地鐵小半徑曲線鋼軌磨耗分析及整治措施

戴姝婷

摘要：本文研究的主要目的是在國家交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的背景下，明確地鐵小半徑曲線鋼軌磨損病害的嚴重性與整治養(yǎng)護的必要性。通過分析鋼軌磨損區(qū)域，研究鋼軌磨損因素，進而提出相應(yīng)的整治措施，以提升國家軌道交通建設(shè)質(zhì)量，進而推動國家基礎(chǔ)設(shè)施完善，提高人民生活水平。此次研究選用的是文獻研究法，通過對相應(yīng)文獻的查找，為文章的分析提供一些理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：地鐵;小半徑曲線;鋼軌磨耗

前言：地鐵網(wǎng)絡(luò)是為城市交通服務(wù)的交通網(wǎng)絡(luò)，受到城市功能分區(qū)與原有地下建設(shè)工程的影響，在保障軌道交通的安全性減振設(shè)計的同時增加了鋼軌的磨損壓力，使得地鐵小半徑曲線鋼軌的磨耗成為地鐵鋼軌病害的主要問題。由于我國地鐵建設(shè)工程起步晚，地鐵軌道養(yǎng)護治理的經(jīng)驗與理論尚未形成，亟須總結(jié)現(xiàn)有問題并尋找解決方案。因此，本文此次研究的內(nèi)容和提出的策略對國家軌道交通現(xiàn)代化建設(shè)具有理論性意義，對完善城市基礎(chǔ)設(shè)施、滿足人民需要具有現(xiàn)實意義。

1地鐵小半徑曲線鋼軌磨耗原因

地鐵鋼軌為列車正常運行提供支撐與依托，作為城市交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，地鐵軌道鋪設(shè)環(huán)境復(fù)雜、運營時間長、列車間隔時間短且在載客數(shù)量較為龐大的同時又具有時間差異性，因此在運營過程中，地鐵鋼軌的磨耗受到多方作用力與環(huán)境因素影響。從物理力學角度來看，鋼軌的損耗受到軌道半徑的影響，越小的軌道半徑將為地鐵輪對與鋼軌之間提供更大的活動空間。另外鋼軌的損耗也與鋼軌自身的剛度有關(guān)，剛度越強的鋼軌其結(jié)構(gòu)形變空間與反彈空間就越小，在面對慣性加持的列車時，強大的沖擊作用會造成鋼軌磨耗，此外為了速度與降噪考慮所使用的低阻尼材料在復(fù)雜物理作用下會形成的鋼軌波磨，也會造成鋼軌磨耗。從運營功能角度來看，鋼軌的磨損與所承載列車的速度、間隔、載客量等功能因素相關(guān)。地下軌道的專業(yè)性較強，基本不存在列車混跑的現(xiàn)象，這種長期專一的運營功能會加劇鋼軌波磨與鋼軌磨耗。

2地鐵小半徑曲線鋼軌磨耗區(qū)域

2.1 鋼軌側(cè)磨

鋼軌側(cè)磨的主要損害表現(xiàn)為疲勞裂紋與涂層剝離（圖1）。一方面從軌道本身來看，出于地下軌道交通的功能性要求與實用性考慮，地下軌道相較于地上軌道路況更為復(fù)雜，軌道間的豎緩重疊現(xiàn)象更為嚴重，同時各個路段間坡度變動也更為頻繁，在高速運行的列車沖擊下，此類復(fù)雜的線路緩沖作用相對欠缺，增加了自身磨耗與換軌周期[1]。另一方面從列車角度來看，為了滿足交通運營需要，列車運行時間較長，在路線、速度和間隔方面相對固定，小半徑的軌道設(shè)計使得列車離心力作用于軌道更加明顯，這使得鋼軌傷損發(fā)生的位置相對固定地集中在受力一側(cè)，增加了鋼軌病害的嚴重性和危害性。

2.2鋼軌異常波磨

鋼軌異常波磨主要表現(xiàn)在軌道受力幾何形位錯誤的影響下發(fā)生的鋼軌頂面裂痕與鋼軌結(jié)構(gòu)脫落（圖2）。地鐵軌道的減振設(shè)計是保證地下軌道交通有序運營的關(guān)鍵所在，由于地下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和脆弱，抗振材料鐵軌可以提高施工與運營期間的安全性與便利性，同時出于以人為本的設(shè)計理念，降低軌道振幅，可以從根本上減輕地鐵運行噪音，為居民出行創(chuàng)造更加良好的體驗。但減振設(shè)計所采用的低阻尼鋼軌材料與普通鋼軌材料在磨耗波長方面存在明顯的差異，在二者交接的位置常出現(xiàn)異常波磨損害，從整體上影響軌道在列車行進時的平穩(wěn)性，而長時間的車輛振動會使之發(fā)生疊加加劇軌道波磨問題[2]。

3地鐵小半徑曲線鋼軌磨耗預(yù)防措施

3.1 路線規(guī)劃預(yù)防

地鐵小半徑鋼軌給予了地鐵行進中的靈活性與建設(shè)中的便利性的同時，也犧牲了傳統(tǒng)軌道直線運行的簡易性，在地下坡度變換中的超短夾角直線設(shè)計和小半徑基礎(chǔ)上的軌道重疊使軌道與列車間的幾何形位受力平衡變得更加脆弱，頂部與側(cè)面的鋼軌被迫成為鋼軌表面受力的錯位代償因素。因此為了預(yù)防后期出現(xiàn)的磨耗風險，就應(yīng)當在設(shè)計中更加強調(diào)鐵軌結(jié)構(gòu)的保護性與穩(wěn)定性，在線路規(guī)劃中將功能性與便利性進行結(jié)合考慮，為地鐵小半徑曲線鋼軌磨耗做到前置性預(yù)防。

3.2 軌道優(yōu)化預(yù)防

首先在減振方面，地鐵軌道應(yīng)當著力平衡現(xiàn)有的減振技術(shù)與抗磨耗技術(shù)，目前出于對軌道交通安全與噪聲層面的考慮，地鐵小半徑曲線鋼軌多配有減振型扣件。扣件工藝將普通鋼軌與低阻尼、低剛度的減振鋼軌相組合，不同的材質(zhì)除了在鐵路運行過程內(nèi)部出現(xiàn)異常波磨磨耗外，兩種材質(zhì)間的強度、彈性、摩擦性統(tǒng)一困難，極易在交接處出現(xiàn)形變磨損。因此軌道施工單位應(yīng)當著力與科研機構(gòu)合作購買性能均衡的優(yōu)質(zhì)材料，同時引進先進技術(shù)設(shè)備[3]。其次在工藝方面，隨著鐵路建設(shè)工藝的提升，長軌枕道床的優(yōu)勢逐漸展現(xiàn)，尤其針對于地鐵小半徑曲線鋼軌，采用埋入式的道床承載能力更強，承壓精度也大于早期傳統(tǒng)短式道床。同時作為城市內(nèi)部軌道交通，地鐵軌道建設(shè)可以充分利用我國飛速發(fā)展的高速鐵路建設(shè)經(jīng)驗將先進的CRTS三型板材應(yīng)用在地鐵預(yù)制軌道中，通過提高鋼軌技術(shù)含量提升使用質(zhì)量，以降低磨損影響。最后在細節(jié)處理方面，鋼軌在鋪設(shè)完成后及正式使用前應(yīng)當采取以打磨為代表的預(yù)備工藝，打磨技術(shù)可以去除鋼軌表面的脫碳結(jié)構(gòu)與施工過程中的摩擦損傷，給予地鐵列車滑輪更貼合的接觸面，相關(guān)施工部門應(yīng)當對該步驟高度重視，增加對打磨環(huán)節(jié)的資金與技術(shù)支持，并配合以相應(yīng)的打磨車提高整體效率。

4地鐵小半徑曲線鋼軌磨耗治理措施

4.1 鋼軌涂油

鋼軌涂油的物理學原理在于減少列車滑輪與軌道間的摩擦力進而減弱兩者碰撞中的沖擊磨損。經(jīng)實踐數(shù)據(jù)表明，涂油法不僅可以降低軌道側(cè)磨壓力也對于修復(fù)異常波磨具有顯著作用。同時由于鋼軌本身設(shè)計的精密性，加之軌道交通的持續(xù)性要求，在養(yǎng)護過程中應(yīng)避免油脂內(nèi)滲造成二次傷害，在涂油施工前優(yōu)先可以使用超聲波無損檢測技術(shù)完成探傷并對原有傷病進行修復(fù)，在保證鋼軌表面無傷病裂痕的前提下再進行涂油施工。在進行鋼軌涂油養(yǎng)護施工時，需要重點關(guān)注軌道所需油量，可以通過電子涂油機械與控制器把握出油的精準度與針對性（圖3）。

4.2科學設(shè)置軌道參數(shù)

對于地鐵小半徑曲線鋼軌而言，其結(jié)構(gòu)特點本身就是導致鋼軌磨耗的原因，因此對于小半徑曲線鋼軌的病害治理應(yīng)當從軌道設(shè)計環(huán)節(jié)就開始進行。為了避免小半徑結(jié)構(gòu)弊端的影響，可以在具體布局設(shè)計中恰當改變?nèi)畿壍篱g距、坡度、高度等幾何參數(shù)進行磨耗效果的中和。如適當增加低速運行區(qū)小半徑曲線的超高，可以有效改善上股鋼軌的受力環(huán)境，降低上股側(cè)磨發(fā)展[4]。這就要求在軌道鋪設(shè)設(shè)計環(huán)節(jié)相關(guān)施工單位利用計算機模型做好模擬演算工作，并借鑒發(fā)達國家與我國北上廣地鐵建設(shè)經(jīng)驗，在統(tǒng)籌規(guī)劃與多方考量下結(jié)合實地測量的真實數(shù)據(jù)，為鋼軌病害治理提供科學的建設(shè)方案。

5結(jié)束語

由于地鐵運行時的減震工藝，使得地鐵小半徑鋼軌磨耗成為貫穿地鐵設(shè)計建設(shè)與使用全程的問題，整治地鐵小半徑鋼軌磨耗問題將大幅提高地下交通軌道的壽命與安全性。通過本文研究得知由于地下軌道的長期運營，地鐵小半徑曲線鋼軌主要表現(xiàn)為側(cè)磨或異常波磨的損耗?；诖耍疚奶岢隽讼鄳?yīng)的優(yōu)化對策，包括工程設(shè)計時需要進行的路線規(guī)劃預(yù)防與軌道優(yōu)化預(yù)防。同時提出磨耗治理對策，包括在地鐵運營期和工程建設(shè)階段所需要進行的鋼軌涂油與科學設(shè)置軌道參數(shù)工作。

參考文獻：

[1] 陸云.地鐵小半徑曲線鋼軌磨耗的防治措施[J].城市軌道交通研究，2018，21（01）：68-71.

[2] 章志平，許一凡.地鐵小半徑曲線鋼軌磨耗分析及整治措施[J].科技與企業(yè)，2016（06）：235.

[3] 魏賢坤.地鐵小半徑曲線養(yǎng)護與維修[J].山西建筑，2008（15）：296-297+356.

[4] 顏怡翥.廣州地鐵5號線小半徑曲線鋼軌磨耗分析[J].城市軌道交通研究，2011，14（06）：55-57+63.

（作者單位：南京地鐵運營有限責任公司）