淺談地鐵鋼軌剝落掉塊原因分析及整治

郭天朋 李永 喬國靖

【摘 要】地鐵線路鋼軌使用幾年后會(huì)在表面產(chǎn)生橫向裂紋及出現(xiàn)剝離掉塊傷損。某地鐵1號(hào)線二期開通運(yùn)營約1年，使用的鋼軌在某車站列車進(jìn)站端的半徑為360 m的一曲線路段上隨機(jī)出現(xiàn)多處掉塊。通過對(duì)鋼軌掉塊的原因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，存在軌底坡設(shè)置不符合要求、下股接觸面積過小、受軌道彈性影響等問題，采取相應(yīng)措施：①將鋼軌剝落掉塊納入傷損臺(tái)賬，巡檢時(shí)對(duì)該區(qū)段予以重點(diǎn)關(guān)注，加強(qiáng)探傷檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有傷損及時(shí)上報(bào)處理。②對(duì)剝落掉塊所處曲線軌底坡進(jìn)行調(diào)整，將上下股軌底坡調(diào)整至合適范圍。提出養(yǎng)護(hù)維修管理建議，提高地鐵運(yùn)營質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】城市軌道交通;鋼軌;掉塊;建議

【中圖分類號(hào)】U213 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）04-0097-03

0 引言

在地下鐵路軌道系統(tǒng)中，鋼軌是承擔(dān)列車荷載及引導(dǎo)列車前行的重要設(shè)施，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)營后，鋼軌經(jīng)常出現(xiàn)各種各樣的傷損，其中以鋼軌剝落掉塊最常見，除鋼軌本身材質(zhì)問題外，地鐵線路曲線半徑小、行車頻次高、軌道幾何形位有偏差均會(huì)導(dǎo)致或加劇鋼軌傷損。本文通過對(duì)某地鐵1號(hào)線二期某區(qū)間下行鋼軌剝落掉塊情況進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，分析鋼軌剝落掉塊產(chǎn)生的原因，采取措施并提出養(yǎng)護(hù)維修管理建議。

1 工程概況

鋼軌剝落掉塊里程為下行K07+230～K07+420，位于平面曲線K07+217～K07+837上，曲線半徑R=360 m，超高H=110 mm;處在25‰的下坡道上。

1.1 傷損特征

通過對(duì)線路的外觀檢查、幾何尺寸調(diào)查、軌底坡調(diào)查及對(duì)鋼軌表面?zhèn)麚p檢查后發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn)：曲線下股光帶偏外側(cè)，光帶寬度約25 mm，掉塊位于光帶上;掉塊寬3～8 mm（多為5 mm），最深處深度約2 mm;掉塊為斷斷續(xù)續(xù)的狀態(tài)，最長連續(xù)掉塊為350 mm;經(jīng)探傷檢測(cè)，該處為鋼軌近表面剝落掉塊，沒有發(fā)現(xiàn)內(nèi)部傷損;掉塊發(fā)生在曲線下股，鋼軌中軸線外側(cè)。

1.2 傷損發(fā)展情況

掉塊發(fā)生在1號(hào)線二期開通1年時(shí)間左右，曲線下股與列車車輪接觸面為鋼軌外側(cè);軌面掉塊是由軌面細(xì)微裂紋發(fā)展而來，裂紋發(fā)展到一定程度將會(huì)產(chǎn)生掉塊;裂紋主要發(fā)生在曲線下股軌面，離軌頂外側(cè)圓弧5～10 mm處，大致平行，長15～25 mm，與鋼軌橫截面呈45°，開口方向與行車方向一致，用手觸摸有毛刺感，裂紋肉眼可見 [1]。軌面裂紋情況如圖1、圖2所示。

當(dāng)裂紋深度不斷增加，裂紋之間的軌面會(huì)因列車車輪的黏滯力而發(fā)生脫落，形成掉塊，現(xiàn)場(chǎng)掉塊為薄片，長度約15 mm，深度約1 mm，寬度約5 mm。掉塊后鋼軌軌面狀態(tài)如圖3所示。

2 鋼軌剝落掉塊原因分析

2.1 軌底坡設(shè)置不符合要求

設(shè)計(jì)坡比與實(shí)測(cè)坡比最大相差0.057，設(shè)計(jì)坡比與實(shí)測(cè)坡比平均相差0.042 8。由于曲線下股軌底坡嚴(yán)重偏大，所以曲線下股輪軌接觸面積過小，進(jìn)而導(dǎo)致鋼軌裂紋，由此鋼軌軌底坡設(shè)置不符合要求是導(dǎo)致鋼軌剝落掉塊的主要原因，實(shí)測(cè)軌底坡比數(shù)值如圖4所示。

2.2 下股接觸面積過小

曲線下股股鋼軌受力分析：通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，曲線下股光帶寬度為25 mm左右，為正常接觸面積的1/2～1/3，相應(yīng)的下股鋼軌單位面積承擔(dān)的壓力將會(huì)增加，同時(shí)在曲線地段行車時(shí)，內(nèi)側(cè)車輪在鋼軌上行程較外側(cè)車輪短，會(huì)發(fā)生空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，軌面與車輪間會(huì)產(chǎn)生更大的制動(dòng)力，導(dǎo)致掉塊現(xiàn)象加劇。下股接觸面積過小是曲線下股股外側(cè)軌面發(fā)生裂紋的次要原因。

2.3 軌道彈性影響

剝落掉塊地段為一般整體道床，單趾彈條扣件，軌道減振只有通過軌下、鐵墊板下的橡膠墊板及彈條變形實(shí)現(xiàn)。列車通過曲線地段產(chǎn)生的振動(dòng)無法通過道床吸收，將直接反饋在扣件與鋼軌之間及車輪與鋼軌之間，曲線下股長期受到較大的沖擊力將會(huì)導(dǎo)致曲線下股鋼軌產(chǎn)生疲勞裂紋并加速裂紋發(fā)展，最終導(dǎo)致軌面掉塊。

3 采取措施

3.1 傷損影響

根據(jù)《線路檢修規(guī)程》中“6.6.2”的規(guī)定，軌端或軌頂面剝落掉塊長度超過15 mm且深度超過4 mm，屬鋼軌輕傷，該處傷損未達(dá)到輕傷標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 采取措施

（1）將鋼軌剝落掉塊納入傷損臺(tái)賬，巡檢時(shí)對(duì)該區(qū)段予以重點(diǎn)關(guān)注，加強(qiáng)探傷檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有傷損及時(shí)上報(bào)處理。

（2）對(duì)剝落掉塊所處曲線軌底坡調(diào)整，將上下股軌底坡調(diào)整至合適范圍。

（3）申報(bào)打磨計(jì)劃，對(duì)剝落掉塊區(qū)域多遍打磨，盡量消除軌面剝落掉塊。

4 軌底坡調(diào)整施工要點(diǎn)

4.1 軌底坡測(cè)量?jī)x器及使用方法

軌底坡測(cè)量應(yīng)使用專業(yè)的軌底坡測(cè)量?jī)x器，測(cè)量結(jié)果為軌底傾角，測(cè)量結(jié)果使用坡度比格式。測(cè)量時(shí)，測(cè)量人員應(yīng)先用砂紙清潔待測(cè)位置軌底，然后將軌底坡測(cè)量?jī)x從軌道線路外側(cè)插入軌底，記錄坡度比，測(cè)量過程中應(yīng)防止儀器磕碰，測(cè)量?jī)x器詳如圖5所示。

4.2 計(jì)算待調(diào)整區(qū)段軌底坡誤差

軌底坡比測(cè)量為每4根軌枕測(cè)量一處，因?yàn)檐壍灼聹y(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果為軌底相對(duì)于水平面的坡度比，所以為計(jì)算待調(diào)區(qū)段軌底坡度比誤差，需要換算出曲線地段軌底相對(duì)于水平面的坡度比，其中下股的軌底坡比標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式為α=1/40-h/

1 508，上股的軌底坡比標(biāo)準(zhǔn)值β=1/40+h/1 508，為方便計(jì)算，先對(duì)軌底坡比進(jìn)行100倍放大處理，然后計(jì)算待調(diào)區(qū)段測(cè)量軌底坡比與標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差，根據(jù)不同型號(hào)異型膠墊可調(diào)量選擇不同的膠墊進(jìn)行調(diào)整，該區(qū)段軌底坡測(cè)量部分資料見表1。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整

根據(jù)前期測(cè)量結(jié)果，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)位置更換不同型號(hào)的軌下膠墊，此時(shí)應(yīng)注意，更換異形膠墊對(duì)軌距影響較大，施工前應(yīng)準(zhǔn)備足量的軌距塊，并配備起道機(jī)、彈條扳手等工具，為確保調(diào)整以后線路幾何尺寸良好，上下股調(diào)整軌底坡后應(yīng)同步調(diào)整線路幾何尺寸，確保幾何尺寸符合作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，異型膠墊設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

5 整改效果

5.1 光帶偏移

從圖7可以看出，調(diào)整前后，該區(qū)段光帶移動(dòng)了5 mm左右，基本調(diào)整至鋼軌軌面中部且光帶寬度也有所增加，說明輪軌關(guān)系已有較大改善。

5.2 掉塊情況緩解

該區(qū)間軌面剝落掉塊情況無明顯發(fā)展，軌底坡調(diào)整前軌旁的鐵屑較多（如圖8所示），軌底坡調(diào)整以后軌旁未發(fā)現(xiàn)明顯掉落的鐵屑（如圖9所示）。

5.3 噪聲減小

從2019年1月開始調(diào)整軌底坡至6月調(diào)整完成，該區(qū)段噪聲降低明顯，從1月份的最高90 dB，降低至6月份最高的81 dB，說明軌底坡調(diào)整對(duì)輪軌噪聲有一定的改善效果（見表2）。

6 養(yǎng)護(hù)維修管理建議

（1）調(diào)整軌底坡至設(shè)計(jì)值能改善輪軌關(guān)系、減緩鋼軌剝落掉塊的發(fā)展、降低輪軌噪聲并延長鋼軌使用壽命。

（2）對(duì)鋼軌軌面?zhèn)麚p進(jìn)行周期性檢查并建立觀察臺(tái)賬，以及時(shí)查找鋼軌軌面?zhèn)麚p產(chǎn)生及發(fā)展的原因并采取措施減緩、抑制鋼軌軌面?zhèn)麚p的發(fā)展，可延長鋼軌使用壽命，降低鋼軌運(yùn)營維護(hù)成本。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]杜茂金.南京地鐵鋼軌掉塊病害分析與防治[J].城市軌道交通研究，2015，18（1）：78-80.