大机作业对道床主要状态参数影响的试验研究

师彬

（昆明铁道职业技术学院，云南 昆明 650217）

道床是有砟轨道最主要的组成部分之一，同时也是有砟维持轨道动力学性能和稳定性的主要组成部分。道床要维持钢轨的几何形位和平顺性，这就要求道床的横向阻力、纵向阻力、支撑刚度等主要状态参数满足相关技术标准。国内外学者对道床状态参数相关研究比较多，比较典型的如下：

于译等人通过研究床肩宽与砟肩堆高与道床阻力的增长关系，研究结果发现：道床横向阻力与道床肩宽、砟肩堆高两种参数的增加都会提高道床的横向阻力值[1]。

KHATIBI F 等采用离散元法建立了有砟轨道数值模型对道床横向阻力进行了研究，研究结果表明：道床空隙率是道床横向阻力最有效的影响因素，当道床空隙率减小10%时，道床横向阻力平均增加18%[2]。

高亮对秦沈客运专线道床整形结束单元轨节锁定前、区间无缝线路形成工程车碾压3 个多月和初验以前3 个时段道床横向阻力、纵向阻力、支撑刚度等参数进行综合测试和分析研究的基础上，对跨区间无缝线路道床状态指标的确定、施工控制等方面提出合理的建议[3]。

黄海等对胶济客运专线建设过程中不同施工阶段道床质量状态进行了试验研究。试验研究表明：不同施工阶段、不同机具、不同作业条件对道床状态参数的影响有所不同，试验结果可供客运专线跨区间无缝线路铺设及安全开通运营提供借鉴[4]。

在新建铁路有砟轨道施工作业过程中，大型养路机械（后简称大机）已成为道床捣固、稳定作业的主要作业手段。那么在大机作业过程中，道床主要状态参数随大机作业遍数的增加是如何变化的，为了探寻新建有砟铁路精整道大机施工作业对道床横向阻力、纵向阻力、支撑刚度等参数的影响，寻求合理的大机施工作业方式，本文将设计大机一捣一稳、一捣两稳、两捣一稳等3 种作业模式对道床横向阻力、纵向阻力、支撑刚度影响的试验研究，为铁路有砟轨道现场大机施工提供一定的指导依据。

1 试验设计

本次试验选择中老铁路国内段玉磨铁路为试验研究对象，玉磨铁路为客货共线铁路，线路等级Ⅰ级，设计时速160km/h，线路为无缝线路，枕木III 型混凝土枕，道砟为新建铁路一级道砟。本次试验时玉磨铁路已普遍经过人工捣固和大机作业，道床已达到初期稳定阶段，钢轨已经过无缝线路应力放散作业，线路中线预留标高基本在110mm 左右，即道床力学参数符合以下规定：道床支撑刚度不应小于70kN/枕，道床横向阻力不应小于7.5kN/枕[5]。为了减小本次试验测量数据的偏差，试验设计方法和原则具体如下：

1.1 在中老铁路直线地段选择3 段线路预留标高大于130mm 的线路作为研究对象，分别进行大机一捣一稳、一捣两稳和两捣一稳3 种作业模式，每种作业模式进行6 遍。

1.2 为了减少大机作业误差，在3 个试验段作业大机使用同一台捣固车、稳定车和配砟车进行施工作业，大机作业参数设置不变。

1.3 为了控制道床总体厚度，3 个试验段大机每遍作业实际起道量为15mm，拨道量根据大机实测设置。

1.4 道床断面尺寸对横纵向阻力影响很大，为了减少道床断面尺寸的影响，每次大机捣固稳定作业后进行补砟配砟作业，然后再进行数据采集。

1.5 本次道床采集横向阻力、纵向阻力、支撑刚度数据使用智能道床状态参数测试仪进行测量，其参数测量理论详细《铁路碎石道砟状态参数测试方法》[6]。

1.6 为了减少试验误差，各指标数据在试验段内进行多次数据采集取平均值作为分析指标。

2 试验结果分析

在大机作业试验前，对道床初始状态数据进行测量，测量方法：在3 个试验段分别抽取4 根枕木（共12 根枕木）进行道床横向阻力、纵向阻力、支撑刚度进行测量，剔除测量数据中异常点后，将测量数据处理成为平均值，得到试验地段道床整体的横向阻力、纵向阻力、支撑刚度初始值分别为7.61kN/枕、8.12kN/枕、78.3kN/mm。

经现场大机施工作业后，将3 个试验段测量的横向阻力、纵向阻力、支撑刚度等道床参数测量数据分别进行均值处理。由于试验数据较多，使用matlab 软件作图，试验段道床的横向阻力、纵向阻力、支撑刚度随大机作业遍数增加的变化趋势如图1 所示。根据测量结果和图1 中道床横向阻力、纵向阻力、支撑刚度随大机作业遍数的整体变化趋势，可以得出如下结论：

图1 道床主要状态参数表变化

（1）在3 种大机作业模式中，横向阻力、纵向阻力随着大机作业遍数的增加而增大，其中一捣两稳作业增加效果最为显著，两捣一稳次之，一捣一稳效果相对最小；

（2）在3 种大机作业模式中，支撑刚度随着大机作业遍数的增加而增大，其中两捣一稳作业增加效果最为显著，一捣两稳次之，一捣一稳效果相对最小。

为了进一步反应不同大机作业遍数效果对道床横向阻力、纵向阻力、支撑刚度的变化影响，定义大机作业各道床状态参数相对于道床初始状态的相对变化率作为评价指标，其计算公式如下：

使用公式（1）对测量数据进行处理后，得到第6 遍作业后的道床横向阻力、纵向阻力、支撑刚度相对变化率如图2 所示。

图2 第6 遍作业后道床主要状态参数相对变化率

从图2 中可以看出：在3 种大机作业模式中，一捣两稳作业对道床横向阻力、纵向阻力增加最快，第6 遍作业后分别提升为：50.20%、75.86%；在3 种大机作业模式中，两捣一稳作业对支撑刚度增加最快，第6 遍作业后提升76.88%。

为了反应相邻作业遍数之间大机作业遍数效果对道床横向阻力、纵向阻力、支撑刚度的影响变化，定义大机作业相邻遍数之间相对变化率指标来进行分析，其计算公式如下：

使用公式处理道床横向阻力、纵向阻力、支撑刚度相邻遍数之间相对变化率如图3 所示。

图3 道床各状态参数大机相邻遍数之间相对变化率

得出如下结论：对比大机相邻遍数之间道床状态参数的相对变化率发现：3 种大机作业模式第1 遍作业对道床横向阻力、纵向阻力、支撑刚度提升最大，然后增加的幅度逐步减小，到第6 遍作业时达到最小；由此可以推断出：随着大作业作业遍数的增加，道床主要状态参数会随之增加，但增加的幅度会逐步降低。

结合图1、图2、图3 测试数据及变化趋势，以一捣一稳作业模式为参照标准发现：一捣两稳作业对道床横向阻力、纵向阻力提升较快，而两捣一稳对道床支撑刚度提升较快。结合现场施工实际情况，对于新建有砟铁路精整道施工阶段，若起道量小时，宜采用一捣两稳模式可快速稳定道床使其达到验收标准，若起道量较大时，宜采用两捣一稳模式可相对快速提升道床标高，若起道量适中时，宜采用一捣一稳模式逐步作业使其达到验收标准，如此减少大机作业遍数，进一步降大机作业低施工成本。

3 结论

有砟轨道道床横向阻力、纵向阻力、支撑刚度是维持有砟轨道动力学性能和稳定性的主要组成部分，为了探寻新建铁路有砟轨道施工作业过程中，大机作业对道床主要状态参数的影响，本文将设计大机一捣一稳、一捣两稳、两捣一稳3 种作业模式对道床横向阻力、纵向阻力、支撑刚度影响进行试验研究，得出以下结论：

3.1 道床的横向阻力、纵向阻力随着大机作业遍数的增加而增大，但增加的幅度会随大机作业遍数逐步降低。其中一捣两稳作业效果最为显著，两捣一稳次之，一捣一稳效果相对最小。

3.2 道床的支撑刚度随着大机作业遍数的增加而增大，但增加的幅度会随大机作业遍数逐步降低。其中两捣一稳作业效果最为显著，一捣两稳次之，一捣一稳效果相对最小。

鉴于以上结论，文章对新建铁路精整道施工阶段大机作业方式提供了合理的指导意见，可降低大机施工作业遍数，为铁路有砟轨道现场大机施工提供一定的指导依据。