重载铁路岔区施工后限速期间提速行车安全性分析

白新荣

国能朔黄铁路发展有限责任公司，河北 沧州 062350

随着我国重载货物列车轴重和牵引质量的进一步提升，线路设备的伤损以及轨道几何状态恶化速率明显增加。重载铁路岔区由于其轨道结构的复杂性，更易出现道岔损坏和道床脏污［1］，定期道床清筛及更换道岔能够有效解决重载铁路岔区病害［2-4］。但是道床清筛和更换道岔会破坏道砟颗粒之间的黏结，影响线路行车安全。李锐等［5］研究得出，朔黄重载线路道床清筛后的道床阻力在清筛后仅为规范值的90%。TG ∕GW 101—2014《普速铁路工务安全规则》也对道床清筛和更换道岔后的线路稳定时间和限速作出了规定。

伴随着重载铁路轨道结构与大型养路机械的不断优化，原有限速标准已不再适应于目前的重载铁路，线路作业后的限速增加了列车慢行附加时分，既影响运输能力，也影响2 万t 等大运量列车的运营安全［6］。现有的研究多集中于列车正常过岔时的动力学响应分析［7］，缺少养护维修作业后列车过岔的实测轨道安全性数据。为了降低施工后列车阶梯提速对运输的影响及缓解1 万t，2 万t 列车操控难度大的问题，本文通过提速试验对岔区道床清筛、更换道岔后限速期间轮轨力和轨道静态沉降进行测试，对两种扰动道床施工后行车安全性进行综合评估，为重载铁路限行期间精细化提速提供参考。

1 提速试验

TG∕GW 101—2014 中对限速和测量时间的规定为：①开通后第一辆列车限速35 km∕h，第一辆列车与第二辆列车到达试验点的时间间隔；②第二辆列车限速45 km∕h，不少于4 h；③限速60 km∕h，24 h；④恢复常速，4 h。

本次试验将第二阶段列车限速由原45 km∕h 提升为 55 km∕h ，第三阶段列车限速由原 60 km∕h 提升为65 km∕h。其他不变。轮轨力及轨道静态沉降两项测试内容共测试128辆列车。

选取重载铁路上行线岔区，铺设PG4∕PG5 重型钢轨和混凝土Ⅲ型轨枕。岔区轨道基础从上到下依次为厚300 mm 碎石层和厚200 mm 砂垫层，其中碎石层起缓冲减震、分担荷载的作用。岔区道床清筛采用大型养路机械进行，更换道岔型号为12号单开道岔。

1.1 测试内容及方法

1）轮轨力

轮轨力测试采用剪应力法，在钢轨轨腰和轨底粘贴应变片，采样频率1 000 Hz。测试前需对安装好的轮轨力测试装置进行标定。

2）轨道静态沉降

轨道静态沉降测试采用全自动全站仪，该全站仪能够实现测点位置的自动搜索、跟踪、辨识以及后续精准锁定工作，便捷高效地获取三维坐标等信息。轨道静态沉降测试时需在曲线两股钢轨上分别安装反射棱镜，共安装5组棱镜，每组棱镜在垂直于轨道方向上位置保持一致。每组测点间距5 m，以保证监测数据准确有效。

道床清筛和更换道岔区段分别设置5组轨道静态沉降测点，轮轨力测点与轨道静态沉降中心测点位置重合，如图1所示。

图1 测点布置

1.2 评价标准

1）轮轨垂向力。轮轨间垂直力过大会导致轮轨系统各部件伤损和轨道质量状态恶化。目前我国暂无相关规范对该指标的限值予以规定，一般沿用英国铁路标准，限值取250 kN。

2）轮轨横向力。依据GB∕T 5599—2019《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》，单侧轮轨横向力的限值为0.4P0(P0为静轴重，kN）。本次测试机车轴重为250 kN，计算得出轮轨横向力限值为100 kN。

3）脱轨系数。其为爬轨侧车轮作用于钢轨上的横向力Q与车轮作用于钢轨上的垂向力P的比值。GB∕T 5599—2019 中规定：机车Q∕P≤ 0.8；车辆Q∕P≤1.0。为能够有效分析机车与车辆在扰动道床施工后运营的安全性，以相对较小的0.8作为脱轨系数限值。

4）轮重减载率。其为轮重减载量与列车车轴平均静轮重的比值，依据GB∕T 5599—2019限值取0.65。

1.3 安全储备量计算方法

为评判重载线路岔区道床清筛和更换道岔后限速期间提速行车安全性，需计算岔区大型养路机械作业后轨道安全储备量S。以施工作业后出现最大轮轨力时为最不利工况，计算该工况下两种作业后轨道安全储备量。S的计算公式为

式中：Fmax为实测列车轮轨力最大值；F为规范中规定的轮轨力安全限值。

2 测试结果与分析

2.1 最大轮轨力分析

轮轨力影响着重载列车经过岔区时的平顺性和安全性。对岔区道床清筛和更换道岔后128辆列车进行监测，发现外轨轮轨横向力和垂向力均比内轨大。因此数据分析时均采用外轨轮轨力。

岔区道床清筛和更换道岔后各限速阶段最大轮轨力见图2。可知：①无论是道床清筛后还是更换道岔后，在目前的限速条件下各阶段轮轨垂向力均小于250 kN 的限值，轮轨横向力均小于100 kN 的限值。②以四个限速阶段最大轮轨垂向力计算，岔区道床清筛、更换道岔后安全储备量分别为31.90%、24.90%；③以四个限速阶段最大轮轨横向力计算，岔区道床清筛、更换道岔后安全储备量分别为40.69%、28.33%。更换道岔后安全储备量要小于道床清筛，且无论是哪种工况，最大轮轨力均出现在限速运营的第二阶段，在后续测试与修正标准时建议将二者分开考虑，以精细化管控列车限速。

图2 岔区道床清筛和更换道岔后最大轮轨力

2.2 轮轨力平均值分析

各限速阶段 5 000 t、1 万 t、2 万 t 列车经过时平均轮轨垂向力见表1。本次测试时在第一阶段通过了1 辆5 000 t 列车，第二阶段通过了9 辆列车，第三阶段通过了92 辆列车，第四阶段常速运行时通过了26 辆列车，数据稳定后不再监测。

表1 各限速阶段平均轮轨垂向力（σv）

由表1可知：①在第一阶段首辆列车经过时，岔区道床清筛、更换道岔后平均轮轨垂向力分别为151.39、167.91 kN，更换道岔后列车经过时平均轮轨垂向力较大，不利于行车安全；②第二至第四阶段均呈现出相同规律，更换道岔后列车经过时平均轮轨垂向力大于道床清筛；③1 万t、2 万t 列车经过时平均轮轨垂向力大于5 000 t 列车经过时，且相差较大，牵引量的变化会影响轮轨力的大小。

各限速阶段平均轮轨横向力见表2。对比表1、表2 可知：①不同限速阶段平均轮轨横向力所呈现的规律与平均轮轨垂向力一致，更换道岔后平均轮轨横向力始终大于道床清筛，且最大轮轨横向力出现在限速运营的第二阶段（参见图2），由2 万t 列车通过时引起。②虽然分为四个阶段进行限速，但是由于测试列车在重载铁路岔区运行速度较低且各个阶段速度差异较小，所以本次测试中列车速度带来的轮轨力改变并不明显。高速铁路列车轮轨力与此会有所不同。

表2 各限速阶段平均轮轨横向力（σt）

2.3 列车运行安全性分析

脱轨系数能够用来评定列车在轮轨横向力、轮轨垂向力均满足要求时列车运行的安全程度。脱轨系数越大，列车在运行过程中越容易发生脱轨。

经过计算，岔区道床清筛、更换道岔后限速阶段列车经过时最大脱轨系数分别为0.47、0.48，小于规范限值0.8。按128 辆列车经过计算，岔区道床清筛、更换道岔后脱轨系数平均值分别为0.11、0.15。更换道岔后的脱轨系数较大，但两者均小于限值。

测试中发现同一水平面的两个测点轮轨垂向力相差较小，轮重减载率在0.08～0.15，道床清筛、更换道岔后限速期间列车经过时最大减载率分别为0.13、0.15，均小于规范限值0.65。按128辆列车经过计算，道床清筛、更换道岔后减载率平均值分别为0.10、0.13。更换道岔后轮重减载率较大，但两者均小于限值。与道床清筛相比，更换道岔后有砟轨道更不利于行车安全。

2.4 岔区轨道静态沉降量对比

除了轮轨力之外，岔区轨道的沉降量是另外一个值得关注的指标。由文献［8-10］可知，道床垂向变形与道床密实度存在一定关联。从轨道沉降量能够看出岔区道床清筛和更换道岔后有砟道床内部的差异。有砟道床扰动越小，轨道静态沉降量就越小。

岔区道床清筛和更换道岔对道床的扰动程度不同，不同限速阶段沉降量、沉降速度自然有所差别。因此，对限速期间沉降量进行分析，从而判断岔区道床清筛和更换道岔后行车安全性。

扰动道床施工后岔区轨道静态累计沉降量变化曲线见图3。可知：①扰动道床施工后岔区轨道沉降总体上随列车通过数量增加而逐渐减小，沉降增长速率逐渐减小，说明充足的列车碾压可以有效改善施工带来的扰动，使散体道床重新恢复至稳定状态。限速结束时，岔区道床清筛、更换道岔区段轨道静态累计沉降量分别为7.8、5.1 mm。②限速四个阶段岔区道床清筛区段轨道静态累计沉降量明显大于更换道岔区段，且需经历较长时间列车碾压有砟道床才能进入稳定状态，说明道床清筛对道床密实度影响较大。

图3 扰动道床施工后岔区轨道静态累计沉降量变化曲线

3 结论

依据岔区道床清筛、道岔更换后轮轨力及轨道静态沉降测试结果，分析了岔区扰动道床施工后限速期间提速行车安全性。结论如下：

1）与道床清筛相比，更换道岔施工后道床状态更加复杂，轨道安全储备量更小。

2）更换道岔后列车通过时轮轨力、脱轨系数与轮重减载率均大于道床清筛后，但其均小于规范限值。

3）更换道岔、道床清筛后轨道静态累计沉降分别为5.1、7.8 mm。道床清筛后道砟颗粒密实度不足，建议安排稳定车补强扰动施工后轨道质量。

综上，在现有试验条件下岔区道床清筛、更换道岔施工区段均具备安全行车条件。