無縫線路脹軌跑道的原理分析及預(yù)防措施

張艷文, 李 斌, 陳 武

蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院（730070）

無縫線路在實際使用中，由于列車運行，晝夜季節(jié)的軌溫變化，以及維修作業(yè)等關(guān)系，關(guān)于穩(wěn)定性計算參數(shù)，如鎖定軌溫、道床阻力、軌道剛度等也都在變化，計算中試驗結(jié)果與實際情況就有出入,甚至于事故發(fā)生后都無法解釋其原因?，F(xiàn)場工作人員經(jīng)常和線路接觸，雖然了解鋼軌要爬行，起撥道會導(dǎo)致線路彎曲，線路方向會累積變化等，但因缺乏科學(xué)的統(tǒng)計分析，并不清楚這些變化所能造成的危險程度。故本文針對無縫線路脹軌跑道要素分析的應(yīng)用,結(jié)合無縫線路實際工作情況、事故的調(diào)查及對事故的認(rèn)識，找出事故的真正原因及防治的辦法。

1 無縫線路脹軌跑道原理分析

1.1 無縫線路脹軌跑道物理過程分析

研究脹軌跑道之防治，必須認(rèn)真研究這一過程，區(qū)別對待，合理處置。無縫線路軌道，在自然溫度環(huán)境下，鋼軌會因溫度變化而產(chǎn)生溫度力，此溫度力為壓力時，達到一定量值之后，軌道將產(chǎn)生橫向變形。據(jù)大量試驗研究得知，這一變形的發(fā)生與發(fā)展過程是有一定規(guī)律的,基本上可分為三個階段:1）保持穩(wěn)定階段(不變形階段)；2）脹軌階段(漸漸變形階段);3）跑道階段(突然變形階段)。

鋼軌中的溫度壓力,隨軌溫升高而逐漸增大，其承受溫度壓力的初始階段，軌道的幾何形態(tài)不受影響而保持原狀，為穩(wěn)定階段。此階段鋼軌溫度力完全以彈性勢能的形態(tài)貯存于鋼軌中。如鋼軌為理想的直線,此狀態(tài)可能在很高的溫度壓力下保持，直到軌道經(jīng)受某種外部干擾時，才會突然臌曲。然而，實際上鋼軌不可能是理想的直線，總有某種程度的初始彎曲。因此，保持穩(wěn)定階段的鋼軌溫度壓力是有一定限度的。鋼軌溫度壓力一但越過這一限度，軌道即產(chǎn)生彎曲變形，進入第二階段。

第二階段為脹軌階段。脹軌階段一開始，軌道便隨鋼軌溫度壓力的升高而產(chǎn)生輕微的橫向變形,變形趨勢目視不甚明顯，但隨溫度壓力的繼續(xù)升高，變形將逐漸明顯，且變形曲線的線形趨于穩(wěn)定，溫度壓力繼續(xù)升高只是變形的加速和矢度的擴大。當(dāng)溫度壓力達到某一限值時，軌道變形的增大將迫使道碴擠壓錯動，并產(chǎn)生聲響,它預(yù)示軌道的受力與變形已接近臨界狀態(tài)。之后,軌道的變形將進入第三階段。

第三階段為跑道階段,或稱破壞階段。當(dāng)鋼軌溫度壓力上升到軌道橫向彎曲變形矢度最大,軌道的穩(wěn)定性處于臨界狀態(tài)。在此狀態(tài)下，鋼軌溫度壓力再稍有增加，或受到來自外部的干擾，軌道的彎曲變形矢度就會突然擴大,并伴隨巨大聲響而臌曲，即所謂跑道的現(xiàn)象發(fā)生了。其彎曲變形的最大矢度可達幾十厘米，從而軌道的結(jié)構(gòu)受到了破壞,貯存于鋼軌中的彈性勢能急劇釋放,線路跑道之后又重新穩(wěn)定下來。

1.2 無縫線路溫度力計算參數(shù)

無縫線路溫度力公式中含有三項計算參數(shù)，其一為軌道剛度EI，當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)一定時，如不考慮節(jié)點阻矩的作用，則EI為常量；另一為軌道方向偏差，即軌道的橫向變形之彎曲矢度，可根據(jù)以后專門討論的方向偏差的限值來定;其三為道床阻力Q，影響因素較多，因此，將重點介紹道床阻力這一參數(shù)。

道床阻力與道床工作狀態(tài)密切相關(guān)。例如臟污程度、清篩的前后、作業(yè)的前后、搗固方式不同，都直接影響道床阻力值。主要測試內(nèi)容如下:

1）清篩前后:①清篩之前線路道床橫向阻力；②清篩之后半天道床橫向阻力；請篩之后一天道床橫向阻力；潔篩之后二天道床橫向阻力；清篩之后七天道床橫向阻力；清篩之后一月道床橫向阻力；回填搗固一遍道床橫向阻力；清篩起道串碴道床橫向阻力。

2）維修作業(yè)前后:①維修作業(yè)前道床橫向阻力；②維修作業(yè)后半天道床橫向阻力；維修作業(yè)后—天道床橫向阻力；維修作業(yè)后二天道床橫向阻力;維修作業(yè)后七天道床橫向阻力；起道搗固后道床橫向阻力。

3）清篩前后道床縱向阻力。

1.3 無縫線路鎖定軌溫

以往無縫線路的施工，多根據(jù)長軌條入槽(長軌始端)和落槽(長軌終端)軌溫之平均值定鎖定軌溫。只要此平均值落在設(shè)計鎖定軌溫范圍之內(nèi)，即認(rèn)為可用。實際上這樣做是不全面的,應(yīng)該要求參與平均的各測點軌溫都落在設(shè)定的鎖定軌溫范圍內(nèi)，否則應(yīng)予調(diào)整或放散。例如某地區(qū)設(shè)計鎖定軌溫范圍為25℃～35℃，某次鋪軌的入槽軌溫為20℃，中間軌溫為30℃，落槽軌溫為40℃，就平均值而言，它已落在25℃～35℃范圍之內(nèi)，但就各點的實測軌溫來看，則入槽軌溫低于下限25℃，落槽軌溫高于上限35℃，均不合格。這段線路鋪設(shè)之后，必須適時調(diào)整始端和終端的鎖定軌溫，使之符合設(shè)計鎖定軌溫范圍。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，有的段從防治脹軌跑道出發(fā)，總希望把鎖定軌溫定高些，盡量靠近設(shè)計鎖定軌溫范圍之上限，甚至超出。實際上這樣做是不可取的，實際鎖定軌溫應(yīng)越靠近中間軌溫越好。根據(jù)鋼軌溫度力隨軌溫升降而循環(huán)變化的特性，高定鎖定軌溫時,在第一次升溫中可能出現(xiàn)的溫度壓力較小，然而經(jīng)過溫度循環(huán)之后，在固定區(qū)與伸縮區(qū)的交界處，仍要出現(xiàn)壓力峰，其值相當(dāng)于相對中和軌溫之溫度壓力值。而且這種處理方式，既無利于減少溫度壓力值，又使溫度拉力值過高而不利鋼軌的防斷。因此，采用高定鎖定軌溫的方法要慎重。

2 應(yīng)力放散與調(diào)整

2.1 溫度控制法放散應(yīng)力

溫度控制法,是在合適的軌溫范圍內(nèi)，使鋼軌自由伸縮，充分放散內(nèi)部應(yīng)力,而后再將鋼軌在零應(yīng)力狀態(tài)下重新鎖定，鎖定時的軌溫即為放散后的無縫線路的鎖定軌溫。

溫度控制法放散應(yīng)力，要封鎖線路進行，為降低鋼軌與墊板之間的摩阻力，軌下要支墊滾筒。據(jù)北方交大測定，帶支架的滾筒摩阻力約為69 N,不帶支架的圓鋼或鋼管的摩阻力約為21 N。為徹底克服摩阻力，放散時還要輔以振動。一般采用鋼軌撞擊法振動，撞擊的卡具要堅固耐用,最好采用鑄鋼卡具，撞擊點的分布要合適，每隔300～500m設(shè)一撞軌點,兼管左右股。所用圓鋼或鋼管的直徑以25 mm左右為宜，長度以150mm為宜。施工要點的時間必須選擇得當(dāng)。施工單位要了解施工期間的氣象情況,選擇適合鎖定軌溫范圍(中和軌溫±5℃)的溫度時段。運輸部門應(yīng)積極配合，若溫度不合適勉強施工將適得其反。如1991年鄭州局工務(wù)部門放散170段，部分是在5月下旬給點放散的，此間凡是下午給點的,放散工作都失敗了。放散的合龍一端溫度放高了，而未放散的一端鎖定軌溫仍然是低的。

放散的基本作業(yè)方法:封鎖線路給點之前，松緊扣件人員將扣件隔3松l,另由專人用白鉛油標(biāo)記放滾筒位置、設(shè)撞軌點位置，同時用劃針刻劃位移觀測點。滾筒每隔12.5m或15 m設(shè)一處，撞軌點每隔500 m設(shè)一處，位移觀測點每50 m或100m設(shè)一處。觀測點標(biāo)線應(yīng)劃在軌底與軌枕的對應(yīng)位置。施工封鎖點正式給定之后，施工領(lǐng)導(dǎo)人立即下達封鎖線路開始施工的命令,全面卸下扣件；安放不帶支架滾筒時，要取下軌下大膠墊，按滾筒標(biāo)記位置放好滾筒，撞軌小組各就各位，裝好接軌卡具，現(xiàn)場技術(shù)員根據(jù)實際軌溫，校核放散量，合龍小組根據(jù)技術(shù)員校核的準(zhǔn)確放散量，用鋸軌機切割合龍鋼軌并鉆孔，施工領(lǐng)導(dǎo)人適時下達撞軌命令，各撞軌組(一股)同時均衡施撞，龍口組觀測鋼軌伸長合龍情況，到位后即停止撞軌，上夾板合龍，再按同樣程序放散另一股。合龍的同時，全面恢復(fù)合龍股扣件，現(xiàn)場技術(shù)員測取各點位移量，若各點實測位移量的差值接近某一常數(shù)，即可判斷放散均勻，否則應(yīng)另安排時間做好局部調(diào)整，直至均勻為止。線路重新鎖定合龍后，施工領(lǐng)導(dǎo)人通知安全質(zhì)量檢查員，全面檢查線路一遍，確認(rèn)線路恢復(fù)正常后，下達命令開通線路。應(yīng)力放散應(yīng)確實做到軌溫均勻、準(zhǔn)確。均勻、準(zhǔn)確是無縫線路防脹管理的基礎(chǔ)。

2.2 應(yīng)力調(diào)整

無縫線路固定區(qū)的應(yīng)力分布在理論上是均勻一致的，但實際施工的自然溫度環(huán)境，在換軌過程中，可能由低溫向高溫變化，也可能由高溫向低溫變化。這就造成縱向分布不勻，如超出允許范圍就得調(diào)整。另外，在運營中由于局部爬行，或爬行受阻等原因而產(chǎn)生應(yīng)力峰，這也應(yīng)進行調(diào)整。

無縫線路的應(yīng)力調(diào)整，上述三種方法均可采用。如調(diào)整整個固定區(qū)的應(yīng)力,可將長軌兩端伸縮區(qū)及緩沖區(qū)的扣件緊固鎖定，將固定區(qū)的中間扣件部分或全部擰松至60～80 N·M，隨列車與溫度的升或降的共同作用而得到調(diào)整。調(diào)整后全面復(fù)擰扣件，彈條扣件要恢復(fù)三點接觸。

通過應(yīng)力調(diào)整，使長鋼軌的縱向力分布均勻，有利于無縫線路的防脹和防斷。

3 超長無縫線路脹軌跑道的防治

3.1 無縫線路脹軌跑道的防治和處理

1）當(dāng)發(fā)現(xiàn)線路連續(xù)出現(xiàn)碎彎時，必須加強巡查或派專人監(jiān)視，觀測軌溫和線路方向的變化。若碎彎繼續(xù)擴大，應(yīng)設(shè)慢行信號，并通知工區(qū)緊急處理。線路穩(wěn)定后，恢復(fù)正常行車速度。

2）養(yǎng)護維修作業(yè)中，發(fā)現(xiàn)軌向高低不良，起道、撥道省力，枕端道碴離縫，必須停止作業(yè)，及時采取防制措施。

3）無論作業(yè)中或作業(yè)后，發(fā)現(xiàn)線路軌向不良，用長10m弦測量兩股鋼軌的軌向偏差。當(dāng)平均值達到10mm時，必須設(shè)置慢行信號，并采取夯拍道床、填滿枕盒道碴和堆高碴肩等措施。當(dāng)兩股鋼軌的軌向偏差平均值達到12mm時，在軌溫不變情況下，過車后線路彎曲變形突然擴大，必須立即設(shè)置停車信號，及時通知車站，并采取鋼軌降溫等緊急措施，消除故障后放行列車。

4）發(fā)生脹軌跑道后，可以采取澆水或噴灑液態(tài)二氧化碳的辦法降低鋼軌溫度。軌溫降低后方可撥道。曲線地段撥道只能上挑，不宜下壓。撥道后必須夯拍道床，限速放行列車，并派專人看守，待軌溫降至接近鎖定軌溫時，再恢復(fù)線路和正常行車速度。

5）無縫線路發(fā)生脹軌跑道時,應(yīng)對脹軌跑道情況按規(guī)定內(nèi)容作好登記。

3.2 無縫線路防治脹軌跑道對應(yīng)力放散的要求

1）無縫線路應(yīng)力放散和調(diào)整由工務(wù)段負(fù)責(zé)安排，施工前要制訂施工計劃及安全措施，組織人力，備齊料具，充分作好施工準(zhǔn)備。

2）放散應(yīng)力時，應(yīng)每隔50～100m設(shè)一位移觀測點觀測鋼軌位移量，及時排除影響放散的障礙，達到放散均勻。

3）無縫線路應(yīng)力放散和調(diào)整后，應(yīng)按實際鎖定軌溫及時修改有關(guān)技術(shù)資料和位移觀測標(biāo)記。

4）防止鋼軌重傷和折斷是無縫線路防治脹軌跑道的必然要求。