广深Ⅰ线大型养路机械捣固作业后高低不平顺发展规律

楼大鹏 张煜

（1.中国铁路广州局集团有限公司工电检测设计所，广州 510088；2.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081）

利用大型养路机械（简称大机）对有砟轨道线路进行综合维修已经成为有砟轨道线路维修的主要形式，大机捣固车是大机设备中使用最广泛、应用最成熟的设备之一。

轨道质量指数（Track Quality Index，TQI）是评价线路动态质量的重要指标之一，包括水平、三角坑、左右高低、左右轨向、轨距等单项参数，TQI综合指数或单项参数可以作为编制线路维修计划、指导维修作业的主要参考数据。杨飞［1］通过对京沪线、京九线部分区段轨道几何状态长达3年的跟踪分析，发现大机捣固作业后线路高低的恶化速率要远大于三角坑（扭曲）、轨向、长波高低、长波轨向，因此认为选用恶化速率快且规律性好的高低指标作为捣固维修决策指标最为合适。徐伟昌［2-3］通过对沪昆线浙赣段的TQI数据进行分析，认为在一个维修周期内，TQI各子项中水平、三角坑和左右高低标准差均随时间的增加而增加，而左右轨向、轨距标准差基本保持不变，进而提出了由水平、三角坑和左右高低4项指标组成的大机捣固作业轨道质量评价指数（TQITW）。从定义的角度看，三角坑TQI为一定基长（一般为3 m）水平TQI的代数差，而水平TQI的变化最终是基于高低TQI的变化。因此，本文以高低TQI为评价指标对大机捣固作业质量进行跟踪分析和评价。

广深Ⅰ线（上行）、Ⅱ线（下行）为城际客运线，正线延长146.906 km，1994年12月开通运营。新线建成或线路设备维修后，对线路的破坏作用主要是线上累计通过总重。目前广深线运行的动车组列车均为CRH1A型，每天运行对数和轴重基本固定，线路的累计通过总重与累计运营时间基本成线性关系。本文以广深Ⅰ线K16+000—K19+000区段内长2.580 km的线路为研究对象，对其大机捣固作业前后17次轨道检查车的检测数据进行预处理，持续跟踪分析其高低TQI的变化。

1 检测数据预处理

1.1 研究区段的选择

对线路整体不平顺的计算，我国一般取200 m作为单元轨道区段长度。其他国家取值各有不同，如英国和荷兰取200 m，法国取300 m，美国取320 m，加拿大一般取400 m（有时根据线路标志物来划分），澳大利亚取100～500 m［4-6］。为使研究样本尽量丰富，本文在广深Ⅰ线K16+000—K19+000选取普通直线段、含涵洞的直线段、含完整曲线的区段、起于桥上直线段（含路桥过渡段）且含完整曲线的区段等11个区段（表1），其中含完整曲线的区段的计算长度根据实际情况没有严格按照200 m基长取值。为保证研究对象在广深Ⅰ线全线具有代表性，所选区段左右高低TQI值在全线排名为中等略偏下。

表1 K16+000—K19+000区段线路情况

1.2 检测周期的划分

对所选区段左右高低TQI进行历时537 d的持续跟踪。以捣固作业后第1次检测时间（2012年9月19日）为基准时间，2次检测之间为1个检测周期，检测周期时间段划分见表2。其中累计时间即距离基准时间的天数。

表2 检测周期时间段划分

第4区段因持续大雨出现线路动态质量短时间波动（跨度约50 m）之后又恢复稳定；第8区段因存在固有接头病害，捣固作业后高低峰值明显减小，但又快速恢复到作业前的状态，且在跟踪时间跨度内进行了更换胶垫作业；其他区段在537 d内处于自然渐变过程，波形没有异常波动。

以第1区段为例，其在537 d的波形叠加（渐变）对比见图1。图中自上而下分别为捣固作业前、第1～15检测周期、全周期的波形对比。

图1 第1区段左高低波形叠加对比

1.3 数据的获取及里程校准

从波形文件中导出原始检测点以获取数据。以GJ⁃5型轨检车为例，从波形文件中导出测点（4个/m）的文本数据作为原始数据，再找到某区段的特征点作为起始点，往后连续取一定数量的测点，用TQI定义公式计算得TQI值。研究区段的里程误差控制在0.25 m以内。特征点与文本数据可对应查找。

2 高低不平顺的发展规律

第4区段因存在路基不稳且跨度近50 m，高低TQI变化趋势与其他10个区段有所不同，具体表现为最后3个检测周期线路动态质量没有出现持续恶化，反而持续优化。其他10个区段（20个单元）的高低TQI走势基本一致，其中第8区段虽存在固有接头病害，但病害长度较短，对其走势基本没有影响。因此，本文围绕除第4区段外的10个区段（20个单元）的高低TQI展开分析。

从20个单元的高低TQI总体发展变化趋势看，只要线路基础稳定，不管线路结构是曲线或直线，路下基础是桥梁或涵洞或普通路基，高低TQI的走势基本一致。

2.1 作业前及第1检测周期高低TQI特点

10个区段捣固作业前及第1检测周期的高低TQI值见表3（表内将第1检测周期简称为作业后）。

从表3可以看出：

1）捣固作业前，同一直线区段左右股单元的高低TQI值基本一致，不同直线区段之间差距较大；半径小且长度短的曲线区段左右股单元的高低TQI值有明显差异，如第5区段左右股单元的高低TQI值相差44.43%（以左股为参考）；半径大且相对较长的曲线区段左右股单元的高低TQI值差距不明显。这说明在运输条件、轨道结构、自然环境相似的情况下，由于路基的构造特性和初始平顺度不同等因素，轨道平顺状态和恶化速度也不尽相同，这与文献［7］的结论一致。

灰尘等杂物进行风力剔除，烟梗经喂料提升带提升后通过计量管5流量控制和电子皮带秤6计量后经振筛7，进入浸梗机8进行浸梗处理。

2）捣固作业后：①对于左股单元，高低TQI值下降幅度最小的依次是第3，2，11，8区段。其中第3，2，11区段左股单元作业前的高低TQI值为10个左股单元中最小的3个；第8区段左股单元作业前的高低TQI值为10个左股单元中第2大值，该单元含曲线区段主要荷载集中作用的单边股（俗称下股）。②对于右股单元，高低TQI值下降幅度最小的依次是第5，2，3，10区段。其中第5区段右股单元作业前的高低TQI值为10个右股单元中的最大值，作业后高低TQI值不降反升，该单元含曲线区段的下股；第2，3区段右股单元作业前的高低TQI值分别为10个右股单元中的最小值和第3小值；第10区段右股单元含曲线区段的下股。

文献［8］认为，捣固作业的TQI改善率随捣固前TQI的增大而增大，且当捣固前TQI小于一定值时，TQI改善率为负，即轨道状态较好时，捣固作业非但不能改善TQI，反而会使TQI恶化。结合表3的分析可知，下降幅度最小的单元基本集中在作业前高低TQI值最小的单元，这与文献［8］的结论基本一致。

部分作业后高低TQI下降幅度较小的单元在作业前高低TQI较大，这些单元均含有曲线区段的下股，其在主要载荷的集中作用下整体平顺度较上股差，但相对稳定且难以改善。

表3 捣固作业前及第1检测周期高低TQI值

2.2 第15检测周期高低TQI特点

捣固作业537 d后，20个单元的高低TQI值变化情况（以捣固作业前为基准）见表4。其中13个单元的高低TQI值未超过作业前（占65%），7个单元超过作业前（占35%）。

表4 捣固作业537 d后高低TQI值变化情况 %

从表4可以看出：

1）第2，3区段左右股单元的高低TQI值均超过捣固作业前。结合表3，这4个单元作业前的高低TQI值均远低于全样本的平均值。

3）第6，10区段右股单元的高低TQI值均在捣固作业537 d后超过作业前，这是由于捣固作业累计荷载达到一定程度后线路动态质量发生了自然变化。

结合表3、表4可知，捣固作业537 d后高低TQI值超过作业前的单元基本为捣固后第1检测周期高低TQI值下降幅度较小的单元，说明捣固后高低TQI下降幅度越小的区段越容易在较短累积时间后超过作业前。

2.3 结合月度累计降雨量综合分析

广州地区2012年8月—2014年3月月度累计降雨量见图2。TQI的环比值（当次检测值与上一次检测值的差）与2次检测的时间间隔（天数）的比值称为环比变化速度。其符号为正代表TQI值升高，线路动态质量恶化；符号为负代表TQI值降低，线路动态质量改善。每个单元从基准时间起跨越15个检测周期，产生15个环比变化速度值，每个检测周期内重点分析各单元环比变化速度最大的7个（简称大值），其中降低的大值用N1D表示，升高的大值用N2D表示。每个检测周期分析20个单元（N=20），其中降低、升高、持平的单元分别为N1，N2，N0，同时分析了大值的占比情况，见表5。

图2 广州地区2012年8月—2014年3月月度累计降雨量

表5 15个检测周期内20个单元高低TQI值变化情况

从图2、表5可以看出：

1）第1检测周期，20个单元中8个降低、12个升高，线路尚未稳定，线路动态质量总体趋于恶化。

2）第2～4检测周期，升高的单元个数是降低单元的3倍，线路动态质量连续3个检测周期（时间跨度150 d）恶化占主导且恶化速度有增加趋势。

3）第5检测周期，第一次出现线路动态质量改善占主导现象。该检测周期对应的月度累计降雨量由上月（2013年2月）的8.0 mm急剧增加至174.2 mm，增加了近22倍。

4）第6，7检测周期，升高的单元个数多且大值多，线路动态质量连续2个检测周期（时间跨度61 d）恶化占主导且恶化速度有增加趋势。这2个检测周期对应的月度累计降雨量曲线较平缓。

5）第8～10检测周期，线路动态质量第一次出现连续3个检测周期时间（跨度96 d）改善占主导。这3个检测周期对应月度累计降雨量快速增加，由228.2 mm急剧增至395.5 mm（全检测周期内的最大值）。

6）第11，12为2个极端的检测周期。第11检测周期所有单元均升高且均为大值，其中包含16个变化速度最快的单元、3个变化速度第2的单元和1个变化速度第5的单元；第12个检测周期，18个降低单元中有13个为大值，其分布较为均匀，与第11检测周期20个大值不同。同为极端趋势，第11检测周期线路动态质量恶化的程度明显比第12个检测周期线路动态质量优化的程度大。

7）最后3个检测周期，即捣固作业完成累计时间414 d后，线路动态质量出现加速恶化的趋势。

以第1区段为例，线路动态质量变化趋势见图3。图中累计时间的负值表示捣固作业前。

图3 第1区段线路动态质量变化趋势

3 结论

1）大机捣固作业对作业前线路动态质量平顺度较高的区段，或路基基础稳定而在持续较大荷载作用下线路平顺度较差的区段（曲线下股）改善作用有限。

2）捣固作业后高低TQI值下降幅度越小的区段越容易在较短时间后超过作业前。

3）捣固作业后线路动态质量趋势是趋于恶化的，但是从统计数据看，广深Ⅰ线这样路基基础较好的线路，较大的月度累计降雨量可以缓和甚至改变恶化趋势。这种作用在第一次出现较大月度累计降雨量（如从2月的8.0 mm急剧增加至3月的174.2 mm）和月度累计降雨量大且较为集中的时间段（如华南地区的6—8月）尤为明显。之后会出现线路动态质量集中且较为剧烈恶化的现象，使线路动态质量发展趋势又回到原来的恶化趋势线上。

4）捣固作业后，达到一定累计时间后（广深Ⅰ线为414 d），线路动态质量会出现加速恶化的现象。

5）广深Ⅰ线18个月的大机捣固周期比较合理。