大型养护机械捣固作业效果评价指标及方法研究

杨 飞,钟进军,尤明熙,尹 峰

(1.中国铁道科学研究院基础设施检测研究所,北京 100081； 2.中国铁路上海局集团有限公司工务处,上海 200071)

轨道不平顺是轮轨系统的激扰源，是引起车辆振动和轮轨作用力的主要原因，不仅影响乘车舒适度，严重时危及行车安全，因此需对轨道不平顺不良区段进行维修。大机捣固作业是有砟轨道线路施工周期最短、养修里程最长的日常维修工种之一[1]，逐渐成为铁路有砟线路维修的最主要手段，建立周期修和状态修相结合的大型养路机械线路养修模式，有利于制定合理的维修计划，稳定线路质量[2]。为了及时掌握列车反复荷载作用下的轨道几何形位状态，各国铁路管理部门都采用了现代轨检车和计算机处理技术来监测其变化情况[3]。 目前我国对大型捣固机械的作业质量的动态评估仅规定了时间限制，即大型捣固机械作业后15 d内，利用轨检车来进行动态检查评定，对于捣固作业周期的预测与决策已有相应研究[4-5]，相应的评价指标研究较少。

大型捣固机械对线路的维修质量受捣固前的基床状态、下捣运动的频率及振幅、夹持速度以及夹持力等很多因素影响[10，14]，由于大型捣固机械主要对线路的轨道几何状态进行修理，因此可以利用轨道几何状态的变化对大型捣固机械的作业质量进行评价，目前已有研究表明高低、水平、三角坑等几何参数受大机捣固影响较大。大机捣固作业主要用来成段地改善线路的轨道几何不平顺[7-8]，对轨道部件的影响较小，针对目前捣固作业捣固阈值及验收评价管理粗放及不统一等现象，主要从轨道几何状态方面对大机捣固作业阈值、作业评价标准、评价方法等方面进行研究。

1 大机捣固作业指数的提出及变化规律研究

目前线路捣固计划制定与捣固质量评价主要以TQI为依据，而TQI是由7项轨道几何参数的标准差之和计算得到，因此研究捣固前后轨道不平顺各项参数的变化情况，以及各参数与TQI之间的关系，对利用TQI直接评判捣固作业是否合理有很重要的意义。

图1～图4是某区段捣固前后各单项标准差变化情况，可以看出，高低、三角坑、水平和轨向捣固后质量均有改善，其中高低、三角坑、水平改善量较为明显，在该区段内轨向改善量较小。

图1 捣固前后高低标准差对比

图2 捣固前后三角坑标准差对比

图3 捣固前后水平标准差对比

图4 捣固前后轨向标准差对比

将轨道几何各标准差分量与TQI进行相关性分析，分析结果见表1，高低、三角坑、水平项目与TQI的相关性较高，在0.9以上，轨向次之，轨距最低。

表1 TQI与各单项标准差相关系数

结合调研情况[11]，目前大机捣固作业特点有以下几个方面：

(1)现场主要通过TQI指标来制定作业计划；

(2)高低、三角坑、水平项目与TQI的相关性最高，且改善量程度较为明显；

(3)轨向的改善量具有一定的离散性，有些地段并未做调整，轨向的改善量一般较小；

(4)大机捣固作业包括捣固和拨道，理论上可以既捣又拨，也可以只捣不拨。

基于以上特点，大机捣固的评价可采用捣固指数来评价垂向的捣固作业水平，拨道指数来评价横向的拨道作业水平。捣固指数和拨道指数定义如下。

捣固指数

σ捣固=σ左高低+σ右高低+σ水平+σ三角坑

拨道指数

σ拨道=σ左轨向+σ右轨向

式中，σ左高低、σ右高低、σ水平、σ三角坑分别为左高低、右高低、水平、三角坑的200 m区段标准差；σ左轨向、σ右轨向分别为左轨向、右轨向的200 m区段标准差。

捣固指数和拨道指数分别为轨道质量指数(为左高低、右高低、水平、三角坑、左轨向、右轨向、轨距的200 m区段标准差之和)的一部分，但其排除了轨距干扰项(大机捣固对轨距无改善)，且分别评判大机的垂向捣固和横向拨道质量，互不交叉，对作业控制、问题查找、人工补救等，都有更强的针对性。

但需要注意的是，当两次检测里程有所偏差时，直接利用轨检车导出的TQI及单项标准差的计算会有一定的误差，这个误差主要是由于里程偏差带来的区段不对应造成的，因此当进行捣固指数和拨道指数计算时，需要先进行里程校准。如某既有线10月份轨检车检测里程与9月份相差75 m左右，检测里程偏差造成的标准差最大误差达到0.5 mm，如图5所示，严重影响作业评价结果。因此，在进行评价之前，应对里程进行修正，通过试算可知，当里程误差修正到20 m误差之内，计算结果较为可信。

图5 9月份和10月份结果对比

利用以上方法对某既有线2010年～2016年检测数据进行跟踪分析，部分区段的捣固指数时程如图6所示。

图6 某既有线K1332区段捣固指数时程

图7 某既有线捣固指数劣化拟合曲线

从图6可以看出，该线K1332区段在距离2010年8月第304、743、1158、1493天即2011年6月、2012年9月、2013年10月、2014年9月进行了捣固作业，捣固后捣固指数都有所下降，但下降量不尽相同，说明捣固确实能改善轨道垂向不平顺质量，但捣固质量有所差异。每次捣固后，在无外界干扰的情况下(如换砟、清筛、路基整修等)，捣固指数随时间会逐渐增大，劣化的趋势较为接近，如图7所示。捣固后捣固指数以相近的速率恶化，可以近似的用直线进行拟合，因此，在管理值一定的情况下，捣固的质量决定了线路垂向不平顺的保持时间，如果捣固质量较高，捣固后的捣固指数处于较低的值，则线路需要维修的时间就会延长，经济效益就会提高。

采用同样的方式对该线2010年～2016年部分区段拨道指数进行跟踪分析，如图8、图9所示，发现并不是所有的捣固区段拨道指数都有明显的下降，下降量也不尽相同，说明拨道水平有所差异。拨道之后，拨道指数随时间会逐渐稳定或缓慢增大，较捣固指数而言，拨道指数劣化趋势较为平缓。因此，在管理值一定的情况下，拨道的质量决定了线路横向不平顺的保持时间，如果拨道质量较高，拨道后的拨道指数处于稳定或降低到较低的值，则线路需要维修的时间就会延长，经济效益就会提高。

图8 某既有线K1332、K1333、K1334区段拨道指数时程

图9 某既有线K1334.4拨道指数劣化拟合曲线

2 大机捣固作业阈值研究

2.1 国外标准

欧洲国家也用轨道几何标准差来指导大机捣固维修，并且很多国家仅仅采用高低标准差来指导大机捣固维修。UIC-518标准和欧洲标准EN13848-5[13]分别设置了高低和轨向三个轨道几何形位标准差的等级，虽然名称不同(UIC规定为QN1、QN2、QN3；EN规定为AL、IL、IAL)，但含义接近，其高低和轨向的检测波长通常为3～25 m。规定如下。

QN1等级(AL-警告值)，该等级下按照常规制定的维护计划对轨道几何状况去检测和维修。

QN2等级(IL-干预值)，该等级下需要短期内进行维护工作，以确保在下次检测之前不至于达到限速值。

QN3等级(IAL-立即限速值)，该等级下不再可以维持既定的运行速度。

国外高低标准差、轨向标准差值对比和不同QN等级的分布标准见表2～表4。

表2 国外高低标准差值对比

表3 国外轨向标准差值对比

国外的研究认为轨道几何质量超过IL值到达到IAL值是不经济的，主要是因为超过IL值后，往往需要更多次的捣固作业，才能使线路恢复到初始的轨道几何状态，并且还会使得线路的恶化速率增大。

2.2 我国线路轨道不平顺质量分布情况

结合轨检车数据，对我国的普速线路各速度区段轨道几何标准差进行统计，其各速度区段累计分布率如表5所示，可以看出，我国普速线路的90%累计分布率值都未超过标准值。

表5 各速度级累计分布

2.3 大机捣固作业阈值的确定

经过调研，我国3个铁路局的大机捣固能力如表6所示。

表6 路局大机捣固维修能力调查

参考国外的捣固维修标准(欧洲国家线路质量小于QN2的约占90%)，根据我国线路轨道不平顺质量分布情况以及路局的大机捣固能力(大约每年能够维修20%的有砟线路)，建议我国目前既有普速线路的大机捣固作业阈值如表7所示。

表7 既有普速铁路大机捣固作业阈值建议值 mm

3 大机捣固作业效果评价研究

3.1 捣固前线路状态与捣固质量的关系

(1)捣固指数

对2017年3条既有线路大机捣固区段作业前线路捣固指数与捣固作业后捣固指数的改善量进行统计分析，以其中某线为例，其分析结果如图10所示。

图10 某既有线的捣固前线路捣固指数与改善量关系

由图10可知，大机捣固垂向改善量的分布具有离散性，但绝大多数遵循捣固前线路捣固指数越高垂向轨道状态改善量越大的趋势。大机捣固作业并不能使所有的区段轨道状态都向好的方向发展，仍有不少区段经过大机捣固作业后轨道状态会呈现变差的现象。对以上线路共计4 937个区段进行分析，共有1 149个区段经过大机捣固作业轨道状态未呈现改善情况，占总区段个数的23%，未改善区段、改善区段的统计结果和未改善区段所占百分比如图11～图13所示。

图11 未改善区段的统计结果

图12 改善区段统计结果

图13 未改善区段所占百分比

从图11计算可知，未改善区段主要集中在捣固前捣固指数小于4 mm和5 mm的区段里，占比分别达到91.2%和98.4%。从图13可以看出，捣固前捣固指数小于2的区段，80%以上都未得到改善，对于捣固指数较小轨道状态良好的区段，需要更加准确的测量和线形优化技术来改善轨道状态，因此，建议目前轨道状态较好，捣固指数小于2的区段不进行大机捣固作业；捣固指数大于2的区段应尽量保证作业质量，提高改善率。

(2)拨道指数

同样对大机捣固区段作业前线路拨道指数与作业后拨道指数的改善量进行分析，其分析结果见图14。

图14 某既有线拨道前线路拨道指数与改善量关系

从图14可以看出，大机捣固横向改善量的离散性更强，但也基本遵循捣固前线路拨道指数越高，横向轨道状态改善量越大的趋势。并且，大机捣固作业并不能使所有的区段横向轨道状态都向好的方向发展，仍有不少区段经过大机捣固作业后横向轨道状态会呈现变差的现象。通过分析，37%区段经过大机捣固作业后轨道状态未改善，未改善区段、改善区段的统计结果和未改善区段所占百分比如图15～图17所示。

图15 未改善区段的统计结果

图16 改善区段的统计结果

图17 未改善区段的统计结果

从图17可以看出，捣固前拨道指数小于1的区段，50%以上都未得到改善，说明对于拨道指数较小轨道状态良好的区段，目前的大机捣固作业技术可能并不能满足要求，需要更加准确的测量和线形优化技术，因此建议目前轨道状态较好，拨道指数小于1的区段最好不要进行大机捣固作业。拨道指数大于1的区段应尽量保证作业的水平，提高改善率。

3.2 大机捣固模式与捣固质量的关系

某铁路局尝试利用两种模式对线路进行大机捣固作业，分别是旧模式两次插镐一遍的方式，和新模式2台捣固并联一次插镐两遍的方式，通过对两种模式的捣固质量进行分析，统计区段个数分别为旧模式107个和新模式120个，如图18所示。

图18 新旧捣固模式下捣固前后改善量变化情况

可以看出，新模式2台捣固并联一次插镐两遍的方式的捣固质量优于旧模式，特别是在捣固前线路状态特别不良的情况下，新模式的优势更加明显，但是由于新模式需要2台捣固车并联，因此捣固效率低于旧模式。此外，捣固作业质量还与捣固车的状态、线路测量的准确性、道砟的状态等有关。

3.3 评价方法的提出

大机捣固改善量的分布具有离散性，但绝大多数遵循捣固前线路捣固或拨道指数越高，轨道状态改善量越大的趋势，且捣固前后线路的捣固指数或拨道指数近似于线性关系，如图19、图20所示。

图19 某既有线一捣固前后捣固指数拟合曲线

图20 某既有线二捣固前后捣固指数拟合曲线

从图19、图20可以看出，虽然捣固前后线路的捣固或拨道指数近似于线性关系，但拟合线两侧仍有较宽的区间范围，加上一些离散点的影响，导致拟合的相关性不高，用于线路捣固质量的评判还需要进行处理，处理方法如下：

(1)首先计算数据的中位数；

(2)再计算数据的上四分位数(Q3)，中位数，下四分位数(Q1)；

(3) 计算四分位数差IQR，即上四分位数和下四分位数之间的差值(Q3-Q1)；

(4)计算数据的外限，即Q3+3IQR和Q1-3IQR，位于外限以外的数据被认为异常值，全部剔除；

(5)取Q3、Q1进行拟合，作为优秀和良好、良好与合格的分界线。

利用以上方法，建立大机捣固作业前后捣固指数的评价图，如图21所示，共分为4个区间，分别为优秀、良好、合格和不合格，借鉴目前的管理经验，对于捣固作业的区段，优秀和良好的区段数应占所有区段数的80%及以上，不合格区段数比重应小于10%，认为本次捣固垂向作业质量合格。

图21 大机捣固作业前后捣固指数的评价

图21中

A:y=x

B:y=0.791 5x+0.311 6，R2=0.931 3

C:y=0.569 9x+0.479 1，R2=0.841 4

同理建立大机捣固作业前后拨道指数的评价图，如图22所示，对于拨道作业的区段，优秀和良好的区段数应占所有区段数的80%及以上，不合格区段数比重应小于10%，认为本次捣固横向作业质量合格。

图22 大机捣固作业前后拨道指数的评价

图22中

A:y=x

B:y=0.793 9x+0.193 5，R2=0.892 8

C:y=0.519 1x+0.347 9，R2=0.819 5

3.4 评价方法的应用

利用某线路2017年大机捣固区段作业前后检测数据进行计算，对捣固垂向作业质量进行评价，大机捣固作业前后捣固指数评价如图23所示。

图23 某线路1大机捣固作业区段前后捣固指数评价

通过上述标准进行评价，对于捣固作业的区段，线路优秀和良好的区段数占所有区段数的91%，不合格区段数占所有区段数的3%，本次捣固垂向作业质量合格。

再利用另外一条线路下行2017年大机捣固作业前后检测数据进行计算，对捣固垂向作业质量进行评价，捣固前后捣固指数分布如图24所示。

图24 某线路2大机捣固作业前后捣固指数评价

通过评判标准可知，对于捣固作业的区段，此线路优秀和良好的区段数占所有区段数的67%，不合格区段数占所有区段数的12%，此线路本次捣固垂向作业质量不合格，建议红色以上区段再次捣固以保证捣固作业质量。

4 结论

(1)分析我国现行普速线路大机捣固计划的制定依据与评价方法，研究轨道不平顺各参数捣固前后的变化情况，以及与轨道质量指数之间关系，提出包含捣固指数和拨道指数的大机捣固作业指数，并对捣固指数和拨道指数的变化规律进行研究。

(2)借鉴国外捣固维修标准，结合我国线路轨道不平顺质量分布情况和轨道不平顺质量指数管理标准，提出大机捣固作业阈值。

(3)通过捣固前线路状态与捣固质量的关系以及大机捣固模式与捣固质量的关系等的研究，提出大机捣固评价方法，并进行现场应用分析，可为评价现场大机作业效果提供依据。