基于移动加载车的重载铁路区段轨道刚度限值研究

郝晋斐，潘振，谷牧，王宁，周谦

（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京100081；2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081；3.中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京100081）

基于移动加载车的重载铁路区段轨道刚度限值研究

郝晋斐1，潘振2，谷牧2，王宁1，周谦3

（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京100081；2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081；3.中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京100081）

基于移动加载车对朔黄铁路重车线轨道刚度测试数据，分析不同道床清筛年份（反映了通过总重的大小）路基段、桥梁和隧道刚性基础区段轨道刚度分布特征，进而针对不同线路区段轨道刚度演变规律，采取轨道刚度和轨道刚度变化率作为评价指标，研究提出重载铁路各区段轨道刚度管理建议值。路基段轨道刚度管理采用轨道刚度变化率作为控制指标，轨道刚度变化率应≤20（kN/mm）/m；桥梁段选用轨道刚度和轨道刚度变化率2项指标，区段轨道刚度平均值应＜340 kN/mm，轨道刚度变化率应＜50（kN/mm）/m；隧道段宜按轨道刚度平均值≤330 kN/mm和轨道刚度变化率≤45（kN/mm）/m控制。

移动加载车；轨道刚度分布；轨道刚度管理值

国内外重载铁路的运营经验表明，轨道总刚度、轨道各部件刚度、轨道刚度沿纵向的变化率等是影响轨道荷载、结构振动和轮轨相互作用的重要因素。轨道刚度过大会造成轮轨间动力作用增大，轨道结构振动加剧，从而加速轨道及其部件的变形失效、破损；轨道刚度过小会导致轨道结构薄弱，造成过大的变形，不利于保持轨道的几何状态，从而增加养护维修费用。轨道的各种过渡段之间刚度可能出现较大差异。在这些过渡段中若不合理控制轨道刚度的变化率则会形成大的轨道不平顺，进而对行车舒适性产生很大影响［1-2］。

近20多年来，国内外关于轨道刚度不合理所产生的问题、某些轨道部件刚度的合理取值等取得了一定的研究成果，但有关轨道刚度的研究主要集中在轨道刚度不平顺对轨道状态和轨道部件振动与受力的影响［3-4］，关于轨道刚度的合理范围及其对轮轨系统动力特性的影响，在轨道变形失效、部件伤损过程中所起的作用等问题，因无法获得大量轨道刚度实测数据而缺乏全面深入的研究。

移动加载车研制成功使得轨道刚度连续、快速检测得以实现，为研究不同线路轨道刚度分布特征提供了大量实测数据［5］。本文应用2015年8月移动加载车对朔黄铁路重车线K0+000—K108+000区段实测的轨道刚度数据，结合近6年该区段道床清筛情况，对不同通过总重条件下路基和桥隧刚性基础区段的轨道刚度分布特征与演化规律进行分析，并以指导线路清筛作业为目标，尝试提出朔黄重载铁路轨道刚度区段管理建议值。

本文在轨道刚度测试数据处理过程中，剔除了线路中过渡段、结构变化频繁区段的数据。参照轨道几何状态管理中轨道质量指数（TQI）概念，以200 m为数据单元，按照不同轨下基础形式和道床清筛年限，将测试数据划分为不同清筛年份条件下路基区段、桥梁区段和隧道区段3类轨道刚度统计分析样本。在数据分析过程中，从轨道刚度平均值、轨道刚度变化率2方面，分析不同清筛年份条件下不同线路区段轨道刚度变化规律。

1　路基段轨道刚度分布特征与管理建议值

在所研究的区段中，典型路基段轨道刚度数据样本有229个，累计长度47.625 km。全样本轨道刚度平均值和轨道刚度变化率频率分布见图1。路基段轨道刚度平均值的最小值、最大值、平均值分别为92.58，198.11，133.74 kN/mm。路基段轨道刚度平均值频率＞5%的区段在105～150 kN/mm，占总体样本的80.79%。样本中95%的区段轨道刚度＜170 kN/mm。路基段轨道刚度变化率的最小值、最大值、平均值分别为3.47，37.80，11.70（kN/mm）/m。路基段轨道刚度变化率频率＞5%的区段在4～6（kN/mm）/m，且占总体样本的82.04%。样本中96%的区段刚度变化率＜24（kN/mm）/m。

根据现场调研，朔黄铁路重车线路基段道床清筛采用机械清筛和大机捣固，现场作业质量良好，清筛计划的制订主要依据大修周期分区段依次作业。在统计的229个典型路基段轨道刚度样本中，2015，2014和2013年样本分别有11，18，5个。路基段的清筛作业主要集中在2012，2011和2010年，样本分别为68，54，34个，6年内没有清筛的样本34个。

路基段轨道刚度和轨道刚度变化率（采用区段平均值）随清筛年份的变化见图2。

图2　路基段轨道刚度和轨道刚度变化率随清筛年份的变化

由图2（a）可见，不同清筛年份路基段轨道刚度无明显变化，仅2014年较小。路基段轨道刚度数据样本出现较大值和较小值的位置均与线下基础密切相关。如总体样本轨道刚度最大值198.11 kN/mm出现在K92+500—K92+700石河口隧道出口的岩质路基段，2012年样本轨道刚度最大值180.66 kN/mm出现在K64+100—K64+300上阳武11#隧道出口处的岩质路基段。轨道区段刚度平均值＜100 kN/mm的区段共4个，分别是K4+050—K4+250，K8+860—K9+ 060，K10+663—K10+863，K33+630—K33+830，依次为小狗涧1#大桥、王虎庄2#大桥、郝家坡2#桥、梁家沟2#桥的出桥填土路基段。

由图2（b）可见，随着道床服役时间增长，路基段轨道刚度变化率增大，6年道床未清筛的样本达18.93（kN/mm）/m。轨道刚度变化率大值样本主要集中在6年内道床未清筛的K81+300—K85+700区段，与线路条件相近的K78+000—K81+300区段相比轨道刚度变化率明显增大，表明未清筛条件下道床与路基劣化显著。由此可见，随着道床服役时间增长，轨道刚度变化率逐步增加，随道床、路基劣化的发生发展，轨道刚度变化率最终稳定在约20（kN/mm）/m。

依据路基段轨道刚度劣化规律，建议采用轨道刚度变化率作为轨道刚度管理指标，轨道刚度变化率管理限值定为20（kN/mm）/m。路基段影响轨道刚度的主要因素是线下基础条件，轨道刚度劣化主要表现为轨道刚度不平顺的变化。从现有朔黄铁路大机配置数量以及历年作业量来看，基于轨道刚度管理限值的大机作业量约占整个区段的10%。该管理值可以较好指导养护维修且预留一定的维修设备冗余。

2　桥上轨道刚度分布特征与管理建议值

在所研究的区段中，选取不同清筛年份条件下的桥上轨道刚度样本，涵盖该区段所有大中桥梁。样本共有40个，累计长度7.61 km。在样本构成方面，2014—2010各年样本数分别为16，7，2，6，1个。6年内未清筛样本8个。

桥梁段全样本轨道刚度平均值和轨道刚度变化率频率分布见图3。桥梁段轨道刚度平均值的最小值、最大值、平均值分别为189.20，386.33，269.11 kN/mm。轨道刚度平均值在各区间分布均匀，仅在380～400 kN/mm内分布频率较少，占总体样本的2.5%。桥梁段轨道刚度变化率最小值、最大值、平均值分别为17.26，75.35，35.56（kN/mm）/m。轨道刚度变化率频率＞5%的区段分布在10～60（kN/mm）/m，占总体样本的92.5%。

图3　桥梁段轨道刚度平均值和轨道刚度变化率频率分布

桥梁段轨道刚度和轨道刚度变化率（采用区段平均值）随清筛年份的变化见图4。

由图4（a）可见，随着通过总重增加桥梁段轨道刚度平均值逐渐增加，2014年清筛样本轨道刚度平均值为225.02 kN/mm，2011，2010年和6年内未清筛道床样本轨道刚度平均值均达到300 kN/mm以上，且这3类样本中轨道刚度平均值＞300 kN/mm的样本占总数的80%。由此可以看出在桥梁段轨道基础较为均衡的条件下，轨道刚度主要受道床状态的影响，随着轨道服役年限增加桥上道床刚度不断增大，轨道服役3年后轨道刚度平均值稳定在340 kN/mm左右。

由图4（b）可见，2014，2013，2012年清筛样本轨道刚度变化率分别为26.95，29.85，27.72（kN/mm）/m。随着轨道服役年限的增加，轨道服役3年后轨道刚度变化率明显增加，2011，2010年和6年内未清筛样本刚度变化率依次为55.18，54.17，42.00（kN/mm）/m。由此可以得到，桥上轨道服役3年后轨道劣化明显，且最终轨道刚度变化率平均值稳定在50（kN/mm）/m。

朔黄铁路桥上线路道床清筛采用人工清筛、小机捣固，相对于大机作业存在作业效率低、清筛不彻底、捣固作业质量难以控制的问题。再加上桥上线路道床厚度普遍不足，桥上线路轨道刚度分布特征与路基区段显著不同。从轨道劣化规律来看，可将桥上线路轨道刚度区段平均值管理值定为340 kN/mm，将区段轨道刚度变化率平均值管理值定为50（kN/mm）/m。从桥上道床清筛工作量的角度来看，样本中轨道刚度＞340 kN/mm的区段约占12.5%，样本中轨道刚度变化率＞50（kN/mm）/m的区段约占12.5%。根据朔黄铁路历年作业工作量，该管理值可以较好指导养护维修并随着“状态修”的进一步深入，在将来维修过程中留有较多的维修能力冗余。

图4　桥梁段轨道刚度和轨道刚度变化率随清筛年份的变化

3　隧道内轨道刚度分布特征与管理建议值

在所研究的区段中，选取不同清筛年份隧道段轨道刚度样本，涵盖该范围内的所有长大隧道。根据清筛年份对隧道段轨道刚度样本进行划分，样本总数136个，累计长度28.82 km。在样本构成方面，2015—2010年各年样本个数分别为8，22，2，22，7，2个。6年内道床未清筛的样本为73个。在维修计划制订中常以整条隧道为单位进行清筛，不同隧道长度差异造成不同清筛年份样本数量有很大的波动。朔黄铁路全线最长隧道——长梁山隧道，全长12.78 km，清筛难度最大。在历年清筛计划中仅对隧道洞口处道床进行了清筛，隧道内绝大部分道床6年内未经过清筛，故造成6年内未清筛样本较多。

隧道段全样本轨道刚度平均值和刚度变化率频率分布见图5。可见：隧道内轨道刚度平均值的最小值、最大值、平均值分别为191.89，432.70，299.16 kN/mm。轨道刚度平均值主要分布在230～350 kN/mm。隧道刚度＞390 kN/mm的区段占样本总数的4.30%。隧道段轨道刚度变化率最小值、最大值、平均值分别为14.71，92.30，37.03（kN/mm）/m。样本中轨道刚度变化率＞70（kN/mm）/m的区段占样本总数的2.94%。相对桥梁段而言，隧道段轨道刚度整体较大，轨道刚度平顺性较差。

图5　隧道段轨道刚度平均值和轨道刚度变化率频率分布

隧道段轨道刚度和轨道刚度变化率（采用区段平均值）随清筛年份的变化见图6。

图6　隧道段轨道刚度和轨道刚度变化率随清筛年份的变化

由图6（a）可知，除个别小样本对统计规律的影响外，不同清筛年份轨道刚度平均值在330 kN/mm左右。从样本分布情况来看，相较于桥梁段，隧道段轨道刚度＞300 kN/mm样本分布频率较高且出现在清筛完成年份较短的样本中。2015年清筛样本中已经出现轨道刚度＞300 kN/mm的样本。表明隧道内道床清筛整体作业水平不高，个别区段在清筛作业完成后区段轨道刚度仍较大，隧道段随着道床劣化轨道刚度最终稳定在330 kN/mm左右。

由图6（b）可知，除2010年小样本对统计规律的影响外，不同清筛年份轨道刚度变化率均分布在45（kN/mm）/m左右。因此可以看出，隧道段道床清筛质量控制较差。

朔黄铁路隧道段道床清筛施工难度较大，隧道内作业环境较差，隧道基底病害、隧道内煤灰淤积都会严重影响道床状态。此外大型机械设备难以进入隧道进行清筛，只能采用人工清筛。考虑到隧道内道床清筛难度大，结合隧道基底病害特点，建议对隧道段轨道刚度管理按轨道刚度平均值≤330 kN/mm和轨道刚度变化率≤45（kN/mm）/m作为清筛作业控制依据。

4　结论

1）随着道床服役年份（通过总重）增加，路基段轨道刚度变化率逐步增大，可将区段轨道刚度变化率作为管理指标，路基段区段轨道刚度变化率应≤20（kN/mm）/m。

2）桥上线路在服役过程中，轨道刚度、轨道刚度变化率均逐步增大，可选取区段轨道刚度平均值、轨道刚度变化率作为管理指标，区段轨道刚度平均值应＜340 kN/mm，轨道刚度变化率应＜50（kN/mm）/m。

3）隧道段轨道刚度变化与桥梁段相似，考虑到隧道内道床状态受施工条件、基底病害、煤灰淤积的影响，隧道段轨道刚度管理宜按轨道刚度平均值≤330 kN/mm和轨道刚度变化率≤45（kN/mm）/m控制。

［1］张格明.轨道刚度合理值评价指标的研究［J］.中国铁道科学，2002，23（1）：51-57.

［2］王午生，耿传智.钢轨垫板和道床动力参数的试验研究［R］.上海：上海铁道大学，2001.

［3］赵国堂.铁路轨道刚度的确定方法［J］.中国铁道科学，2005，26（1）：1-6.

［4］翟婉明.车辆-轨道耦合动力学［M］.2版.北京：中国铁道出版社，2002.

［5］潘振，金花，柴雪松，等.移动式线路动态加载试验车轨道刚度检测技术［J］.铁道建筑，2015（6）：143-146.

（责任审编李付军）

Study on Limit Value of Track Stiffness in Heavy Haul Railway
Section with Track Loading Vehicle

HAO Jinfei1，PAN Zhen2，GU Mu2，WANG Ning1，ZHOU Qian3
（1.Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；3.Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Based on the track stiffness test data on Shuozhou-Huanghuagang heavy haul railway based on the mobile loading vehicle，this paper analyzed the track stiffness distribution characteristics of subgrade sections，bridge section and tunnel rigid foundation sections with different ballast bed cleaning years，and put forward the suggestion values for track stiffness management of different heavy haul railway section according to the track stiffness developing law of each section by taking the track stiffness or change rate of track stiffness as the evaluation index. T he change rate of track stiffness should be used as the control index for track stiffness management in subgrade section，which should be≤20（kN/mm）/m，the two indexes including the track stiffness and change rate of track stiffness should be adopted for bridge section，the average value of track stiffness should be＜340 kN/mm and change rate of track stiffness should be＜50（kN/mm）/m in this section，the average value of track stiffness should be≤330 kN/mm and the change rate of track stiffness should be≤45（kN/mm）/m in tunnel section.

M obile loading vehicle；T rack stiffness distribution；T rack stiffness management value

U213.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.28

1003-1995（2016）10-0105-04

2016-05-16；

2016-07-07

中国铁路总公司科技研究开发计划（2015G004-A）

郝晋斐（1989—），男，硕士研究生。