重载铁路有砟道床劣化影响因素研究

贾 军

（中国神华能源股份有限公司轨道机械化维护分公司，天津 300467）

0 引言

国内煤炭外运重载铁路有大秦铁路、朔黄铁路、晋豫鲁铁路等，还有一部分为在客货混跑的线路上开行的重载铁路，重载铁路里程超1.6 万公里。这些线路承担大量煤炭外运任务，为东部地区的能源需求提供坚实可靠的保障。因此，为确保重载线路长期安全稳定运行，研究重载铁路的有砟道床劣化规律已经十分迫切。

清筛工作通常在有限的天窗时间点进行，其清筛作业的频次直接影响铁路线路的运营效率，并耗费巨大的人力与经济成本。国内外专家学者对影响道床性能的各种因素展开了广泛的研究。Buddhima Indraratna[1]等在实验中发现随着加载频率和循环次数的增加，道床的永久变形和劣化程度增加。Qi Deng Sun等[2]的研究表明，荷载频率、轴重和围压在不同组合中存在3 种不同类型的永久变形机制。在较高的频率下，道砟更加容易磨损和破碎。Yunlong Guo 等[3]通过研究得到片状或细长的道砟颗粒比立方形道砟更易磨损，尖角更容易脱落和开裂。边疆等[4]结合国内外道砟累积变形预测模型，模拟列车荷载，总结了离散单元法在道砟磨损破碎中的应用，为进一步研究提供了重要基础。崔旭浩等[5]对道床在列车荷载下的劣化规律进行研究，得到道砟所受接触力主要与荷载幅值有关、较高的荷载幅值对道砟的破碎影响更严重的结论。徐旸等[6]的研究表明道砟级配中的细颗粒会降低道床的抗剪强度。井国庆等[7-8]总结了国内外有砟道床的常见问题及解决办法，针对道砟劣化、延长养护维修周期等方面，提出采用轨道工程上新材料、新结构的解决办法。张徐等[9]研究认为，荷载频率低于15 Hz 时，道砟颗粒发生相对滑动，引起的累积变形不大，当荷载频率提高到20 Hz 以上时，道砟颗粒发生剧烈转动，道床的累积变形将随频率的提高而快速增大。

当前国内外的研究主要聚焦于线路中的各种力学及动力特性对有砟道床中道砟的劣化规律的影响。道床劣化后需迅速进行清筛作业，以保证道床性能及时恢复。因此，线路清筛作业与道床的劣化情况密切相关，本文通过对朔黄线清筛数据进行深入分析，研究道床劣化规律的影响因素。

1 朔黄线清筛作业里程统计

有砟道床中的道砟能为轨道线路提供足够的弹性，能在列车经过时提供减震的作用。同时道床整体承受了列车自上而下传导至轨枕的荷载，并把上部荷载进行有效分散，传递到下部路基中[10]。道床中的道砟在荷载的作用下相互挤压，导致道砟颗粒角部产生磨耗甚至粉化等现象，导致道床弹性下降、脏污、透水性变差等现象出现。由于劣化道砟长期受到上部荷载作用而导致的挤压碰撞，其尺寸较小，表面纹理几乎被完全磨耗（图1）。新道砟有尖锐的棱角，表面比较粗糙。道床的脏污情况见图2，当道床的脏污率达到20%时，就应当对线路进行清筛作业[11]。

图1 新旧道砟

图2 脏污道床

2016—2019 年朔黄线上行线路年均清筛作业累积里程约92.754 km，清筛作业总体变化幅度不大（图3）。朔黄线全线总长598.5 km，即上行线路年度清筛量约占线路总长的15.5%。上行线路4 年累积清筛作业里程为371.017 km，按此劣化速度，6 年累积清筛作业里程则能达到上行线路总里程相当。

图3 朔黄线2016—2019 年上行完成作业里程分布

朔黄线下行各年度清筛作业分布如图4 所示，2016 年朔黄线下行线路清筛作业里程为38.323 km，占朔黄线下行总里程的6%。而2019 年作业里程更是增加到了183.454 km，占朔黄线下行线路总里程的31%，超过了前3 年清筛作业累积里程的总和。与上行线路的清筛作业里程呈逐年波动的变化规律相比，朔黄线下行作业里程则呈现出明显的逐年增加的趋势。经进一步研究发现，其变化规律呈指数增长。

图4 朔黄线2016—2019 年下行作业里程分布

式中 C——线路清筛作业里程，km

y——清筛作业年份

经计算，相关系数R2=0.926 9。

2 朔黄线清筛频率分析

2.1 朔黄线上行线路

在2016—2019 年，朔黄线上行大部分路段每年仅需要进行1 次清筛作业，平均累积里程约为87.093 km（图5）。其中，2016—2018 年的作业里程高于平均作业里程，2018年最多，清筛作业累积里程达到97.518 km，占朔黄线上行线路总里程的16.25%；2019 年的清筛作业里程低于平均作业里程，在4 年中的清筛1 次里程最低，为69.756 km，占朔黄线上行线路总里程的11.63%。

图5 朔黄线2016—2019 年上行作业频次分布

朔黄线上行线路在2016—2019 年清筛作业中，有小部分线路需要进行2 次清筛，但各年度2 次清筛作业的上行线路累积里程均小于4 km，不到线路总里程的1%。4 年期间的平均作业里程也仅为2.752 km。2016 年清筛作业2 次里程最大，为3.884 km，占全线路总里程的0.64%。2018 年进行2 次清筛作业的累积里程最小，为1.324 km，占全线路总里程的0.22%。此外，2019 年朔黄线上行有约0.210 km 的线路需要进行3 次清筛作业，约占全线路总里程的0.03%。此部分线路清筛作业次数频繁，经研究发现该路段为斜坡段，道床在该路段易发生劣化现象。因此，在对道床劣化规律分析中，路段坡度将作为一个重要影响参数展开。

2016—2019 年朔黄线上行线路清筛作业的频次分布情况如图6 所示：4 年中有近1/2 的线路未进行清筛作业，里程有269.042 km，里程占全线路总里程的44.84%；清筛1 次线路有297.052 km，占全线路总里程的49.51%；2 次清筛的线路里程为28.688 km，占全线路总里程的4.78%；其余为占全线路总里程的少于1%的3 次及3 次清筛以上的线路。其中，清筛作业次数最多的线路达到5 次，里程有0.240 km，此部分线路道床劣化速度较快，是养修维护作业的重点区域。

图6 朔黄线2016—2019 年上行作业频次分布汇总

2.2 朔黄线下行线路

2016—2019 年，朔黄线下行线路清筛1 次的线路累积里程迅速增加（图7）：2016 年清筛作业累积里程为35.979 km，约占线路总长的6.00%；2019 年线路1 次清筛作业累积里程则达到179.777 km，占线路总里程的29.96%；每年进行2 次清筛作业的线路累积里程平均值为0.809 km，小于线路总里程的0.5%。历年的清筛数据中，均由未清筛和1 次、2 次作业组成，少量线路进行了2 次清筛作业。

图7 朔黄线2016—2019 年下行作业频次分布

朔黄线2016—2019 年下行作业频次分布情况如图8 所示，整体上下行线路与上行线路的清筛结构相似，0 次和1 次作业里程占最大部分。其中，4 年期间未进行清筛作业的线路累积里程为276.141 km，约占全线路总里程的46.02%；仅进行过1 次清筛作业的线路累积里程为303.065 km，约占全线路总里程的50.51%。值得注意的是，朔黄线下行各年度进行1 次清筛作业的线路里程总和为340.199 km，相比4 年汇总数据多37.134 km，此部分线路进行了2 次或2 次以上的清筛作业。作业2 次的线路里程为18.779 km，占全线路总里程的3.13%，其余为清筛3次的线路，累积总长少于全线路总长的0.5%。

图8 朔黄线2016—2019 年下行作业频次分布

由上述数据可知，朔黄线2016—2019 年线路上、下行的清筛作业的分布情况明显不同，但从2016—2019 年来看，各年度清筛作业的次数占朔黄线全路总里程比例呈现出相对稳定的规律。研究结果表明，在更长的时间中，线路清筛作业的里程结构具有较为明显的周期性。

3 朔黄线清筛频次与线路特性的关系

为确保列车安全平稳运行，有砟道床在道床劣化到一定程度后，就必须进行道床清筛作业。因此，以线路维护过程中所进行的道床清筛作业分布规律为参数，研究有砟道床劣化规律的影响因素有重要的意义。由朔黄线2016—2019 年的清筛作业可得，线路清筛频次因路段情况而不同，各路段线路特性也不尽相同。而在线路的实际运营过程中，朔黄线上、下行的荷载情况也呈现明显的不同。朔黄线的上行线路由煤矿区通往黄骅港口，通行的车辆通常为满载列车，运量大，频次高，所承受的累积荷载也明显较大。而朔黄线的下行线路则是由港口通向矿区，通常为空车返回的情况为主，线路所承受的累积荷载也相应明显减小。因此，分别对朔黄线上、下行线路的清筛频次及其线路特性进行研究，分析线路特性与线路清筛频次之间的关系。

3.1 线路坡度对清筛作业的影响

在朔黄线上行线路随机选取了26 组数据，经分析可得：①清筛次数为1 次时，线路坡度值处于0.5‰～4.5‰；②清筛次数为3 次时，坡度值处于1‰～8‰；③清筛次数增加，则对应路段的坡度值所处区间上下限值均有所增加。坡度值与清筛次数表现出一定的影响关系。为清楚表达2 个变量之间的关系，计算不同清筛频次对应每组数据的平均坡度值（算数平均，下同）与清筛频次绘图（图9），可以得出，线路平均坡度增加时，其清筛次数随之上升。二者的线性拟合关系为：

图9 朔黄线上行2016—2019 年路段平均坡度与清筛频次

式中 y——清筛次数

x——坡度均值，‰

经计算，相关系数R2=0.862 4。

与上行线路相同，随机选取朔黄线下行26 组路段清筛及坡度数据，可得清筛频次最大为3 次。1 次清筛线路坡度范围处于0～6‰，均值为2.96‰。2 次清筛线路坡度处于2.6‰～11.5‰，均值为6.73‰。两者的变异系数分别为0.584、0.556。3 次清筛线路坡度均值为9.62‰，变异系数为0.236，数据集中程度显著优于1 次、2 次清筛的坡度数据。可以看到，线路清筛频次越高，对应路段的坡度均值越大，坡度是线路劣化的显著影响因素。坡度均值与路段清筛频次的线性拟合关系如图10 所示：

图10 朔黄线下行2016—2019 年路段平均坡度与清筛频次

其中 y——清筛次数

x——坡度均值，‰

经计算，相关系数R2=0.982 2。

3.2 累计运量对清筛作业的影响

依据朔黄线2016年通过总重和2019 年列车运行图列车对数，假定线路年度运量呈线性增长，可得朔黄线各年度运量分布情况。结合朔黄线上下行历年的清筛作业里程（2016—2018 年），得到清筛里程与线路通过总重的关系（图11、图12）。下行线路基本为空车通行，清筛里程较上行线路低。但朔黄线上行线路与下行线路的清筛规律基本相同，即线路年度清筛里程随着年运量而增长。

图11 朔黄线上行年度运量与年度清筛里程

图12 朔黄线下行年度运量与年度清筛里程

经分析，可得朔黄线2016—2019 年上行清筛作业里程与线路年运量的拟合关系呈线性关系，可得拟合方程如下：

式中 y——年度清筛里程，km

x——年运量，Mt

经计算，相关系数R2=0.899 3。

朔黄线2016—2019 年下行清筛作业里程与线路年运量的拟合关系也呈现为线性关系，其拟合方程可表达如下：

式中 y——年度清筛里程，km

x——年运量，Mt

经计算，相关系数R2=0.946 4。

4 结论

以朔黄线清筛数据为依据，通过朔黄线2016—2019 年的清筛作业数据及线路分布情况分析，对朔黄线有砟道床劣化规律的影响因素进行探究，得到如下结论：

（1）朔黄线上行历年线路清筛作业里程呈稳定波动状态，朔黄线下行历年线路作业里程呈指数型增长，朔黄线全线作业里程也处于上升状态。

（2）朔黄线上行和下行线路的清筛频次与路段坡度均值都呈现显著的正相关性，路段坡度越大，清筛作业越频繁。

（3）朔黄线上下行线路年度总运量与年度清筛里程呈线性增长关系。年度总运量每增长1 Mt，清筛里程增加0.75 km 左右。