铁路运煤专线道床脏污率标定试验线的建设及应用

秦怀兵，肖志宇，陈 斐

（国家能源集团朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁062350）

目前探地雷达系统在我国铁路道床和路基检测中逐步推广应用，如从美国、英国、意大利等国家进口的车载雷达系统，但这些系统都不能提供道床脏污率的量化指标［1］。

美国卡内基梅隆大学、内布拉斯大学、GSSI 公司等单位的相关研究人员进行了大量试验研究，利用探地雷达检测结果来分析道床的磨损及污染程度，但相关研究均基于普通客运和货运铁路，基于煤炭运输铁路的尚没有先例。英国爱丁堡大学、IMC 公司以及Zetica 公司经过大量试验研究表明，探地雷达可用于确定道床脏污程度，但无法给出道床脏污率的量化标准。瑞士、德国、瑞典、捷克、意大利等国都有探地雷达应用于道床脏污检测的案例，但迄今为止也没有明确的研究成果来反映探地雷达计算参数与道床脏污率之间的关系。中国铁道科学研究院联合德国WEIBE 公司和意大利IDS 公司在这一领域开展过试验研究，明确了道砟脏污程度的粗略分级，但由于数据量少，没有真正涉及道床脏污率指标的给定。

1 道床脏污率标定试验线的作用和要点

朔黄铁路发展有限责任公司安装了2套探地雷达系统用于路基道床检测。第1 套为英国Zetica 公司的检测系统，采用2 GHz和400 MHz探地雷达进行检测；第2套为朔黄铁路发展有限责任公司与中南大学联合研发的检测系统，采用400 MHz 和200 MHz 探地雷达进行检测。

英国Zetica 公司道床检测系统的SIR-30 型探地雷达和2 GHz 天线可以检测道床脏污状况，计算出道床脏污指数，评定道床受污染情况。但该道床脏污指数是基于美国铁路建立试验模型从而解算得出的，所得结果不能与国内所使用的道床脏污率相对应，需要进一步探究两者之间的关系，并且相关模型和算法需要根据运煤专线的实际情况进行改进或突破［2］。国产探地雷达检测系统目前主要用于路基病害检测，业界正在研究评价道床脏污程度的算法［1］。

为充分发挥朔黄铁路现有2套探地雷达系统对道床脏污率检测的能力，确立道床实际脏污率与雷达计算参数的对应关系，须按照运煤专线的道床污染特点，建设道床脏污率标定试验线。其作用有：①利用标定试验线对英国Zetica 公司检测系统得出的脏污指数进行验证，期望得到道床脏污率与脏污指数的对应关系；②为国产雷达检测提供物理模型，尝试进行道床脏污率检测，研究雷达计算参数与道床脏污率的对应关系，力图研究出新的脏污率计算方法［3］。

道床脏污率标定试验线应完全模拟朔黄重载铁路的轨道结构、路基道床结构、道砟级配、道床脏污介质的成分和质量比例。其中道床脏污介质的成分及质量比例是关键因素，取得其数据必须选取运营线不同脏污等级地段进行大量的道床挖验，并对挖验数据进行统计分析和数据集中度处理。道床脏污率标定试验线的技术要点：①确定道床脏污的分级标准，按照铁运〔2006〕146 号《铁路线路修理规则》和《铁路线路修理规则条文说明》有关规定并结合实际需求，确定10%（12.5%），15%，20%，25%，30%共5个等级［4-5］；②依据统计分析所得到的道床脏污介质的成分及质量比例数据，按不同脏污率地段铺设需求，在清洁道砟中掺入不同质量的脏污介质。

2 运营线道床脏污情况挖验试验

2.1 试验概况

将英国Zetica 公司检测系统检测得到的道床脏污指数从最低到最高分成若干个级别，每个脏污等级各挑选3～5个地段作为挖验样点。

试验方法如下：

1）考虑天窗时间，在计划采用大型养路机械清筛的封锁地段附近选取所需脏污等级的挖验样点。

2）天窗点内在挖验样点挖验取样。在枕盒内（相邻2 根轨枕和2 根钢轨所围矩形垂直向下的部分）从轨枕底部开始向下挖出深度为300 mm 以内的道砟，依次用25，10，5 mm的方孔筛将污土筛出并称重。

3）所有试验地段须记录行别、里程、道砟质量、污土质量等信息，填入挖验数据表；汇总、整理现场试验和系统检测时的工况数据，为建设标定线提供依据。

本试验阶段共开挖样点82处，其中上行线样点42处，下行线样点40 处。统计所有挖验样点数据，分析道床脏污指数和脏污率的对应情况，并根据分析情况判断其是否可以用来作为标定线道砟和污土配比设计的参考。

2.2 挖验后脏污指数与脏污率相关性分析

图1 82处样点脏污指数与脏污率相关性分析结果

将82 处样点的脏污指数与对应脏污率进行相关性分析，结果见图1。由线性回归结果发现局部有一定的相关性，但整体上并没有明确的相关趋势。

根据现场挖验时观察的情况，可知隧道地段污染较重，大多数地段煤灰已将轨枕覆盖；相比之下，路基地段污染较轻。在隧道的管状空间内，列车运行、交会都会造成较强的空气对流，导致列车装运的表面煤灰被大量吹落，久而久之覆盖在道床上。因此应该将路基和隧道地段分别做相关性分析。

对路基地段脏污指数与脏污率进行相关性分析，见图2。由线性回归结果可以看出二者之间具有较为明显的相关性，且二者之间整体呈正相关。

图2 路基地段脏污指数与脏污率相关性分析结果

将隧道地段脏污指数与脏污率做相关性分析，结果见图3。可见所有样点成散状分布，二者之间没有明显的相关性；再从二者之间的线性回归结果来看，呈负相关，也就是说脏污指数完全不能反映脏污率变化的趋势。因此，隧道地段挖验数据暂不用于标定线建设，留待后期深入研究。

图3 隧道地段脏污指数与脏污率相关性分析结果

再将路基地段分为上、下行线进行相关性分析，结果见图4。可知上、下行线挖验样点的脏污指数和脏污率数据均有较好的相关性，且根据线性回归结果可知脏污率和脏污指数呈正相关。可将路基地段上、下行线的挖验数据作为标定线道砟和污土配比的依据。

图4 路基地段脏污指数与脏污率相关性分析

3 标定试验线的设计

3.1 设计依据

标定试验线的物理参数模拟正线实际环境参数，包括道砟材料参数、脏污材料参数、轨枕型号及轨枕间距、枕间道砟顶面高度等。保证标定试验线的几何条件、边界条件、物理性质和正线一致。在充分体现道床脏污率变化规律的需求下，分档设计脏污道床，同时揭示脏污率变化的极限条件，尤其是参照铁运〔2006〕146号的维修标准进行设计［4-5］。

标定试验线的湿度对雷达信号的影响较大，应在试验线路两旁通过沟渠实现有效排水，排水线应低于道床垫层底界面，以保证道砟及道床垫层良好的排水条件［3］。

朔黄铁路上、下行线分别为重车线和空车线。一般上行线轨枕间距为600 mm，脏污介质主要为煤渣和煤灰；下行线轨枕间距为544 mm，脏污介质主要为沙土、碎石等［6-7］。2 种线路存在较大区别，标定线应尽可能反映不同介质条件下的脏污情况。

3.2 脏污道砟配比设计

用挖验样点的脏污率和脏污指数绘制散点图，去掉受干扰和离散的数据，给出拟合曲线，分析脏污指数、脏污率变化的敏感性。按照脏污等级对各个挖验样点的粒径配比进行分析，确定各粒径下道砟或污土所占比重，以所有样点集中分布值作为标定线道砟和污土配比的标准。

参照现场路基地段试验数据统计分析结果，正线道砟均为不同级配道砟，其中上行线10～25 mm 粒径的道砟质量比例范围为7%～11%，则设计比例取集中分布值9%；下行线该粒径的道砟质量比例范围为5%～8%，则设计比例取集中分布值6%。上、下行线5～10 mm 粒径污染物的含量普遍较小，上行线质量比例集中在2.5%～4.4%，设计比例取集中分布值3.5%；下行线主要污染物为沙土，质量比例集中在1.25%～1.52%，设计比例取集中分布值1.5%。小于5 mm 的脏污介质不作进一步区分，分别按脏污率与5～10 mm、10～25 mm 的质量比例差额进行脏污配比。上、下行线分别设计了5 个脏污等级，其中最大脏污率为30.0%，上、下行线各脏污等级脏污介质质量比例的设置见表1。

表1 各脏污等级脏污介质的质量比例

3.3 标定线尺寸设计

标定线轨枕间隔及道床深度应该与正线实际情况以及系统检测范围对应。上行线轨枕中心间隔为600 mm，下行线轨枕中心间隔为544 mm；因探地雷达探测脏污指数的深度在轨枕下300 mm 以内，标定线脏污道砟铺设厚度应控制在350～400 mm，以保证雷达所测均为设计的脏污道砟。

每个脏污等级段应按规定长度铺设在标定线，上行线12.5%～25.0%脏污率和下行线10%～25%脏污率的道砟跨3 孔4 根轨枕，则上行线每个脏污等级的长度为1.80 m，下行线每个脏污等级的长度为1.62 m。30%脏污率地段设置为5 根轨枕间距，上行线长度为3.0 m，下行线长度为2.7 m。

为实现道砟层底界面的反射波信号追踪，积累道床下沉时探地雷达波形，特设置一段道砟陷槽。陷槽横跨4孔，上、下行线各占2孔，最大下沉深度200 mm，总长度2.28 m。

4 标定试验线的建设

建线地点选于朔黄铁路管内某段管线J20 道，线路均为60 kg/m 短轨普通Ⅱ型枕线路无电气化区段，线型为直线。J20位置如图5所示。

图5 标定线现场线路示意

该地段道床设计为有垫层地段，既有线枕下石砟深度为290 mm，碎石垫层为100 mm。标定线道床结构见图6。

图6 标定线道床结构

标定线铺设按照图7所示流程进行。

标定线共占用38孔，长度22 m。其纵断面脏污率见图8。标定线占用整根25 m标准轨，轨下共有43孔，自东向西分别编号为1～43，其中5～21孔模拟下行线，22～25孔模拟道砟陷槽，26～42孔模拟上行线。1～23孔设计间隔为544 mm，24～43孔设计间隔为600 mm。

图7 标定线铺设流程

图8 标定线纵断面脏污率（单位：%）

5 标定线试验

标定线建成后，使用探地雷达按月进行检测，以1 m为单位计算出标定线各处脏污指数的高低。

用标定线各脏污等级的脏污指数和脏污率绘制散点图，用回归方式确定二者之间的关系，得出回归关系式。进而根据关系式确定典型脏污率所对应的脏污指数，明确需清筛道床、清洁道床的脏污指数限值。道床（路基地段）脏污分级标准见表2。

表2 道床（路基地段）脏污分级标准

6 结语

道床脏污率标定试验线建设方法为建设道床脏污检测物理模型提供了明确的思路和方法。在标定线进行道床脏污指数标定试验，科学地运用回归分析方法将道床脏污指数和国内铁路采用的道床脏污率建立起对应关系，可用于指导制定清筛计划或评价大型养路机械清筛维修质量，克服按周期清筛道床存在的过维修和欠维修的问题。

标定线的配比设计依据铁路实际线路道床的挖验数据，可以保证所建的标定线模型与实际线路保持配比一致。采用的道砟与实际线路为同种材料和级配；污土也全部为从实际线路清筛出的，使标定线高度还原实际线路的结构和材质。同时挖验样点和标定线各脏污等级的尺寸设计完全结合实际线路情况和探地雷达探测情况，以轨枕底面以下300 mm 深度范围内的道床脏污为计算依据，同时也使实际线路和标定线保持一致，能够进一步提高脏污指数回归分析的准确性。

脏污率设置充分考虑了实际线路道床清筛维修的典型脏污率，并按10%～30%范围内的各典型脏污率分等级设置，可提供较为全面的脏污指数标定模型。该方案还设计了道砟陷槽，为利用探地雷达探测道床下沉病害提供波形参考依据。

虽然本文中道床脏污介质的成分及质量比例模拟了朔黄铁路，但标定线的建设思路和方法可普遍适应于有砟道床脏污率检测的研究。