秦懷兵，肖志宇，陳 斐

（國家能源集團朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北肅寧062350）

目前探地雷達系統(tǒng)在我國鐵路道床和路基檢測中逐步推廣應用，如從美國、英國、意大利等國家進口的車載雷達系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)都不能提供道床臟污率的量化指標［1］。

美國卡內(nèi)基梅隆大學、內(nèi)布拉斯大學、GSSI 公司等單位的相關(guān)研究人員進行了大量試驗研究，利用探地雷達檢測結(jié)果來分析道床的磨損及污染程度，但相關(guān)研究均基于普通客運和貨運鐵路，基于煤炭運輸鐵路的尚沒有先例。英國愛丁堡大學、IMC 公司以及Zetica 公司經(jīng)過大量試驗研究表明，探地雷達可用于確定道床臟污程度，但無法給出道床臟污率的量化標準。瑞士、德國、瑞典、捷克、意大利等國都有探地雷達應用于道床臟污檢測的案例，但迄今為止也沒有明確的研究成果來反映探地雷達計算參數(shù)與道床臟污率之間的關(guān)系。中國鐵道科學研究院聯(lián)合德國WEIBE 公司和意大利IDS 公司在這一領(lǐng)域開展過試驗研究，明確了道砟臟污程度的粗略分級，但由于數(shù)據(jù)量少，沒有真正涉及道床臟污率指標的給定。

1 道床臟污率標定試驗線的作用和要點

朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司安裝了2套探地雷達系統(tǒng)用于路基道床檢測。第1 套為英國Zetica 公司的檢測系統(tǒng)，采用2 GHz和400 MHz探地雷達進行檢測；第2套為朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司與中南大學聯(lián)合研發(fā)的檢測系統(tǒng)，采用400 MHz 和200 MHz 探地雷達進行檢測。

英國Zetica 公司道床檢測系統(tǒng)的SIR-30 型探地雷達和2 GHz 天線可以檢測道床臟污狀況，計算出道床臟污指數(shù)，評定道床受污染情況。但該道床臟污指數(shù)是基于美國鐵路建立試驗模型從而解算得出的，所得結(jié)果不能與國內(nèi)所使用的道床臟污率相對應，需要進一步探究兩者之間的關(guān)系，并且相關(guān)模型和算法需要根據(jù)運煤專線的實際情況進行改進或突破［2］。國產(chǎn)探地雷達檢測系統(tǒng)目前主要用于路基病害檢測，業(yè)界正在研究評價道床臟污程度的算法［1］。

為充分發(fā)揮朔黃鐵路現(xiàn)有2套探地雷達系統(tǒng)對道床臟污率檢測的能力，確立道床實際臟污率與雷達計算參數(shù)的對應關(guān)系，須按照運煤專線的道床污染特點，建設(shè)道床臟污率標定試驗線。其作用有：①利用標定試驗線對英國Zetica 公司檢測系統(tǒng)得出的臟污指數(shù)進行驗證，期望得到道床臟污率與臟污指數(shù)的對應關(guān)系；②為國產(chǎn)雷達檢測提供物理模型，嘗試進行道床臟污率檢測，研究雷達計算參數(shù)與道床臟污率的對應關(guān)系，力圖研究出新的臟污率計算方法［3］。

道床臟污率標定試驗線應完全模擬朔黃重載鐵路的軌道結(jié)構(gòu)、路基道床結(jié)構(gòu)、道砟級配、道床臟污介質(zhì)的成分和質(zhì)量比例。其中道床臟污介質(zhì)的成分及質(zhì)量比例是關(guān)鍵因素，取得其數(shù)據(jù)必須選取運營線不同臟污等級地段進行大量的道床挖驗，并對挖驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)集中度處理。道床臟污率標定試驗線的技術(shù)要點：①確定道床臟污的分級標準，按照鐵運〔2006〕146 號《鐵路線路修理規(guī)則》和《鐵路線路修理規(guī)則條文說明》有關(guān)規(guī)定并結(jié)合實際需求，確定10%（12.5%），15%，20%，25%，30%共5個等級［4-5］；②依據(jù)統(tǒng)計分析所得到的道床臟污介質(zhì)的成分及質(zhì)量比例數(shù)據(jù)，按不同臟污率地段鋪設(shè)需求，在清潔道砟中摻入不同質(zhì)量的臟污介質(zhì)。

2 運營線道床臟污情況挖驗試驗

2.1 試驗概況

將英國Zetica 公司檢測系統(tǒng)檢測得到的道床臟污指數(shù)從最低到最高分成若干個級別，每個臟污等級各挑選3～5個地段作為挖驗樣點。

試驗方法如下：

1）考慮天窗時間，在計劃采用大型養(yǎng)路機械清篩的封鎖地段附近選取所需臟污等級的挖驗樣點。

2）天窗點內(nèi)在挖驗樣點挖驗取樣。在枕盒內(nèi)（相鄰2 根軌枕和2 根鋼軌所圍矩形垂直向下的部分）從軌枕底部開始向下挖出深度為300 mm 以內(nèi)的道砟，依次用25，10，5 mm的方孔篩將污土篩出并稱重。

3）所有試驗地段須記錄行別、里程、道砟質(zhì)量、污土質(zhì)量等信息，填入挖驗數(shù)據(jù)表；匯總、整理現(xiàn)場試驗和系統(tǒng)檢測時的工況數(shù)據(jù)，為建設(shè)標定線提供依據(jù)。

本試驗階段共開挖樣點82處，其中上行線樣點42處，下行線樣點40 處。統(tǒng)計所有挖驗樣點數(shù)據(jù)，分析道床臟污指數(shù)和臟污率的對應情況，并根據(jù)分析情況判斷其是否可以用來作為標定線道砟和污土配比設(shè)計的參考。

2.2 挖驗后臟污指數(shù)與臟污率相關(guān)性分析

圖1 82處樣點臟污指數(shù)與臟污率相關(guān)性分析結(jié)果

將82 處樣點的臟污指數(shù)與對應臟污率進行相關(guān)性分析，結(jié)果見圖1。由線性回歸結(jié)果發(fā)現(xiàn)局部有一定的相關(guān)性，但整體上并沒有明確的相關(guān)趨勢。

根據(jù)現(xiàn)場挖驗時觀察的情況，可知隧道地段污染較重，大多數(shù)地段煤灰已將軌枕覆蓋；相比之下，路基地段污染較輕。在隧道的管狀空間內(nèi)，列車運行、交會都會造成較強的空氣對流，導致列車裝運的表面煤灰被大量吹落，久而久之覆蓋在道床上。因此應該將路基和隧道地段分別做相關(guān)性分析。

對路基地段臟污指數(shù)與臟污率進行相關(guān)性分析，見圖2。由線性回歸結(jié)果可以看出二者之間具有較為明顯的相關(guān)性，且二者之間整體呈正相關(guān)。

圖2 路基地段臟污指數(shù)與臟污率相關(guān)性分析結(jié)果

將隧道地段臟污指數(shù)與臟污率做相關(guān)性分析，結(jié)果見圖3?？梢娝袠狱c成散狀分布，二者之間沒有明顯的相關(guān)性；再從二者之間的線性回歸結(jié)果來看，呈負相關(guān)，也就是說臟污指數(shù)完全不能反映臟污率變化的趨勢。因此，隧道地段挖驗數(shù)據(jù)暫不用于標定線建設(shè)，留待后期深入研究。

圖3 隧道地段臟污指數(shù)與臟污率相關(guān)性分析結(jié)果

再將路基地段分為上、下行線進行相關(guān)性分析，結(jié)果見圖4。可知上、下行線挖驗樣點的臟污指數(shù)和臟污率數(shù)據(jù)均有較好的相關(guān)性，且根據(jù)線性回歸結(jié)果可知臟污率和臟污指數(shù)呈正相關(guān)。可將路基地段上、下行線的挖驗數(shù)據(jù)作為標定線道砟和污土配比的依據(jù)。

圖4 路基地段臟污指數(shù)與臟污率相關(guān)性分析

3 標定試驗線的設(shè)計

3.1 設(shè)計依據(jù)

標定試驗線的物理參數(shù)模擬正線實際環(huán)境參數(shù)，包括道砟材料參數(shù)、臟污材料參數(shù)、軌枕型號及軌枕間距、枕間道砟頂面高度等。保證標定試驗線的幾何條件、邊界條件、物理性質(zhì)和正線一致。在充分體現(xiàn)道床臟污率變化規(guī)律的需求下，分檔設(shè)計臟污道床，同時揭示臟污率變化的極限條件，尤其是參照鐵運〔2006〕146號的維修標準進行設(shè)計［4-5］。

標定試驗線的濕度對雷達信號的影響較大，應在試驗線路兩旁通過溝渠實現(xiàn)有效排水，排水線應低于道床墊層底界面，以保證道砟及道床墊層良好的排水條件［3］。

朔黃鐵路上、下行線分別為重車線和空車線。一般上行線軌枕間距為600 mm，臟污介質(zhì)主要為煤渣和煤灰；下行線軌枕間距為544 mm，臟污介質(zhì)主要為沙土、碎石等［6-7］。2 種線路存在較大區(qū)別，標定線應盡可能反映不同介質(zhì)條件下的臟污情況。

3.2 臟污道砟配比設(shè)計

用挖驗樣點的臟污率和臟污指數(shù)繪制散點圖，去掉受干擾和離散的數(shù)據(jù)，給出擬合曲線，分析臟污指數(shù)、臟污率變化的敏感性。按照臟污等級對各個挖驗樣點的粒徑配比進行分析，確定各粒徑下道砟或污土所占比重，以所有樣點集中分布值作為標定線道砟和污土配比的標準。

參照現(xiàn)場路基地段試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果，正線道砟均為不同級配道砟，其中上行線10～25 mm 粒徑的道砟質(zhì)量比例范圍為7%～11%，則設(shè)計比例取集中分布值9%；下行線該粒徑的道砟質(zhì)量比例范圍為5%～8%，則設(shè)計比例取集中分布值6%。上、下行線5～10 mm 粒徑污染物的含量普遍較小，上行線質(zhì)量比例集中在2.5%～4.4%，設(shè)計比例取集中分布值3.5%；下行線主要污染物為沙土，質(zhì)量比例集中在1.25%～1.52%，設(shè)計比例取集中分布值1.5%。小于5 mm 的臟污介質(zhì)不作進一步區(qū)分，分別按臟污率與5～10 mm、10～25 mm 的質(zhì)量比例差額進行臟污配比。上、下行線分別設(shè)計了5 個臟污等級，其中最大臟污率為30.0%，上、下行線各臟污等級臟污介質(zhì)質(zhì)量比例的設(shè)置見表1。

表1 各臟污等級臟污介質(zhì)的質(zhì)量比例

3.3 標定線尺寸設(shè)計

標定線軌枕間隔及道床深度應該與正線實際情況以及系統(tǒng)檢測范圍對應。上行線軌枕中心間隔為600 mm，下行線軌枕中心間隔為544 mm；因探地雷達探測臟污指數(shù)的深度在軌枕下300 mm 以內(nèi)，標定線臟污道砟鋪設(shè)厚度應控制在350～400 mm，以保證雷達所測均為設(shè)計的臟污道砟。

每個臟污等級段應按規(guī)定長度鋪設(shè)在標定線，上行線12.5%～25.0%臟污率和下行線10%～25%臟污率的道砟跨3 孔4 根軌枕，則上行線每個臟污等級的長度為1.80 m，下行線每個臟污等級的長度為1.62 m。30%臟污率地段設(shè)置為5 根軌枕間距，上行線長度為3.0 m，下行線長度為2.7 m。

為實現(xiàn)道砟層底界面的反射波信號追蹤，積累道床下沉時探地雷達波形，特設(shè)置一段道砟陷槽。陷槽橫跨4孔，上、下行線各占2孔，最大下沉深度200 mm，總長度2.28 m。

4 標定試驗線的建設(shè)

建線地點選于朔黃鐵路管內(nèi)某段管線J20 道，線路均為60 kg/m 短軌普通Ⅱ型枕線路無電氣化區(qū)段，線型為直線。J20位置如圖5所示。

圖5 標定線現(xiàn)場線路示意

該地段道床設(shè)計為有墊層地段，既有線枕下石砟深度為290 mm，碎石墊層為100 mm。標定線道床結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 標定線道床結(jié)構(gòu)

標定線鋪設(shè)按照圖7所示流程進行。

標定線共占用38孔，長度22 m。其縱斷面臟污率見圖8。標定線占用整根25 m標準軌，軌下共有43孔，自東向西分別編號為1～43，其中5～21孔模擬下行線，22～25孔模擬道砟陷槽，26～42孔模擬上行線。1～23孔設(shè)計間隔為544 mm，24～43孔設(shè)計間隔為600 mm。

圖7 標定線鋪設(shè)流程

圖8 標定線縱斷面臟污率（單位：%）

5 標定線試驗

標定線建成后，使用探地雷達按月進行檢測，以1 m為單位計算出標定線各處臟污指數(shù)的高低。

用標定線各臟污等級的臟污指數(shù)和臟污率繪制散點圖，用回歸方式確定二者之間的關(guān)系，得出回歸關(guān)系式。進而根據(jù)關(guān)系式確定典型臟污率所對應的臟污指數(shù)，明確需清篩道床、清潔道床的臟污指數(shù)限值。道床（路基地段）臟污分級標準見表2。

表2 道床（路基地段）臟污分級標準

6 結(jié)語

道床臟污率標定試驗線建設(shè)方法為建設(shè)道床臟污檢測物理模型提供了明確的思路和方法。在標定線進行道床臟污指數(shù)標定試驗，科學地運用回歸分析方法將道床臟污指數(shù)和國內(nèi)鐵路采用的道床臟污率建立起對應關(guān)系，可用于指導制定清篩計劃或評價大型養(yǎng)路機械清篩維修質(zhì)量，克服按周期清篩道床存在的過維修和欠維修的問題。

標定線的配比設(shè)計依據(jù)鐵路實際線路道床的挖驗數(shù)據(jù)，可以保證所建的標定線模型與實際線路保持配比一致。采用的道砟與實際線路為同種材料和級配；污土也全部為從實際線路清篩出的，使標定線高度還原實際線路的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)。同時挖驗樣點和標定線各臟污等級的尺寸設(shè)計完全結(jié)合實際線路情況和探地雷達探測情況，以軌枕底面以下300 mm 深度范圍內(nèi)的道床臟污為計算依據(jù)，同時也使實際線路和標定線保持一致，能夠進一步提高臟污指數(shù)回歸分析的準確性。

臟污率設(shè)置充分考慮了實際線路道床清篩維修的典型臟污率，并按10%～30%范圍內(nèi)的各典型臟污率分等級設(shè)置，可提供較為全面的臟污指數(shù)標定模型。該方案還設(shè)計了道砟陷槽，為利用探地雷達探測道床下沉病害提供波形參考依據(jù)。

雖然本文中道床臟污介質(zhì)的成分及質(zhì)量比例模擬了朔黃鐵路，但標定線的建設(shè)思路和方法可普遍適應于有砟道床臟污率檢測的研究。