大机组合作业模式对道砟级配影响的试验研究★

师 彬，马 力，侯明坤

(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)

0 引言

有砟轨道在新建时或者在铁路后期运营维护中，都需要大型养路机械捣固车、稳定车进行起道、拨道、捣固稳定作业，以便改善有砟道床几何平顺性，恢复道床弹性和动力学性能[1-4]。目前大型养路机械(后简称大机)作业已成为改善道床性能的主要手段，对于大机作业与有砟道床性能影响的相关研究，受到了国内外学者大量的关注。

Kim等[5]利用基于图像的三维离散单元法建立捣固与轨枕之间的模型，对三种轨枕进行模拟捣固作业，研究分析捣固后的密实度和配位数，模拟结果说明不同轨枕对捣固效果具有一定的影响。周海燕等[6]建立铁路散体道床捣固作业的离散元分析模型模拟捣固作业，结果表明：捣固作业各阶段中夹持阶段道砟破碎量最大，在满足道床密实度的条件下，道砟破碎量较小的捣固频率约为45 Hz。张亚晴等[7-8]利用离散元法模拟分析了不同捣固参数(捣固频率、捣固振幅)对道砟密实度的影响，结果表明：窄级配的道床采用大振幅、低频率的捣固参数时，捣固的效果较好,宽级配的道床采用小振幅、高频率的捣固参数时,捣固的效果较好。王众保等[9]采用多体动力学几何外形和离散单元分别对捣固镐与道砟颗粒的运动状态进行模拟试验，研究结果表明：插镐速度最优值为0.5 m/s，插镐深度最优值为90 mm。SAUSSINE等[10]通过离散元法模拟捣固作业对道床密实程度的影响，发现捣镐下插阶段道床的密实程度增加50%，捣固频率的增加密实程度也会随之增加。LU M等[11-13]为了揭示道砟颗粒破碎机理，使用离散元法建立道砟模型数值模型，分析并预测道砟颗粒破碎后的物理力学特性。刘洋泽鹏等[14]利用大型直剪试验设备对新建铁路一级道砟开展压力直剪试验，研究表明：道砟在剪切面区域会发生明显的尖角破碎，大粒径颗粒减少，小粒径颗粒明显增加；随着法向压力的增加，表明道砟破碎加剧。Suhr等[15]采用离散元法对两种不同的道砟进行直剪试验，试验发现道砟具有明显的颗粒破碎。Lim W L等[16-17]对道砟颗粒的压缩破碎试验及相对应的离散元计算结果均表明：在拉伸强度下随着道砟尺寸的增大,道砟破碎率不断增加。严颖等[18]采用离散元法进行数值模拟道砟径向加载破碎过程，分析应力应变曲线以及颗粒破碎机制。

由于大机作业后道砟级配数据采集困难，国内外学者一般使用软件仿真模拟研究，因此对于大机实际作业对道砟级配破坏的研究相对较少，根据大机捣固稳定作业原理和现场调查情况，大机作业过程中破坏道砟的现象显著，针对这种现象并结合施工实际情况，本文研究常用的大机组合作业模式对道砟级配破坏的影响，探寻大机组合作业模式对道砟级配破坏的试验规律。

1 试验设计

为使试验结果尽可能符合现场施工实际，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标准。

具体试验设计如下：

1)大机组合作业模式选择现场常用的一捣一稳、一捣两稳、两捣一稳3种模式进行，每种作业测试6遍，不设置起拨量，每种模式为同一台捣固车和同一稳定车在相同参数设置下进行施工，减少大机不一致造成的试验误差。

2)3种作业模式试验在中老铁路橄榄坝站同一股道线路前后进行，减少道砟初始级配偏差影响。

3)为了避免其他的道砟对试验道砟影响，施工试验时采用不回新砟方式进行。

4)试验地段数据采集步骤：第一步，在试验地段测试道砟初始级配进行比较分析；第二步，在道砟初始级配之间选择偏差较小的地段分别进行一捣一稳、一捣两稳、两捣一稳3种模式组织施工作业，每进行一遍进行一次数据采集并记录。例如一捣一稳组合作业模式试验施工过程中道砟选点取样、大机作业、筛分、称重施工如图1所示。

2 试验结果分析

2.1 一捣一稳组合作业模式的试验结果和分析

经过一捣一稳组合作业6遍作业以后，道砟从初始状态到第6遍作业结束的外观状态如图2所示。

从图2中可以明显的看出，大机一捣一稳组合作业后使得道砟外观、粒径存在明显变化，大粒径的道砟数量减少，小粒径道砟增多。经现场施作和数据采集，将采集数据处理成为过筛质量百分率，得到一捣一稳组合作业模式6遍的道砟级配如表1所示。

为了分析道砟级配随大机作业遍数的变化规律，定义各粒径道砟的质量变化率δij来分析大机作业遍数相对于初始道砟级配的变化影响，其计算公式如下：

(1)

其中，Xij为表1中过筛质量百分率；i=1,2,…,6，表示大机作业遍数；j=0,1,2,…,5，表示过筛质量百分率Xij对应16 mm～63 mm道砟各粒径数据位置，j=0时，Xi0=0。

表1 试验结果

为了进一步反映大机第6遍作业后对整体道砟级配的影响变化，定义各粒径道砟质量整体变化增减率Δj来分析第6遍作业后道砟级配变化，其计算公式如下：

Δj=δ6j(X0j+1-X0)

(2)

利用式(1)、式(2)计算处理后，得到一捣一稳组合作业模式对道砟级配的计算结果见表2。

表2 计算结果

由表2得出以下结论：道砟级配随着一捣一稳组合作业遍数的增加，粒径16 mm以下，16 mm～25 mm，25 mm～35.5 mm，35.5 mm～45 mm道砟质量占比逐步增加，而粒径45 mm～56 mm，56 mm～63 mm道砟占比逐步减少。经过第6遍作业以后，粒径16 mm以下道砟增加了54.55%、增加量占整体道砟的1.20%，粒径16 mm～25 mm道砟增加了45.71%、增加量占整体道砟的4.80%，粒径25 mm～35.5 mm道砟增加了9.02%、增加量占整体道砟的2.20%，粒径35.5 mm～45 mm粒径道砟增加了12.55%、增加量占整体道砟的3.40%，粒径45 mm～56 mm道砟减少了-23.05%、减少量占整体道砟的-6.50%，粒径56 mm～63 mm道砟减少了-67.11%,减少量占整体道砟的-5.10%。参照新建铁路一级道砟标准，从表1中数据可以看出大机作业会改变道砟的级配，大机一捣一稳组合作业在第3遍开始使得道砟级配超过一级道砟标准，后随着作业遍数的增加，超标量逐步增大。

2.2 一捣两稳组合作业模式的试验结果和分析

按照一捣一稳同样的方法对一捣两稳组合作业模式数据进行采集和处理，得到一捣两稳组合作业模式对道砟级配的影响结果见表3。

表3 试验结果和计算结果(一)

由表3得出以下结论：道砟级配随着一捣两稳组合作业遍数的增加，粒径16 mm以下，16 mm～25 mm，25 mm～35.5 mm，35.5 mm～45 mm道砟占比逐步增加，而粒径45 mm～56 mm，56 mm～63 mm道砟占比逐步减少；其中经历第6遍作业以后，粒径16 mm以下道砟增加了52.17%、增加量占整体道砟的1.20%，粒径16 mm～25 mm道砟增加了49.50%、增加量占整体道砟的5.00%，粒径25 mm～35.5 mm道砟增加了5.28%、增加量占整体道砟的1.30%，粒径35.5 mm～45 mm粒径道砟增加了12.45%、增加量占整体道砟的3.40%，粒径45 mm～56 mm道砟减少了-22.46%、减少量占整体道砟的-6.40%，粒径56 mm～63 mm道砟减少了-62.50%、减少量占整体道砟的-4.50%。参照新建铁路一级道砟标准，大机一捣两稳组合作业在第3遍开始使得道砟级配超过一级道砟标准，后随着作业遍数的增加，超标量逐步增大。

2.3 两捣一稳组合作业模式的试验结果和分析

按照一捣一稳同样的方法对两捣一稳组合作业模式数据进行采集和处理，得到两捣一稳组合作业模式对道砟级配的影响结果见表4。

由表4得出以下结论：道砟级配随着两捣一稳组合作业遍数的增加，粒径16 mm以下，16 mm～25 mm,25 mm～35.5 mm，35.5 mm～45 mm道砟占比逐步增加，而粒径45 mm～56 mm,56 mm～63 mm道砟占比逐步减少。其中经历第6遍作业以后，粒径16 mm以下道砟增加了190.48%、增加量占整体道砟的4.00%，粒径16 mm～25 mm道砟增加了76.58%、增加量占整体道砟的8.50%，粒径25 mm～35.5 mm道砟增加了5.53%、增加量占整体道砟的1.30%，粒径35.5 mm～45 mm粒径道砟增加了1.05%、增加量占整体道砟的0.30%，粒径45 mm～56 mm道砟减少了-25.19%、减少量占整体道砟的-6.70%，粒径56 mm～63 mm道砟减少了-91.36%、减少量占整体道砟的-7.40%。参照新建铁路一级道砟标准，大机两捣一稳组合作业在第2遍开始使得道砟级配超过一级道砟标准，后随着作业遍数的增加，超标量逐步增大。

表4 试验结果和计算结果(二)

综合上述3种组合作业模式可以看出：不管哪种组合作业模式，随着作业遍数的增加，都会使粒径56 mm以上道砟破坏成粒径45 mm以下的道砟，意味着大粒径道砟随着大机作业遍数的增加会逐步破碎成为小粒径道砟，使得道砟级配发生改变。因此建议在不回砟的情况下，一捣一稳、一捣两稳组合作业控制在3遍以内，两捣一稳作业控制在2遍以内，不然易造成一级道砟级配的破坏。

3 不同作业模式道砟级配破坏分析

将一捣一稳、一捣两稳、两捣一稳3种大机组合作业模式的道砟初始级配和第6遍作业后的道砟级配进行对比分析如图3所示，发现3种模式道砟初级级配数据基本一致，经过6遍作业以后，发现一捣一稳、一捣两稳两种作业模式道砟级配变化十分相近，而两捣一稳比一捣一稳、一捣两稳作业后的级配差别较大，在两捣一稳作业模式中，小粒径道砟增加较为显著。

在3种组合作业模式中，每遍一捣两稳和两捣一稳组合作业分别在一捣一稳基础上多增加一次稳定和一次捣固作业，因此可以一捣一稳组合作业为比较标准来分析3种模式道砟破坏影响。为了进一步分析反映不同大机组合作业模式对道砟级配破坏之间的研究，减少初始道砟级配对比较结果的影响，定义同一作业遍数下不同组合作业模式之间道砟级配相差率e作为评定指标，由式(3)进行计算。

e=δ-δ0

(3)

其中，δ0为一捣一稳作业道砟质量变化率；δ为一捣两稳或两捣一稳作业道砟质量变化率。

根据表2～表4中得到的随大机作业遍数道砟质量变化率，利用式(3)得到一捣两稳、两捣一稳相对于一捣一稳作业道砟相差率见图4。

得到如下结论：

1)一捣一稳和一捣两稳组合作业数据比较发现，动力稳定车作业对道砟级配破坏相对较小，在相同遍数下各粒径道砟级配破坏相差率在10%以内。

2)一捣一稳和两捣一稳组合作业数据比较发现，捣固车对道砟级配破坏比较大，各粒径道砟级配破坏质量变化相差率最大达135.93%，明显将大粒径56 mm以上的道砟逐步破坏成小粒径25 mm以下的道砟。

4 结论

大机组合作业是改善铁路有砟轨道几何不平顺的主要手段，但在施工作业过程中会破坏道砟的初始级配。本文采用3种大机组合作业模式来研究道砟在不同作业模式下的破坏规律，主要得到以下结论：

1)随着作业遍数的增加，都会使粒径56 mm及以上道砟破坏成粒径45 mm以下的道砟，使得道砟级配发生改变。

2)不同组合作业模式中比较发现，捣固车对道砟破坏较为明显，第6遍作业后各粒径道砟级配破坏质量变化相差率最高达135.93%，而稳定车作业对道砟级配破坏相对较小，各粒径道砟级配破坏相差率在10%以内。

3)在不回砟大机组合作业模式施工中，如线路中线拨道作业，建议一捣一稳、一捣两稳组合作业控制在3遍以内，两捣一稳作业控制在2遍以内，以免造成一级道砟级配破坏严重。