大机清筛后轨道动态质量变化影响因素分析及对策

夏孝维 中国铁路上海局集团有限公司蚌埠工务段

肖虎 中国铁路上海局集团有限公司工务部

有砟轨道是由钢轨、轨枕、碎石道床、道岔、联接零件及防爬设备等部件组成的线路基础设备，碎石道床具有保持轨道结构稳定、排水性能良好、富于弹性、利于日常养护维修的特点。但随着线路的运行，道砟颗粒间隙间逐步粉灰、煤灰、扁针状碎石磨后砟屑、基床的翻浆冒泥等充填，在列车动载及雨水灌入等因素作用下，使得碎石道床结构产生板结，逐步失去弹性，进而影响线形线位的变化。因而需要对道床进行周期性的清筛，以整治道床病害、恢复有砟轨道结构弹性。

现有的线路清筛方式主要包括人工清筛、小型机械清筛、大型养路机械清筛作业方式，根据作业清筛机械功能的不同，大型养路机械清筛又可分为全断面清筛、边坡清筛及道岔清筛。线路道床清筛筛除污土、恢复道床弹性的同时，也是对既有运行线路道床破坏重塑的过程，因此有必要对线路清筛后轨道变化情况作跟踪考察，以探索其内在发生发展规律。本文结合选取的我段管内京沪线线路大机清筛地段，以总公司0#综合检测列车检测数据为依据，通过对其轨道质量指数（TQI值）及其7个子项目进行数据分析，以获取轨道质量动态变化的影响因素，并提出针对性的对策。

1 大机清筛分析区段选取

我段近年来线路大机清筛主要为全断面线路清筛，并结合我段京沪线管内部分区段为弱膨胀土地段，选取2016年我段京沪线两次集中修线路大机清筛区段区间线路进行数据分析，其基本概况如表1所示。

表1 大机清筛分析区段基本概况

如表1所示，地段一位于京沪下行线芦岭-唐南集区间，大机清筛时间为2016年京沪线第一次集中修，地段一为非弱膨胀土地段，于2016年京沪线10月进行大机复捣。地段二位于京沪下行线唐南集-固镇区间，大机清筛时间为2016年京沪线第一次集中修，为弱膨胀土地段，并分别于2016年9月及2017年3月进行大机复捣。地段三位于京沪下行线连城-新马桥、新马桥-曹老集区间，大机清筛时间为2016年京沪线第二次集中修，为非弱膨胀土地段，并于2017年10月进行大机复捣。

2 清筛地段TQI值及其子项分析

轨道质量指数（track quality index，TQI）是以200 m轨道区段为单元区段，分别计算单元区段内左轨向、右轨向、左高低、右高低、水平、轨距、三角坑七项轨道几何不平顺的标准差，这七项轨道几何不平顺幅值的标准差之和作为判定该单元区段内轨道平顺性。依次对上述选取的地段的TQI值及其子项进行选取分析。

2.1 地段一TQI值及其子项分析

如图1、图2所示，分别为地段一TQI值及其子项变化情况，其中2017年8月份0#综合轨检车未给出数据，不纳入统计范围。

图1 地段一TQI值变化情况

图2 地段一TQI值子项变化情况

由表1可知，地段一大机清筛时间为2016年3月5日至3月15日，线路大机复捣时间为2016年10月27日至11月2日，对比图1、图2可以看出，地段一在线路大机清筛后的2016年4月至8月呈现缓慢增长趋势，而9月份则突然增大，10月份呈现较大值，经过大机复捣后，该区段TQI值恢复较低水平。并在2017年5月份出现一个小幅增加，其后恢复稳定状态。现以线路清筛后的第一个月（2016年4月）检测数据为基准数据，对比分析该区段TQI值及其子项变化情况，如图3所示。

图3 地段一清筛后TQI值及子项增幅情况

由图3可以看出，地段一在线路大机清筛后，TQI值子项中增幅较大的依次为左高低、右高低、水平、右轨向、左轨向，左高低增幅最大达到100%，右高低、水平最大增幅达83.33%、82.61%，而轨距基本没有变化。

2.2 地段二TQI值及其子项分析

因地段一与地段二为相邻区间，其中区段一为非弱膨胀土区段，区段二为弱膨胀土变化区段，图4给出了区段一与区段二TQI值周期内的变化情况，图5给出了地段二TQI值周期内子项变化情况。

图4 地段一与地段二清筛后TQI值对比情况

由图4可以看出，对比地段一、地段二的TQI值变化情况，大机清筛后的7到9月份，弱膨胀土地段TQI值增幅较大，地段二的TQI值由4月份的3.93增幅至8.72，在2016年9月26日进行大机线路捣固后降至5.30，但在第二次大机复捣之前，与地段一相比，仍处于较高幅值。如图5所示，对于所选取的地段二为京沪下行线唐南集-固镇区间弱膨胀土地段，在进行线路大机清筛后，其TQI值子项在2016年9月份动检车检车时，变化较大的依次为左高低、右高低、水平、三角坑及左右轨向，而轨距基本保持不变。地段二在经过2017年3月19日大机第二次复捣后，该段线路TQI值小幅回落，并在2017年5月以后趋于稳定。

图5 地段二TQI值子项变化情况

2.3 地段TQI值及其子项分析

图6、图7为地段三TQI值及其子项变化情况，地段三位于京沪下行线连城-新马桥、新马桥-曹老集区间，大机清筛时间为2016年京沪线第二次集中修，为非弱膨胀土地段，并于2017年10月进行大机复捣。

图6 地段三TQI值变化情况

图7 地段三TQI值子项变化情况

通过图6可以看出，地段三TQI值在线路大机清筛前出现一个小的峰值，即2016年10月18日检测数据，线路大机清筛后，该地段在2017年5月份出现一个峰值，经2017年10月份线路大机捣固后，其TQI值趋于稳定。对该地段TQI值子项分析可以知道，线路大机清筛后至2017年5月份TQI值出现的峰值，其中左高低、右高低、水平、三角坑幅值依次变化较大，而左右轨向、轨距变化不明显。

通过对选取的三地段线路大机清筛后的TQI值及其子项分析可以看出：

（1）在一年内的4至5月份、9至10月份，线路TQI值出现两次明显的峰值，而经过线路大机清筛后的线路在4至5月份、9至10月份其TQI值出现的峰值幅值更大；

（2）线路大机清筛地段其TQI子项中，幅值变化明显的依次为左高低、右高低、水平、三角坑，左右轨向及轨距变化幅值较小；

（3）京沪线弱膨胀土地段经过线路大机清筛后其TQI值变化比非弱膨胀土地段变化更为显著，其左右高低、水平、三角坑、左右轨向均有较大变化，而轨距基本保持不变。

3 清筛地段TQI值变化原因分析及对策

保持无缝线路稳定的因素主要因素包括以下几个方面：温度压力、轨道初始不平顺、道床横向阻力、轨道结构框架刚度及扣件阻力。其中温度压力及轨道初始不平顺为破坏无缝线路稳定、恶化轨道平顺的因素；道床横向阻力、轨道框架刚度及扣件阻力为保持无缝线路稳定的因素；结合我段京沪线弱膨胀土地段的基床不稳定等因素，对我段京沪线线路大机清筛地段轨道质量变化进行分析。

3.1 轨道温度压力及初始不平顺

无缝线路锁定后，由于受一年四季气温变化的影响，导致在钢轨内部产生拉压两种不同性质的钢轨应力，而在轨温高于锁定轨温时，便会产生温度压力。通过扣件的锁定来约束钢轨，使得钢轨、轨枕构成轨道框架，因轨道结构初始的纵向、横向不平顺的存在，导致钢轨温度压力转变加剧轨道不平顺的作用力。而无缝线路温度压力一般在4至5月、9至10月份昼夜气温变化的季节而出现压力峰值，影响无缝线路的轨道平顺性，这一点可以从文中所选取的分析地段一的2017年5月及地段三2016年10月检测的TQI值反映出来。

3.2 清筛后道床横向力变化

线路大机破底清筛作业对于无缝线路道床是一个破坏重塑的过程，清筛机的清筛过程短时间内严重削弱道床纵横向阻力，通过后续的大机捣固及稳定作业，促使清筛后的道床密实并逐步恢复道床纵向及横线阻力。而道床横向阻力主要有三部分，分别由枕底、枕侧及枕端提供，枕底及枕侧所提供的横向阻力在道砟捣固密实后并受到周围约束的影响变化较小，而枕侧道砟由于约束力的减少。同时已有的研究表明无缝线路钢轨的自振频率会随着温度力的增加而增加，且在受到列车荷载压力作用下激振作用更加显著。因此，当钢轨温度压力达到压力峰值时会对线路大机清筛后的枕端道砟的密实性进行弱化，减少其枕端横向阻力的构成，表现为轨道不平顺的显著。这点在所选取地段一、地段二的2016年9月至10月TQI值及其子项，地段三的2017年2017年5月份的TQI值及其子项可以反映出来。

3.3 弱膨胀土地段基床不稳定

线路大机捣固后，道床的纵横向阻力一般在8 Mt～9 Mt达到稳定，而道床的下沉碾压密实也在该阶段完成。但基床的不稳定则会扰动道床的稳定性，由于我段京沪线管内部分地段存在弱膨胀土，在每年夏秋季节，受气候变化影响，或持续干旱少雨，或连续暴雨，造成基床的不稳定，这种基床的变化反映到轨面上，便会加剧轨道不平顺，使得轨道几何尺寸发生较大变化。这一点在所选地段一与地段二的2016年8至9月份的TQI值及其子项分析中表现明显。

3.4 大机清筛后轨面控制对策

针对线路大机清筛后轨道质量变化及原因分析，结合现有的作业技术及作业手段，提出以下控制措施：

（1）做好线路清筛地段的应力放散以降低钢轨压力峰值，减少钢轨应力引起的轨道横向不平顺；

（2）做好清筛后的大机捣固及后续细整纠缺作业质量控制，主要通过轨距精改降低轨道横向不平衡，主要降低的指标有轨距、轨距递减率、左右轨向等指标，最大限度的减少轨道初始不平顺；

（3）增加线路外侧砟肩宽度，由现有的400 mm～450 mm增加至砟肩极限550 mm，同时增加砟肩堆高的宽度；

（4）对弱膨胀土地段进行砍伐绿篱、增植保水草皮、覆盖瓜子片等措施以保持路基的稳定。

4 结束语

无缝线路轨道结构由于受气温的影响，在每年4至5月、9至10月会在钢轨内出现温度压力峰值，钢轨受压在列车动载作用下会造成轨道结构激振作用显著，线路大机清筛地段由于道床的扰动后重塑，会在这种作用力下弱化道床横向作用力，造成轨道不平顺加剧。管内京沪线弱膨胀土地段基床的不稳定则会影响道床的稳定性，进一步影响轨道不平顺。针对线路大机清筛后轨控所存在的问题，提出加强清筛后的线路大机捣固及线路轨道几何尺寸细整的作业质量控制，同时增加线路砟肩宽度及砟肩堆高的宽度，以提高枕端道床阻力，并加快管内京沪线弱膨胀土地段的整治进度。