集裝箱起重機(jī)鋼軌沉降分析及維修技術(shù)要點

邢樹軍，朱洪濤

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

引 言

集裝箱碼頭后方堆場軌道式起重機(jī)作業(yè)時鋼軌承擔(dān)大荷載、高頻率作用，堆場在運(yùn)營一段時間后，鋼軌經(jīng)常會出現(xiàn)沉降、斷軌、傾斜等病害。

唐山港京唐港區(qū) 26#～27#泊位現(xiàn)狀共布置 6條集裝箱堆場，安裝起重機(jī)軌道 12條，鋼軌型號為QU100，扣件采用彈性調(diào)高扣件。堆場于2014年9月開始投入使用。堆場設(shè)計初期為司機(jī)操作起重機(jī)，設(shè)備運(yùn)行速度較慢，由于近年環(huán)保要求嚴(yán)格等原因，通過集裝箱運(yùn)輸?shù)呢浳锪矿E然加大，集裝箱起重機(jī)通過升級，改造為半自動化運(yùn)行，運(yùn)行速度和吊運(yùn)箱重均有很大的增加。

該工程起重機(jī)下設(shè)計每段鋼軌長度為60 m，堆場投產(chǎn)后約5年產(chǎn)生的起重機(jī)下鋼軌產(chǎn)生了接頭沉降、扣件松動等問題，影響了起重機(jī)的正常行走。

為研究上述問題產(chǎn)生的原因和解決方法，作者進(jìn)行了原因分析、理論計算、實地考察等工作，提出整改方案，通過現(xiàn)場實施整改，較好的解決了上述問題。

1 概 況

唐山港京唐港區(qū) 26#～27#泊位位于京唐港三港池東側(cè)，是京唐港區(qū)第一個真正意義上的專業(yè)化集裝箱堆場，集裝箱裝卸采用跨距33 m的軌道式起重機(jī)作業(yè)，設(shè)計起重機(jī)輪壓28 t/輪，先期使用6條堆場，每條堆場分為東、西兩塊，中間設(shè)一條25 m寬主干路。東側(cè)堆場鋼軌長度304～340 m，西側(cè)堆場鋼軌長度295 m。為保持兩個堆場的協(xié)同作業(yè)，中間主干道處鋼軌連續(xù)設(shè)置，保證起重機(jī)可以轉(zhuǎn)場作業(yè)。起重機(jī)軌道基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土軌道梁形式，鋼軌為暗軌，設(shè)計軌頂高出軌道梁面10～20 mm。

堆場自北向南共 12條鋼軌。每段鋼軌焊接長度為60 m。根據(jù)運(yùn)營單位反饋，集裝箱堆場于2014年9月開始投入試運(yùn)行，經(jīng)過約5年左右的使用，部分緩沖墊板、調(diào)高墊板被壓出或壓壞，軌道大面積出現(xiàn)固定螺栓松動，起重機(jī)輪緣與固定螺栓磕碰。出現(xiàn)問題的鋼軌總長度約1 200 m，鋼軌接縫處沉降最為嚴(yán)重，使用期間鋼軌進(jìn)行了局部維修，但仍不能從根本上解決問題。主要存在的具體問題表現(xiàn)在兩處：

1）非接頭位置的常規(guī)段

主要存在鋼軌沉降、螺栓松動、墊板移位、焊接兩側(cè)鋼軌不在一個平面等問題，沉降嚴(yán)重處鋼軌道釘已部分被設(shè)備鋼輪碾壓，鋼軌沉降值在 10～35 mm范圍，占已使用區(qū)段總量的30 %。

2）鋼軌接頭位置

鋼軌接頭位置主要存在鋼軌沉降過大、伸縮縫間隙大、魚尾板螺栓損壞等問題，沉降嚴(yán)重處的設(shè)備底座已刮碰軌道梁頂面。伸縮縫總計115處，問題伸縮縫占總數(shù)的80 %左右。

圖1 鋼軌沉降及配件損壞情況

2 原因分析

根據(jù)生產(chǎn)單位反應(yīng)的情況，工程技術(shù)各方共同通過現(xiàn)場會議、考察類似工程等措施，進(jìn)行了鋼軌問題原因分析，通過分析總結(jié)，得出以下原因。

2.1 集裝箱運(yùn)量的急劇增加

唐山港集裝箱吞吐量從2011年的34萬TEU、2014年突破100萬 TEU，到2017年的253.03萬TEU，其中相當(dāng)大部分增長量是依托26#～27#集裝箱泊位堆場實現(xiàn)的，由此帶來集裝箱起重機(jī)的超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，造成堆場軌道沉降、扣件系統(tǒng)勞損，急需要進(jìn)行維修。且經(jīng)現(xiàn)場對比，通道側(cè)的鋼軌沉降較堆場側(cè)的堆場沉降大，主要原因是通道側(cè)裝箱作業(yè)頻繁，鋼軌承受的輪壓比堆場側(cè)要大很多。

圖2 通道側(cè)鋼軌和堆箱側(cè)鋼軌示意

2.2 鋼軌接頭處扣件未加密處理

鋼軌扣件采用的是彈性調(diào)高扣件，設(shè)計圖紙要求在伸縮縫支點兩側(cè)保證2套扣件支撐，實際踏勘中發(fā)現(xiàn)大部分區(qū)域未能保證2套支撐點，在單支撐點的情況下，鋼輪通過時造成懸臂長度太大,鋼軌彎矩超標(biāo)，因而造成鋼軌接頭處的魚尾板和螺栓在輪壓作用下破損日趨嚴(yán)重。

圖3 鋼軌接頭處扣件加密

2.3 每段鋼軌的焊接長度較短

施工鋼軌焊接長度定為60 m，由5根12 m長標(biāo)準(zhǔn)鋼軌焊接而成，而堆場總長約在640 m左右，單根軌道共設(shè)置約 10條軌縫，在集裝箱起重機(jī)高速運(yùn)行的工況下，容易頻繁通過鋼軌接縫位置，造成鋼軌接頭處損壞。

為研究 26#～27#泊位起重機(jī)鋼軌沉降問題的原因，對有類似工程的天津港、黃驊港、青島港和日照港等其他港口進(jìn)行了實地調(diào)研和考察，調(diào)研和考察的基本情況如表1。

根據(jù)考察結(jié)果，類似工程在鋼軌長度上均進(jìn)行了長軌焊接處理，有的工程是設(shè)計初期即采用長軌，有的是后期維修改造期間采用長軌，實踐檢驗證明在其它同等條件下，單根鋼軌焊接長度越長使用效果越好。

本工程扣件系統(tǒng)所用的是彈條扣件，其性能指標(biāo)和國產(chǎn)壓板扣件效果區(qū)別不大，進(jìn)口壓板扣件效果好于國產(chǎn)壓板扣件，但造價是國產(chǎn)的2～3倍。

表1 鋼軌應(yīng)用情況

2.4 承軌槽瀝青砂影響扣件維護(hù)

本工程軌道梁基礎(chǔ)采用承軌槽型式，鋼軌為暗軌，鋼軌施工完畢之后，承軌槽采用瀝青砂封閉，目的是防止承軌槽蓄水，但瀝青砂封閉后連同扣件系統(tǒng)一起封閉，造成扣件維護(hù)難度增大，扣件系統(tǒng)破損初期未進(jìn)行維修，尤其是膠墊板脫落導(dǎo)致扣力減小，逐漸造成后期破損加大，最終造成鋼軌沉降量加大。

3 鋼軌維修方案及技術(shù)要點分析

針對分析研究的鋼軌沉降問題產(chǎn)生的原因，相應(yīng)制定維修方案及技術(shù)要點如下。

3.1 承軌槽修正和加固

施工中應(yīng)檢查軌道槽深度和平整度，并檢驗軌道槽頂面混凝土強(qiáng)度，如有破損應(yīng)進(jìn)行剔除松散頂面至堅硬混凝土面，用軌道專用膠泥加高最低20 mm厚度。

鋼墊板下采用澆筑膠泥加固，膠泥指標(biāo)為：24 h抗壓強(qiáng)度不小于22 MPa，28天抗壓強(qiáng)度不小于70 MPa。膠泥頂高程高出鋼板底面5 mm，膠泥軸向?qū)挸鰤|板30 mm，保證鋼墊板穩(wěn)固。

3.2 更換新型EVA膠墊板

經(jīng)現(xiàn)場踏勘，現(xiàn)用彈條扣件系統(tǒng)主要損壞在膠墊板，膠墊板位于鋼軌下，夾在鋼軌和基礎(chǔ)鋼墊板之間，起著緩沖并擴(kuò)散鋼軌沖擊力的作用，在輪壓頻繁作用且左右偏心壓力的情況下，容易發(fā)生擠出現(xiàn)象?？奂到y(tǒng)大部分組成零件均可繼續(xù)使用，為降低造價，改造方案仍沿用原彈性調(diào)高扣件。

為解決原膠墊板損壞較大的情況，鋼軌下膠墊板改為采用EVA膠墊板，型號為MK2-160，前后兩端為兩個凸臺，采用反扣的形式安裝在基礎(chǔ)鋼墊板上，防止它的縱向位移，墊板具有良好的抗壓性和耐磨性，同時具有良好的防腐蝕抗老化的能力，使用年限約15年，降低軌道系統(tǒng)的維護(hù)成本。

3.3 鋼軌采用焊接長軌

本工程堆場區(qū)中間為一條25 m寬度的主通道，通道東側(cè)堆場鋼軌長度304～340 m，西側(cè)堆場鋼軌長度295 m。根據(jù)考察研究，采用長軌更適合集裝箱起重機(jī)快速重載運(yùn)行的工況。結(jié)合本工程，經(jīng)調(diào)研生產(chǎn)單位需求，集裝箱起重機(jī)跨堆場作業(yè)的頻率較小，因此擬將整場鋼軌分兩段，伸縮縫設(shè)置于主干道西側(cè)，即西側(cè)鋼軌長度295 m，東側(cè)鋼軌長度304～340 m?！惰F路工務(wù)技術(shù)手冊》提供了長軌軌縫的計算理論和方法。

1）伸縮區(qū)長度計算

伸縮區(qū)長度根據(jù)軌溫升、降的最大值，鋼軌接頭阻力和道床縱向阻力按下式計算：

式中：

L為伸縮區(qū)長度（cm）；

Ptmax為最大溫度應(yīng)力（N）；

Δtmax為從鎖定軌溫起，軌溫的最大變化值（℃）；

F為鋼軌斷面面積（cm2），QU100鋼軌為114.05 cm2；

Pj為鋼軌街頭阻力（N），本工程取300 000 N；

r為道床單位縱向阻力（N/cm），本工程為彈條扣件，每米2套扣件取182 N/cm。

查表，唐山地區(qū)最高軌溫 60.1 ℃，最低氣溫-25.2oC，代入公式后得出伸縮區(qū)長度L=57.57 m。

2）長鋼軌一端伸縮量

計算得長鋼軌一端伸縮量長λ=12.6 mm。

3）緩沖區(qū)鋼軌一端伸縮量

計算得短λ=4.9 mm。

4）預(yù)留軌縫長度計算

預(yù)留軌縫應(yīng)能保持夏季軌縫不頂嚴(yán)，冬季軌縫不大于構(gòu)造軌縫控制。

預(yù)留軌縫的計算：考慮最低軌溫和最高軌溫要求分別為：

①最低軌溫時軌縫不超過構(gòu)造軌縫

②最高軌溫時軌縫大于零

其中：a1為長鋼軌與緩沖區(qū)鋼軌之間預(yù)留軌縫（mm）；ag為鋼軌接頭構(gòu)造軌縫（mm），取18 mm。

③實際預(yù)留軌縫

根據(jù)計算，本工程在鎖定軌溫（17.45±5 ℃）的條件下，鋼軌接縫為17.5 mm。

預(yù)先規(guī)劃收集信息的技術(shù)和收集信息的來源，將有助于實際評估過程。同樣，用于收集信息以回答評估問題的方法很大程度上也是問題本身的功能。問卷是理想的態(tài)度信息，成績或成績測試應(yīng)該用來衡量學(xué)生的學(xué)習(xí)。面試是獲得對戰(zhàn)略或過程更深入的意見以及獲得關(guān)于意外副作用的信息的理想選擇。內(nèi)容和任務(wù)分析可用于檢查主題材料（教科書、課程大綱和考試）。如果必要，項目可適用于特定的應(yīng)用?；卮鹋c特定程序密切相關(guān)的評價問題，我們必須發(fā)展會議或采訪。

3.4 鋼軌接頭處扣件加密處理

圖4 鋼軌接頭處扣件加密

本次維修扣件主要沿用原設(shè)計彈性調(diào)高扣件，但結(jié)合調(diào)整為長軌的措施，鋼軌接頭處扣件系統(tǒng)進(jìn)行特殊處理措施，包括：鋼軌下增加長鋼墊板（擴(kuò)大鋼軌接觸面，減小基礎(chǔ)沉降）、采用八點支撐壓板型扣件（適合較大伸縮量）套扣件支撐，連接魚尾板加大橢圓孔長度（適合較大伸縮量）等措施。具體措施如圖4。

3.5 維修后的巡視維護(hù)

鋼軌安裝并經(jīng)過一段時間試用后，應(yīng)將鋼軌錨固件適當(dāng)調(diào)整并重新緊固一次，同時涂油保護(hù)。在軌道梁適當(dāng)位置設(shè)置排水孔，引入排水系統(tǒng)。

鋼軌維修后應(yīng)定時進(jìn)行巡視維護(hù)，巡視維護(hù)頻率可根據(jù)使用情況確定，如發(fā)現(xiàn)螺栓松動、墊板移位后及時進(jìn)行維修。

在投入使用的前半年，應(yīng)結(jié)合使用頻率每 1～2周進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)螺栓松動應(yīng)及時緊固。之后在每季度均應(yīng)進(jìn)行必要的檢查和必要的維護(hù)。

4 結(jié) 語

鋼軌使用期間應(yīng)加強(qiáng)扣件的維護(hù)、檢修。通過沉降問題的原因分析及維修方案，軌道沉降問題得以完全解決，并得出以下結(jié)論，可供類似工程參考：

2）軌道維修宜采用原扣件形式，對于損壞的零件適當(dāng)更換，可節(jié)約投資。

3）維修過程中應(yīng)加強(qiáng)鋼軌接頭的支點處理，并將接頭放在通道附近，減少鋼軌接頭受力頻次。

4）鋼軌盡量采用焊接長鋼軌，并保證焊接質(zhì)量，以減少接頭位置鋼輪的沖擊損壞。

5）除通道外其它區(qū)域扣件可以不封閉，方便維護(hù)、檢修。