重载线路道床清筛后捣稳作业模式研究

时间：2024-07-28

王新平

国家能源投资集团有限责任公司，北京 100011

随着技术水平及国家运输需求不断提高，重载铁路近些年持续朝大轴重、高运量的方向发展，虽然有效提高了重载铁路运能，保障了我国产业链健康发展，但也给线路设备造成了极大的损伤和破坏［1］。尤其对于大秦铁路、朔黄铁路等运煤铁路，由掉落煤粉、道砟粉碎等带来的有砟道床脏污问题已经严重影响了有砟道床的承载和稳定性能，使得正常使用的有砟道床逐渐丧失弹性，形成翻浆冒泥等病害［2-3］，危害行车安全。

清筛换砟作业能够有效筛分出煤粉等道床脏污，使得有砟道床透水性及弹性快速恢复至正常水平。道床清筛作业由于涉及到补砟、回填道床等多个步骤，会破坏有砟道床道砟颗粒间的稳定，引起道床质量状态短暂恶化［4-5］。为保障清筛作业后道床质量，重载铁路进行大型养路机械清筛后多通过捣固与稳定相结合的作业方式来保障道床质量状态［6］。捣固与稳定结合作业虽然能够有效提高道床质量，但其会对道床稳定性产生影响。王卫东等［7］测试研究了不同捣固模式下有砟道床阻力特性，得出新建线路在捣固6 遍时达到最佳状态；陈小平等［8］研究了大型养路机械清筛和维修作业对道床阻力的影响，总结出在大机维修和清筛作业后，道床纵向、横向阻力明显下降的规律，为无缝线路稳定性设计提供了支持。杨轶科［9］研究了大机组合作业模式对有砟道床状态的影响机制，从离散元的角度分析了大机作业对有砟道床细观力学行为的影响。

现阶段大型养路机械研究对象多为新线或普速铁路，对于运营多年的重载铁路有砟道床在清筛作业后初期的研究较少，尤其是对不同大机作业模式的研究不够全面，无法准确指导重载铁路大机作业后限速时间调整。相关研究多集中在道床阻力、行车安全性指标等方面，并未考虑作业后的轨道静态沉降。

本文在既有重载铁路线上开展大机清筛后三捣三稳和四捣三稳作业后初期道床质量状态的试验和监测，并针对清筛作业后不同作业模式下的无缝线路稳定性进行有限元建模计算，以便于对清筛后大机作业流程进行局部优化，提升大机作业效率。

1 测试概况

选取某运煤专用重载铁路线路区段作为测试地段，包括上行重车线及下行空车线。上行线铺设75 kg/m 钢轨、混凝土Ⅲ型轨枕；下行线铺设60 kg/m 钢轨、混凝土Ⅱ型轨枕。上行线和下行线的有砟道床设计标准均为碎石层厚300 mm，砂垫层厚200 mm。

1.1 道床横向阻力测试方法

道床横向阻力是道床提供的阻止轨枕横向移动的力，是保证轨道稳定的重要条件。测试道床横向阻力时，先将被测轨枕所有的扣件松开并抽出钢轨垫板，液压千斤顶、力传感器及反力架安装在轨枕一侧端部，利用钢轨和测量装置的竖向挡板提供横向反力来推移被测轨枕。将激光位移传感器安装在轨枕另一侧端部，采用液压千斤顶对轨枕施加横向推力。测力传感器及力显示器记录横向推力，激光位移传感器测量轨枕相对于钢轨的横向位移。道床横向阻力测试试验装置布置如图1 所示。测试地段曲线半径为800 m。

图1 现场测试试验装置布置

在测试时发现，由于道砟颗粒属于离散介质，反向顶推轨枕复位或重复推动轨枕均会导致道砟颗粒间的咬合力降低，影响横向阻力测试值的大小。为保证测试结果具有一致性，应避免反向推动轨枕［10］。测试时因受重载铁路天窗作业时间限制与残余变形的影响，取每次测试的第一组曲线作为分析对象，以确保所得结果与大机作业后的道床初始状态相对应。

1.2 道床静态沉降测试方法

道床静态沉降测量采用无人值守式全自动监测全站仪，其能够实现测点位置自动搜索、跟踪、辨识以及后续的精确照准，便捷高效地获取测量目标点的距离、三维坐标等信息。

轨道静态累计沉降的大小能够有效表征有砟轨道清筛过后的道床作业状态。本次测试统计天窗点作业后每趟运行列车通过后的轨道静态沉降及其累计沉降。

2 测试结果与分析

2.1 捣稳组合对道床横向阻力的影响

重车线、空车线道床横向阻力测试结果见图2。

由图2（a）可知：试验前道床横向阻力相较于规范值略有减少，原因是该道床边坡长期未规整且道床脏污已相对较多；进行大型养路机械清筛作业后，无论是四捣三稳作业还是三捣三稳作业，道床横向稳定性都不能达到扰动道床之前的状态，道床横向阻力分别降低了3.02 kN 与3.86 kN；四捣三稳作业模式下道床横向阻力小于三捣三稳作业，在轨枕横向位移2 mm 时仅为其阻力值的86.41%，多一次捣固并没有起到恢复道床质量的作用。这是由于捣固作业会使得枕侧道砟变得稀疏，道砟间接触变得更加松散［11］。枕侧阻力是道床横向阻力的重要来源之一［12］，因此在多一次捣固之后道床横向阻力存在衰减现象。

图2 道床横向阻力测试值

由图2（b）可知：空车线清筛前的道床横向阻力也要大于清筛后进行两种模式捣稳恢复后的数值，四捣三稳、三捣三稳作业分别降低了1.85、2.33 kN；与重车线类似，四捣三稳作业模式下道床横向阻力小于三捣三稳作业模式，在轨枕横向位移2 mm时为三捣三稳作业模式的88.65%。

2.2 捣稳组合对道床静态沉降的影响

捣稳组合作业能够明显改善清筛作业的道床质量状态，然而清筛作业和捣稳作业都会对原有较为稳定的道床产生扰动，需对轨道静态沉降进行探究。

对测试结果采用指数曲线模型［13］进行拟合，轨道静态沉降以S（mm）表示，列车累计通过趟数以N表示。各测点拟合结果见表1。

表1 轨道静态沉降与列车通过趟数关系的拟合结果

1）重车线

以重车线某一侧的三组测量数据为例，轨道静态沉降与列车通过趟数的关系见图3。可知：①该试验地段大型养路机械施工质量较高，重车线上各组测点的轨道静态沉降变化规律及大小几乎一致，保证了重车线在清筛过后不会出现差异沉降。②重车线清筛作业后进行三捣三稳作业和四捣三稳作业的变化特征较为相似，二者的轨道静态沉降均在10～12趟车时趋于稳定。不同的是，三捣三稳作业模式轨道静态沉降稳定在8.5 mm 左右，而四捣三稳作业模式稳定在10.0 mm左右。

图3 重车线轨道静态沉降与列车通过趟数的关系

2）空车线

根据空车线清筛过后三捣三稳和四捣三稳作业的三组测量数据，轨道静态沉降与列车通过趟数的关系见图4。可知：空车线清筛作业后进行三捣三稳作业和四捣三稳作业的变化特征较为相似，二者的轨道静态沉降均在14 ～ 15 趟车时达到相对稳定状态；不同的是，三捣三稳作业模式轨道静态沉降稳定在6 mm左右，而四捣三稳作业模式稳定在7 mm左右。

图4 空车线轨道静态沉降与列车通过趟数的关系

综上所述，重车线与空车线均出现了四捣三稳作业后的轨道静态累计沉降大于三捣三稳的现象。这是由于在不补砟的情况下多一次捣固反而对枕底道砟产生了较大扰动，从而使得枕底道砟密实度降低，工后沉降相对较大。

2.3 重车线与空车线道床质量变化对比

1）道床横向阻力

对各作业模式下的测试结果进行拟合，道床横向阻力以Q表示，y为轨枕横向位移。重车线与空车线道床横向阻力对比见图5。各测点拟合曲线见表2。

图5 不同作业模式下重车线与空车线道床横向阻力对比

表2 道床横向阻力与轨枕横向位移关系的拟合结果

由图5 可知，重车线与空车线在清筛过后道床横向阻力均呈非线性变化，空车线的道床横向阻力相对较小，且更加容易达到塑性加载状态，即位移增加而阻力基本不发生变化。

2）轨道静态沉降

从轨道静态沉降的发展趋势来看（图6），空车线拟合后的曲线在20趟车之后可能继续增大，而重车线普遍在20 趟车左右就能够趋于平缓。这是由于重车线上较大轴重的货车通过时能够快速对扰动过的道床产生压实效应，使其比轻车线较快达到相对稳定状态。

图6 不同作业模式下重车线与空车线轨道静态沉降对比

3 无缝线路稳定性分析

道床横向阻力是影响无缝线路稳定性的关键因素，决定着无缝线路抵抗温度变形的能力。大机清筛维修养护后道床横向阻力下降，可能会导致重载铁路无缝线路在温度荷载作用下出现轨道横向位移过大等现象。因此，本文使用有限元法建立大机清筛后重载铁路无缝线路模型，分析空车线与重车线不同作业模式下容许温升变化。

3.1 计算模型

建立有砟轨道小半径曲线无缝线路模型（图7），模型中包括钢轨、扣件、道床等部件。

图7 无缝线路有限元模型

由于上行线及下行线钢轨、轨枕、扣件不同，所以分别建立上行线、下行线无缝线路稳定性模型。其中钢轨、轨枕均采用空间梁单元模拟，扣件、道床均采用非线性阻力弹簧模拟，对路基单元施加固定约束。模型长度取100 m。

3.2 大机作业模式对无缝线路稳定性的影响

道床横向阻力的减小影响了无缝线路临界温度，根据TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》，取轨枕横向位移2 mm 时的温度作为轨道失稳的临界温度。

在有限元模型中输入不同作业模式下的道床横向阻力弹簧参数，并施加温度荷载。各作业模式下容许温升与轨枕横向位移的关系见图8。

图8 不同作业模式下容许温升与轨枕横向位移的关系

由图8 可知：①道床阻力对有砟轨道无缝线路的影响较为明显，尤其是随着轨道横向位移增长，清筛后阻力较大的作业模式具有更大的稳定性。②容许温升最大的是重车线清筛后三捣三稳作业模式，为43 ℃左右；容许温升幅度最小的是空车线清筛后四捣三稳作业模式，为33 ℃左右。③空车线四捣三稳、三捣三稳作业后的容许温升分别为33、36 ℃；重车线四捣三稳、三捣三稳作业后的容许温升分别为38、43 ℃。四捣三稳后的容许温升幅度相对较低。

从安全性上来看，当地无缝线路最高轨道为61 ℃，锁定轨温为28 ℃，计算的最大温升为33 ℃，接近于空车线作业后的最大容许温升［14］。因此，应适当加强该地区轨道结构，并对相关线路及时进行复捣作业，使其道床阻力尽快恢复至正常水平。