在建高速鐵路鋼軌缺陷分析及鋼軌保護(hù)管理建議

戚志剛 劉豐收 姜子清

1.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，蘭州 730030；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

多條在建高速鐵路鋼軌出現(xiàn)大量軌端不平順、表面擦傷、連續(xù)硬彎（軌向多波不平順）等問題。若開通前不處理，開通后會(huì)很快發(fā)展成軌枕空吊，動(dòng)檢車Ⅲ、Ⅳ級(jí)偏差等線路病害，影響高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全［1-3］。因此，需認(rèn)真分析這些缺陷的成因，高度重視鋼軌保護(hù)和管理。一方面要研究鋼軌缺陷快速排查技術(shù)，將安全隱患消除在開通前；另一方面加強(qiáng)施工時(shí)的鋼軌保護(hù)管理，減少施工導(dǎo)致的鋼軌缺陷問題。本文以銀西客運(yùn)專線為例介紹鋼軌缺陷的排查與分析，并給出整治措施。

1 軌端不平順

1.1 病害情況

銀蘭客運(yùn)專線介入檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，每根百米軌（包鋼生產(chǎn)）距軌端2.4 m和6.2 m處出現(xiàn)軌面不平順［4］，有1 778處平直度在-0.2～-0.76 mm/m。開通前采用鋼軌打磨車進(jìn)行全線預(yù)打磨，開通后仍有不平順處出現(xiàn)軌枕空吊、動(dòng)檢車Ⅰ級(jí)偏差。2019年底開通的某高速鐵路因開通前軌端不平順未全部打磨整治，加之大型養(yǎng)路機(jī)械搗固不到位，開通后大量出現(xiàn)軌枕空吊，動(dòng)檢車Ⅲ、Ⅳ級(jí)偏差。軌端不平順病害較普通，應(yīng)重點(diǎn)排查。對(duì)焊軌廠和銀西客運(yùn)專線現(xiàn)場(chǎng)鋼軌進(jìn)行檢查，同樣發(fā)現(xiàn)大量軌端不平順問題。現(xiàn)場(chǎng)排查、修磨累計(jì)整治鋼軌軌端不平順4 450處。

1.2 原因分析

經(jīng)調(diào)查，銀西客運(yùn)專線百米軌距軌端2.4 m處軌面不平順出廠前就已存在，是鋼軌軋制過程中出軋機(jī)時(shí)突然失張所致［5］。此為鋼廠生產(chǎn)工藝導(dǎo)致的缺陷，通過調(diào)整改進(jìn)工藝可消除該缺陷。

1.3 整治方案

因焊縫距橋墩不得小于2 m［6］，焊縫與橋墩相錯(cuò)2 m后，距軌端2.4 m處的不平順正好在橋墩上，從而導(dǎo)致動(dòng)車組運(yùn)行沖擊增大，易產(chǎn)生軌枕空吊等問題。因此，鋪軌時(shí)應(yīng)確保軌端不平順距橋墩大于2 m。對(duì)于焊軌基地發(fā)現(xiàn)的軌端不平順，焊軌前須打磨調(diào)直處理［7］，嚴(yán)重不平順的應(yīng)切除處理。對(duì)鋪軌后發(fā)現(xiàn)的軌端不平順，先安排鋼軌打磨車全線預(yù)打磨，然后依據(jù)不平順幅值按0.1‰～0.2‰的坡率［8］進(jìn)行人工打磨順坡處置。

2 軌面擦傷及硌傷

2.1 排查情況

為掌握銀西客運(yùn)專線高速鐵路鋼軌擦傷情況，2019年8月至10月添乘銀西客運(yùn)專線17列工程列車。其中，長(zhǎng)軌車8列，卸砟車9列。對(duì)記錄的60個(gè)停車處（正常制動(dòng)54處、緊急制動(dòng)6處）鋼軌狀態(tài)進(jìn)行檢查，僅發(fā)現(xiàn)4處（3處正常制動(dòng)）擦傷，位于坡率10‰～19‰的坡道上。排查洪德—惠安堡區(qū)間上下行線發(fā)現(xiàn)15處擦傷，其中9處位于15‰以上坡道，6處位于15‰及以下坡道。

2019年11月使用渦流探傷儀、里氏硬度計(jì)檢查銀西客運(yùn)專線洪德—惠安堡區(qū)間上行線，發(fā)現(xiàn)擦傷351處（241處軌面擦傷深度小于0.35 mm，其中大部分擦傷僅軌面光澤度、硬度發(fā)生變化），硌傷170處。有2處擦傷、21處硌傷最大深度達(dá)到5 mm。

2.2 擦傷類型

鋼軌擦傷主要呈塊狀、連續(xù)點(diǎn)狀和長(zhǎng)條狀，見圖1。擦傷寬度基本在12～18 mm，長(zhǎng)度分布不均，從8 mm至10 mm不等。擦傷處硬度大多在580 HB左右，部分焊縫周邊的擦傷硬度較高，在720 HB左右。擦傷深度平均在0.9 mm左右。

圖1 鋼軌擦傷主要類型

2.3 硌傷類型

鋼軌硌傷主要呈點(diǎn)狀和長(zhǎng)條狀，見圖2。平均深度在2.1 mm左右，長(zhǎng)度和寬度基本在10.0 mm以內(nèi)；硬度分布不均，其中較高的在680 HB左右。

圖2 鋼軌硌傷主要類型

2.4 原因分析

添乘排查和人工現(xiàn)場(chǎng)檢查出的擦傷數(shù)量明顯少于儀器檢查出的。主要原因?yàn)椋孩俨羵庈壝婀鉂勺兓幻黠@，渦流探傷儀檢查發(fā)現(xiàn)后，硬度計(jì)檢查軌面硬度有變化，但這種變化人工檢查難以發(fā)現(xiàn)；②軌道車、接觸網(wǎng)車、大型養(yǎng)路機(jī)械搗固車等制動(dòng)、空轉(zhuǎn)也有擦傷鋼軌的可能，僅排查長(zhǎng)軌車、卸砟車制動(dòng)處，不能發(fā)現(xiàn)所有的擦傷；③鋼軌成品保護(hù)不到位，小的硌傷、麻面較多，檢查人員未全部記錄。

2.5 整治方案

擦傷、硌傷深度小于等于0.35 mm［9］時(shí)打磨車預(yù)打磨后，再進(jìn)行人工修磨；深度大于0.35 mm時(shí)換軌處理。

3 鋼軌連續(xù)硬彎

3.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查、抽檢和化驗(yàn)情況

銀西客運(yùn)專線第4遍精搗后采用0級(jí)軌道檢查儀檢測(cè)，軌道質(zhì)量指數(shù)（Track Quality Index，TQI）達(dá)到3.6 mm，比正常軌道精調(diào)精搗后的TQI（約2.5 mm）［10］高。銀西客運(yùn)專線第4遍精搗（四搗）后軌向TQI為0.80 mm，從粗搗至四搗軌向TQI降幅不如高低TQI明顯，見圖3。

圖3 銀西客運(yùn)專線大型養(yǎng)路機(jī)械搗固后各項(xiàng)軌道幾何參數(shù)TQI對(duì)比

第4遍精搗后軌向TQI無法降低，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)鋼軌存在長(zhǎng)8～10 m、幅值2～4 mm的連續(xù)小硬彎，見圖4。開通運(yùn)營(yíng)的杭黃客運(yùn)專線、梅汕客運(yùn)專線等線路均出現(xiàn)過類似問題。

圖4 銀西客運(yùn)專線第4遍精搗后鋼軌硬彎

2020年4月，銀西鐵路有限公司組織有關(guān)專家和施工、設(shè)備接管單位對(duì)焊軌基地、鋪架基地存軌場(chǎng)鋼軌，橋梁、路基、隧道等不同地段已鋪設(shè)的鋼軌進(jìn)行抽檢。焊軌基地長(zhǎng)軌條出廠檢驗(yàn)全部合格，未發(fā)現(xiàn)鋼軌平直度超標(biāo)；鋪架基地存軌場(chǎng)鋼軌平直度未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)。橋梁、路基地段鋼軌存在幅值3.0～6.5 mm的連續(xù)硬彎。

銀西客運(yùn)專線未粗搗和已粗搗地段均存在長(zhǎng)8～10 m、幅值3.0～6.5 mm的連續(xù)硬彎；已精搗地段存在長(zhǎng)8～10 m、幅值2.5～5.0 mm的連續(xù)硬彎；隧道內(nèi)已精調(diào)的無砟軌道地段鋼軌同樣存在幅值-1.0～+1.5 mm的S形軌向不平順。抽檢情況反映出的鋼軌連續(xù)硬彎問題不是焊接、運(yùn)輸、搗固環(huán)節(jié)造成的，是鋪軌后成品保護(hù)不到位所致。

從距百米軌軌端3 m處取樣，分析化學(xué)成分、拉伸性能、硬度、顯微組織、軌底殘余拉應(yīng)力、非金屬夾雜物等，除了軌底殘余拉應(yīng)力（277.0、272.4、257.9、256.3 MPa）略大于TB/T 3276—2011《高速鐵路用鋼軌》［11］規(guī)定的250 MPa，其余指標(biāo)均合格。鋼廠矯直過程中壓力大引起軌底殘余拉應(yīng)力較大，該指標(biāo)僅對(duì)鋼軌疲勞強(qiáng)度有影響，不會(huì)導(dǎo)致鋼軌連續(xù)硬彎［12-13］。

3.2 對(duì)比分析

對(duì)比銀西客運(yùn)專線與銀蘭客運(yùn)專線、中川鐵路搗固數(shù)據(jù)。采用相同型號(hào)的大型養(yǎng)路機(jī)械、相同的搗固方法，2020年5月銀西客運(yùn)專線精搗后軌向TQI為0.82 mm，為銀蘭客運(yùn)專線的1.95倍。采用同一臺(tái)搗固車，中川鐵路精搗后軌向TQI為0.43 mm，僅為銀西客運(yùn)專線的50%，說明軌向TQI不同是因搗固的線路不同，與大型養(yǎng)路機(jī)械搗固作業(yè)方法無關(guān)，基本可以排除施工單位認(rèn)為的搗固作業(yè)方法不當(dāng)所致。

對(duì)比銀西客運(yùn)專線站內(nèi)與區(qū)間線路精搗數(shù)據(jù)。采用相同的大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)，白土崗、惠安堡、甜水堡站內(nèi)股道軌向TQI在0.4～0.5 mm；而吳忠—甜水堡區(qū)間線路軌向TQI在0.8～1.0 mm。區(qū)間線路軌向TQI明顯高于站內(nèi)股道，站內(nèi)股道無工程列車運(yùn)行、無鋼軌硬彎問題，可見連續(xù)硬彎與區(qū)間線路運(yùn)行工程列車有較大關(guān)系。

對(duì)比距鋪軌基地不同距離地段的精搗數(shù)據(jù)。2020年5月選取環(huán)縣—曲子區(qū)間中距惠安堡鋪軌基地遠(yuǎn)、未精搗過的10 km線路進(jìn)行精搗試驗(yàn)。精搗后軌向TQI由精搗前的1.10 mm降至0.44 mm，降幅0.66 mm。距惠安堡鋪軌基地近的洪德—惠安堡區(qū)間，精搗后軌向TQI由精搗前的1.0 mm降至0.8 mm，降幅0.2 mm?？梢钥闯?，距鋪軌基地較遠(yuǎn)的區(qū)間精搗后軌向TQI降幅明顯。距鋪軌基地近，通過重車多；距鋪軌基地遠(yuǎn)，通過重車少。這反映出鋼軌硬彎數(shù)量與通過重車數(shù)量成正相關(guān)，通過重車少的線路鋼軌連續(xù)硬彎少，大型養(yǎng)路機(jī)械搗固作業(yè)更容易提升線路質(zhì)量。

3.3 放散試驗(yàn)

2020年5月1日施工單位對(duì)K529+000—K529+200連續(xù)硬彎地段鋼軌進(jìn)行應(yīng)力放散試驗(yàn)，鎖定軌溫由20℃提高至24℃。放散前扣件鎖定狀態(tài)時(shí)軌向偏差3 mm，切軌后扣件松開時(shí)軌向偏差10 mm，再次鎖定擰緊扣件時(shí)軌向偏差3 mm。使用2 m平直尺測(cè)量鋼軌工作邊平直度，放散前扣件鎖定時(shí)平直度0.6 mm，扣件松開自由狀態(tài)時(shí)平直度2.4 mm，放散后擰緊扣件時(shí)平直度0.8 mm。這反映出鋼軌已發(fā)生塑性變形，通過應(yīng)力放散無法完全消除鋼軌變形，整治鋼軌硬彎問題。

3.4 鋪軌施工情況

2018年12月施工單位從惠安堡站分別向銀川、西安方向鋪軌。2018年12月11日開始鋪軌，2019年3月12日開始線路粗搗，從長(zhǎng)軌鋪設(shè)到應(yīng)力放散間隔61～177 d，從長(zhǎng)軌鋪設(shè)到完成粗搗間隔85～343 d。鋪軌后扣件未上齊全、未搗固整修情況下夏季易脹軌，且鋪軌車、卸砟車等工程列車一直在運(yùn)行，易造成鋼軌塑性變形。

通過現(xiàn)場(chǎng)抽驗(yàn)、對(duì)比分析和放散試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，銀西客運(yùn)專線鋼軌連續(xù)硬彎的主要原因包括施工單位對(duì)鋼軌成品保護(hù)意識(shí)不強(qiáng)，鋪軌后扣件隔5裝1，線路高低、軌向不良，整修不到位，鋪軌后未及時(shí)進(jìn)行應(yīng)力放散和工程列車頻繁碾壓。

3.5 整治方案及效果

鋼軌硬彎造成的連續(xù)軌向不平順會(huì)引發(fā)列車轉(zhuǎn)向架激振，與單個(gè)軌向不平順相比，對(duì)安全更不利［14］。建議鋼軌硬彎引起的連續(xù)軌向不平順按1.5 mm/10 m弦控制，軌向TQI按0.6 mm控制［15］。結(jié)合國(guó)內(nèi)其他鐵路處理方案，銀西客運(yùn)專線按設(shè)計(jì)鎖定軌溫上限重新進(jìn)行放散鎖定，通過放散拉伸鋼軌，減少軌向多波不平順問題。對(duì)放散后軌向TQI仍大于0.7 mm的連續(xù)地段更換500 m長(zhǎng)軌，對(duì)軌向TQI在0.6～0.7 mm的地段人工改道和精搗，對(duì)軌向TQI小于0.6 mm地段插入單根百米軌。

由于鋼軌保護(hù)不到位，原工期內(nèi)須要重復(fù)完成兩遍應(yīng)力放散、軌距精改和大型養(yǎng)路機(jī)械精搗等工作。銀西客運(yùn)專線累計(jì)更換鋼軌100 km，雖然協(xié)調(diào)將其他在建高速鐵路到發(fā)線的41 km新鋼軌與銀西客運(yùn)專線正線更換下的鋼軌進(jìn)行調(diào)換，施工單位仍需采購(gòu)更換59 km新鋼軌。

2020年8月銀西客運(yùn)專線進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)試，動(dòng)檢波形顯示，全線軌向質(zhì)量?jī)?yōu)良，僅個(gè)別地段存在較小幅值的連續(xù)軌向不平順，動(dòng)檢軌向TQI為0.3 mm。與梅汕客運(yùn)專線未換軌整治地段動(dòng)檢波形相比，銀西客運(yùn)專線換軌整治后軌向不平順基本消除，整治效果良好，見圖5。

圖5 連續(xù)軌向不平順動(dòng)檢波形

4 在建高速鐵路鋼軌保護(hù)管理建議

1）加強(qiáng)鋼軌源頭質(zhì)量管理

高度重視鋼軌源頭質(zhì)量管理，不斷提升鋼軌生產(chǎn)工藝，嚴(yán)格出廠質(zhì)量卡控，從源頭杜絕軌端不平順問題。焊軌廠嚴(yán)格百米軌進(jìn)廠質(zhì)量檢驗(yàn)，重點(diǎn)做好軌端平直度、鋼軌外觀質(zhì)量的檢查驗(yàn)收。鋪架基地加強(qiáng)鋼軌進(jìn)場(chǎng)質(zhì)量驗(yàn)收，細(xì)化鋼軌進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)、鋪設(shè)、質(zhì)量驗(yàn)收等環(huán)節(jié)的工作流程，完善作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和管理措施。

2）加強(qiáng)軌道施工質(zhì)量卡控

施工單位要做好鋪軌后續(xù)工序銜接，鋪軌后及時(shí)補(bǔ)齊扣件、應(yīng)力放散和搗固整修。工程列車上線運(yùn)行前確保線路幾何尺寸達(dá)標(biāo)，加強(qiáng)裝砟點(diǎn)、鋪軌基地附近重車運(yùn)行頻繁區(qū)段線路的檢查和整修，防止鋼軌產(chǎn)生塑性變形。

3）強(qiáng)化工程列車開行要求

記錄工程列車異常啟停位置，建立報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核制度，制定長(zhǎng)大坡道、進(jìn)出車站、列車啟停時(shí)行車作業(yè)辦法。根據(jù)牽引定數(shù)合理配置牽引動(dòng)力，對(duì)工程列車嚴(yán)格限速管理，防止和減少工程列車運(yùn)行中空轉(zhuǎn)、緊急制動(dòng)造成軌面擦傷。

4）加強(qiáng)新線鋼軌介入檢查

新建高速鐵路靜態(tài)驗(yàn)收前，設(shè)備接管單位應(yīng)使用渦流探傷儀、硬度計(jì)等設(shè)備對(duì)鋼軌表面缺陷全面檢查，對(duì)存在的問題制定整治措施，及時(shí)整治。

5）加強(qiáng)鋼軌質(zhì)量管理

要高度重視鋼軌質(zhì)量管理，生產(chǎn)廠家、施工單位、設(shè)備接管單位應(yīng)從各個(gè)工序制定、完善鋼軌保護(hù)管理辦法，及時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)問題，杜絕不合格鋼軌進(jìn)入下一工序。明確各單位各部門職責(zé)，加強(qiáng)成品軌的保護(hù)。

5 結(jié)語

從鋼軌缺陷原因分析和整治，可以看出施工時(shí)鋼軌保護(hù)管理不到位是造成在建高速鐵路鋼軌缺陷的主要原因。大型養(yǎng)路機(jī)械搗固作業(yè)數(shù)據(jù)分析，也反映出施工時(shí)鋼軌保護(hù)管理不到位導(dǎo)致的鋼軌連續(xù)硬彎無法通過搗固作業(yè)予以消除，換軌整治造成巨大浪費(fèi)。因此，新線建設(shè)施工時(shí)各單位各部門應(yīng)高度重視，加強(qiáng)在建高速鐵路鋼軌保護(hù)和管理，確保高速鐵路開通運(yùn)營(yíng)安全。