大机分层整道作业对道砟级配破坏的试验研究

师 彬 杨永平 杨思伟 张燕磊

（1、昆明铁道职业技术学院，云南 昆明 650217

2、中国铁路昆明局集团有限公司昆明工务机械段，云南 昆明 650000）

有砟轨道新建铁路施工时，在长钢轨单元轨放散之前需要进行分层上砟整道作业，施工时使用的大型养路机械化整修作业车（捣固车、稳定车、配砟整形车等）具有改善有砟道床几何平顺性和稳定性，恢复道床弹性和动力学性能，成为了现代铁路新建建设的主要施工机具[1]。

在国内外的学者研究中发现：大机养路机械（后简称大机）作业会对有砟铁路道砟级配破坏效果极为显著，尤其是捣固车多次大机作业会加快道砟级配的破坏、脏污道床[2-4]。然而在新建铁路有砟轨道施工过程中，采用分层上砟整道作业使道床状态达到施工验收标准，即大机每作业一遍，会根据作业起道量提前进行一遍新道砟补入，如此循环。大机作业会破坏道砟的级配，那么大机分层整道作业后的道砟级配是否还满足规定的级配标准，这就需要进行试验研究。同时在本项目前期研究中发现在大机常用的组合作业模式中，两捣一稳作业对道砟级配破坏极为显著，为此本文设计两捣一稳的作业组合模式下大机分层整道作业对道砟级配的破坏试验，研究大机分层整道作业对道砟级配破坏的影响规律，为铁路有砟轨道现场的大机分层整道作业施工提供一定的指导依据。

1 试验标准和方法

本次试验选择中老铁路有砟线路为研究对象，其道砟标准为新建铁路花岗岩一级道砟[5]。根据相关施工技术标准、作业标准的规定，具体试验标准和方法如下：

1.1 技术标准

（1）大机起道作业第1、2 遍起道量不宜大于60mm，第3、4 遍起道作业不宜大于50mm；（2）一次拨道量不宜大于50mm；（3）道床道砟厚度不足150mm 时，不得进行捣固作业。

1.2 试验方法及实施

为了减少试验数据的误差，试验方法设计如下：

（1）在中老铁路直线地段进行试验，选择3 段初始道砟级配基本一致且道床厚度大于150mm 的线路作为研究对象，大机作业模式为两捣一稳。（2）在3 个试验段采用同一台捣固车、稳定车和配砟车进行作业，作业参数除起道量和拨道量外，其它参数保持一致。（3）由于试验遍数较多，为了控制道床总体厚度，3 个试验段起道量分别为选择10mm、20mm、30mm，拨道量根据实测调整控制在50mm 范围以内，每种起道量分别进行6 遍作业。（4）每个试验段新补入道砟为同一批道砟，保持新补入道砟初始级配尽可能一致。（5）大机作业前线路经过人工小机捣固作业，确保满足大机作业条件。两捣一稳施工作业组织和工序模式。（6）数据采集：大机施工作业后，道砟级配数据采用钢筛进行分类，然后使用台秤进行称重。

2 试验结果分析

2.1 试验结果分析

将现场使用钢制筛网筛分称重后各径粒道砟的重量数据处理成为过筛质量百分率，得到6 遍大机两捣一稳作业起道量为10mm、20mm、30mm 的道砟级配施工数据分别如表1、表2、表3 所示。

表1 起道量10mm 的道砟级配测试结果

表2 起道量20mm 的道砟级配测试结果

表3 起道量30mm 的道砟级配测试结果

为了更为直观反映不同大机作业起道量下的大机作业对道砟级配过程性的变化影响，使用matlab 作出6 遍大机作业后道砟级配随起道量变化条形图如图1 所示。

图1 不同起道量道砟级配变化图

从大机两捣一稳分层整道作业道砟级配的试验结果，可以得出如下结论：

（1）在起道量为10mm 作业模式中，第2 遍作业后造成径粒25mm 以下道砟总量超过一级道砟标准，在第3～4 遍作业后造成径粒35.5mm 以下道砟总量超过一级道砟标准，在第5～6 遍作业后造成径粒56mm 以下道砟总量超过一级道砟标准。（2）在起道量为20mm 作业模式中，在第3～5 遍作业后造成径粒25mm 以下道砟总量超过一级道砟标准，在第3-4 遍作业后造成径粒35.5mm 以下道砟总量超过一级道砟标准，在第6 遍作业后造成径粒56mm 以下道砟总量超过一级道砟标准。（3）在起道量为30mm 作业模式中，未发现各径粒道砟超过一级道砟标准，在第4 遍作业开始道砟级配变化相对平稳。

2.2 对比分析

为了进一步分析道砟级配随大机分层整道作业起道量和作业遍数的变化影响，定义道砟级配质量相对变化率为评价指标来分析其变化规律。道砟级配质量相对变化率以道砟初始级配为比较标准，大机每遍作业后各径粒道砟变化的相对偏差即为道砟级配质量相对变化率，其计算公式如下：

公式（1）中：xij为大机第i 遍第j 种j 径粒道砟级配，x0j为大机作业前道砟初始级配。

当δ>0 时，说明该径粒道砟占比增加；当δ<0 时，说明该径粒道砟占比减少。

使用公式（1）将数据表1、表2、表3 中数据进行处理计算后，得到大机作业后起道量为10mm、20mm、30mm道砟级配质量相对变化率随大机作业遍数对比图如图2所示。

图2 不同起道量道砟级配质量相对变化率

可以得到以下结论：

（1）大机作业径粒56mm 以上的道砟会逐步破坏成为径粒35.5mm 以下的道砟，而起随着作业遍数的增加破坏效果也越明显；（2）同一起道量下即新补入道砟一样，但每遍作业作业前道砟级配不一样，作业后道砟也不一样，说明作业前道砟会影响作业后级配变化，即受道砟作业前级配状态影响每遍作业的破坏量是不一样的；（3）通过比较起道量为10mm、20mm、30mm 的道砟级配质量相对变化率发现，随着起道量的增加，道砟级配质量相对变化率越小，即新道砟补入越多，大机作业道砟级配变化越稳定。（4）根据第（3）条结论，分析起道量为30mm 试验数据，在大机第4 遍后道砟级配变化相对稳定且不存在超过一级道砟标准的级配数据，因此可以推断：起道量为30mm 及以上的大机分层整道作业，随着大机作业遍数的增加，道砟级配变化越稳定，不存在超过一级道砟级配标准的现象。

2.3 分层整道作业下道砟级配变化关系研究

根据2.2 节道砟级配试验数据和结论，可以推断出大机分层整道作业前后的道砟级配变化关系如下：

（1）大机作业前道砟级配状态以及新补入道砟级配的初始状态会影响作业后的道砟级配状态；（2）新道砟补入量越多，大机作业道砟级配变化越稳定；（3）同一起道量下，受施工环境不同的影响每遍作业对各径粒道砟的破坏量是不一样的。

按照试验结果和推理，大机作业后道砟级配与作业前道砟级配、新道砟级配和补入量、每遍作业的破坏量之间存在如下数学关系：

式中：Xi-1j：为第i 遍作业前第j 种径粒道砟级配；Yij：为第i 遍作业前新补入道砟第j 种径粒道砟级配；Δij第i 遍作业时第j 种径粒道砟的破坏量；ai，bi为系数，根据实验数据和分析，存在ai>0，bi>0。

3 结论

大机作业会加快道砟级配的破坏、脏污道床，使得道砟级配不再满足相关技术标准。为了探寻大机分层整道作业对道砟级配破坏的影响规律，本文设计了两捣一稳作业起道量为10mm、20mm、30mm 道砟级配的数据试验，通过分析比较，主要得出以下结论：

（1）大机作业径粒56mm 以上的道砟会逐步破坏成为径粒35.5mm 以下的道砟，而起随着作业遍数的增加破坏效果也越明显；（2）在两捣一稳组合作业模式中，当作业起道量为10mm、20mm 时，随着大机作业遍数的增加，都会使得道砟级配超过一级道砟标准。当作业起道量为30mm 时，在整个施工作业过程中，未发现各径粒道砟超过一级道砟标准且在大机第4 遍后道砟级配变化相对稳定；（3）随着大机作业起道量的增加，道砟级配质量相对变化率越小，即大机作业起道量的越大，道砟级配变化越稳定。

鉴于上述结论，建议在新建铁路有砟轨道分层整道作业过程中，应加强施工前线路标高测量控制，大机作业前确保道砟充足，合理设置大机作业起道量（即起道量控制30mm 及以上），在道床各项指标满足的情况，尽可能减少大机作业遍数，以免因大机作业加快道床的脏污。