JP6153775B2 - バラスト軌道の品質管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、バラスト軌道の品質管理方法に関する。

バラスト軌道は、図４及び図５を参照すると、レール１、まくらぎ２、バラスト道床３から構成される。また、レール１及びまくらぎ２は、レール１が所定の間隔を設けて梯子状に敷設された軌きょう９の状態となっている。なお、図４は、路盤４、路床５及び地盤６からなる土構造物上にバラスト軌道が敷設された場合を、図５は、高架橋の床版６０上にバラスト軌道が敷設された場合をそれぞれ示している。
列車の荷重は、レール１及びまくらぎ２からバラスト道床３に伝達され、更に路盤４以下の支持構造物である路床５及び地盤６もしくは、高架橋の床版６０へ伝達される。この列車荷重の作用により、図６（ａ）に示すように、レール１及びまくらぎ２を支持するバラスト道床３に局所的な沈下が生ずることがある。なお、図６（ａ）に示す一点鎖線ｈは、列車荷重が作用しない場合の所定のレールレベルである。例えば、軌道の局所的沈下が生じやすいレール継目部Ａでは、バラスト道床３と共に軌きょう９に局所的な沈下が発生した場合、列車が通過した後のレール１の弾性回復により、図６（ｂ）に示すように、レール１に締結されているまくらぎ２が持ち上げられて、まくらぎ２とバラスト道床３との間に隙間Ｗが生じる、いわゆる「浮まくらぎ」の状態になってしまう。「浮まくらぎ」は、軌道を支持する剛性（以下、軌道支持剛性という。）が低下した状態であり、列車の乗り心地が悪くなると共に、列車に動揺を与えて安全走行の妨げになる。

そのため、定期的な点検を行うと共に、まくらぎ２とバラスト道床３との間にバラストを充填するつき固め補修を行う必要がある。バラスト道床３のつき固め補修は、マルチプルタイタンパーやタイタンパーのような保線用の専用の機器を用いて、まくらぎ２下に、バラスト道床３用のバラストをつき込むものである（例えば、特許文献１を参照）。図７は、バラスト軌道のつき固め補修の概念図を示している。図７（ａ）に示すように、軌道の沈下が生じると、図７（ｂ）に示すように、ジャッキ７０を用いて所定のレールレベルｈまで打上げ、図７（ｃ）に示すように、タイタンパー８０をバラスト道床３につき込み、図７（ｄ）に示すように、タイタンパー８０を用いてまくらぎ２下にバラストをつき固める。このようなつき固め補修を行うことで、図８（ａ）に示すような「浮まくらぎ」の状態には、図８（ｂ）に示すように解消され、図８（ｃ）に示すように、軌道支持剛性が補修前よりも大きくなるため、列車荷重に対する各まくらぎの支持力が改善される。

特開平１０−２６６１０７号公報

タイタンパー等の人力によるつき固めの場合は、特にバラスト道床のつき固め状態のばらつきによって軌道支持剛性がばらつき、バラスト道床の沈下量に差が生じるため、その後のレール変位量の不整を招きやすくなってしまう。しかしながら、つき固め補修後の施工品質管理は、軌道の仕上り線形によって行われており、バラストの強度や締固め等の力学的な管理は行われていなかった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上述の課題を解消し、客観的にバラスト軌道の状態を把握することができるバラスト軌道の品質管理方法を提供することを目的とする。

本発明のバラスト軌道の品質管理方法は、バラスト道床上に敷設された複数のまくらぎでレールを支えるバラスト軌道の品質管理方法であって、前記複数のまくらぎ下の軌道支持剛性をそれぞれ測定する測定工程と、測定した前記軌道支持剛性の大きさ及びバラツキに基づいてバラスト軌道の品質を判定する品質判定工程とを備え、前記測定工程において、重錘落下式の剛性測定装置を用い、落下させた重錘による衝撃力を前記まくらぎに伝達させ、前記まくらぎからの反力と前記まくらぎの変位の時刻歴応答から前記軌道支持剛性を求め、前記品質判定工程では、測定した測定区間内の軌道支持剛性の分布から、標準偏差を算出して、閾値から外れた軌道支持剛性に対応するまくらぎ下の箇所をつき固め補修の不良箇所として特定することを特徴とする。
さらに、本発明のバラスト軌道の品質管理方法は、前記測定工程による前記軌道支持剛性の測定を、つき固め補修前後に行うことを特徴とする。

本発明によれば、軌道支持剛性の大きさ及びバラツキに基づいて品質判定することで、つき固め補修による軌道支持剛性を客観的に評価することができるバラスト軌道の品質管理方法を提供する。

本発明に係るバラスト軌道の品質管理方法の実施の形態の概念図である。 本発明の実施の形態に係る剛性測定装置７の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係るバラスト軌道の品質管理方法の各工程を示す工程図である。 従来のバラスト軌道の断面（土構造物上に敷設された場合）を示す概念図である。 従来のバラスト軌道の断面（高架橋上に敷設された場合）を示す概念図である。 レール継目部で局所的な軌道の沈下が生じた場合の浮まくらぎ発生の状態を示す概念図である。 バラスト軌道のつき固め補修を示す概念図である。 レール継目部におけるつき固め補修が良好であった場合を示す概念図である。

＜実施の形態＞
図１乃至図３を参照して、本発明に係るバラスト軌道の品質管理方法の実施の形態について説明する。

〔バラスト軌道の品質管理方法の概要〕
まず、図１を参照して、本発明に係るバラスト軌道の品質管理方法の概要について説明する。
本発明に係るバラスト軌道の品質管理方法では、レール１の敷設方向（以下、「軌道方向」という。）の異なる箇所にそれぞれ敷設されたまくらぎ２において軌道支持剛性を測定する。

そして、測定した軌道支持剛性の大きさ及びバラツキに基づいてバラスト軌道の品質を判定する。他に比べて軌道支持剛性のバラツキが大きい範囲のまくらぎ２下のバラスト道床３を不良箇所として特定するとよい。
軌道支持剛性の測定には、地表面を測定面として地盤の剛性を測定する重錘落下式の剛性測定装置７を用いる。剛性測定装置７としては、例えば、小型のＦＷＤ（Ｆａｌｌｉｎｇ Ｗｅｉｇｈｔ Ｄｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）を用いることができる。
本発明に係るバラスト軌道の品質管理方法では、図１に示すように、まくらぎ２の上面を測定面として剛性測定装置７を載荷し、まくらぎ２下の軌道支持剛性を測定する。剛性測定装置７は、測定面であるまくらぎ２の上面に落下させた重錘３０による衝撃力を、まくらぎ２を介してバラスト道床３へ伝達させ、軌道支持剛性を測定する。剛性測定装置７による軌道支持剛性の測定は、つき固め補修前後で行うとよい。

〔剛性測定装置７の構成〕
次に、図２を参照して、剛性測定装置７の構成について説明する。
剛性測定装置７は、ガイド棒１０と、荷重計２０と、重錘３０と、錘係止機構４０とを備えている。
ガイド棒１０は、重錘３０の落下をガイドする棒状の部材である。また、ガイド棒１０には、目盛り等の重錘３０の落下高さを設定する目印が刻まれている。
重錘３０は、ガイド棒１０に遊設され、上面部に固設されたノブ３１を把持して上方に持ち上げることが可能である。重錘３０の上部の筒体にはフランジ３２が設けられており、フランジ３２は、上方に持ち上げられた重錘３０を、錘係止機構４０により係止する際に用いられる。
錘係止機構４０は、ガイド棒１０に位置調整可能に取り付けられており、所望の落下高さに重錘３０を係脱可能に係止する。錘係止機構４０は、フランジ３２と係合して上方に持ち上げられた重錘３０を係止する係止片４１と、フランジ３２と係止片４１との係合を解除させる操作レバー４２とを備えている。
荷重計２０は、複数の図示しない歪みゲージが貼着されている円筒状の起歪体２１を備え、起歪体２１の軸心方向で作用する荷重を電気信号である荷重信号に変換する撓み検出計である。起歪体２１の上端部には天板２２が、下端部には底板２３がそれぞれ装着され、内部には上下方向の加速度を電気信号である加速度信号に変換する加速度センサ２４が内蔵されている。天板２２の上面には、中央部にガイド棒１０が垂設され、その周囲に弾性体２５が固設されている。弾性体２５は、落下させた重錘３０を支持する、ゴムやコイルバネ等の支承部材である。また、底板２３の下面には、測定面に載荷される平板状の載荷板５０が固設されている。

重錘３０を錘係止機構４０によって係止させた後、操作レバー４２を操作してフランジ３２と係止片４１との係合を解除させると、重錘３０が荷重計２０に向けて落下する。これにより、重錘３０が弾性体２５に支持され、重錘３０による衝撃荷重が、弾性体２５を介して荷重計２０に、そして、載荷板５０を介して測定面に伝達される。
荷重計２０は、図示しないＡ／Ｄ変換器や制御演算回路を内蔵しており、重錘３０を落下させた際に、起歪体２１に貼付された複数の図示しない歪みゲージによって変換された荷重信号を用いて測定面からの反力を算出すると共に、加速度センサ２４によって変換された加速度信号を用いて測定面の変位量（変位）を算出する。変位量（変位）の算出は、例えば、加速度信号をＡ／Ｄ変換器で符号付きの信号に変換し、２階積分することで求めることができる。
さらに、荷重計２０は、算出した反力及び変位量を撓み量測定データとし、撓み量測定データに基づいて路盤の剛性を表す軌道支持剛性を算出する。反力及び変位量はそれぞれ山形の波形を描くように変化する。そして、荷重計２０は、算出した軌道支持剛性を、外部に接続されたデータ処理装置８に、例えばリアルタイム（実時間）で送信する。

〔バラスト軌道の品質管理方法の各工程〕
以下で、図３を参照して、バラスト軌道の品質管理方法の各工程について説明する。

まず、軌道方向における測定範囲を選定し（ステップＳ１０１）、選定した測定範囲内に敷設された複数のまくらぎ２下の軌道支持剛性を、剛性測定装置７を用いてそれぞれ測定する補修前の測定工程を行う（ステップＳ１０２）。次に、選定した測定範囲内の軌道補修を行った後（ステップＳ１０３）、選定した測定範囲内に敷設された複数のまくらぎ２下の軌道支持剛性を、剛性測定装置７を用いてそれぞれ測定する補修後の測定工程を行う（ステップＳ１０４）。次に、測定した軌道支持剛性に基づく品質判定工程を行う（ステップＳ１０５）。そして、品質判定工程で補修が不良と判定された場合には、ステップＳ１０３に戻って再び補修を行い、品質判定工程で補修が良好と判定された場合には、バラスト軌道の品質管理方法を終了する。
ステップＳ１０２の補修前の測定工程と、ステップＳ１０４の補修後の測定工程とにおける軌道支持剛性の測定は、各まくらぎ２の上面に剛性測定装置７を順次載荷し、各まくらぎ２で同じ条件で行う。従って、測定に際し、剛性測定装置７において、載荷板５０の形状や面積、重錘３０の質量及び落下高さを統一する。なお、載荷板５０は、まくらぎ２の上面に収まる形状及び面積にすると、各まくらぎ２における剛性測定装置７の載荷状態を容易に統一することができる。
また、各まくらぎ２において、剛性測定装置７を載荷する位置を設定する。剛性測定装置７を載荷する位置は、まくらぎ２の左端部〜中央部〜右端部の任意の位置とすることが可能であるが、各まくらぎ２上の同じ位置に載荷して測定すると好適である。剛性測定装置７を載荷する各まくらぎ２上の位置を一定とすることで、測定区間内の各まくらぎ２下の軌道支持剛性を同じ条件で測定することができる。

剛性測定装置７をまくらぎ２の上面に載荷し、重錘３０を錘係止機構４０によって係止させた後、操作レバー４２を操作してフランジ３２と係止片４１との係合を解除させると、重錘３０が荷重計２０に向けて落下する。これにより、重錘３０が弾性体２５に支持され、重錘３０による衝撃荷重が、弾性体２５を介して荷重計２０に、そして、載荷板５０を介してまくらぎ２に伝達され、さらに、まくらぎ２を介してバラスト道床３に伝達される。
そして、荷重計２０は、重錘３０を落下させた際に、起歪体２１に貼付された複数の図示しない歪みゲージによって変換された荷重信号を用いてまくらぎ２からの反力を算出すると共に、加速度センサ２４によって変換された加速度信号を用いてまくらぎ２の変位量（変位）を算出する。
さらに、荷重計２０は、算出したまくらぎ２の反力及び変位量を撓み量測定データとし、撓み量測定データに基づいて算出した軌道支持剛性をデータ処理装置８に出力する。
なお、データ処理装置８が、剛性測定装置７から撓み量測定データを取得し、軌道支持剛性を算出するように構成してもよい。

データ処理装置８は、算出された軌道支持剛性を剛性測定装置７から取得して記憶手段に記憶する。この際に、データ処理装置８は、まくらぎ２の軌道方向の位置のデータについても記憶手段に記憶する。この位置のデータは、載荷されたまくらぎ２のＩＤ（Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）や、剛性測定装置７に内蔵されたＧＰＳ受信機（図示せず）により取得した位置情報が用いられる。データ処理装置８への測定データの記憶が完了すると、一つのまくらぎ２下の軌道支持剛性の測定が終了となる。
その後、剛性測定装置７を次のまくらぎ２に移動させて載荷し、逐次測定を続ける。これにより、所定の測定区間内の全てのまくらぎ２下の軌道支持剛性がそれぞれ算出され、データ群としてデータ処理装置８に記憶される。

ステップＳ１０５の品質判定工程として、データ処理装置８により、測定区間内で算出された軌道支持剛性のデータ群を基に、バラスト道床３の状態の評価を行う。
データ処理装置８は、取得した所定の測定区間内の軌道支持剛性の分布から、標準偏差を算出して、バラツキの程度を評価する。データ処理装置８は、算出された標準偏差を基に、例えば、所定の閾値から外れた軌道支持剛性を検出する。閾値としては、例えば、μ＋−σ（平均値プラスマイナス標準偏差の２倍）等の値が用いられる。

データ処理装置８は、閾値から外れた軌道支持剛性が検出された場合、位置のデータを用いてこの軌道支持剛性に対応するまくらぎ２下の箇所を、つき固め補修の不良箇所として特定する。このような箇所は、軌道支持剛性が低く、バラスト道床３に列車等の荷重が伝達されない「浮きまくらぎ」の状態となっている可能性があるためである。
また、データ処理装置８は、検出された軌道支持剛性に対応するまくらぎ２の前後のまくらぎ２下の箇所についても、不良箇所として特定する。これらの箇所は、「浮きまくらぎ」を支えている「支えまくらぎ」の状態となっている可能性があるためである。
なお、データ処理装置８は、軌道支持剛性の分布の中で、一つの軌道支持剛性の大きさが、その前後の軌道支持剛性の大きさよりも小さいことを検出し、このような場合にのみ不良箇所として特定してもよい。このような箇所は、より「浮きまくらぎ」の状態となりやすいためである。この際、より小さい別の閾値を用いて、不良箇所として特定してもよい。
また、データ処理装置８は、閾値から外れた軌道支持剛性が検出された前後のまくらぎ２下の箇所だけではなく、前後所定個のまくらぎ２下の箇所について不良箇所として特定してもよい。
また、データ処理装置８は、標準偏差自体が所定値より大きかった場合は、測定区間内のすべてのまくらぎ２下の箇所を不良箇所として特定してもよい。

ここで、品質判定工程の具体的な処理例について説明する。
データ処理装置８は、閾値より外れた軌道支持剛性を検出し、不良箇所として特定する。これにより、本発明を適用することで浮まくらぎや軌道支持剛性が小さいまくらぎを特定することができる。
データ処理装置８は、軌道支持剛性の分布をグラフ出力し、又は数値出力することが可能である。この際、データ処理装置８は、不良箇所を赤等の色違いで表示部やプリンタ（図示せず）に描画して出力することも可能である。また、データ処理装置８は、不良箇所があった場合、警告を行うこともできる。
以上により、本実施形態の品質管理方法の工程を終了する。

〔つき固め補修前後での測定〕
また、剛性測定装置７は、例えば、つき固め補修前後で測定データを連続的に取得し、軌道支持剛性を算出してもよい。つまり、剛性測定装置７は、所定の測定区間内で、各まくらぎ２下の箇所のつき固め補修前の軌道支持剛性と、補修後の軌道支持剛性とを、それぞれ算出してもよい。
この際、データ処理装置８は、つき固め補修前の軌道支持剛性の分布のデータと、つき固め補修後の軌道支持剛性の分布のデータとについて、それぞれバラツキの程度を評価することが可能である。
また、データ処理装置８は、まくらぎ２のつき固め補修前後の軌道支持剛性の差分値を算出しこの差分値の分布から、バラスト軌道の補修の効果を判別してもよい。

データ処理装置８は、つき固め補修後に不良箇所と特定された箇所があった場合には、その旨の警告を表示することも可能である。
また、データ処理装置８は、つき固め補修前に不良箇所と特定された箇所が、つき固め補修後には不良箇所と特定されなかった場合には、バラスト軌道が安定したと判断可能である。この場合、データ処理装置８は、この箇所については最適なつき固めであったことを、マルチプルタイタンパー等に報知してもよい。これにより、箇所毎に最適なつき固めを行い、つき固め補修の品質を向上させると共に、軌道支持剛性を均一化することが可能となる。

また、データ処理装置８は、つき固め補修前には不良箇所と特定されなかった箇所が、つき固め補修後には不良箇所と特定された場合には、バラストの形状や量等が不良となっている可能性があると判断可能である。この場合、データ処理装置８は、マルチプルタイタンパーの制御パラメータ等を変更したり、人手で細かくつき固め補修をしたりするよう報知することが可能である。
さらに、データ処理装置８は、つき固め補修前後で不良箇所と特定された場合には、補修そのものが不良であったか、つき固め補修が不可能な程度、バラスト軌道が不良となっている可能性があるため、その旨を警告することも可能である。

以上のように構成することで、以下のような効果を得ることができる。
以上説明したように、本実施の形態のバラスト軌道の品質管理方法は、バラスト道床３上に敷設された複数のまくらぎ２でレールを支えるバラスト軌道の品質管理方法であって、まくらぎ２下の軌道支持剛性をそれぞれ測定する測定工程と、測定した軌道支持剛性の大きさ及びバラツキに基づいてバラスト軌道の品質を判定する品質判定工程とを備えることを特徴とする。
このような構成により、つき固め補修後に、バラスト軌道の状態を客観的に評価可能となる。つまり、まくらぎ２下のバラスト道床３の状態を、容易に評価可能となる。この評価により、まくらぎ２下の軌道支持剛性を均一化することで、レール変位量の不整の抑制が期待でき、列車による荷重の変化を少なくして軌道を安定化させることが可能となる。

また、本実施の形態のバラスト軌道の品質管理方法は、測定工程において、重錘落下式の剛性測定装置７を用い、落下させた重錘３０による衝撃力をまくらぎ２に伝達させ、まくらぎ２からの反力とまくらぎ２の変位の時刻歴応答から前記軌道支持剛性を求め、前記軌道支持剛性より品質判断することを特徴とする。
レール１による列車の荷重は実際にまくらぎ２にかかるため、まくらぎ２に重錘による衝撃力を伝達させて軌道支持剛性を測定することで、精度の高い測定ができる。

また、本実施の形態のバラスト軌道の品質管理方法は、品質判定工程において、他に比べて軌道支持剛性のバラツキが大きい範囲のまくらぎ２下の箇所を不良箇所として特定することを特徴とする。
つまり、算出した軌道支持剛性の分布から、バラツキが大きい箇所を不良箇所として特定して、「浮きまくらぎ」を容易に判別可能となる。また、バラツキが大きい範囲の前後のまくらぎ２下の箇所を不良箇所として特定して、「支えまくらぎ」の箇所も判別可能である。これらの箇所を再度つき固めることで、軌道支持剛性を均一化することが可能となる。

また、本実施の形態のバラスト軌道の品質管理方法は、測定工程による軌道支持剛性の測定を、つき固め補修前後に行うことを特徴とする。
このように、つき固め補修前と補修後に軌道支持剛性を測定して、その変化を判断することで、最適なつき固めの補修を行うことが可能となる。また、どのように軌道支持剛性が変化していくかを推定し、それに応じた対策をたてて、効率のよい保線作業をすることが可能となる。

なお、上記実施の形態の構成及び動作は例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実行することができることは言うまでもない。

本発明のバラスト軌道の品質管理方法は、剛性測定装置によりバラスト軌道の状態を把握し、保線の効率化とコスト削減を可能とするため、産業上利用することができる。

１ レール
２、２Ａ、２Ｂ まくらぎ
３ バラスト道床
４ 路盤
５ 路床
６ 地盤
７ 剛性測定装置
８ データ処理装置
９ 軌きょう
１０ ガイド棒
２０ 荷重計
２１ 起歪体
２２ 天板
２３ 底板
２４ 加速度センサ
２５ 弾性体
３０ 重錘
３１ ノブ
３２ フランジ
４０ 錘係止機構
４１ 係止片
４２ 操作レバー
５０ 載荷板
６０ 高架橋の床版
７０ ジャッキ
８０ タイタンパー

Claims (2)

1. バラスト道床上に敷設された複数のまくらぎでレールを支えるバラスト軌道の品質管理方法であって、
   前記複数のまくらぎ下の軌道支持剛性をそれぞれ測定する測定工程と、
   測定した前記軌道支持剛性の大きさ及びバラツキに基づいてバラスト軌道の品質を判定する品質判定工程とを備え、
   前記測定工程では、重錘落下式の剛性測定装置を用い、落下させた重錘による衝撃力を前記まくらぎに伝達させ、前記まくらぎからの反力と前記まくらぎの変位の時刻歴応答から前記軌道支持剛性を求め、
   前記品質判定工程では、測定した測定区間内の軌道支持剛性の分布から、標準偏差を算出して、閾値から外れた軌道支持剛性に対応するまくらぎ下の箇所をつき固め補修の不良箇所として特定することを特徴とするバラスト軌道の品質管理方法。
2. 前記測定工程による前記軌道支持剛性の測定は、つき固め補修前後に行うことを特徴とする請求項１記載のバラスト軌道の品質管理方法。

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