重載鐵路有砟道床劣化影響因素研究

賈 軍

（中國神華能源股份有限公司軌道機(jī)械化維護(hù)分公司，天津 300467）

0 引言

國內(nèi)煤炭外運(yùn)重載鐵路有大秦鐵路、朔黃鐵路、晉豫魯鐵路等，還有一部分為在客貨混跑的線路上開行的重載鐵路，重載鐵路里程超1.6 萬公里。這些線路承擔(dān)大量煤炭外運(yùn)任務(wù)，為東部地區(qū)的能源需求提供堅(jiān)實(shí)可靠的保障。因此，為確保重載線路長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，研究重載鐵路的有砟道床劣化規(guī)律已經(jīng)十分迫切。

清篩工作通常在有限的天窗時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行，其清篩作業(yè)的頻次直接影響鐵路線路的運(yùn)營(yíng)效率，并耗費(fèi)巨大的人力與經(jīng)濟(jì)成本。國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)影響道床性能的各種因素展開了廣泛的研究。Buddhima Indraratna[1]等在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著加載頻率和循環(huán)次數(shù)的增加，道床的永久變形和劣化程度增加。Qi Deng Sun等[2]的研究表明，荷載頻率、軸重和圍壓在不同組合中存在3 種不同類型的永久變形機(jī)制。在較高的頻率下，道砟更加容易磨損和破碎。Yunlong Guo 等[3]通過研究得到片狀或細(xì)長(zhǎng)的道砟顆粒比立方形道砟更易磨損，尖角更容易脫落和開裂。邊疆等[4]結(jié)合國內(nèi)外道砟累積變形預(yù)測(cè)模型，模擬列車荷載，總結(jié)了離散單元法在道砟磨損破碎中的應(yīng)用，為進(jìn)一步研究提供了重要基礎(chǔ)。崔旭浩等[5]對(duì)道床在列車荷載下的劣化規(guī)律進(jìn)行研究，得到道砟所受接觸力主要與荷載幅值有關(guān)、較高的荷載幅值對(duì)道砟的破碎影響更嚴(yán)重的結(jié)論。徐旸等[6]的研究表明道砟級(jí)配中的細(xì)顆粒會(huì)降低道床的抗剪強(qiáng)度。井國慶等[7-8]總結(jié)了國內(nèi)外有砟道床的常見問題及解決辦法，針對(duì)道砟劣化、延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)維修周期等方面，提出采用軌道工程上新材料、新結(jié)構(gòu)的解決辦法。張徐等[9]研究認(rèn)為，荷載頻率低于15 Hz 時(shí)，道砟顆粒發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，引起的累積變形不大，當(dāng)荷載頻率提高到20 Hz 以上時(shí)，道砟顆粒發(fā)生劇烈轉(zhuǎn)動(dòng)，道床的累積變形將隨頻率的提高而快速增大。

當(dāng)前國內(nèi)外的研究主要聚焦于線路中的各種力學(xué)及動(dòng)力特性對(duì)有砟道床中道砟的劣化規(guī)律的影響。道床劣化后需迅速進(jìn)行清篩作業(yè)，以保證道床性能及時(shí)恢復(fù)。因此，線路清篩作業(yè)與道床的劣化情況密切相關(guān)，本文通過對(duì)朔黃線清篩數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，研究道床劣化規(guī)律的影響因素。

1 朔黃線清篩作業(yè)里程統(tǒng)計(jì)

有砟道床中的道砟能為軌道線路提供足夠的彈性，能在列車經(jīng)過時(shí)提供減震的作用。同時(shí)道床整體承受了列車自上而下傳導(dǎo)至軌枕的荷載，并把上部荷載進(jìn)行有效分散，傳遞到下部路基中[10]。道床中的道砟在荷載的作用下相互擠壓，導(dǎo)致道砟顆粒角部產(chǎn)生磨耗甚至粉化等現(xiàn)象，導(dǎo)致道床彈性下降、臟污、透水性變差等現(xiàn)象出現(xiàn)。由于劣化道砟長(zhǎng)期受到上部荷載作用而導(dǎo)致的擠壓碰撞，其尺寸較小，表面紋理幾乎被完全磨耗（圖1）。新道砟有尖銳的棱角，表面比較粗糙。道床的臟污情況見圖2，當(dāng)?shù)来驳呐K污率達(dá)到20%時(shí)，就應(yīng)當(dāng)對(duì)線路進(jìn)行清篩作業(yè)[11]。

圖1 新舊道砟

圖2 臟污道床

2016—2019 年朔黃線上行線路年均清篩作業(yè)累積里程約92.754 km，清篩作業(yè)總體變化幅度不大（圖3）。朔黃線全線總長(zhǎng)598.5 km，即上行線路年度清篩量約占線路總長(zhǎng)的15.5%。上行線路4 年累積清篩作業(yè)里程為371.017 km，按此劣化速度，6 年累積清篩作業(yè)里程則能達(dá)到上行線路總里程相當(dāng)。

圖3 朔黃線2016—2019 年上行完成作業(yè)里程分布

朔黃線下行各年度清篩作業(yè)分布如圖4 所示，2016 年朔黃線下行線路清篩作業(yè)里程為38.323 km，占朔黃線下行總里程的6%。而2019 年作業(yè)里程更是增加到了183.454 km，占朔黃線下行線路總里程的31%，超過了前3 年清篩作業(yè)累積里程的總和。與上行線路的清篩作業(yè)里程呈逐年波動(dòng)的變化規(guī)律相比，朔黃線下行作業(yè)里程則呈現(xiàn)出明顯的逐年增加的趨勢(shì)。經(jīng)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，其變化規(guī)律呈指數(shù)增長(zhǎng)。

圖4 朔黃線2016—2019 年下行作業(yè)里程分布

式中 C——線路清篩作業(yè)里程，km

y——清篩作業(yè)年份

經(jīng)計(jì)算，相關(guān)系數(shù)R2=0.926 9。

2 朔黃線清篩頻率分析

2.1 朔黃線上行線路

在2016—2019 年，朔黃線上行大部分路段每年僅需要進(jìn)行1 次清篩作業(yè)，平均累積里程約為87.093 km（圖5）。其中，2016—2018 年的作業(yè)里程高于平均作業(yè)里程，2018年最多，清篩作業(yè)累積里程達(dá)到97.518 km，占朔黃線上行線路總里程的16.25%；2019 年的清篩作業(yè)里程低于平均作業(yè)里程，在4 年中的清篩1 次里程最低，為69.756 km，占朔黃線上行線路總里程的11.63%。

圖5 朔黃線2016—2019 年上行作業(yè)頻次分布

朔黃線上行線路在2016—2019 年清篩作業(yè)中，有小部分線路需要進(jìn)行2 次清篩，但各年度2 次清篩作業(yè)的上行線路累積里程均小于4 km，不到線路總里程的1%。4 年期間的平均作業(yè)里程也僅為2.752 km。2016 年清篩作業(yè)2 次里程最大，為3.884 km，占全線路總里程的0.64%。2018 年進(jìn)行2 次清篩作業(yè)的累積里程最小，為1.324 km，占全線路總里程的0.22%。此外，2019 年朔黃線上行有約0.210 km 的線路需要進(jìn)行3 次清篩作業(yè)，約占全線路總里程的0.03%。此部分線路清篩作業(yè)次數(shù)頻繁，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)該路段為斜坡段，道床在該路段易發(fā)生劣化現(xiàn)象。因此，在對(duì)道床劣化規(guī)律分析中，路段坡度將作為一個(gè)重要影響參數(shù)展開。

2016—2019 年朔黃線上行線路清篩作業(yè)的頻次分布情況如圖6 所示：4 年中有近1/2 的線路未進(jìn)行清篩作業(yè)，里程有269.042 km，里程占全線路總里程的44.84%；清篩1 次線路有297.052 km，占全線路總里程的49.51%；2 次清篩的線路里程為28.688 km，占全線路總里程的4.78%；其余為占全線路總里程的少于1%的3 次及3 次清篩以上的線路。其中，清篩作業(yè)次數(shù)最多的線路達(dá)到5 次，里程有0.240 km，此部分線路道床劣化速度較快，是養(yǎng)修維護(hù)作業(yè)的重點(diǎn)區(qū)域。

圖6 朔黃線2016—2019 年上行作業(yè)頻次分布匯總

2.2 朔黃線下行線路

2016—2019 年，朔黃線下行線路清篩1 次的線路累積里程迅速增加（圖7）：2016 年清篩作業(yè)累積里程為35.979 km，約占線路總長(zhǎng)的6.00%；2019 年線路1 次清篩作業(yè)累積里程則達(dá)到179.777 km，占線路總里程的29.96%；每年進(jìn)行2 次清篩作業(yè)的線路累積里程平均值為0.809 km，小于線路總里程的0.5%。歷年的清篩數(shù)據(jù)中，均由未清篩和1 次、2 次作業(yè)組成，少量線路進(jìn)行了2 次清篩作業(yè)。

圖7 朔黃線2016—2019 年下行作業(yè)頻次分布

朔黃線2016—2019 年下行作業(yè)頻次分布情況如圖8 所示，整體上下行線路與上行線路的清篩結(jié)構(gòu)相似，0 次和1 次作業(yè)里程占最大部分。其中，4 年期間未進(jìn)行清篩作業(yè)的線路累積里程為276.141 km，約占全線路總里程的46.02%；僅進(jìn)行過1 次清篩作業(yè)的線路累積里程為303.065 km，約占全線路總里程的50.51%。值得注意的是，朔黃線下行各年度進(jìn)行1 次清篩作業(yè)的線路里程總和為340.199 km，相比4 年匯總數(shù)據(jù)多37.134 km，此部分線路進(jìn)行了2 次或2 次以上的清篩作業(yè)。作業(yè)2 次的線路里程為18.779 km，占全線路總里程的3.13%，其余為清篩3次的線路，累積總長(zhǎng)少于全線路總長(zhǎng)的0.5%。

圖8 朔黃線2016—2019 年下行作業(yè)頻次分布

由上述數(shù)據(jù)可知，朔黃線2016—2019 年線路上、下行的清篩作業(yè)的分布情況明顯不同，但從2016—2019 年來看，各年度清篩作業(yè)的次數(shù)占朔黃線全路總里程比例呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的規(guī)律。研究結(jié)果表明，在更長(zhǎng)的時(shí)間中，線路清篩作業(yè)的里程結(jié)構(gòu)具有較為明顯的周期性。

3 朔黃線清篩頻次與線路特性的關(guān)系

為確保列車安全平穩(wěn)運(yùn)行，有砟道床在道床劣化到一定程度后，就必須進(jìn)行道床清篩作業(yè)。因此，以線路維護(hù)過程中所進(jìn)行的道床清篩作業(yè)分布規(guī)律為參數(shù)，研究有砟道床劣化規(guī)律的影響因素有重要的意義。由朔黃線2016—2019 年的清篩作業(yè)可得，線路清篩頻次因路段情況而不同，各路段線路特性也不盡相同。而在線路的實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中，朔黃線上、下行的荷載情況也呈現(xiàn)明顯的不同。朔黃線的上行線路由煤礦區(qū)通往黃驊港口，通行的車輛通常為滿載列車，運(yùn)量大，頻次高，所承受的累積荷載也明顯較大。而朔黃線的下行線路則是由港口通向礦區(qū)，通常為空車返回的情況為主，線路所承受的累積荷載也相應(yīng)明顯減小。因此，分別對(duì)朔黃線上、下行線路的清篩頻次及其線路特性進(jìn)行研究，分析線路特性與線路清篩頻次之間的關(guān)系。

3.1 線路坡度對(duì)清篩作業(yè)的影響

在朔黃線上行線路隨機(jī)選取了26 組數(shù)據(jù)，經(jīng)分析可得：①清篩次數(shù)為1 次時(shí)，線路坡度值處于0.5‰～4.5‰；②清篩次數(shù)為3 次時(shí)，坡度值處于1‰～8‰；③清篩次數(shù)增加，則對(duì)應(yīng)路段的坡度值所處區(qū)間上下限值均有所增加。坡度值與清篩次數(shù)表現(xiàn)出一定的影響關(guān)系。為清楚表達(dá)2 個(gè)變量之間的關(guān)系，計(jì)算不同清篩頻次對(duì)應(yīng)每組數(shù)據(jù)的平均坡度值（算數(shù)平均，下同）與清篩頻次繪圖（圖9），可以得出，線路平均坡度增加時(shí)，其清篩次數(shù)隨之上升。二者的線性擬合關(guān)系為：

圖9 朔黃線上行2016—2019 年路段平均坡度與清篩頻次

式中 y——清篩次數(shù)

x——坡度均值，‰

經(jīng)計(jì)算，相關(guān)系數(shù)R2=0.862 4。

與上行線路相同，隨機(jī)選取朔黃線下行26 組路段清篩及坡度數(shù)據(jù)，可得清篩頻次最大為3 次。1 次清篩線路坡度范圍處于0～6‰，均值為2.96‰。2 次清篩線路坡度處于2.6‰～11.5‰，均值為6.73‰。兩者的變異系數(shù)分別為0.584、0.556。3 次清篩線路坡度均值為9.62‰，變異系數(shù)為0.236，數(shù)據(jù)集中程度顯著優(yōu)于1 次、2 次清篩的坡度數(shù)據(jù)?？梢钥吹?，線路清篩頻次越高，對(duì)應(yīng)路段的坡度均值越大，坡度是線路劣化的顯著影響因素。坡度均值與路段清篩頻次的線性擬合關(guān)系如圖10 所示：

圖10 朔黃線下行2016—2019 年路段平均坡度與清篩頻次

其中 y——清篩次數(shù)

x——坡度均值，‰

經(jīng)計(jì)算，相關(guān)系數(shù)R2=0.982 2。

3.2 累計(jì)運(yùn)量對(duì)清篩作業(yè)的影響

依據(jù)朔黃線2016年通過總重和2019 年列車運(yùn)行圖列車對(duì)數(shù)，假定線路年度運(yùn)量呈線性增長(zhǎng)，可得朔黃線各年度運(yùn)量分布情況。結(jié)合朔黃線上下行歷年的清篩作業(yè)里程（2016—2018 年），得到清篩里程與線路通過總重的關(guān)系（圖11、圖12）。下行線路基本為空車通行，清篩里程較上行線路低。但朔黃線上行線路與下行線路的清篩規(guī)律基本相同，即線路年度清篩里程隨著年運(yùn)量而增長(zhǎng)。

圖11 朔黃線上行年度運(yùn)量與年度清篩里程

圖12 朔黃線下行年度運(yùn)量與年度清篩里程

經(jīng)分析，可得朔黃線2016—2019 年上行清篩作業(yè)里程與線路年運(yùn)量的擬合關(guān)系呈線性關(guān)系，可得擬合方程如下：

式中 y——年度清篩里程，km

x——年運(yùn)量，Mt

經(jīng)計(jì)算，相關(guān)系數(shù)R2=0.899 3。

朔黃線2016—2019 年下行清篩作業(yè)里程與線路年運(yùn)量的擬合關(guān)系也呈現(xiàn)為線性關(guān)系，其擬合方程可表達(dá)如下：

式中 y——年度清篩里程，km

x——年運(yùn)量，Mt

經(jīng)計(jì)算，相關(guān)系數(shù)R2=0.946 4。

4 結(jié)論

以朔黃線清篩數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過朔黃線2016—2019 年的清篩作業(yè)數(shù)據(jù)及線路分布情況分析，對(duì)朔黃線有砟道床劣化規(guī)律的影響因素進(jìn)行探究，得到如下結(jié)論：

（1）朔黃線上行歷年線路清篩作業(yè)里程呈穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)，朔黃線下行歷年線路作業(yè)里程呈指數(shù)型增長(zhǎng)，朔黃線全線作業(yè)里程也處于上升狀態(tài)。

（2）朔黃線上行和下行線路的清篩頻次與路段坡度均值都呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性，路段坡度越大，清篩作業(yè)越頻繁。

（3）朔黃線上下行線路年度總運(yùn)量與年度清篩里程呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。年度總運(yùn)量每增長(zhǎng)1 Mt，清篩里程增加0.75 km 左右。