徐偉昌， 仲春艷， 許玉德， 沈堅(jiān)鋒

(1.上海鐵路局 工務(wù)處，上海 200071；2. 上海鐵路局 上海高鐵維修段，上海 200439；3.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

高速鐵路無砟軌道線路質(zhì)量評價指標(biāo)研究

徐偉昌1， 仲春艷2， 許玉德3， 沈堅(jiān)鋒3

(1.上海鐵路局 工務(wù)處，上海 200071；2. 上海鐵路局 上海高鐵維修段，上海 200439；3.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

為有效開展線路維修管理，需對線路質(zhì)量進(jìn)行狀態(tài)評價和分級。在分析現(xiàn)有線路質(zhì)量評價方法的基礎(chǔ)上，融合線路幾何狀態(tài)檢查、結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢查的多源檢測數(shù)據(jù)，建立了涵蓋軌道幾何狀態(tài)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的高速鐵路無砟軌道線路質(zhì)量評價指標(biāo)及相關(guān)計(jì)算公式，運(yùn)用層次分析法和變權(quán)模型確定了各個參數(shù)的初始權(quán)重，并在滬寧高速鐵路上進(jìn)行了應(yīng)用。結(jié)果表明，線路質(zhì)量評價指標(biāo)能夠準(zhǔn)確評價線路質(zhì)量，反映線路的薄弱環(huán)節(jié)，并可依據(jù)評價結(jié)果分析線路薄弱環(huán)節(jié)的病害，指導(dǎo)線路精確維修作業(yè)。

高速鐵路；無砟軌道；線路質(zhì)量；評價指標(biāo)

0 引言

無砟軌道作為高速鐵路的主要軌道結(jié)構(gòu)形式，其從根本上改變了容易引起軌道變形的道床層結(jié)構(gòu)，具備高整體性、高平順性和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，但因其維修的困難性，大大降低了維修的效率，而高速鐵路運(yùn)行密度高、天窗時間短、線路質(zhì)量要求高的特點(diǎn)又要求現(xiàn)場必須具有較高的維修效率，因而準(zhǔn)確地評價線路質(zhì)量，找出線路的薄弱環(huán)節(jié)，將有限的維修資源用到合理的地方是必要的。

軌道幾何狀態(tài)反映了線路軌距、水平、高低、方向等參數(shù)的狀態(tài)，幾何狀態(tài)的好壞對乘行舒適度的影響很大，文獻(xiàn)[1-10]研究了國內(nèi)外目前廣泛采用的軌道幾何狀態(tài)評價指標(biāo)與方法，上述文獻(xiàn)對軌道幾何狀態(tài)的評價均采用單個檢測數(shù)據(jù)源，各個評價指標(biāo)之間相互獨(dú)立，沒有充分利用現(xiàn)有檢測工具對得到的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評價，可能會導(dǎo)致對軌道幾何狀態(tài)的評價管理不全面。軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)表明了線路各結(jié)構(gòu)部件的狀態(tài)，其狀態(tài)的好壞對行車的安全性有重要影響，同時結(jié)構(gòu)傷損、病害也是軌道出現(xiàn)幾何不平順的重要原因，文獻(xiàn)[11-16]對國內(nèi)外軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評價方法作了詳細(xì)介紹，但是目前關(guān)于軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評價的研究還較少，且其中大多數(shù)的研究是將道床沉降作為軌道結(jié)構(gòu)惡化的主要原因，并對道床沉降與惡化規(guī)律進(jìn)行的研究，但是對于無砟軌道來說，從道床沉降、變形的角度的分析并不完全適用。

集合線路幾何狀態(tài)檢查、結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢查的多源檢測數(shù)據(jù)，提出并應(yīng)用高速鐵路無砟軌道線路質(zhì)量評價指標(biāo)TQEI(Track Quality Evaluation Index)，該指標(biāo)涵蓋軌道幾何狀態(tài)指標(biāo)TGI(Track Geometry Index)和軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)指標(biāo)TSI(Track Structure Index)，并考慮了不同的權(quán)重分配。以下介紹線路質(zhì)量評價指標(biāo)TQEI的計(jì)算方法及在滬寧高速鐵路線路質(zhì)量評價中的應(yīng)用。

1 軌道幾何狀態(tài)指標(biāo)(TGI)

1.1 軌道幾何狀態(tài)指標(biāo)(TGI)計(jì)算方法

線路幾何狀態(tài)相關(guān)的評價方法較多，鑒于各種方法都有不同的側(cè)重點(diǎn)，采用了一種綜合的評價方法，提出了軌道幾何狀態(tài)指標(biāo)TGI，以期盡可能全面地評價軌道幾何狀態(tài)。該方法將我國目前可獲得的多種幾何狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)(綜合檢測車數(shù)據(jù)、車載式線路檢查儀數(shù)據(jù)、便攜式線路檢查數(shù)據(jù)、人工添乘數(shù)據(jù)，見表1)都納入評價系統(tǒng)，用扣分法來表現(xiàn)，計(jì)算公式如下

(1)

式中，F(xiàn)為扣分值的計(jì)算公式，與軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)、軌道質(zhì)量指數(shù)變化率(RTQI)、單項(xiàng)超限(C)、添乘儀(T)、人體感覺(R)、晃車儀(H)有關(guān)。

TQI變化率是單位時間內(nèi)TQI值的變化量與上一周期檢測的軌道質(zhì)量指數(shù)之比，用RTQI表示，其大小表示軌道質(zhì)量狀態(tài)的發(fā)展變化情況：RTQI<0表示軌道質(zhì)量在變好，RTQI=0表示軌道質(zhì)量沒有變化，RTQI>0表示軌道質(zhì)量在惡化，且其值越大，惡化越為嚴(yán)重。將其納入評價系統(tǒng)，可對現(xiàn)場TQI變化較大(快速惡化)的區(qū)段進(jìn)行關(guān)注。其計(jì)算公式如下

(2)

式中，TQI為當(dāng)前檢測軌道質(zhì)量指數(shù)；TQI0為上一周期檢測的軌道質(zhì)量指數(shù)。

以上各項(xiàng)參數(shù)的管理標(biāo)準(zhǔn)、量綱不同，在計(jì)算扣分系數(shù)時，需要對參數(shù)進(jìn)行量綱統(tǒng)一(或無量綱化)處理，形成各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)的當(dāng)量值，考慮權(quán)重比例，計(jì)算相應(yīng)的扣分值，按百分制計(jì)算(當(dāng)F>100時，取F=100)，計(jì)算公式如下

(3)

(4)

式中，Ei為第i項(xiàng)計(jì)算參數(shù)當(dāng)量值；wi為第i項(xiàng)計(jì)算參數(shù)的權(quán)重系數(shù)，i=1，2，……，p；p為幾何狀態(tài)相關(guān)技術(shù)參數(shù)的個數(shù)，包括軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)、軌道質(zhì)量指數(shù)的變化率、軌道幾何不平順偏差(高低、軌距、軌向、水平、三角坑)、振動加速度、晃車檢查、添乘檢查等。

表1 軌道幾何狀態(tài)信息數(shù)據(jù)源

1.2 軌道幾何狀態(tài)指標(biāo)(TGI)初始權(quán)重確定

軌道幾何狀態(tài)指標(biāo)計(jì)算的各個參數(shù)權(quán)重運(yùn)用層次分析法，通過專家問卷、討論建立判斷矩陣，計(jì)算其中的幾何平均數(shù)，數(shù)據(jù)歸一化和判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)后確定，以滬寧高速鐵路為例，得到軌道幾何狀態(tài)指標(biāo)的初始權(quán)重系數(shù)：TQIw11=0.1；RTQIw12=0.1；幾何狀態(tài)偏差w13=0.4；振動加速度w14=0.1；添乘儀w15=0.15；人工添乘w16=0.1；晃車儀w17=0.05。

2 軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)指標(biāo)(TSI)

2.1 軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)指標(biāo)(TSI)計(jì)算方法

用軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)指標(biāo)TSI來反映線路的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對于無砟軌道線路來說，主要包括鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌道板等的狀態(tài)。上述部件的狀態(tài)是利用現(xiàn)場人工檢查、綜合巡檢車以及鋼軌探傷車等獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，并結(jié)合了我國鐵路結(jié)構(gòu)狀態(tài)管理以及鐵路線路維修規(guī)則中線路質(zhì)量評定的相關(guān)內(nèi)容計(jì)算分析得到的。

將無砟軌道結(jié)構(gòu)劃分為鋼軌系統(tǒng)、扣件系統(tǒng)、無砟道床系統(tǒng)3個子系統(tǒng)：(1)鋼軌系統(tǒng)，包含鋼軌及鋼軌接頭； (2)扣件系統(tǒng)，包含扣件及各種連接零件； (3)無砟道床系統(tǒng)，包含軌道板、水泥乳化瀝青砂漿填充層、混凝土底座、支撐層、凸形擋臺、側(cè)向擋塊等。

軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)源見表2。

表2 軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)源

注：①鋼軌系統(tǒng)傷損除了考慮鋼軌常見傷損外，還將光帶情況納入評價系統(tǒng)，鋼軌光帶不良有以下幾種情況：光帶過寬或過窄、光帶突變、作用邊擦痕；
②鋼軌傷損形式主要有軌頭磨耗、軌頭剝離裂紋及掉塊、軌頂面擦傷、波形磨耗、表面裂紋、內(nèi)部裂紋和銹蝕等。鋼軌傷損按程度分為輕傷、重傷。

各個系統(tǒng)的評價指標(biāo)采用評分法(百分得分制)計(jì)算，建立下式

(5)

式中，RCI，F(xiàn)CI，UCI分別為鋼軌系統(tǒng)、扣件系統(tǒng)、無砟道床系統(tǒng)的質(zhì)量狀態(tài)指數(shù)，其取值范圍為0～100，0表示有大量傷損，100表示無傷損；w(Ti,Sj)為權(quán)重系數(shù)；K(Ti,Sj)為各類傷損的扣分值，均與傷損類型和傷損程度(等級)有關(guān)。

由上面的分析可知，TSI與3個子系統(tǒng)的狀態(tài)有關(guān)，是關(guān)于RCI，F(xiàn)CI，UCI的函數(shù)(TSI=f(RCI,FCI,UCI))，采用簡單加權(quán)法，可得到

(6)

式中，w1，w2，w3為權(quán)重系數(shù)。

2.2 軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)指標(biāo)(TSI)初始權(quán)重確定

為了將嚴(yán)重的病害突出，軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)指標(biāo)計(jì)算的各個參數(shù)權(quán)重采用“相關(guān)權(quán)重”，建立“變權(quán)模型”，權(quán)重w1，w2，w3均為RCI，F(xiàn)CI，UCI的函數(shù)，對于指標(biāo)大的項(xiàng)目賦予較大的權(quán)重，對于指標(biāo)值較小的項(xiàng)目賦予較小的權(quán)重，變權(quán)模型如式(7)所示。

(7)

式中，wi為第i項(xiàng)參數(shù)(子系統(tǒng))的權(quán)重；CIi為第i項(xiàng)參數(shù)(子系統(tǒng))值。

以滬寧高速鐵路為例，得到結(jié)構(gòu)狀態(tài)指標(biāo)的初始權(quán)重系數(shù)分別為：w1=0.15，w2=0.05，w3=0.8。

3 高速鐵路無砟軌道線路質(zhì)量評價指標(biāo)(TQEI)

在得到了TGI與TSI的評價方法以及相應(yīng)的計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，即可得到TQEI的計(jì)算公式，見式(8)和式(9)。TQEI也采用評分法(百分得分制)，TQEI值越大，線路狀況越好，反之越差。TQEI的計(jì)算也采用加權(quán)法，w1、w2分別為軌道幾何狀態(tài)指標(biāo)和軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)指標(biāo)的權(quán)重，TQEI構(gòu)成如圖1所示。

(8)

(9)

圖1 高速鐵路無砟軌道質(zhì)量評價指標(biāo)(TQEI)構(gòu)成

由于部分結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢查還是依靠人工檢查并記錄，非常耗時耗力，且檢查的周期也較長，從而獲得的數(shù)據(jù)周期就較長；而軌道幾何狀態(tài)檢查則主要依靠綜合檢測車、車載檢查儀、便攜式線路檢查儀等，其檢測周期非常短，很容易獲得全線的檢查數(shù)據(jù)。因而，在利用線路質(zhì)量等級管理指標(biāo)評價線路質(zhì)量時，各線可根據(jù)所獲得結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)量、以及維修重點(diǎn)等確定權(quán)重w1、w2?？紤]滬寧高速鐵路的實(shí)際維修狀況，采用軌道幾何狀態(tài)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)并重的思想，確定了TQEI的權(quán)重系數(shù)為：w1=0.5，w2=0.5。

4 高速鐵路無砟軌道線路質(zhì)量評價指標(biāo)應(yīng)用

幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)采用滬寧高速鐵路上行線2013年10月份的綜合檢測車數(shù)據(jù)、車載式線路檢查儀數(shù)據(jù)、便攜式線路檢查儀數(shù)據(jù)以及人體感覺數(shù)據(jù)；在計(jì)算TQI變化率時用到了2013年9月份的綜合檢測車數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)利用當(dāng)月獲得的各類結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。對滬寧高速鐵路上行K140+000～K290+000里程段的線路質(zhì)量進(jìn)行評價，并對評價結(jié)果進(jìn)行了分級，其中Ⅲ級為質(zhì)量較差地段，是現(xiàn)場維修的重點(diǎn)地段，見表3、表4。

表3 滬寧高速鐵路(上行K140+000～K290+000)線路質(zhì)量情況

表4 Ⅲ級線路細(xì)目表

線路質(zhì)量評價中，單元區(qū)段上行K166+200～K166+500為Ⅲ級線路。該段線路評分結(jié)果顯示，TQI(三角坑單項(xiàng)指標(biāo)偏差)、動檢偏差扣分較高，其中K166+400～K166+500單元TQI值超標(biāo)，見表5。另外，在結(jié)構(gòu)檢查中也發(fā)現(xiàn)軌道板、底座板存在裂紋，排水設(shè)施排水不暢等情況。

表5 軌道質(zhì)量指數(shù)TQI

因此，針對上述問題，制定有針對性的維修方法：幾何尺寸方面：對該區(qū)段進(jìn)行精確測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)制定作業(yè)方案；結(jié)構(gòu)調(diào)整方面：①整修零配件；②檢測該區(qū)段扣件扭力矩情況，并進(jìn)行復(fù)緊；③對道床結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行修復(fù)；④對道岔幾何尺寸和結(jié)構(gòu)病害同時整治；⑤對該區(qū)段路基沉降情況進(jìn)行定期觀測，制定路基沉降整治方案，以徹底解決路基沉降問題。

對于修理工作，采用精確修理的方法：對于岔區(qū)部分，采用高聚物材料對沉降段無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行注漿抬升；對線路部分，采用在軌道板與CA砂漿之間填充預(yù)制樹脂砂漿板，后進(jìn)行注膠填充，恢復(fù)設(shè)計(jì)軌面高程；抬板后，對軌道進(jìn)行精密測量，使用扣件調(diào)整件對軌道進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，共計(jì)墊242處、抽44處、改64處；對道岔進(jìn)行工電聯(lián)整，處理尖軌離縫、豎切不靠、頂鐵頂死等問題；使用改錨器對1處錨固螺栓失效進(jìn)行改錨。

最后，在次月再次進(jìn)行質(zhì)量評價，發(fā)現(xiàn)該區(qū)段結(jié)構(gòu)良好、幾何尺寸無超限。可見，通過這一系列流程，實(shí)現(xiàn)了線路維修的精確、有效管理，而線路質(zhì)量評價指標(biāo)在其中起到了至關(guān)重要的作用，解決了哪個地點(diǎn)需要修、修理哪些項(xiàng)目、修理效果如何等問題。

5 結(jié)論

(1)在分析國內(nèi)外線路質(zhì)量評價方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國目前線路檢查的主要手段，提出了包含軌道幾何狀態(tài)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的高速鐵路無砟軌道線路質(zhì)量評價指標(biāo)TQEI，建立了包括軌道幾何狀態(tài)指標(biāo)TGI和軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)指標(biāo)TSI在內(nèi)的綜合線路質(zhì)量評價體系，其中，軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的納入，改善了線路質(zhì)量評價重幾何、缺結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀。

(2)建立了軌道幾何狀態(tài)指標(biāo)TGI和軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)指標(biāo)TSI的計(jì)算公式，并利用層次分析法和變權(quán)模型確定了指標(biāo)中相關(guān)參數(shù)的初始權(quán)重系數(shù)。

(3)運(yùn)用該指標(biāo)對滬寧高速鐵路線路質(zhì)量進(jìn)行評定，評定結(jié)果準(zhǔn)確地反映了線路的薄弱環(huán)節(jié)，并可追根溯源，分析出病害根源，用于制定針對性的維修方案，實(shí)現(xiàn)精確修理。而作業(yè)后的再次評價，也進(jìn)一步對維修效果進(jìn)行了復(fù)核。所以該指標(biāo)解決了需要修理的地點(diǎn)、項(xiàng)目、修理后狀態(tài)評價的問題，對有效實(shí)現(xiàn)線路維修管理有著較為重要的作用。

[1]許玉德,李海峰,戴月輝.軌道交通工務(wù)管理[M].上海.同濟(jì)大學(xué)出版社,2007：31-33.

[2] 陳憲麥,王瀾,陶夏新,等.我國干線鐵路軌道平順性評判方法的研究[J].中國鐵道科學(xué),2008,29(4):21-27.

[3] 王衛(wèi)東, 劉金朝, 梁志明. 綜合評價車輛/軌道系統(tǒng)動態(tài)特性的廣義能量法[J]. 中國鐵道科學(xué), 2009, 30(5): 22-27.

[4] 李海鋒, 吳紀(jì)才, 許玉德. 鐵路軌道幾何狀態(tài)評價方法比較[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2005, 33(6): 772-776.

[5]Sadeghi J. Development of railway track geometry indexes based on statistical distribution of geometry data[J]. Journal of Transportation Engineering, 2010, 136(8):693-700.

[6] Sadeghi J, Askarinejad H. An investigation into the effects of track structural conditions on railway track geometry deviations[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F Journal of Rail & Rapid Transit, 2009, 223(4):415-425.

[7] Li M, Persson I, Berg J S M. On the use of second-order derivatives of track irregularity for assessing vertical track geometry quality[J]. Vehicle System Dynamics, 2012, 50(2):389-401.

[8] Li M X D, Berggren E G, Persson M B I. Assessing track geometry quality based on wavelength spectra and track-vehicle dynamic interaction[J]. Vehicle System Dynamics, 2008, 46(4):261-276.

[9] 王峰. 高速鐵路網(wǎng)格化管理理論與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2014, 27(1): 50-55.

[10] 徐磊, 陳憲麥, 張晴, 等.基于不平順譜的軌道不平順狀態(tài)評價與識別探討[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2012, 25(3): 62-67.

[11] 堀雄一,三和雅史,內(nèi)田雅夫.新しい軌道狂い進(jìn)みの預(yù)測式とその特征[J].新線路,1996,50(11):30-32.

[12] 石川達(dá)也,內(nèi)田雅夫.道床バラシト部の左右方向の繰返し変形特性の実験的検討[J].鉄道総研報告,1995,9(4):31-36.

[13] Javad Sadeghi, Hossein Askarinejad. Development of track condition assessment model based on visual inspection[J]. Structure and Infrastrure Engineering, 2011, 7(12): 895-905.

[14] Javad Sadeghi, Hossein Askarinejad. Development of improved railway track degradation models[J]. Structure and Infrastrure Engineering, 2010, 6(6): 675-688.

[15] Rhayma N, Bressolette P, Breul P, et al. A probabilistic approach for estimating the behavior of railway tracks[J]. Engineering Structures, 2011, 33(7):2120-2133.

[16] 仲春艷. 線路質(zhì)量等級管理方法與實(shí)踐[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2014:25-27.

Research on Track Quality Evaluation Index of High Speed Railway Ballastless Track

Xu Weichang1, Zhong Chunyan2, Xu Yude3, Shen Jianfeng3

(1. Shanghai Railway Administration Works Department, Shanghai 200071, China;2.Shanghai Express Railway Maintenance Section of Shanghai Railway Administration, Shanghai 200439, China;3.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China)

In order to effectively carry out track maintenance and repair management, track quality evaluation and grading is needed. Based on the analysis of existing track quality evaluation methods, combining track geometry and structure inspection data, track quality evaluation indexes and related calculation formula are established of high-speed railway ballastless track, reflecting the track geometry condition and structure condition. The index initial weights are determined using analytic hierarchy process and variable weight model. Track quality evaluation indexes are applied in Shanghai-Nanjing high-speed railway, and the result shows that track quality evaluation indexes can accurately evaluate the track quality and reflect track weaknesses. Further disease analysis of track weakness can be made on the basis of the evaluation results to guide track precise repairing operation.

high-speed railway;ballastless track;track quality;evaluation index

2016-02-26 責(zé)任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.01.10

國家科技支撐計(jì)劃(2013BAG20B01)；國家自然科學(xué)基金(50908179)；上海市自然科學(xué)基金(11ZR1439200)

徐偉昌(1978-)，男，高級工程師，主要從事軌道工務(wù)管理的研究。E-mail: xwc000001@163.com

U216.4

A

2095-0373(2017)01-0052-06

徐偉昌，仲春艷，許玉德,等.高速鐵路無砟軌道線路質(zhì)量評價指標(biāo)研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2017,30(1):52-57.