ΔTQIL越大，精搗作業(yè)改善效果越顯著，起道系數(shù)q越?。沪QIL越小，精搗作業(yè)改善效果越不理想，起道系數(shù)q越大。

統(tǒng)計(jì)左右線5段線路區(qū)間(區(qū)間1—區(qū)間5)的q取值規(guī)律，結(jié)果見圖6?？芍鸬老禂?shù)q平均取值范圍為1.37～1.48，標(biāo)準(zhǔn)差為0.04，表明TQIL1與ΔTQIL具有較穩(wěn)定的比例關(guān)系。換言之，按照現(xiàn)有的起道作業(yè)方法，新線第1遍精搗作業(yè)后軌道高低質(zhì)量指數(shù)約為精搗前的68%～73%(即1/1.48～1/1.37)，這為起道量補(bǔ)償控制提供了依據(jù)。

圖6 起道系數(shù)q取值規(guī)律

依據(jù)上述規(guī)律，附加起道系數(shù)對起道量予以修正，可進(jìn)一步提高搗固車第1遍精搗作業(yè)的有效性。若精搗前軌道高低為L，附加起道系數(shù)q后的起道量修正算法(Lifting Correction Algorithm,LCA)定義如下：

(4)

式中：G′為修正后的起道量；H為實(shí)測矢距；a，b為與搗固車有關(guān)的常數(shù)；ζ′為基本起道量。

由上述討論可知，式(4)是通過擴(kuò)大起道量來補(bǔ)償起道作業(yè)后的軌道下沉。在考慮最大起道量要求和安全性[11]基礎(chǔ)上，依據(jù)軌道平順性狀況，宜在1.2～1.4之間選取起道系數(shù)。

起道系數(shù)揭示了軌道高低平順性改善實(shí)際效果與預(yù)期效果差距顯著的問題。通過附加起道系數(shù)人為擴(kuò)大輸入LCA中的軌道不平順幅值，可補(bǔ)償搗固車搗穩(wěn)作業(yè)后軌道非均勻下沉，達(dá)到提高精搗作業(yè)精度和質(zhì)量的目的。

3 起道量修正算法驗(yàn)證

為驗(yàn)證起道量修正算法LCA在實(shí)際精搗作業(yè)中的有效性，將未采用LCA(即常規(guī)精搗作業(yè))的區(qū)間和采用LCA(即附加起道系數(shù)精搗作業(yè))的區(qū)間的前3遍搗穩(wěn)作業(yè)后軌道高低變化進(jìn)行對比，見圖7。

圖7 LCA效果對比

圖7(a)為常規(guī)精搗作業(yè)，第1遍精搗作業(yè)后軌道高低不平順具有一定的改善，但與預(yù)期效果差異顯著，3遍精搗作業(yè)后軌道高低幅值依然較大。圖7(b)為附加起道系數(shù)精搗作業(yè)，第1遍精搗作業(yè)后高低不平順幅值顯著降低，3遍精搗作業(yè)后軌道高低平順性明顯優(yōu)于未采用LCA的區(qū)段。

為進(jìn)一步驗(yàn)證算法的有效性和可靠性，選取未采用LCA的5段線路區(qū)間(區(qū)間1—區(qū)間5)與采用LCA的3段線路區(qū)間(區(qū)間6—區(qū)間8)，對比分析LCA對TQIL和η的影響，見圖8。

圖8 LCA對TQIL和η的影響

由圖8可知，區(qū)間6—區(qū)間8第1遍精搗作業(yè)后TQIL顯著下降，由精搗前高于6.2降至1.3以下，降幅遠(yuǎn)大于未采用LCA的線路區(qū)間。3遍精搗作業(yè)后,TQIL平均為0.44，遠(yuǎn)優(yōu)于作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)1.5[11](vmax>160 km/h)。而區(qū)間1—區(qū)間5經(jīng)過4～5遍精搗作業(yè)后TQIL平均為0.54。表明采用LCA后，軌道高低的調(diào)整效率和質(zhì)量均得以提升。從改善率來看，采用LCA后第1遍精搗作業(yè)η由68.82%提升至81.43%，第2，3遍精搗作業(yè)η也略有提高。

引入起道系數(shù)對輸入LCA的起道量進(jìn)行修正，實(shí)質(zhì)是考慮搗固車機(jī)械作業(yè)誤差、道床不穩(wěn)定、枕下空吊板等因素對軌道高低改善的不確定性影響，削弱搗穩(wěn)聯(lián)合作業(yè)后軌道產(chǎn)生的非均勻性下沉。實(shí)踐表明，采用起道量修正算法進(jìn)行搗穩(wěn)作業(yè)3～4遍，TQI降為2.7～2.8，TQIL優(yōu)于0.5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本文對新建有砟線路精測精搗后軌道高低變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，提出了起道系數(shù)和起道量修正算法，并通過精測精搗實(shí)踐予以驗(yàn)證。結(jié)論如下：

1)新建有砟軌道精測精搗作業(yè)受到機(jī)械作業(yè)誤差、道床彈性不均、枕下空吊板、穩(wěn)定作業(yè)等因素的影響，作業(yè)后軌道存在非均勻性下沉，致使軌道高低調(diào)整效果與預(yù)期效果差異顯著，重復(fù)搗固遍數(shù)增多。附加起道系數(shù)的起道量修正算法可有效地削弱這些因素的影響。

2)搗固車高低調(diào)整效果隨軌道平順性的提高逐漸降低，軌道高低質(zhì)量指數(shù)最終可控制在0.5以內(nèi)，其中第1遍起道作業(yè)后，高低不平順改善率約為68%，附加起道系數(shù)后，可提高至81%以上。

3)考慮最大起道量要求和安全性，實(shí)際作業(yè)時(shí)，依據(jù)軌道平順性狀況，起道系數(shù)宜于1.2～1.4中選取。采用附加起道系數(shù)的起道量修正算法后，精測精搗質(zhì)量和效率均得以顯著提升，軌道平順性進(jìn)一步提高。

由精測精搗軌道高低改變數(shù)據(jù)獲得起道系數(shù)，其可靠性和有效性已在精測精搗實(shí)踐作業(yè)中得到驗(yàn)證。起道量修正算法提高了新建有砟線路精測精搗作業(yè)的質(zhì)量和效率，實(shí)際應(yīng)用時(shí)簡易方便，是新建有砟線路精測精搗作業(yè)的新方法。