小半径曲线区段大机清筛作业安全控制技术

王志强 上海铁路局上海大型养路机械运用检修段

小半径曲线区段大机清筛作业安全控制技术

王志强 上海铁路局上海大型养路机械运用检修段

为了更好控制大机在小半径曲线区段的作业安全，针对现有作业中可能产生的问题，结合需求，进行安全风险排查，梳理出四大类安全风险，并进行详细分析，提出安全控制措施。

大机作业；安全；控制

大型养路机械作为既有线施工主要施工设备，因其具有较高的作业精度和作业效率，在铁路线路维护中发挥了不可替代的作用；目前，大型养路机械承担了百分之八十左右的线路维修工作，大型机械的作业安全是工务线路维修安全的控制重点。大机清筛集中了多机组、多工种的协同作业，施工配合环节多，相比较来说，大机清筛作业安全控制难度更大，特别是在曲线半径较小（曲线半径在400 m到800 m之间，半径小于400 m的曲线在铁路正线现已基本取缔）的区段大机作业安全风险更加突出。

正是考虑大机在小半径曲线区段作业安全可靠运行重要性的基础上，针对现有作业中可能产生的问题，结合需求，对作业安全风险进行排查和分析，提出安全控制措施。

1 大机在小半径曲线区段作业的安全风险

本人多年从事大型养路机械施工安全管理，总结多年来的经验，后果严重且发生概率较大的安全风险项主要有以下几类：

（1）线路水平控制不当，出现水平三角坑，导致清筛机后转向架、与之编组同步作业的卸砟K车及后续其他作业大机脱轨风险。

（2）轨排出现横向位移，导致作业机组脱轨风险、无法开通封锁线路运行列车。

（3）连续大量欠超高，后续捣固车作业困难乃至脱轨，作业后线路稳定性差，开通后列车运行安全留下隐患。

（4）不能正确设置道床排水坡，线路质量留病害，列车运行安全留隐患。

2 安全风险分析

2.1 水平三角坑分析

（1）水平三角坑概念

如果在一段不太长的距离内，先是左股钢轨较右股钢轨高，后是右股钢轨比左股高，而且两个最大水平误差点之间的距离不足18 m，则把这种水平误差称为“三角坑”。水平差超过4 mm的三角坑，就会使车辆转向架的四个车轮中的一个悬空。如果恰好在这个车轮上出现最大横向力，就可能使车轮爬上钢轨，发生脱轨事故。因此线路上不能存在三角坑。

（2）清筛机作业时水平三角坑控制标准

大型清筛机组作业走行速度慢，清筛机及与其编组的K车最大走行速度为1.6 km/h，后续捣固车最大走行速度3 km/h～8 km/h，水平三角坑在清筛作业时控制值可以适当放宽，按我段在作业轨控方面的研究成果、并请同济大学根据清筛机、K车、捣固车动力学性能参数进行仿真实验得出的三角坑控制标准值为30 mm。

（3）产生三角坑的原因

清筛机清筛作业是通过筛分后道砟回填来实现线路水平控制的，即通过枕下垫砟调节轨道横向水平。清筛机作业时，机器慢速运行，高速旋转的挖掘链将道床石砟挖出并运送至振动筛，经过筛分的清洁道砟在左右道砟分配板导流下从振动筛末端左右两通道落下，通过道砟回填分配装置由前、后道砟分配板和左、右道砟回填输送装置控制回填至道床上。由以上分析知：填砟位置（轨枕端部或轨枕下方）、前配石砟量和后配砟量、以及左右股石砟回填量关系都直接影响机器作业后线路水平误差能否控制在要求范围内。需要作业操作手及时准确掌握作业后线路状况并采取适时适度的综合配砟调整，作业较复杂，需有丰富的配砟经验并在其他测量人员准确测量配合的前提下才能良好完成。如配砟操作经验不足，操作变换太频繁，左右分砟及填砟位置不合理，作业后轨道几何参数测量不准或掌握不及时而误操作，极易造成线路水平三角坑。

2.2 轨排横向位移分析

（1）有砟铁路轨排受力及状态

有砟铁路轨道在正常运行状态时，轨排受自身重力、道床承载力、钢轨内应力、道砟的横向阻力、及列车通过时列车施加的作用力，各力的合力为零，轨排处于相对静止状态（列车通过时有局部较小的弹性变形）。

（2）清筛机作业时轨排的受力状态

清筛机作业时，起拨道装置通过夹钳滚轮抓住钢轨，挖掘链穿过轨排下部，靠扒指将石砟挖起，并将石砟运送到振动筛，经筛分后的石砟通过分配回填输送装置回填至轨道，石砟回填由前部的回填输送带和后部配砟装置完成；各作业装置布置如图1所示，挖掘链在起拨道装置前，回填输送带装配在起拨道装置后，后配砟装置在振动筛下方距挖掘区约15 m处；挖掘链至前部石砟回填输送带配砟位置有一段1.5 m左右的无砟挖掘断面，因前回填输送带回填石砟量有限，主要起回落轨排的支承作用，对回落后的轨排横向阻力较小，也就是说，挖掘链至后配砟处这一段近16 m的轨排横向阻力主要靠前起拨道装置和后拨道装置（装配在距前起拨道装置后5.25 m处）提供；即清筛机作业过程中，前后两转向架之间的轨排，主要受轨排重力、回填后石砟的支承力和横向阻力、前起拨道装置提轨抓力、前后起拨道装置的拨道力以及钢轨的内应力作用。

图1 清筛机工作装置布置图

（3）轨排横向位移主要原因一是前起拨道装置和后拨道装置设置的拨道不合理直接导致轨排横移，因较小的拨道误差累计而导致大范围的轨道偏移；二是小半径曲线地段超高量大，轨排面与水平面夹角大，重力沿轨排面（道床支承面）分量大，如道床石砟不能给轨排提供足够的横向阻力以平衡此重力分量，轨排产生横向移动；三是施工时环境温度与钢轨锁定轨温差距大，钢轨内应力加大，如大机清筛作业时起道量过大，进一步加剧钢轨内应力，也易造成轨排横移。

2.3 连续大量欠超高原因分析

（1）因准确实现线路超高作业难度较大，导致连续大量欠超高。如前所述，大机清筛是通过人工调节两股轨石砟量以垫砟方式实现轨道水平控制的，要使两股钢轨有超高，就必须一侧轨垫砟多于另一侧轨，操作难度大于两侧轨均分石砟工况；在缓和曲线地段超高值是递变的，更增加了控制难度；为了保持线路纵断面的连续性，避免出现水平三角坑，经验不足的作业人员往往牺牲线路超高方面的作业要求。

（2）“宁欠勿高”规则加剧了连续大量欠超高。为了防范轨排横移、避免作业线路出现水平三角坑，我们在作业实践中、综合考虑利弊总结出了大机在曲线地段作业中“宁欠勿高”的成功经验，“宁欠勿高”规则的主要弊病是加剧了大量连续欠超高情况出现。

2.4 复线排水坡设置问题

线路排水坡按标准要求4%的坡率，Ⅲ型混凝土轨枕长2.6 m，水泥枕两端清筛深度差约为100 mm方能满足排水坡要求。复线区段超高股设置在内侧（两线间）时，排水坡方向与轨面同向，按要求设置排水坡较易实现；但如超高股在路肩侧时，排水坡方向与轨面不同向（如图2），满足排水坡要求需轨枕两端理论挖掘深度差100 mm，加上曲线超高H（设计值一般在0 mm～125 mm），故按理论计算轨枕两端的挖掘深度差应为（H+100 mm）,最大值超过200 mm，清筛机常规作业基准轨挖掘深度应达300 mm，以此推算，外侧挖掘深度将超过500 mm，实际施工过程中挖掘深度完全满足该要求是基本不可能的，这样就导致了复线且超高股在路肩侧轨道，大机清筛作业时排水坡设置不当，有时甚至不做排水坡或做反坡。

图2 排水坡与轨道平面不同向示意图

3 大机在小半径曲线区段作业安全控制技术

3.1 水平三角坑控制

（1）确保充足的石砟。施工前认真调查线路状况，根据情况预卸石砟，确保施工时有充足石砟用以调节线路水平。

（2）及时拆、排除影响施工的固定设备及障碍物，适当降低作业速度。保持清筛机作业的连续均匀是大机清筛作业质量好坏的关键，清筛机作业中停顿必然造成回填石砟不均，导致线路出现高低、水平三角坑；拆除影响清筛机作业的固定设备及障碍物，减少对清筛机作业的干扰，并且适当降低作业速度，以不大于5 m/min为宜，出现异常情况时有充分的应变条件补救。

（3）加强监控。现我段的清筛机均已加装作业后线路水平检测系统，应严密监控，指导配砟调节准确进行。

（4）适时适度调节配砟。如前所述配砟调节是综合性调节，控制难度大；调节后效果检验（水平检测传感器）只能在机后，有滞后性；因此配砟调节不可太频繁、调节幅度不宜太大；当水平在±15 mm范围内，无需调节；当水平误差超过10 mm时应严密监控误差的发展趋势，如误差继续加大，才予以微调，以调节回填输送带控制石砟回填位置为主。

3.2 防范轨排横移超限

（1）正确设置预拨量

①拨道单弦法整正线路的基本原理

铁路轨道的曲线半径相对于现场实测而言一般比较大,现场无法用人工实测半径的方法来检查曲线是否达标。因此，实际工程应用过程中，常依靠曲线半径、弦长和正矢之间的几何关系，利用一定长度的弦线测量曲线正矢，来检查线路的圆顺。这种用人工间接测量方法来检查整正曲线的圆顺称为绳正法。

大型机械对铁路轨向的检测也是运用上述绳正法的基本原理实现的，检测出的偏差值靠拨道装置拨动消除，以校正铁路线路的方向，该系统称为单弦测量与轨道拨道系统。如下示意图，曲线的半径OD=R、弦的长度BD=L、正矢MP= H，之间的关系如图3所示。

图3 轨道曲线半径、轨道弦长、正矢的关系图

在图中三角形ΔDMO为直角三角形，所以可以根据直角三角形勾股定理得出，2RH=（L/2）2＋H2。

由于铁道曲线半径大（相较于测量弦和测量正矢而言），H2与R相比不到万分之一，H2可以忽略不计，所以可以得出H=（L/2）2/2R。

同理可得弦上任一点C的近似矢距值H1≈（BC*CD）/2R

②清筛机拨道方式及预拨量设置

常规作业中，清筛机是通过人工操纵电磁阀控制油缸横移推动前起拨道装置实现拨道的，拨道量可以由标尺读取；在曲线区段作业时，前后转向架间是一段圆弧，如前起拨道装置处的矢距值与该点的理论矢距值相等，说明本段圆弧符合标准，无需拨道；也即拨道量（标尺数值）设置为该点的理论矢距值就能准确实施拨道。

清筛机两转向架间距离23 m，前起拨道装置距前转向架距离为8.35 m，由前述拨道理论推知前拨道装置处的理论矢距值H1=（8.35*14.65）/2R（R为曲线半径）。

冬季作业时，作业扰动对钢轨收缩变形较明显，按经验预拨量应按照矢距值H1+20 mm预拨，缓和曲线预拨量根据圆曲线预拨量和缓和曲线长进行顺坡。

（2）合理回填石砟

①施工前认真调查线路状况，根据原有线路的石砟量、线路的板结程度、设计起落道等情况，确定预卸石砟量，确保施工时石砟量充足。

②施工作业中严格控制石碴回填，采用大部分石碴前配的方式，合理调整左右道砟分配量和回填带位置，使得清筛后石砟能大量堆积在轨枕端部，同时保证曲线水平。

（3）避免钢轨过大内应力对施工安全造成后果

①准确掌握锁定轨温，当锁定轨温和实测轨温差过大（大于10℃）时禁止作业。

②严禁起道清筛。避免钢轨因横向、纵向的复合变形造成更大的内应力。

（4）加强观测，及时应变。施工前每5 m设置位移观测桩，发现超过30 mm的较大位移时及时进行拨道调整。

3.3 连续大量欠超高病害防范

作业时如出现大量连续欠超高情况，因线路纵断面平顺，对清筛机及与之编组同步作业K车作业安全基本不构成危害，对后续捣固车作业安全及施工后线路质量病害主要表现在以下两方面：一是捣固车作业恢复线路时必须校正超高，如一次性校正超高量过大，因捣固车前转向架在欠超高轨面，后转向架在捣固校正超高后轨面，刚性捣固车架通过中心销支承在两转向架上，必然导致一组转向架部分车轮离轨趋势，加以捣固装置下揷时对车架的反作用顶力，极易造成捣固车后转向架脱轨，我段在过去的作业中有过此类事故发生。二是捣固作业两股轨起道量差距大，导致单侧捣固不实，线路稳定性差，开通后晃车，过去也发生过此类事件。

为防范此两种大病害，可行而有效的做法是分层起道、多次捣固。

（1）当欠超高小于30 mm时，可以一次性校正超高，欠超高量大于30 mm小于60 mm时，分两次校正超高，也即一次捣固作业校准超高量最大不允许超过30 mm。

（2）及时补砟、稳定作业，要保证每捣固一遍稳定一遍，并及时组织补砟，确保重复捣固前不缺石砟，尤其在超高股加强补砟。

3.4 线路排水坡设置

（1）复线区段超高股设置在路肩侧机器清筛作业时，非超高股挖掘深度设为250 mm,超高股挖掘深度为380 mm；即便超高大于100 mm，仍可实现一定的排水坡，排水坡计算=（380-250-H）/2500，又不超越清筛机的作业能力；当超高小于100 mm时，排水坡率大于1.2%，超高越小，越接近标准排水坡。

（2）复线地段超高股设置在邻线侧时，当超高大于80 mm时，保持水平导槽与轨枕面平行作业，两侧轨挖掘深度一样，排水坡=超高H/2500，满足标准排水坡要求；当超高小于80 mm时，水平导槽挖掘深度差按照40 mm+H控制，也能保证标准排水坡实现。

责任编辑：宋飞 龚佩毅

来稿时间：2015-8-11