日本軌道結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)檢測及養(yǎng)護(hù)維修措施

1 引言

用于支撐列車運(yùn)行的軌道結(jié)構(gòu)因?yàn)殚L期反復(fù)承受列車荷載，會產(chǎn)生變形或狀態(tài)惡化，需對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)維修，才能確保列車安全運(yùn)行。

軌道結(jié)構(gòu)變形和狀態(tài)惡化的速度因軌道構(gòu)造不同而各異。由于變形和狀態(tài)惡化速度快的部位在修復(fù)之后仍容易變形和惡化，因此其需要更高的養(yǎng)護(hù)頻率。此外，受曲線半徑等線形條件以及通過車輛特性的影響，軌道結(jié)構(gòu)的安全裕度也不盡相同。為降低軌道結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修的成本，應(yīng)在確保列車安全運(yùn)行的前提下，盡量降低需養(yǎng)護(hù)部位的養(yǎng)護(hù)維修頻率。

本文將介紹軌道結(jié)構(gòu)常見的薄弱點(diǎn)及其特征，并提出相應(yīng)的檢測及養(yǎng)護(hù)維修措施，以期提高軌道結(jié)構(gòu)的安全性和養(yǎng)護(hù)維修效率。

2 軌道結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)

軌道結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)分為安全上的薄弱點(diǎn)和養(yǎng)護(hù)上的薄弱點(diǎn)兩大類。其中，安全上的薄弱點(diǎn)是指軌道結(jié)構(gòu)的變形、損傷等危及列車運(yùn)行安全的病害和缺陷；而養(yǎng)護(hù)上的薄弱點(diǎn)是指修復(fù)之后會很快再次發(fā)生變形或狀態(tài)惡化的部位，即養(yǎng)護(hù)頻率高、維修時間長的部位，如通過魚尾板連接的鋼軌間接縫處，此處列車運(yùn)行的沖擊力較大，道砟易粉化，易出現(xiàn)翻漿冒泥現(xiàn)象，從而導(dǎo)致軌道變形進(jìn)一步加大，需頻繁地對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)（圖1）。

圖1 發(fā)生翻漿冒泥現(xiàn)象的有砟軌道線路

消除這些薄弱點(diǎn)的方法是，準(zhǔn)確地找出安全上的薄弱點(diǎn)并優(yōu)先進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，對養(yǎng)護(hù)上的薄弱點(diǎn)進(jìn)行低成本的修補(bǔ)強(qiáng)化，以達(dá)到在確保安全性的同時降低養(yǎng)護(hù)維修成本的目的。

3 安全上薄弱點(diǎn)的檢測及養(yǎng)護(hù)維修措施

枕木狀態(tài)惡化是一種常見的安全上薄弱點(diǎn)，墊板連接部位因?yàn)檎砟靖g而失去功能（圖2），加上由于枕木腐蝕而產(chǎn)生的局部軌枕懸空，將導(dǎo)致軌道平面的扭曲（即三角坑）加大，使列車運(yùn)行安全性下降，這也是近年來造成列車脫軌事故的主要原因之一。

圖2 枕木腐蝕圖例

從外觀看尚無嚴(yán)重結(jié)構(gòu)變形的軌道線路在列車經(jīng)過時也可能發(fā)生動態(tài)變形，這可以通過軌道檢測車進(jìn)行監(jiān)測，但由于軌道檢測車價格昂貴，因此在區(qū)域鐵路、支線鐵路等非干線線路上難以推廣使用。

為此，日本鐵道綜合技術(shù)研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）從常規(guī)軌道線路的5個檢測項(xiàng)目中，選出軌距和三角坑2個關(guān)鍵項(xiàng)目，開發(fā)出低成本的軌道線路動態(tài)變形檢測系統(tǒng)Track2er（圖3）。該系統(tǒng)可搭載在運(yùn)營列車或工務(wù)機(jī)械車上，其傳感器單元可在車輛行駛時自動采集數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可及時發(fā)現(xiàn)并處理優(yōu)先級較高的軌枕懸空問題，從而提高線路的安全系數(shù)。

圖3 搭載在調(diào)車機(jī)車上的Track2 er

4 養(yǎng)護(hù)上薄弱點(diǎn)的檢測及養(yǎng)護(hù)維修措施

4.1 軌枕懸空

4.1.1 檢測

軌枕懸空是有砟軌道線路的常見病害（圖4）。其通常發(fā)生在列車通過時沖擊力較大、支撐結(jié)構(gòu)易發(fā)生變化、路基條件惡劣的地方，如接縫處、橋臺、鐵路道口前后，隨著這些地方材料的老化，軌道變形速率也會加快。軌枕懸空雖然不會立即導(dǎo)致線路安全性降低，但可能會在夏季導(dǎo)致線路發(fā)生顯著的軌向變形，甚至引發(fā)脹軌跑道，在隧道內(nèi)還可能造成鋼軌腐蝕。

圖4 軌枕懸空示意圖

可以使用5 m弦量測（沿鋼軌拉5 m長的線作為弦，測量弦中心點(diǎn)到鋼軌內(nèi)側(cè)的距離）的正矢數(shù)據(jù)進(jìn)行懸空軌枕的檢測。

此外，鐵道綜研還開發(fā)出結(jié)合軌道幾何形位變化的波形，利用自重分析，計算懸空軌枕數(shù)量和范圍的方法（圖5）。利用此方法可以對此病害進(jìn)行定量評價，有助于提高管理效率。

圖5 通過計算檢出懸空軌枕示例

4.1.2 養(yǎng)護(hù)維修

軌枕懸空處會發(fā)生道砟粉化現(xiàn)象，隨著路基泥土的混入，道床的排水性能會更加惡化，導(dǎo)致翻漿冒泥現(xiàn)象的發(fā)生。道床翻修、路基改良（即在軟弱路基段更換優(yōu)質(zhì)材料）等方法是解決上述問題的有效措施，但由于其成本高昂，無法在支線鐵路上廣泛應(yīng)用。

為降低養(yǎng)護(hù)成本，鐵道綜研開發(fā)了利用可生物降解聚合物使道砟穩(wěn)固的養(yǎng)護(hù)維修方法（圖6），即通過在粉化道砟中混入由催化劑和可生物降解聚合物組成的養(yǎng)護(hù)材料，以提高道砟強(qiáng)度，減少有砟軌道沉降。該方法的養(yǎng)護(hù)效果非常好，已在行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用（圖7）。

圖6 可生物降解聚合物養(yǎng)護(hù)法施工現(xiàn)場

圖7 可生物降解聚合物養(yǎng)護(hù)法與原養(yǎng)護(hù)法效果比較圖

此外，鐵道綜研還開發(fā)了可防止產(chǎn)生軌枕懸空的軌枕懸空自動矯正裝置（即鋼軌高度保持器），目前正在日本國內(nèi)推廣（圖8）。在橋臺及鐵路道口前后，線路結(jié)構(gòu)的變化會導(dǎo)致軌道的局部沉降，而該裝置可根據(jù)道砟沉降的情況將鋼軌保持在一定高度范圍內(nèi)，從而維持軌道線路的穩(wěn)定性。

圖8 軌枕懸空自動矯正裝置

4.2 列車荷載對鋼軌的沖擊

在鋼軌接縫處，鋼軌端部由于受到車輪的反復(fù)撞擊而產(chǎn)生變形，局部下陷。這將導(dǎo)致列車通過時的沖擊力進(jìn)一步增大，從而加速道砟的粉化及軌道幾何形位變化。為解決上述問題、有效減小列車荷載對鋼軌的沖擊力，可采用增加鋼軌端部曲率，以及打磨鋼軌使其頂面平順光滑的方法。

通過長軌化去除接縫是解決接縫處病害的根本方法，但對于以木枕為主的區(qū)域鐵路、支線鐵路等，其道床橫向阻力不足以保證軌道的橫向穩(wěn)定性。為此，鐵道綜研提出通過在混入砂土的道砟中加入水泥來增大道床橫向阻力的方法，該方法可在降低成本的同時，確保長鋼軌軌道的橫向穩(wěn)定性（圖9）。

圖9 低成本長鋼軌軌道

在長鋼軌兩端，通常將相互連接的鋼軌加工出類似尖岔的斜面并拼接構(gòu)成伸縮縫，用于抵消由于溫度變化引起的鋼軌伸縮。目前，鐵道綜研已開發(fā)出價格更加低廉的、用于通過能力較小線路的有縫伸縮縫結(jié)構(gòu)（圖10），正在進(jìn)行鋪設(shè)試驗(yàn)。其具體使用方式是，將普通的短鋼軌以無軌縫的方式連接為長約100 m的長鋼軌，在相鄰長鋼軌的兩端設(shè)置此裝置，以減少需要養(yǎng)護(hù)的接縫數(shù)量。

圖10 有縫伸縮縫結(jié)構(gòu)

4.3 鋼軌波狀磨耗及腐蝕

在鋼軌的養(yǎng)護(hù)管理中，波狀磨耗的修復(fù)是最耗費(fèi)人工的項(xiàng)目之一。波狀磨耗會增加鋼軌的振動及噪聲，因此需要定期對鋼軌進(jìn)行打磨。

在養(yǎng)護(hù)易腐蝕環(huán)境下的鋼軌時，由于難以對鋼軌腐蝕的程度進(jìn)行評價，因此需要頻繁地進(jìn)行鋼軌更換。為降低養(yǎng)護(hù)成本，養(yǎng)護(hù)人員采用超聲波探傷的方法判斷鋼軌腐蝕程度，以確定其是否需要更換。

目前，鐵道綜研正在開發(fā)防止鋼軌腐蝕的方法（圖 11）。該方法可預(yù)防鋼軌連接裝置摩擦所導(dǎo)致的防腐蝕涂膜損傷，提高鋼軌的耐久性。

圖11 鋼軌防腐蝕法