朔黃重載鐵路小半徑曲線病害成因分析及整治措施探析

王定舉

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司,河北肅寧 062350)

1 概況

朔黃鐵路西起山西省神池縣，東至河北省黃驊港，正線總長(zhǎng)585.441 km，設(shè)計(jì)為國(guó)家Ⅰ級(jí)干線、雙線電氣化重載鐵路。朔黃鐵路神池南至肅寧北段雙線電氣化重載鐵路1998年開始建設(shè)，2000年5月18日正式運(yùn)營(yíng)。朔黃鐵路二期工程肅寧北至黃驊港段單線2001年開始建設(shè)，2002年5月18日正式運(yùn)營(yíng)，復(fù)線于2004年10月建成通車。朔黃線上行為重車方向，下行為空車方向，自2000年開通以來(lái)，朔黃管內(nèi)DK0～DK256區(qū)段上行重車線主要是R≤800 m的曲線地段鋼軌磨耗嚴(yán)重，從2002年開始對(duì)曲線外側(cè)鋼軌進(jìn)行成段換軌，2002年～2003年更換采用PD3鋼軌或稀土軌，2004年更換采用PD3全長(zhǎng)淬火鋼軌。2005年5月至2007年底，朔黃鐵路上行重車方向正線全部60 kg/m標(biāo)準(zhǔn)軌換鋪為75 kg/m無(wú)縫線路。朔黃管內(nèi)DK0～DK256區(qū)段沿太行山的滹沱河峽谷修建，沿線地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，屬典型山區(qū)小半徑鐵路，該段共有曲線181條計(jì)94.862 km，其中R≤600 m的75條計(jì)43.112 km，600 m800 m的69條計(jì)29.761 km。該段最小曲線半徑為400 m，上行重車方向坡度為4‰，下行空車方向坡度為12‰，隧道77座/66 339雙延米。朔黃鐵路年運(yùn)量2006年達(dá)到1.13億t，逐年增長(zhǎng)， 2012年年運(yùn)量達(dá)到1.976億t，2013年計(jì)劃年運(yùn)量達(dá)到2.34億t，隨著朔黃鐵路運(yùn)量日益增大、2萬(wàn)t列車試驗(yàn)開行、30 t軸重機(jī)車上線運(yùn)行，將會(huì)給小半徑曲線地段帶來(lái)更快更多的破壞，各種病害頻發(fā)幾率也將大大增加，小半徑曲線地段鋼軌病害日益頻繁嚴(yán)重。因此，深入分析小半徑曲線地段病害成因，并采取行之有效的措施來(lái)有效抑制病害發(fā)展并實(shí)現(xiàn)最終根治這些病害，保障朔黃鐵路行車安全尤為重要。

2 小半徑曲線常見病害

2.1 鋼軌傷損病害

朔黃鐵路DK0～DK256區(qū)段在2005年運(yùn)量突破1億t，2007年上行重車方向正線全部60 kg/m標(biāo)準(zhǔn)軌換鋪為75 kg/m無(wú)縫線路以來(lái)，隨著累計(jì)通過總重的增長(zhǎng)， 人工探傷發(fā)現(xiàn)的重傷鋼軌的數(shù)量也隨之增加(表1)，在2007年～2012年期間成段更換磨耗鋼軌(表2)，造成鋼軌使用壽命縮短，進(jìn)而給防斷工作增加了壓力。

表1 朔黃鐵路DK0～DK256區(qū)段上行無(wú)縫線路2007年～ 2012年度人工探傷重傷鋼軌情況 根

依據(jù)表1統(tǒng)計(jì)資料，從線路平面分析，朔黃鐵路DK0～DK256區(qū)段上行無(wú)縫線路2007年～2013年8月探傷所發(fā)現(xiàn)824根重傷鋼軌中，有528根在R≤600 m的曲線上，占64%；有120根在600 m1 000 m的曲線上，占8.6%。說(shuō)明75 kg/m軌地段鋼軌傷損仍以曲線地段為主，且主要分布在小半徑曲線上，因此小半徑曲線仍是防斷特別是探傷的重點(diǎn)。

表2 朔黃線DK0～DK256區(qū)段上行75 kg/m無(wú)縫線路2007年～2012年度鋼軌磨耗及換軌統(tǒng)計(jì)

經(jīng)對(duì)表2更換磨耗鋼軌數(shù)量分析，2011年～2012年對(duì)DK0～DK256區(qū)段上行75 kg/m無(wú)縫線路進(jìn)行大修更換。從更換磨耗鋼軌統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，75 kg/m軌傷損的主要表現(xiàn)形式為:(1)曲線地段特別是小半徑曲線地段上股鋼軌的側(cè)磨嚴(yán)重；(2)小半徑曲線下股鋼軌的軌頂面壓潰變寬，尤其是R≤600 m小半徑曲線地段下股垂磨嚴(yán)重。

2.2 軌道幾何尺寸易超限

2.3 聯(lián)接零件易松動(dòng)且破損率高

由于小半徑曲線上聯(lián)接零件承受的沖擊力和橫向作用力都比較大，在相同扭力矩情況下，小半徑曲線地段聯(lián)接零件更容易松動(dòng)。尤其當(dāng)沖擊力和橫向作用力達(dá)到一定值時(shí)，極易造成夾板及接頭螺栓折斷、混凝土枕立螺栓失效、軌距桿折斷、軌撐壓裂及離縫、尼龍座擠碎、軌枕?yè)跫缙茡p、膠墊壓潰等病害。

3 小半徑曲線病害產(chǎn)生的原因分析

曲線運(yùn)營(yíng)條件和軌道結(jié)構(gòu)屬于客觀因素，當(dāng)列車在曲線地段運(yùn)行時(shí)，在鋼軌上會(huì)產(chǎn)生豎直、水平縱向和水平橫向3個(gè)方向的力，由于鋼軌受力的影響，直接造成鐵路小半徑曲線的病害產(chǎn)生，使其在鋼軌、線路幾何尺寸、軌枕和道床等設(shè)備上極有可能產(chǎn)生變化，出現(xiàn)各種線路病害，從而給鐵路運(yùn)輸安全造成一定隱患。

3.1 鋼軌傷損的原因

朔黃鐵路上行重載線在2005年以來(lái)?yè)Q鋪75 kg/m鋼軌無(wú)縫線路，軌枕仍按1 840根/km配置Ⅱ型鋼筋混凝土枕，Ⅱ型彈條，并且部分小半徑曲線地段道砟不足，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)斷面道床標(biāo)準(zhǔn)，造成軌道強(qiáng)度及框架剛度偏弱，從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析來(lái)看，朔黃鐵路小半徑曲線地段出現(xiàn)的主要病害是鋼軌側(cè)面磨耗、垂直磨耗及接頭損傷。朔黃線上行重載線因鋼軌側(cè)面磨耗每年更換量達(dá)40 km，主要是由于機(jī)車通過軌道曲線時(shí)，車輪在與鋼軌的接觸過程中會(huì)產(chǎn)生較大的橫向作用力，從而加劇鋼軌側(cè)面磨耗病害產(chǎn)生，造成鋼軌使用壽命大大縮短。與此同時(shí)，外軌超高與列車橫向水平力的不相適應(yīng)，也造成鋼軌垂直磨耗病害產(chǎn)生。另外，朔黃線目前重載線年運(yùn)量達(dá)2億t，日開行列車達(dá)到158對(duì)，其中萬(wàn)噸列車30對(duì)，小半徑曲線地段在輪軌接觸疲勞和沖擊荷載作用下造成軌頂面嚴(yán)重的不平順，使鋼軌及軌道受力惡化，從而出現(xiàn)軌端或軌頂面剝落掉塊病害。

3.2 軌道幾何尺寸易超限的原因

由于機(jī)車通過軌道曲線時(shí)，車輪在與鋼軌的接觸過程中會(huì)產(chǎn)生較大的橫向作用力，特別是在小半徑曲線地段加劇鋼軌側(cè)面磨耗病害產(chǎn)生，隨著鋼軌側(cè)磨增大而逐漸加劇，導(dǎo)致小半徑曲線地段的軌距和正矢容易發(fā)生變化而難以保持，造成維修工作量加大。在小半徑曲線地段維修作業(yè)由于人工作業(yè)方法不當(dāng)，采用由曲線一端向另一端簡(jiǎn)易法撥道，容易將撥道誤差積累于曲線的另一端，或是采用目測(cè)粗撥緩和曲線的方法，將緩和曲線長(zhǎng)期上挑，造成曲線首尾連接不良，形成曲線首尾反彎“鵝頭”。曲線超高設(shè)置應(yīng)根據(jù)實(shí)際通過的列車對(duì)數(shù)和實(shí)際通過的車速來(lái)確定。而事實(shí)上車速和通過對(duì)數(shù)是在不斷變化、逐步增加的，超高數(shù)值的合理性很難確定。

3.3 軌道聯(lián)結(jié)零件松動(dòng)、破損的原因

朔黃上行重載線上的小半徑曲線地段經(jīng)常會(huì)發(fā)生軌道夾板及接頭螺栓折斷、混凝土枕立螺栓失效、軌距桿折斷、軌撐壓裂及離縫、尼龍座擠碎、軌枕?yè)跫缙茡p、膠墊壓潰、螺栓扭力不足等現(xiàn)象，這主要是長(zhǎng)期受到機(jī)車強(qiáng)大的橫向水平作用力而造成的。在日常維修保養(yǎng)工作中，小半徑病害的整治質(zhì)量直接影響這些聯(lián)結(jié)零件的使用壽命，因此，考慮到設(shè)備更換頻率及維修費(fèi)用等客觀要素，要高度重視軌道聯(lián)結(jié)零件的損壞率，并積極采取有效的整治措施，切實(shí)延長(zhǎng)聯(lián)結(jié)零件的使用壽命。

4 小半徑曲線病害整治措施

針對(duì)朔黃線小半徑曲線病害的成因，通過現(xiàn)場(chǎng)摸索實(shí)踐，采取有效的措施加以整治，小半徑曲線地段的線路質(zhì)量得到提升，確保鐵路行車安全。

4.1 強(qiáng)化小半徑曲線地段軌道強(qiáng)度及框架剛度

朔黃線上行重車線路目前年通過總重已超過2億t以上，并且萬(wàn)噸列車大量開行，對(duì)軌道的要求越來(lái)越高。對(duì)此，朔黃線在軌道強(qiáng)度及框架剛度方面采取多項(xiàng)措施進(jìn)行加強(qiáng)：在75 kg/m鋼軌小半徑曲線地段，將原Ⅱ型混凝土軌枕按標(biāo)準(zhǔn)更換為Ⅲ型混凝土軌枕，Ⅱ型彈條扣件，在半徑R≤600 m地段更換Ⅲ型軌枕將標(biāo)準(zhǔn)1 667根/km配置提高為1 760根/km進(jìn)行加密布置，橋梁頭尾在原有橋枕布置基礎(chǔ)上，各自再延長(zhǎng)鋪設(shè)橋枕25 m。同時(shí)，在小半徑曲線地段更換強(qiáng)度更高、更耐磨的合金鋼軌。

在小半徑曲線地段安裝軌距桿、地錨加固、軌撐等加強(qiáng)設(shè)備以確保軌道整體穩(wěn)定性，具體安裝辦法為：半徑R≤600 m地段按5根枕木間距安裝1根拉桿，10 m間距設(shè)置1個(gè)鋼軌地錨，3根枕木間距在鋼軌外側(cè)安裝1個(gè)軌撐；600 m

4.2 調(diào)整小半徑曲線各部靜態(tài)幾何尺寸

4.2.1 及時(shí)正確改道，保持良好軌距

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況，如扣板離縫、鋼軌硬彎等，改正軌距不僅要做好防止動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大，還要加強(qiáng)靜態(tài)軌距調(diào)整。在改曲線軌距時(shí)尤其注意軌距變化率，并留有一定余量，在日常養(yǎng)護(hù)中小半徑曲線地段應(yīng)按每一根枕木來(lái)改軌距，在改道的同時(shí)修理和更換不良扣件，避免重復(fù)作業(yè)。

在整治小半徑曲線軌距病害時(shí)，要采取及時(shí)整修和集中整修方式，對(duì)超過臨時(shí)補(bǔ)修容許偏差管理值的軌距采取及時(shí)整修，對(duì)經(jīng)常保養(yǎng)管理值的軌距按照周期變化進(jìn)行集中整修。軌距整修一般應(yīng)分3個(gè)階段實(shí)施。

第一階段：換軌初期。成段更換鋼軌時(shí)，軌距應(yīng)保持在-1～+1 mm范圍內(nèi)，即60 kg/m鋼軌及75 kg/m鋼軌，左股外側(cè)軌距擋板10號(hào)，擋板座號(hào)碼為2號(hào)，內(nèi)側(cè)軌距擋板6號(hào)，擋板座號(hào)碼為4號(hào)；右股外側(cè)軌距擋板10號(hào)，擋板座號(hào)碼為2號(hào)，內(nèi)側(cè)軌距擋板6號(hào)，擋板座號(hào)碼為4號(hào)。

第二階段：當(dāng)鋼軌側(cè)磨達(dá)到10 mm左右時(shí)，軌距應(yīng)保持在+6～-2 mm范圍內(nèi)，即60 kg/m鋼軌及75 kg/m鋼軌，左股外側(cè)軌距擋板為10號(hào)，擋板座號(hào)碼為4號(hào)，內(nèi)側(cè)軌距擋板6號(hào)，擋板座號(hào)碼為2號(hào)；右股外側(cè)軌距擋板為10號(hào)，擋板座號(hào)碼為4號(hào)，內(nèi)側(cè)軌距擋板6號(hào)，擋板座號(hào)碼為2號(hào)。即是曲線普遍減小6 mm，達(dá)到改道目的。

第三階段：當(dāng)鋼軌磨耗達(dá)到15 mm左右時(shí)，軌距應(yīng)保持在+9～-4 mm范圍內(nèi)，即60 kg/m鋼軌及75 kg/m鋼軌，左股外側(cè)軌距擋板為10號(hào)，擋板座號(hào)碼為6號(hào)，內(nèi)側(cè)軌距擋板6號(hào)，擋板座號(hào)碼為0號(hào)；右股外側(cè)軌距擋板為10號(hào)，擋板座號(hào)碼為6號(hào)，內(nèi)側(cè)軌距擋板6號(hào)，擋板座號(hào)碼為0號(hào)。即是曲線普遍減小4 mm，達(dá)到改道目的。至此時(shí)，鋼軌磨耗已超過輕傷標(biāo)準(zhǔn)，需準(zhǔn)備備用鋼軌，當(dāng)鋼軌即將達(dá)到重傷，且軌距也無(wú)法改回規(guī)定值時(shí)，及時(shí)安排更換新鋼軌。

4.2.2 調(diào)整小半徑曲線正矢

小半徑曲線地段，由于長(zhǎng)期所受外力作用，會(huì)造成曲線ZH、HY、QZ、YH、HZ點(diǎn)的正矢不易保持，曲線五大樁的位置或多或少發(fā)生位移。故在撥正曲線正矢前，要用經(jīng)緯儀準(zhǔn)確測(cè)定曲線ZH、HY、QZ、YH、HZ點(diǎn)的正確位置，準(zhǔn)確測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)正矢，計(jì)算出撥道量，采用小半徑曲線10 m弦長(zhǎng)，加密正矢點(diǎn)，以提高撥道精度。整正曲線按繩正法原理計(jì)算撥道量，計(jì)算時(shí)不宜為減少撥道量而大量調(diào)整，設(shè)置撥道樁，按樁撥道，并將“起、搗、撥、改”等方法與正矢遞增或遞減、矯直鋼軌硬彎、更換失效聯(lián)結(jié)零件、加寬曲線外股道床、堆高砟肩等方法進(jìn)行綜合應(yīng)用。同時(shí)在小半徑曲線地段要及時(shí)預(yù)防與整治曲線“鵝頭”， 設(shè)置合適的緩和曲線長(zhǎng)度以及超高和軌距加寬的遞減；在小半徑曲線頭尾要保證足夠的道床厚度和寬度，并加強(qiáng)道床夯實(shí)，使軌道方向穩(wěn)定。

4.2.3 合理設(shè)置超高

小半徑曲線超高設(shè)置時(shí)，要通過車載式軌道動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量行車速度，科學(xué)計(jì)算出機(jī)車運(yùn)行的平均速度，并依此計(jì)算設(shè)置超高，按5 mm的倍數(shù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記。朔黃管內(nèi)有C64、C70、C80貨車以及軌道車混跑，在通過小半徑曲線地段的行車條件有較大變化，每年利用大型機(jī)械對(duì)管內(nèi)小半徑曲線進(jìn)行超高設(shè)置和曲線的超高順坡，并將實(shí)設(shè)超高按計(jì)算的超高減少10%～15%進(jìn)行操作，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試較為合理，外股鋼軌的側(cè)面磨耗能有不同程度的減輕，里股鋼軌的肥邊能有所減小，有利于減緩曲線磨耗。同時(shí)許多小半徑緩和曲線限于山區(qū)地形條件不能延長(zhǎng)，造成超高順坡距較短。為減小或避免列車從直線進(jìn)入圓曲線時(shí)，由于離心力所引起的急劇沖擊，造成列車搖晃、鋼軌磨損，在緩和曲線前方直線上，保持外軌水平高出內(nèi)軌3～4 mm。在特別困難條件下，加高緩直點(diǎn)的超高3～4 mm，然后向直線至少5 m范圍內(nèi)進(jìn)行順坡處理。

4.3 整治小半徑曲線地段鋼軌重點(diǎn)病害

4.3.1 銑磨鋼軌

小半徑曲線日常養(yǎng)護(hù)時(shí)要綜合修理鋼軌病害，對(duì)擦傷、掉塊、壓潰、馬鞍形磨耗軌及時(shí)打磨處理。朔黃線自2010年以來(lái)采用自購(gòu)銑磨車銑磨鋼軌，對(duì)每30～40 Mt通過總重的小半徑曲線鋼軌采取周期性預(yù)防性打磨，采用非對(duì)稱鋼軌打磨斷面，降低輪軌接觸應(yīng)力，有效地消滅波磨軌和下股疲勞裂紋及肥邊，保持鋼軌踏面平順度，提高列車曲線通過能力，從而減輕鋼軌接觸疲勞傷損。

4.3.2 鋼軌涂油作業(yè)

整治小半徑曲線病害時(shí)，要對(duì)積累的有關(guān)觀測(cè)資料進(jìn)行總結(jié)、分析， 合理制定機(jī)車涂油周期，適時(shí)采用鋼軌涂油作業(yè)辦法來(lái)減少輪軌之間的滑動(dòng)阻力，有效減輕鋼軌磨耗，延長(zhǎng)曲線鋼軌使用壽命。

4.3.3 綜合養(yǎng)護(hù)鋼軌接頭

對(duì)小半徑曲線接頭病害，要做好預(yù)防和整治工作，通過綜合維修改善道床彈性。在維修保養(yǎng)工作中，對(duì)接頭處所采用 “換、搗、墊、篩、勻、磨、緊、焊”手段進(jìn)行綜合整治，及時(shí)更換接頭失效軌枕和不良夾板、加強(qiáng)搗固消滅空吊、枕下墊砟或枕上墊板、清篩處理道床翻漿冒泥、均勻調(diào)整不良軌縫、打磨修理鋼軌、擰緊接頭螺栓、焊補(bǔ)軌面擦傷和剝落掉塊，及時(shí)消除小半徑曲線的鋼軌支嘴、鵝頭、高低、水平、軌向不良等重點(diǎn)病害，確保小半徑曲線接頭處所狀態(tài)良好，經(jīng)常保持方向圓順，軌面平順，軌距不超限。

4.4 加強(qiáng)小半徑曲線日常維修養(yǎng)護(hù)和檢查

小半徑曲線日常維修養(yǎng)護(hù)和檢查要采取周期性檢查和重點(diǎn)整修相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行。周期性檢查要堅(jiān)持“檢重于修、檢先于修”的原則，實(shí)行檢修分開管理模式，認(rèn)真執(zhí)行各項(xiàng)定期檢查制度、定期撥道制度和定期驗(yàn)收制度等，通過曲線地段每二根軌枕檢查一尺加密檢查設(shè)備，全面做好曲線正矢、超高、磨耗等技術(shù)資料的統(tǒng)計(jì)分析工作，真實(shí)掌握軌距、水平、高低、軌向、三角坑、軌距和水平的變化率等設(shè)備病害情況，及時(shí)查找原因，及時(shí)采取有效對(duì)策進(jìn)行整治消除病害。

線路重點(diǎn)整修要遵照 “預(yù)防為主、防治結(jié)合、修養(yǎng)并重”的原則，本著“動(dòng)查病害、靜找原因、動(dòng)靜結(jié)合、保持均衡”方法，按線路設(shè)備各種變化的不同程度安排臨時(shí)補(bǔ)修和經(jīng)常性保養(yǎng)工作。在日常作業(yè)中嚴(yán)格控制維修作業(yè)過程質(zhì)量，嚴(yán)格作業(yè)程序，消滅有害作業(yè)，落實(shí)記名修，嚴(yán)格責(zé)任考核，減少重復(fù)用工，提高作業(yè)效率。同時(shí)注意做到搗固作業(yè)與撤板相結(jié)合，全部撤除搗固作業(yè)地段鋼軌下的調(diào)高墊板，加強(qiáng)超厚地段搗固，保證軌道彈性；做到改道作業(yè)與整正曲線正矢相結(jié)合，在改道作業(yè)中嚴(yán)格控制軌距值保持在(0，-1 mm)，軌距變化率不超過0.5‰，以保持曲線的圓順度。在整治機(jī)車車載病害時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注病害的復(fù)合性，要綜合考慮軌距、高低、水平、軌向、吊板、三角坑及軌距、水平的變化率等因素，對(duì)病害進(jìn)行綜合分析，有效預(yù)防和整治線路病害，有計(jì)劃地補(bǔ)償線路設(shè)備損耗，以取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

按照以上方法對(duì)管內(nèi)小半徑曲線進(jìn)行綜合整治，軌道幾何尺寸得到有效保持，軌道框架剛度得到有效提高，鋼軌磨耗現(xiàn)象明顯減少，延長(zhǎng)了換軌周期，降低了維修成本，效果十分明顯。經(jīng)軌檢車檢測(cè)，車體水平加速度和垂直加速度超限值明顯降低，線路質(zhì)量?jī)?yōu)良，保證了設(shè)備和行車安全。

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