烏精二線無(wú)縫線路應(yīng)力放散施工技術(shù)

閆 瑞

(中鐵一局新運(yùn)工程公司 烏精二線鋪架項(xiàng)目部，新疆 奎屯 833000)

1 工程概況

烏精二線設(shè)計(jì)為有砟道床(雙層道床，厚度450 mm)，Ⅲ型混凝土枕及彈條Ⅱ型扣件，一次性鋪設(shè)60 kg/m鋼軌區(qū)間無(wú)縫線路，全線設(shè)計(jì)鋪設(shè)無(wú)縫線路長(zhǎng)度379.902 km。由于北疆地區(qū)高熱、高寒、晝夜溫差大、氣候變化無(wú)常，極端最高氣溫達(dá)42.7℃，極端最低氣溫為-42℃，全年適合無(wú)縫線路施工的時(shí)間僅有4月，5月，9月和10月共4個(gè)月，對(duì)施工工期壓力較大。

施工過(guò)程中要綜合考慮到施工影響、環(huán)境影響和操作誤差等因素，嚴(yán)格控制無(wú)縫線路施工中應(yīng)力放散及鎖定軌溫。在保證施工質(zhì)量的前提下，為了按期完成全線無(wú)縫線路施工任務(wù)，制訂了兩套方案。第一套方案為8月—9月份，避開(kāi)白天高溫，夜間進(jìn)行無(wú)縫線路應(yīng)力放散施工，按照《烏魯木齊鐵路局鐵路營(yíng)業(yè)線施工及安全管理實(shí)施細(xì)則》有關(guān)夜間施工的規(guī)定，編制了《夜間無(wú)縫線路施工方案》，經(jīng)建設(shè)指揮部審查通過(guò)后實(shí)施，順利完成了古河至奎屯西區(qū)間、昌吉至呼圖壁區(qū)間無(wú)縫線路應(yīng)力放散施工，實(shí)際鎖定軌溫滿足設(shè)計(jì)要求;第二套方案為11月—12月，全天軌溫較低，采取拉伸放散的方法進(jìn)行無(wú)縫線路施工，安排專職技術(shù)人員進(jìn)行全程控制，保證了冬期無(wú)縫線路應(yīng)力放散的施工質(zhì)量，順利完成了開(kāi)干齊至安庫(kù)區(qū)間、烏蘭烏蘇至瑪納斯區(qū)間、三坪至烏西區(qū)間無(wú)縫線路應(yīng)力放散施工，2009年共計(jì)完成無(wú)縫線路施工366.048 km。

2 無(wú)縫線路施工方法及要求

鋪設(shè)無(wú)縫線路通常有兩種方法，即“連入法(一步法)”和“插入法(二步法)”?！斑B入法”是將區(qū)間中相鄰的兩個(gè)單元軌節(jié)依次直接焊聯(lián)的鋪設(shè)作業(yè)方法，即把不同時(shí)間焊接成的兩個(gè)相鄰單元軌節(jié)的始端和終端同時(shí)焊接，同時(shí)放散，做到一步到位;“插入法”是在兩個(gè)相鄰單元軌節(jié)中間鋪設(shè)一對(duì)緩沖軌，焊接時(shí)，取出緩沖軌，插入確定長(zhǎng)度的鋼軌，放散應(yīng)力后進(jìn)行最終焊接。

結(jié)合烏精二線的施工特點(diǎn)，本工程主要采用“連入法(一步法)”進(jìn)行無(wú)縫線路施工作業(yè)。當(dāng)作業(yè)時(shí)軌溫在設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍內(nèi)時(shí)，采用“滾筒法”(自然放散法)放散應(yīng)力后，予以鎖定;當(dāng)作業(yè)時(shí)軌溫低于設(shè)計(jì)鎖定軌溫時(shí)，采用“鋼軌拉伸器、滾筒法”(綜合放散法)放散應(yīng)力后進(jìn)行鎖定。

2.1 無(wú)縫線路應(yīng)力放散及鎖定技術(shù)要求

根據(jù)無(wú)縫線路的施工特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)情況綜合考慮放散鎖定單元軌節(jié)長(zhǎng)度一般為1 500～2 000 m，最短不小于200 m。單元軌節(jié)鎖定前，應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求設(shè)置無(wú)縫線路位移觀測(cè)樁，500 m長(zhǎng)鋼軌焊接成單元軌節(jié)后，軌面設(shè)計(jì)高程、方向、水平及道床阻力均已達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，方可進(jìn)行線路鎖定施工。施工時(shí)鎖定軌溫必須在設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍內(nèi)，否則必須進(jìn)行應(yīng)力放散，重新鎖定。應(yīng)力放散時(shí)應(yīng)保證軌溫均勻，相鄰單元軌節(jié)節(jié)間的鎖定軌溫差不得大于5℃，左右兩股鋼軌的鎖定軌溫差不得大于5℃，且曲線外股鋼軌鎖定軌溫不得高于內(nèi)股，否則需放散應(yīng)力重新鎖定。測(cè)量軌溫時(shí)，要對(duì)鋼軌的不同位置進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，取其平均值。鎖定軌溫應(yīng)準(zhǔn)確、可靠符合設(shè)計(jì)規(guī)定。整正軌枕和軌距后，應(yīng)兩股同步鎖定，同時(shí)在鋼軌上設(shè)置縱向位移觀測(cè)的“零點(diǎn)”標(biāo)記。必須準(zhǔn)確確定鎖定軌溫，相鄰兩段單元軌節(jié)鎖定軌溫之差不得大于5℃，左右兩股鋼軌的鎖定軌溫差不得大于3℃，同一設(shè)計(jì)鎖定軌溫的長(zhǎng)軌條最高與最低鎖定軌溫之差不得大于10℃。

2.2 無(wú)縫線路應(yīng)力放散施工方法

2.2.1 滾筒放散法

滾筒放散法又稱自然放散法，是在設(shè)計(jì)的鎖定軌溫范圍內(nèi)，把需要放散應(yīng)力的長(zhǎng)軌條先松開(kāi)，并拆除扣件，然后抬起鋼軌，放上滾筒，將鋼軌落在滾筒上，撞擊長(zhǎng)軌條數(shù)次，使長(zhǎng)軌條基本上能自由伸縮。一旦軌溫合適，即撤滾筒、緊扣件、進(jìn)行鎖定。根據(jù)北疆的氣候情況，其中4月，5月，9月，10月份適合采用此方法進(jìn)行應(yīng)力放散。

2.2.2 鋼軌拉伸器、滾筒放散法

鋼軌拉伸器、滾筒放散法稱綜合放散法，是在設(shè)計(jì)的鎖定軌溫范圍以下時(shí)，利用鋼軌拉伸器和撞軌器配合作用，通過(guò)均勻拉伸長(zhǎng)軌條，以提高它的零應(yīng)力軌溫，使鎖定軌溫一步到位的方法。拉伸長(zhǎng)軌條時(shí)，要做到“勻、準(zhǔn)、夠”。

1)形成零應(yīng)力。在放散段自然溫度的條件下，軌下墊滾筒，松開(kāi)全部扣件，使鋼軌能自由伸縮。以50 m或100 m為單位進(jìn)行觀測(cè)，并用撞軌器沿鋼軌走行方向依次撞軌，當(dāng)鋼軌發(fā)生反彈現(xiàn)象時(shí)，即視為零應(yīng)力。

2)計(jì)算拉伸量。鋼軌放散至零應(yīng)力狀態(tài)后，根據(jù)設(shè)計(jì)軌溫和實(shí)際鎖定軌溫計(jì)算出鋼軌拉伸量，用拉伸器和撞軌器聯(lián)合作用拉出該伸長(zhǎng)量后即鎖定鋼軌。鋼軌拉伸量按下列公式計(jì)算

式中，ΔL為鋼軌伸長(zhǎng)量(mm);α為鋼軌線膨脹系數(shù)，α=0.000 011 8/℃;L為鋼軌長(zhǎng)度(m);TS為鋼軌的設(shè)計(jì)鎖定軌溫(℃);TSJ為鋼軌的實(shí)際軌溫(℃)。

3)放散作業(yè)程序。確定放散長(zhǎng)度→設(shè)立固定點(diǎn)→放松扣件，墊入滾筒，保證鋼軌自由伸縮，測(cè)量當(dāng)?shù)剀墱亍鶕?jù)放散軌溫與當(dāng)?shù)剀墱氐牟顒e，計(jì)算并標(biāo)記鋼軌的變化長(zhǎng)度，并在鋼軌上每隔50 m做標(biāo)記→使用拉伸器和撞軌器共同作用拉伸鋼軌，達(dá)到設(shè)定的標(biāo)記位置→鎖定鋼軌，由焊接處向固定點(diǎn)方向上緊扣件→在焊接之后不少于20 min和焊縫兩邊至少30 m的范圍內(nèi)將扣件按照設(shè)計(jì)要求安裝好后，撤出拉伸器，使各固定點(diǎn)之間的縱向力均勻。

4)放散量及鋸軌量計(jì)算辦法。

①放散量的計(jì)算

式中，ΔL為放散量(mm);α為鋼軌線膨脹系數(shù)，α=0.000 011 8/℃;L為需要放散應(yīng)力的鋼軌長(zhǎng)度(m);t1為鋼軌的設(shè)計(jì)鎖定軌溫(℃);t2為作業(yè)時(shí)軌溫(℃)。

②鋸軌量的計(jì)算

式中，Δl″為鋸軌量(mm);Δl′為放散量(mm);λ 為焊接預(yù)留軌縫(mm);a為整治線路爬行時(shí)鋼軌移動(dòng)量，如移動(dòng)方向與應(yīng)力放散方向相同為正，反之為負(fù)。

3 影響應(yīng)力放散均勻的因素分析

影響放散均勻的因素很多，從施工的程序來(lái)分析，有以下幾個(gè)因素最為關(guān)鍵。

1)撞軌的方式

撞軌的方式有兩種，一種為小型撞軌器，在單元焊節(jié)上每500 m左右放置一個(gè)，通過(guò)撞軌器撞擊撞塊使鋼軌克服伸縮阻力，向前移動(dòng);第二種為用大錘沿單元軌節(jié)長(zhǎng)度均勻分布撞擊鋼軌，錘頭作用力不得輕于27.2 kN。這兩種撞軌方式在現(xiàn)場(chǎng)中均有使用，各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)踐證明將兩者結(jié)合使用效果較好。當(dāng)臨時(shí)位移觀測(cè)點(diǎn)距離為150 m時(shí)，臨時(shí)位移觀測(cè)點(diǎn)的位移量誤差值能達(dá)到4 mm左右。

2)滾筒的阻力

滾筒的阻力取決于滾筒的數(shù)量和滾筒與鋼軌的摩擦系數(shù)。滾筒的數(shù)量由放置距離決定，放置距離由鋼軌的撓度決定，用公式 f=5ql4/(384EI)計(jì)算，式中 q為單位長(zhǎng)度鋼軌重量，l為長(zhǎng)度，E為鋼軌的彈性模量，I為鋼軌的慣性矩，通過(guò)計(jì)算和實(shí)踐，現(xiàn)場(chǎng)60 kg/m鋼軌一般每10 m放置一個(gè)滾筒。

滾筒與鋼軌的摩擦系數(shù)越小越有利于鋼軌拉伸，滾動(dòng)摩擦比滑動(dòng)摩擦系數(shù)小，現(xiàn)場(chǎng)的滾筒均做成滾動(dòng)軸承式滾筒。

3)線路的原始彎曲

線路的原始彎曲分線路的彎曲和鋼軌的變形兩種，線路的彎曲主要是鋼軌在滾筒上放置時(shí)有一定的活動(dòng)范圍而產(chǎn)生的自然彎曲。

鋼軌的變形有彈性變形和塑性變形兩種，彈性變形一般可以通過(guò)撞軌恢復(fù)，塑性變形則必須使用鋼軌校直器校正。在長(zhǎng)軌條中，塑性變形在鋼軌焊頭處較常見(jiàn)。

4)線路曲線半徑及坡度

曲線半徑越小鋼軌在滾筒上越不易伸縮，坡度為上坡時(shí)鋼軌越不易伸縮。

4 解決應(yīng)力放散不勻的方法

在滾筒放散時(shí)，當(dāng)鋼軌從滾筒上落到混凝土枕承軌槽上時(shí)，軌會(huì)向前竄動(dòng)，2 km的軌條最大竄動(dòng)量可以達(dá)到40 mm，相當(dāng)于軌溫變化了近2℃，解決此問(wèn)題的方法被稱為“預(yù)拉伸施工法”。所謂“預(yù)拉伸施工法”就是在線路放散前預(yù)先對(duì)鋼軌進(jìn)行拉伸，最大限度地消除線路的原始彎曲和滾筒的阻力，使放散更趨于均勻。

在滾筒放散法中，預(yù)先對(duì)鋼軌拉伸100 mm左右，相當(dāng)于對(duì)鋼軌施加了10 t(60 kg/m鋼軌)的力，然后使拉力歸0，再落滾筒進(jìn)行鎖定。

在綜合放散法中，預(yù)先對(duì)鋼軌拉伸至計(jì)劃值的80%，然后再使拉力歸0，再次正式拉伸，后落槽鎖定。

在滾筒放散過(guò)程中，預(yù)拉伸可以最大限度地消除鋼軌的自然彎曲，從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的數(shù)據(jù)看，鋼軌在滾筒上處于自由伸縮狀態(tài)時(shí)，10 m弦量最大正矢達(dá)到20 mm左右(直線)，通過(guò)拉伸后可以達(dá)到1 mm左右，鋼軌充分展長(zhǎng)。待鋼軌從滾筒上落槽后，鋼軌幾乎無(wú)位移。

在綜合放散法中，預(yù)拉伸可以最大限度地消除影響放散均勻的滾筒阻力和原始彎曲。從放散的效果看，當(dāng)臨時(shí)位移觀測(cè)點(diǎn)距離為150 m時(shí)，理論位移量與實(shí)際位移量最大相差3 mm，當(dāng)臨時(shí)位移觀測(cè)點(diǎn)距離為100 m時(shí)，理論位移量與實(shí)際位移量最大相差2 mm，放散均勻。

預(yù)拉伸法比“超張拉法”較為理想。所謂“超張拉法”即綜合放散法在計(jì)劃拉伸的量上超拉一定值，然后再松拉伸器，以克服鋼軌全長(zhǎng)范圍內(nèi)的阻力，這種方法的缺點(diǎn)是往往將“0”點(diǎn)拉過(guò)，所以不提倡使用。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)烏精二線無(wú)縫線路施工，無(wú)論在應(yīng)力放散還是在鎖定軌溫方面都得到了很好的控制，并積累了一些在溫差較大地區(qū)進(jìn)行無(wú)縫線路應(yīng)力放散及鎖定的施工經(jīng)驗(yàn)，但施工中仍然存在一些不足，需要進(jìn)一步總結(jié)創(chuàng)新，最終形成一套成熟的鋼軌應(yīng)力放散及鎖定施工技術(shù)。

［1］鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院.客貨共線鐵路軌道工程施工技術(shù)指南［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2008.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10082—2005 J284—2005 鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10413—2003 J284—2004 鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.

［4］劉新盤(pán).武廣鐵路客運(yùn)專線長(zhǎng)軌焊接鎖定施工技術(shù)［J］.鐵道建筑，2010(1):56-58.