徐暐，张远成，崔鹏，卢平
（中国铁路南宁局集团有限公司 工电检测所，广西 南宁 530029）
高速铁路联调联试是新线建设完成后，对各系统功能、性能、状态和系统间匹配关系进行检测、调整和优化，使整体系统的功能达到最优，满足运输要求，并实现移动设备与固定设备间达到最佳整体匹配的过程［1］。有砟轨道高速铁路联调联试中，线路工程的主要任务是通过轨道精调促使轨道精度满足要求，该过程通常分成动态调整和静态调整2个阶段，静态调整的目标是将轨道相对于其他设备的外部尺寸精度调整至容许范围内；
动态调整的目标是消除线路病害使轨道平顺度达到容许范围内。
2013—2020年，中国铁路南宁局集团有限公司（简称南宁局集团公司）先后开展5段有砟轨道高铁线路的联调联试工作。在早期的动态调整阶段，因出现病害消除率长时间停滞不前的情况，于是成立专项小组进行长期分析和研究。项目组发现了一些不易解决的难题，例如，钢轨焊缝引发的病害和动态发生的道床因素病害无法通过测量来研判；
长波长高低病害具有极高易发性，从而导致施工中产生大量的再生病害；
因大型捣固机（简称大机）无落道功能，导致无法按计算值捣固等。在此，针对上述问题，研究提出高效的系统性线路病害整治措施。
1.1 线路病害概述
线路轨面几何不平顺可采用量化指标来评判，对于200～250 km/h速度列车有12项，分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个扣分级别，当扣分达到Ⅱ及以上级别时，有砟轨道高铁维修规范规定必须进行整治，可视为发生了线路病害。有砟轨道高铁线路主要由钢轨、道岔、扣件、轨枕和道床组成，因这些部件的内因而导致的线路病害，可称为某个因素引发的线路病害，其不平顺扣分可视为病害的表征。
一旦获知引发线路病害的内因，即可很快找出消除病害的对策，但是微观探测部件内部非常困难，而检测病害的表征则简单得多，因此消除线路病害的常规手段是采用轨检车或动检车进行线路检测，然后通过病害表征与内因间逻辑关系锁定内因，最后确定整治对策。
1.2 线路病害分布情况
速度200～250 km/h线路轨检车扣分指标有12项，可分成3类：轨距类（轨距、轨距变化率）、横向类（轨向、横向加速度、曲率变化率、横加变化率、长波长轨向）、垂向类（高低、水平、三角坑、垂向加速度、长波长高低）。
2013—2020年，南宁局集团公司先后进行5段有砟轨道高铁线路联调联试，其中衡柳铁路北段2013年6月16日轨检车数据为具有代表性的联调联试初期数据，线路病害所占比重见图1［2］。
其中，长波长高低病害的占比最大，高低、轨距和三角坑病害也占较大比重。之后在其他4段有砟轨道高铁联调联试初始阶段，长波长高低病害也占据最大比重（见表1）［2］。表1中，柳南高铁数据为二次精调数据，在南宁局集团公司介入前，管理公司曾进行过1次线路精调。
表1 联调联试初期长波长高低病害的发生率 %
以南昆高铁南百段为例，在整个线路精调的动态调整阶段，病害分布的演变见图2［2］。
图2 南昆高铁南百段联调联试线路主要病害分布演变
长波长高低情况属于旅客舒适度指标，在普速铁路中虽不被列为考核指标，但在有砟轨道高铁联调联试阶段却是一项重要问题。
2.1 钢轨因素病害
钢轨因素引发的线路病害可出现3种情况：（1）钢轨出现肥边、表面塌陷等钢轨轮廓几何超限；
（2）钢轨焊缝区域出现几何超限；
（3）左右股钢轨位置超限。前2种轨面几何超限情况，可引发任何一种形式的轨检车扣分，但又无法通过病害表征与内因间逻辑关系予以锁定。目前常规的物体表面几何检测设备仍无法做到足够精细，展开精准的轨面缺陷修复操作仍然十分困难，可以采取排除法，采用简单的全线钢轨打磨来消除。该类无法精准测量的病害，应率先进行整治，否则可能会在整治其他类型病害时引起误判。
我国新钢轨的轨廓没有针对动车轮毂面做特殊设计，为促使轨面与动车轮毂获得高匹配度而防止车体产生超限振动，在轨道工程静态验收前应进行全线钢轨预打磨［3］，且应采用钢轨打磨列车或铣磨列车进行打磨或铣磨［4］。目前我国96头打磨列车打磨作业已经相当精细，在完成轨头轮廓打磨的同时能够有效消除轨面几何超限，因此轨道精调中可不设置小范围的轨面缺陷检测及修正打磨作业，而采取先期进行全线钢轨预打磨的办法来消除上述前2种钢轨因素病害。
左右股钢轨位置异常会引起轨距类超限扣分，目前基本采用人工操控小型机具来消除，宜在动态调整的末段展开专项整治。
2.2 道床因素病害
2.2.1 动态发生的道床因素病害
道床因素病害的动态发生是指轨面无荷载时为良性状态，当列车通过时发生几何超限的现象，其内因是出现了道床不密实或轨枕空吊。动态发生的道床因素病害可能以任何一种非轨距类轨检车扣分的形式出现，无法通过测量来锁定，但可以采取排除法，通过多次全线无数控道床捣固（简称普捣）进行排除。据测试，普捣3～5遍可基本消除动态发生的道床因素病害。多次普捣不仅能消除动态发生的道床因素病害，还能消除一部分短波长道床因素病害。
2.2.2 静态发生的道床因素病害
轨面几何超限和动态发生的道床因素病害，病害表征与内因间无逻辑关系，这种类型病害的存在会导致病害整治靶向混乱，应先行完成整治。因此线路精调中整治线路病害应采取分而治之的总体策略，在静态调整阶段完成钢轨打磨和焊缝区精磨工作，在动态调整阶段的早期完成多次普捣作业。
采用排除法先行完成上述病害整治后，钢轨因素引发的线路病害，只存在上述第（1）种情况，一旦轨检车出现轨距类超限扣分，可直接安排人工调整消除。有砟轨道高铁线路由钢轨、扣件、轨枕和道床组成，在调联联试阶段扣件和轨枕引发线路病害的占比极低，因此一旦出现非轨距类超限扣分可锁定为道床因素引起，进一步可判定为静态道床因素引起。
静态发生的道床因素病害也可通过轨面几何测量来发现，理论上可采用一种通用法则来消除：进行道床捣固，将轨面调整到设计坐标。道床捣固可采用便携式捣固机、小型液压捣固和大机作业，三者的作业功效比大致为1∶15∶175，此外大机具有数控捣固能力，而其他两者无法精细控制，因此整治道床因素线路病害只能依靠大机。
大机横向调整轨道的能力极强，事实上静态调整阶段结束后，横向类几何超限基本被消除，因此动态调整阶段的主要任务是消除垂向类几何超限。而消除垂向类几何超限，理论上需要有抬道也需要有落道，但大机没有落道功能，因此需采取变通的施工方法才能有效消除。
2.2.3 静态发生的长波长高低病害
2.2.3.1 长波长高低扣分容许偏差值
进入动态调整阶段后，静态发生的道床因素病害为垂向类几何超限，有5种类型，由图2可见，长波长高低占比最高，其次是高低和三角坑。
长波长高低是一项评价轨面纵向平顺度指标，测量弦长采用70 m，长波长高低容许偏差值见表2［4］。
表2 长波长高低容许偏差值 mm
2.2.3.2 长波长高低病害的轨面形态
对长波长高低病害地段轨面几何状况进行分析，呈现3种形态：（1）轨面平顺，病害以动态方式出现；
（2）轨面不平顺，病害地点两侧的测量弦长范围内由多个不同坡度的坡段呈叠加形态；
（3）轨面不平顺，病害地点两侧的测量弦长范围内呈单一折角的简单形态。占比依次为：36%、63%和1%［5］。
2.2.3.3 简单形态下触发长波长高低病害轨面临界值
当病害地段的轨面呈现简单形态时，长波长高低病害地点A的轨面示意见图3。
图3 简单形态下触发长波长高低病害的轨面示意图
假设Hmax为地点A上的最大偏移值，L为测量所用弦长（速度为250 km/h以下时，L=70 m；
速度250 km/h以上时，L=120 m），i1和i2分别为两侧坡段的坡度值，Δ为坡度差，则Δ=i2-i1，Δ与Hmax间有如下关系［6］：
将表1中的偏差值代入，得出简单形态下触发不同等级长波长高低扣分的轨面坡差值（见表3）。
表3 简单形态下触发长波长高低扣分的轨面容许坡差值 ‰
可见200～250 km/h高铁线路轨面呈简单形态几何状态，且坡度差绝对值大于0.57‰时，将触发长波长高低病害。
2.2.3.4 叠加形态下触发长波长高低病害轨面临界值
某高铁线路（速度200～250 km/h）病害地段轨面呈叠加形态的案例见图4［7］，图中A—G均表示地点。
图4 轨面呈叠加形态示意图
在测量弦长70 m的范围内，相邻线段坡度差绝对值都小于简单形态的容许值0.57‰，但因叠加效应，其合计偏差值超过10 mm的容许偏差值，触发了长波长高低病害。可见在轨面处于坡段叠加形态时，整治长波长高低病害几乎无定解，只有处于简单形态下才存在明确的解决办法，因此整治长波长高低病害应采取下述整治措施：（1）促使病害地点两侧的轨面处于简单形态；
（2）促使其坡度差绝对值小于容许值。
以图4为例，进一步进行趋向性分析，弦长L范围内有n个坡段（n为4的倍数），病害地点位于弦长中部，坡段长度均为ι，坡度差绝对值均为Δ，则偏差值为：
按表1规定，对于200～250 km/h速度线路，触发长波长高低病害的容许偏差值H=0.01 m。若弦长范围内叠加的坡段数n=8，坡度差容许值Δ=0.29‰；
若叠加的坡段数n=16，坡度差容许值Δ=0.14‰。这些数值极为细微，可做出另一个推论：长波长高低病害具有极强易发性。
2.2.3.5 局部平顺法整治静态发生的长波长高低病害
整治静态发生的道床因素病害，可采用捣固道床将轨面调整到设计坐标的通用法则来消除，但捣固机没有落道的功能，可采用人工或清筛机进行落道，但落道会破坏道床稳定性，还将引发大量次生病害，通常恢复道床密实度需进行5次以上道床捣固，不适合时间紧凑的联调联试工作。
自然状态下，线路轨面从来都不是绝对平顺，而是由无数段坡度细微偏差的坡段连接而成。同理，病害地段的轨面长坡段坡度可调整为由一系列良性连续短坡段代替，并确保轨面抬落量大于0，这种处理方法可称之为局部平顺法。
按表3，触发长波长高低病害的坡度差临界值为0.57‰（测量弦长为70 m），同时良性的连续短坡必须具有一定冗余值。根据实践经验，进行病害地段的轨面长坡段局部平顺法调整时，其控制指标可制定为：连续短坡段的坡段长度不小于150 m（困难条件下不小于75 m），相邻坡段坡度差绝对值不大于0.3‰，抬落量不小于0。
2.2.3.6 抑制再生性长波长高低病害
长波长高低病害具有极强易发性，所有道床作业都会引发长波长高低病害，根据项目组统计，如无针对性处理措施，整个动态调整阶段所发生的长波长高低病害次生病害数量，与原发病害数量大致相等。因此，应制定如下系统性抑制再生性长波长高低病害策略：（1）通过道床捣固整治线路病害对的作业，尽可能采用大机数控捣固作业；
（2）所有道床作业采用局部平顺法进行抬道量优化处理。
2.2.4 其他静态发生的垂向道床因素病害
垂向类不平顺扣分指标有5项，各自的容许偏差值见表4［4］。
表4 200～250 km/h线路轨道动态质量容许偏差值
（1）高低是一项评价轨面纵向平顺度指标，测量弦长采用1.5～42 m，从表4可见，高低容许偏差值指标均低于测量弦长为70 m的长波长高低，因此采用局部平顺法进行病害地段抬道量优化处理，不仅可以整治高低病害，而且可以抑制长波长高低次生病害。
（2）水平为评价左右钢轨顶面高差的指标，按表4，偏差值＞8 mm时为发生线路病害。大机作业有着超强的水平控制能力，常规情况下横向水平控制在±2 mm以内，纵向水平相距10 m的高低偏差≤3 mm，该数值远小于发生病害的容许偏差值，由图1和图2可见，发生水平超限的占比很小。在动态调整阶段，若轨检车检测出现水平超限扣分，可对病害地段采用多次普捣或采用局部平顺法来消除。
（3）三角坑为评价左右股钢轨顶面相对轨道平面扭曲程度的指标，轨检车测量基长为3 m，按表4，偏差值＞6 mm时为发生线路病害。采用局部平顺法来消除三角坑超限，轨面坡度差绝对值被控制在3‰以内，假设极限条件下基准点出现2 mm的大机作业水平容许偏差，左股轨面延伸坡度为3‰，右股轨面延伸坡度为-3‰，在距离基准点前方3 m处，左右股轨面偏差值为：2+300×3/1 000+300×3/1 000=3.8 mm，远小于发生三角坑超限时的偏差值，因此采用局部平顺法捣固道床可有效抑制三角坑超限。
（4）垂向加速度是评价旅客舒适度的一项指标，为列车突然上升或下降的加速度数值，按表4，加速度值＞1.5 m/s2时为发生线路病害。采用局部平顺法来消除垂向加速度超限，轨面异常变化的坡度差绝对值被控制在0.3‰以内，坡段最小为150 m。假设列车纵向运行时速为极限速度250 km/h，列车纵向运行150 m后，垂向运动速度由0加速到最大值，列车偏离惯性轴最大距离：s=150×0.3/1 000=0.045 m，150 m行程列车运行时间：t=（0.15/250）×3 600=2.16 s，因时间极短，加速度值收敛于某一数值，则垂向变化加速度为：a=2×s/t2=2×0.045/2.162≈0.02 m/s2，远小于发生垂向加速度超限时的加速度值，因此采用局部平顺法捣固道床可有效抑制垂向加速度超限。
总之，消除静态发生的5种垂向超限扣分，可统一采用局部平顺法进行道床捣固，一方面可抑制长波长高低次生病害，另一方面，采取单一作业工法有利于充分发挥大机的作业效能。
水平和三角坑涉及左右股钢轨的关系，如遇顽固性病害（发生概率极低），可进行左右股钢轨轨面几何测量，进行坐标分析，然后制定左右股钢轨抬道方案。
2.2.5 病害地段线路测量范围
在实施局部平顺法整治静态发生的道床类病害前，需首先对病害地段进行轨面几何测量，然后对抬落量按局部平顺法进行数据优化处理，最后交由大机数控捣固。因局部平顺法规定最短微调坡段的长度为150 m，同时需考虑作业起终点的轨面顺坡，制定轨面几何测量计划时，起点和终点需距离病害地点超过200 m。
2.2.6 特殊地段处理方法
对于一些特殊地段进行数据优化处理时，应采取下述处理办法：
（1）始终点的处理：始终测点的抬道量数值应接近零值，始终段坡段长度应不小于70 m，以此确保作业向外顺坡时出现不可测状况。
（2）道岔区的处理：道岔区数据优化处理应避免出现较大数值的抬道，并通过调整道岔区相邻正线上的坡段来顺应道岔区，以此避免岔心重量大、邻线连接和轨道电路等因素的影响［8］。
（3）过渡段的处理：无砟轨道与有砟轨道间的过渡段进行数据优化处理，保持无砟轨道无抬道量，通过调整有砟轨道的坡段来顺应无砟轨道坡段，确保变坡的坡段长度和坡度差值符合前述的规定。
（4）大抬道量的处理：起道量超过50 mm时，应制定多次抬道方案，并及时补砟。
2.3 轨距类病害
线路上实施大机捣固作业，总会产生一定数量的轨距类病害，因此除Ⅱ级以上级别的轨距类超限扣分需当日消除，Ⅱ级及以下级别的轨距类超限扣分，可在动态调整阶段的末期展开专项整治，采用人工作业进行消除。
综上所述，有砟轨道高铁线路精调中的动态调整和静态调整流程见图5，结合多年实践经验，只要单位长度的机具设备配置充足，人员配置合理，施工措施到位，可在30～40 d完成全部任务。
图5 有砟轨道高铁线路精调流程
有砟轨道高速铁路联调联试线路精调阶段，钢轨轨面几何超限、焊缝区域几何超限和动态道床因素病害，所引发的病害表征具有不确定性，造成病害整治目标难以锁定；
长波长高低病害地段轨面呈坡段叠加形态时，病害呈现极强易发性，也无可操作的整治方案；
整治道床因素病害所依赖的大机没有落道的功能。如果对上述问题没有充分认知和有效解决办法，会导致病害整治效果低下，甚至使病害消除率长时间停滞不前。采取分而治之的总体整治策略，采用排除法、局部平顺法和系统性抑制再生病害等整治措施，病害整治将更加靶向精准，一次性整治成功率可达到90%以上，大机强大的作业效率也能得到充分发挥，动态整治病害时间可以控制在20 d以内。
消除线路病害工作是有砟轨道高速铁路联调联试的主要成本消耗项目，而有砟轨道高铁线路在新增高铁线路中约占45%，因此靶向精准的病害整治以及极短周期的联调联试将显著节约成本。
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