铁路轨道质量分级管理标准研究(MTQI)

朔黄铁路是我国西煤东运的第二大重载运输通道，年通过总重目前已突破4亿t｡应用大型养路机械对轨道进行捣固维修是重载铁路消除轨道几何病害、保持线路质量的主要方式之一｡朔黄重载铁路管理标准一直沿用TG/GW102—2019《普速铁路线路修理规则》｡随着朔黄铁路捣固维修能力和维修质量的提高，普速铁路的维修管理值已不适用于朔黄铁路，不能满足状态修、精细化维修等要求，需要结合朔黄铁路自身特点建立起一套线路状态分级管理和捣固维修验收标准，更好地指导现场的捣固维修作业｡

目前各国基本采用轨道质量指数(TrackQualityIndex，TQI)累计分布占比划分轨道状态｡欧洲标准BS13848-5:2008、国际铁路联盟标准UIC518—2009等按照高低和轨向单项标准差累计分布降序的顺序将轨道质量分为三级｡英国采用200m单元区段的单项几何参数的统计标准差评价轨道区段的平均质量，根据线路等级把单元区段的质量状态分成四个质量段｡美国主要采用TQI和轨道粗糙度指数将轨道整体质量分成四个等级｡中国国家铁路集团有限公司采用TQI及单项标准差对有砟线路按速度等级进行管理｡

文献《基于大机捣固模式的轨道质量保质期预测方法研究》（曲建军）分析了轨道各项几何偏差对捣固维修作业的敏感程度，将TQI中轨距一项扣除，提出了应用于捣固作业的轨道质量评价指标MTQI(MachineTampingTrackQualityIndex)｡本文考虑朔黄铁路不同里程区段线路的轨道质量状况，将朔黄铁路划分成Ⅰ级、Ⅱ级两个线路等级进行管理;基于2018—2020年的轨道几何检测数据，对两个等级区段的MTQI分别进行统计分析，结合轨道质量劣化率分布和捣固维修作业效果，将轨道MTQI划分为验收、优先、超限三个等级并制定朔黄铁路轨道质量分级管理标准｡

1 开通2万t轴重列车以来的轨道质量状态

1.1 朔黄铁路捣固作业现状与线路等级划分

朔黄铁路自2016年规模化开通2万t轴重列车以来，线路通过总重以及2万t轴重列车占比均逐年增加，导致轨道质量劣化速率加快，捣固维修作业增多，维修成本提高｡据统计，2018年、2019年、2020年朔黄铁路上行(重车线)捣固维修作业量分别为373.78、420.12、357.04km，平均每年383.65km，约占线路总长的65%，其中2019年约占线路总长的75%｡朔黄铁路维修能力较强，当前采用的维修管理值相对维修能力来说较为宽松，不能起到精确指导捣固维修作业的作用，进一步节约维修成本的空间较大｡

朔黄铁路部分区段本身设备基础较差，维修难度较大，线路状况较差｡考虑到上行方向为重车线，因此将上行线路划分成两个等级进行管理，线路状况较好的区段为Ⅰ级，较差的区段为Ⅱ级，分别制定管理标准｡下行方向为轻车线，线路状况保持较好，统一按照Ⅰ级区段进行管理｡线路区段等级划分见表1｡

表1 朔黄铁路线路等级划分

1.2 轨道质量发展规律

由于捣固维修作业对轨距几乎无影响，因此将TQI中的轨距扣除，采用轨道质量评价指标MTQI对轨道质量进行分析，计算公式为

$$MTQI=\sum_{i=1}^{6}\sigma _i \qquad（1）$$

式中:MTQI为轨道质量评价指标的计算值;\(\sigma _i\)(i=1，2，…，6)为轨道各项几何偏差的标准差，分别为左高低、右高低、左轨向、右轨向、水平、三角坑｡

处于不同发展阶段的轨道质量劣化速度不同｡一般来说，在道床捣固稳定后的健康服役阶段劣化发展缓慢，随着通过总重累加，劣化速度逐渐加大｡轨道质量分级发展规律如图1所示｡将轨道质量分为捣固验收值、优先值、超限值三个限制指标，它们之间的劣化率设为k₁、k₂、k₃｡捣固验收值为捣固作业后允许的MTQI最大值，大于此值认为捣固作业不合格;优先值为优先考虑安排线路捣固计划的标准，MTQI值小于此值时线路处于健康状态，大于此值时处于优先状态，若维修资源充足可以优先安排维修作业;超限值为轨道质量的超限标准，大于此值时轨道状态可能影响线路的运行稳定性，应立即安排维修作业｡

图1 朔黄铁路轨道质量分级发展示意

2 轨道质量分级管理标准制定

2.1 轨道质量超限值标准

朔黄铁路道岔区不进行大型养路机械捣固作业，因此选取非道岔区段MTQI进行分析｡根据车站表以及大型养路机械捣固区段筛选出非道岔区段的检测数据，对其Ⅰ级、Ⅱ级区段分别进行分析，得出线路MTQI累计分布情况，如图2所示｡

图2 朔黄铁路2018-2020年MTQI分布

根据工电线路函〔2021〕10号《国铁集团工电部关于印发普速铁路线路TQI分级管理值的通知》及其分级管理值制定方法，并考虑朔黄铁路捣固维修实际情况，对于Ⅰ级、Ⅱ级区段，分别选取累计占比95%和90%的MTQI值(取整)作为超限指标，得到Ⅰ级、Ⅱ级区段的超限标准分别为8、10mm｡

2.2 捣固作业验收值标准

为充分利用MTQI评价指标，需要制定线路捣固维修后的MTQI管理标准，即捣固维修验收值，给大型养路机械捣固维修和工程施工质量提供作业验收标准｡各区段捣固前后MTQI(图3)反映了大型养路机械捣固改善效果｡为剔除分布较为离散的异常点，将捣固前MTQI值排序并以适当的间隔分成小区间，在每个区间内选取90%置信区间的捣固后MTQI值作为有效值，其余点作为异常点剔除｡图3中两条红色虚线即为异常点剔除界限，其范围之外为需要剔除的异常点｡对有效数据进行拟合，得到

$$MTQI_后 = 0.66\times MTQI_前 + 0.63 \qquad（2）$$

式中:MTQI_前、MTQI_后分别为捣固前、后MTQI值｡

将捣固维修前的标准值(即超限值)带入式(2)，确定Ⅰ级、Ⅱ级区段捣固维修后MTQI验收值分别为6、7mm｡

图3 朔黄铁路各区段捣固前后MTQI

2.3 轨道质量优先值标准

从MTQI发展规律看，捣固后MTQI有较大改善，捣固稳定后的轨道会进入新的捣固周期，因此可以认为相邻两次捣固维修之间为一个捣固维修周期｡

选取两次捣固维修之间的检测数据，根据式(3)基于线路通过总重计算轨道质量劣化率｡

$$k=\left ( \sum_{i=1}^{N-1}\frac{MTQI_{i+1}-MTQI_i}{t_{i+1}-t_i}\right )/(N-1) \qquad（3）$$

式中:k为某200m单元区段轨道质量劣化率,mm/Mt;

MTQIi为第i次轨道几何不平顺检测值，mm;

t_i为第i次检测的时间，d;

N为有效检测次数｡

删除对制定管理标准无意义的劣化率负值，得到各区段劣化率正值的累计分布，见图4｡将各累计占比对应的劣化率用时间表征(每月通过总重按均值30Mt计算)，结果见表2｡可知，朔黄铁路MTQI较小，线路状态保持较好，原因是捣固维修作业周期较短，朔黄公司通过减小捣固维修间隔的方式减缓了线路劣化｡

图4 朔黄铁路2018-2020年非道岔区段劣化率累计分布

表2 朔黄铁路2018—2020年非道岔区段劣化率累计分布

为在线路劣化较快的情况下及时安排维修作业，需要在捣固维修验收值与超限值之间设置一个捣固维修优先值，在维修资源充足时优先考虑对超过此值的区段安排捣固维修｡通过分析朔黄铁路捣固维修作业信息，得出朔黄铁路各区段的捣固周期为12~18个月｡线路较好区段劣化速率较慢，因此假设Ⅰ级区段捣固周期为18个月，Ⅱ级区段捣固周期为12个月｡

参见图1中捣固验收值及超限值已知，只需确定合适的线路劣化率k₂、k₃以及优先阶段线路的通过总重或持续时间，即可计算捣固维修优先值｡由于捣固周期按月计算，因此劣化率k₂、k₃取按月计算的劣化率值｡设优先阶段发展时间为m个月，则有方程

$$k_2(M_{周期}-m)+k_3m = MTQI_{超限}-MTQI_{验收} \qquad（4）$$

式中:M_周期为捣固周期，即本次捣固到下次捣固之间的时间，在图1中为验收值发展到超限值的时间;MTQI_超限、MTQI_验收分别为捣固维修超限值、验收值｡

根据表2数据，Ⅰ级区段k₂选取65%累计占比的0.09mm/月，k₃选取80%累计占比的0.14mm/月，代入式(4)中计算得出Ⅰ级区段的优先阶段发展时间为8个月;Ⅱ级区段k₂选取70%累计占比的0.22mm/月，k₃选取80%累计占比的0.28mm/月，代入式(4)中计算得出Ⅱ级区段的优先阶段发展时间为6个月｡线路MTQI捣固维修优先值MTQI_优先为

$$MTQI_{优先}=MTQI_{超限}-k_3m \qquad（5）$$

根据式(5)计算并取整，推导出Ⅰ级、Ⅱ级区段线路MTQI优先值管理标准分别为7、8mm｡

综上，朔黄铁路MTQI分级管理标准见表3｡

表3 朔黄MTQI分级管理标准 mm

3 朔黄铁路轨道质量分级标准验证

根据分级管理标准，基于朔黄铁路非道岔区段2018—2020年MTQI统计数据，回验各等级线路所占的百分比:①Ⅰ级、Ⅱ级区段无需捣固维修占比分别为90%、70%;②Ⅰ级、Ⅱ级区段优先考虑捣固维修占比分别为5%、20%;③Ⅰ级、Ⅱ级区段立即捣固维修占比分别5%、10%｡可以看出，Ⅰ级区段线路无需捣固维修区段的占比多于Ⅱ级区段，优先或立即捣固维修区段的占比少于Ⅱ级区段，符合实际情况｡

Ⅰ级、Ⅱ级区段优先考虑捣固维修及应立即捣固维修状态的线路占比分别为10%、30%｡维修能力满足线路维修需求，因此可以适当减少不必要的维修｡

4 结语

根据国内外TQI运用经验，结合朔黄重载铁路正线区段MTQI分布情况以及轨道质量劣化率分布情况，将轨道MTQI划分为验收、优先、超限三个等级并制定朔黄铁路质量分级管理标准，为线路管理和维修计划制定提供了依据｡

本文引入了线路劣化率的概念，优化了仅基于TQI对线路进行管理和制定维修计划的模式，更科学地指导现场管理与作业｡根据捣固维修作业效果和超限标准，确定了捣固维修验收标准，为朔黄铁路捣固维修作业提供了验收依据｡

文章来源：

原文名称：朔黄铁路轨道质量分级管理标准研究

作者信息：杨文,曲建军,龙亦语,李茂,刘攀

期刊信息：铁道建筑,2022年2月