朔黄重载铁路小半径曲线病害成因分析及整治措施探析

2013-01-16王定举

铁道标准设计 2013年12期

王定举

(朔黄铁路发展有限责任公司,河北肃宁 062350)

1 概况

朔黄铁路西起山西省神池县，东至河北省黄骅港，正线总长585.441 km，设计为国家Ⅰ级干线、双线电气化重载铁路。朔黄铁路神池南至肃宁北段双线电气化重载铁路1998年开始建设，2000年5月18日正式运营。朔黄铁路二期工程肃宁北至黄骅港段单线2001年开始建设，2002年5月18日正式运营，复线于2004年10月建成通车。朔黄线上行为重车方向，下行为空车方向，自2000年开通以来，朔黄管内DK0～DK256区段上行重车线主要是R≤800 m的曲线地段钢轨磨耗严重，从2002年开始对曲线外侧钢轨进行成段换轨，2002年～2003年更换采用PD3钢轨或稀土轨，2004年更换采用PD3全长淬火钢轨。2005年5月至2007年底，朔黄铁路上行重车方向正线全部60 kg/m标准轨换铺为75 kg/m无缝线路。朔黄管内DK0～DK256区段沿太行山的滹沱河峡谷修建，沿线地质构造复杂，属典型山区小半径铁路，该段共有曲线181条计94.862 km，其中R≤600 m的75条计43.112 km，600 m800 m的69条计29.761 km。该段最小曲线半径为400 m，上行重车方向坡度为4‰，下行空车方向坡度为12‰，隧道77座/66 339双延米。朔黄铁路年运量2006年达到1.13亿t，逐年增长， 2012年年运量达到1.976亿t，2013年计划年运量达到2.34亿t，随着朔黄铁路运量日益增大、2万t列车试验开行、30 t轴重机车上线运行，将会给小半径曲线地段带来更快更多的破坏，各种病害频发几率也将大大增加，小半径曲线地段钢轨病害日益频繁严重。因此，深入分析小半径曲线地段病害成因，并采取行之有效的措施来有效抑制病害发展并实现最终根治这些病害，保障朔黄铁路行车安全尤为重要。

2 小半径曲线常见病害

2.1 钢轨伤损病害

朔黄铁路DK0～DK256区段在2005年运量突破1亿t，2007年上行重车方向正线全部60 kg/m标准轨换铺为75 kg/m无缝线路以来，随着累计通过总重的增长，人工探伤发现的重伤钢轨的数量也随之增加(表1)，在2007年～2012年期间成段更换磨耗钢轨(表2)，造成钢轨使用寿命缩短，进而给防断工作增加了压力。

表1 朔黄铁路DK0～DK256区段上行无缝线路2007年～ 2012年度人工探伤重伤钢轨情况根

依据表1统计资料，从线路平面分析，朔黄铁路DK0～DK256区段上行无缝线路2007年～2013年8月探伤所发现824根重伤钢轨中，有528根在R≤600 m的曲线上，占64%；有120根在600 m1 000 m的曲线上，占8.6%。说明75 kg/m轨地段钢轨伤损仍以曲线地段为主，且主要分布在小半径曲线上，因此小半径曲线仍是防断特别是探伤的重点。

表2 朔黄线DK0～DK256区段上行75 kg/m无缝线路2007年～2012年度钢轨磨耗及换轨统计

经对表2更换磨耗钢轨数量分析，2011年～2012年对DK0～DK256区段上行75 kg/m无缝线路进行大修更换。从更换磨耗钢轨统计数据看，75 kg/m轨伤损的主要表现形式为:(1)曲线地段特别是小半径曲线地段上股钢轨的侧磨严重；(2)小半径曲线下股钢轨的轨顶面压溃变宽，尤其是R≤600 m小半径曲线地段下股垂磨严重。

2.2 轨道几何尺寸易超限

2.3 联接零件易松动且破损率高

由于小半径曲线上联接零件承受的冲击力和横向作用力都比较大，在相同扭力矩情况下，小半径曲线地段联接零件更容易松动。尤其当冲击力和横向作用力达到一定值时，极易造成夹板及接头螺栓折断、混凝土枕立螺栓失效、轨距杆折断、轨撑压裂及离缝、尼龙座挤碎、轨枕挡肩破损、胶垫压溃等病害。

3 小半径曲线病害产生的原因分析

曲线运营条件和轨道结构属于客观因素，当列车在曲线地段运行时，在钢轨上会产生竖直、水平纵向和水平横向3个方向的力，由于钢轨受力的影响，直接造成铁路小半径曲线的病害产生，使其在钢轨、线路几何尺寸、轨枕和道床等设备上极有可能产生变化，出现各种线路病害，从而给铁路运输安全造成一定隐患。

3.1 钢轨伤损的原因

朔黄铁路上行重载线在2005年以来换铺75 kg/m钢轨无缝线路，轨枕仍按1 840根/km配置Ⅱ型钢筋混凝土枕，Ⅱ型弹条，并且部分小半径曲线地段道砟不足，达不到标准断面道床标准，造成轨道强度及框架刚度偏弱，从现场观测分析来看，朔黄铁路小半径曲线地段出现的主要病害是钢轨侧面磨耗、垂直磨耗及接头损伤。朔黄线上行重载线因钢轨侧面磨耗每年更换量达40 km，主要是由于机车通过轨道曲线时，车轮在与钢轨的接触过程中会产生较大的横向作用力，从而加剧钢轨侧面磨耗病害产生，造成钢轨使用寿命大大缩短。与此同时，外轨超高与列车横向水平力的不相适应，也造成钢轨垂直磨耗病害产生。另外，朔黄线目前重载线年运量达2亿t，日开行列车达到158对，其中万吨列车30对，小半径曲线地段在轮轨接触疲劳和冲击荷载作用下造成轨顶面严重的不平顺，使钢轨及轨道受力恶化，从而出现轨端或轨顶面剥落掉块病害。

3.2 轨道几何尺寸易超限的原因

由于机车通过轨道曲线时，车轮在与钢轨的接触过程中会产生较大的横向作用力，特别是在小半径曲线地段加剧钢轨侧面磨耗病害产生，随着钢轨侧磨增大而逐渐加剧，导致小半径曲线地段的轨距和正矢容易发生变化而难以保持，造成维修工作量加大。在小半径曲线地段维修作业由于人工作业方法不当，采用由曲线一端向另一端简易法拨道，容易将拨道误差积累于曲线的另一端，或是采用目测粗拨缓和曲线的方法，将缓和曲线长期上挑，造成曲线首尾连接不良，形成曲线首尾反弯“鹅头”。曲线超高设置应根据实际通过的列车对数和实际通过的车速来确定。而事实上车速和通过对数是在不断变化、逐步增加的，超高数值的合理性很难确定。

3.3 轨道联结零件松动、破损的原因

朔黄上行重载线上的小半径曲线地段经常会发生轨道夹板及接头螺栓折断、混凝土枕立螺栓失效、轨距杆折断、轨撑压裂及离缝、尼龙座挤碎、轨枕挡肩破损、胶垫压溃、螺栓扭力不足等现象，这主要是长期受到机车强大的横向水平作用力而造成的。在日常维修保养工作中，小半径病害的整治质量直接影响这些联结零件的使用寿命，因此，考虑到设备更换频率及维修费用等客观要素，要高度重视轨道联结零件的损坏率，并积极采取有效的整治措施，切实延长联结零件的使用寿命。

4 小半径曲线病害整治措施

针对朔黄线小半径曲线病害的成因，通过现场摸索实践，采取有效的措施加以整治，小半径曲线地段的线路质量得到提升，确保铁路行车安全。

4.1 强化小半径曲线地段轨道强度及框架刚度

朔黄线上行重车线路目前年通过总重已超过2亿t以上，并且万吨列车大量开行，对轨道的要求越来越高。对此，朔黄线在轨道强度及框架刚度方面采取多项措施进行加强：在75 kg/m钢轨小半径曲线地段，将原Ⅱ型混凝土轨枕按标准更换为Ⅲ型混凝土轨枕，Ⅱ型弹条扣件，在半径R≤600 m地段更换Ⅲ型轨枕将标准1 667根/km配置提高为1 760根/km进行加密布置，桥梁头尾在原有桥枕布置基础上，各自再延长铺设桥枕25 m。同时，在小半径曲线地段更换强度更高、更耐磨的合金钢轨。

在小半径曲线地段安装轨距杆、地锚加固、轨撑等加强设备以确保轨道整体稳定性，具体安装办法为：半径R≤600 m地段按5根枕木间距安装1根拉杆，10 m间距设置1个钢轨地锚，3根枕木间距在钢轨外侧安装1个轨撑；600 m

4.2 调整小半径曲线各部静态几何尺寸

4.2.1 及时正确改道，保持良好轨距

针对现场情况，如扣板离缝、钢轨硬弯等，改正轨距不仅要做好防止动态轨距扩大，还要加强静态轨距调整。在改曲线轨距时尤其注意轨距变化率，并留有一定余量，在日常养护中小半径曲线地段应按每一根枕木来改轨距，在改道的同时修理和更换不良扣件，避免重复作业。

在整治小半径曲线轨距病害时，要采取及时整修和集中整修方式，对超过临时补修容许偏差管理值的轨距采取及时整修，对经常保养管理值的轨距按照周期变化进行集中整修。轨距整修一般应分3个阶段实施。

第一阶段：换轨初期。成段更换钢轨时，轨距应保持在-1～+1 mm范围内，即60 kg/m钢轨及75 kg/m钢轨，左股外侧轨距挡板10号，挡板座号码为2号，内侧轨距挡板6号，挡板座号码为4号；右股外侧轨距挡板10号，挡板座号码为2号，内侧轨距挡板6号，挡板座号码为4号。

第二阶段：当钢轨侧磨达到10 mm左右时，轨距应保持在+6～-2 mm范围内，即60 kg/m钢轨及75 kg/m钢轨，左股外侧轨距挡板为10号，挡板座号码为4号，内侧轨距挡板6号，挡板座号码为2号；右股外侧轨距挡板为10号，挡板座号码为4号，内侧轨距挡板6号，挡板座号码为2号。即是曲线普遍减小6 mm，达到改道目的。

第三阶段：当钢轨磨耗达到15 mm左右时，轨距应保持在+9～-4 mm范围内，即60 kg/m钢轨及75 kg/m钢轨，左股外侧轨距挡板为10号，挡板座号码为6号，内侧轨距挡板6号，挡板座号码为0号；右股外侧轨距挡板为10号，挡板座号码为6号，内侧轨距挡板6号，挡板座号码为0号。即是曲线普遍减小4 mm，达到改道目的。至此时，钢轨磨耗已超过轻伤标准，需准备备用钢轨，当钢轨即将达到重伤，且轨距也无法改回规定值时，及时安排更换新钢轨。

4.2.2 调整小半径曲线正矢

小半径曲线地段，由于长期所受外力作用，会造成曲线ZH、HY、QZ、YH、HZ点的正矢不易保持，曲线五大桩的位置或多或少发生位移。故在拨正曲线正矢前，要用经纬仪准确测定曲线ZH、HY、QZ、YH、HZ点的正确位置，准确测量现场正矢，计算出拨道量，采用小半径曲线10 m弦长，加密正矢点，以提高拨道精度。整正曲线按绳正法原理计算拨道量，计算时不宜为减少拨道量而大量调整，设置拨道桩，按桩拨道，并将“起、捣、拨、改”等方法与正矢递增或递减、矫直钢轨硬弯、更换失效联结零件、加宽曲线外股道床、堆高砟肩等方法进行综合应用。同时在小半径曲线地段要及时预防与整治曲线“鹅头”，设置合适的缓和曲线长度以及超高和轨距加宽的递减；在小半径曲线头尾要保证足够的道床厚度和宽度，并加强道床夯实，使轨道方向稳定。

4.2.3 合理设置超高

小半径曲线超高设置时，要通过车载式轨道动态监测系统测量行车速度，科学计算出机车运行的平均速度，并依此计算设置超高，按5 mm的倍数现场标记。朔黄管内有C64、C70、C80货车以及轨道车混跑，在通过小半径曲线地段的行车条件有较大变化，每年利用大型机械对管内小半径曲线进行超高设置和曲线的超高顺坡，并将实设超高按计算的超高减少10%～15%进行操作，经现场测试较为合理，外股钢轨的侧面磨耗能有不同程度的减轻，里股钢轨的肥边能有所减小，有利于减缓曲线磨耗。同时许多小半径缓和曲线限于山区地形条件不能延长，造成超高顺坡距较短。为减小或避免列车从直线进入圆曲线时，由于离心力所引起的急剧冲击，造成列车摇晃、钢轨磨损，在缓和曲线前方直线上，保持外轨水平高出内轨3～4 mm。在特别困难条件下，加高缓直点的超高3～4 mm，然后向直线至少5 m范围内进行顺坡处理。

4.3 整治小半径曲线地段钢轨重点病害

4.3.1 铣磨钢轨

小半径曲线日常养护时要综合修理钢轨病害，对擦伤、掉块、压溃、马鞍形磨耗轨及时打磨处理。朔黄线自2010年以来采用自购铣磨车铣磨钢轨，对每30～40 Mt通过总重的小半径曲线钢轨采取周期性预防性打磨，采用非对称钢轨打磨断面，降低轮轨接触应力，有效地消灭波磨轨和下股疲劳裂纹及肥边，保持钢轨踏面平顺度，提高列车曲线通过能力，从而减轻钢轨接触疲劳伤损。

4.3.2 钢轨涂油作业

整治小半径曲线病害时，要对积累的有关观测资料进行总结、分析，合理制定机车涂油周期，适时采用钢轨涂油作业办法来减少轮轨之间的滑动阻力，有效减轻钢轨磨耗，延长曲线钢轨使用寿命。

4.3.3 综合养护钢轨接头

对小半径曲线接头病害，要做好预防和整治工作，通过综合维修改善道床弹性。在维修保养工作中，对接头处所采用 “换、捣、垫、筛、匀、磨、紧、焊”手段进行综合整治，及时更换接头失效轨枕和不良夹板、加强捣固消灭空吊、枕下垫砟或枕上垫板、清筛处理道床翻浆冒泥、均匀调整不良轨缝、打磨修理钢轨、拧紧接头螺栓、焊补轨面擦伤和剥落掉块，及时消除小半径曲线的钢轨支嘴、鹅头、高低、水平、轨向不良等重点病害，确保小半径曲线接头处所状态良好，经常保持方向圆顺，轨面平顺，轨距不超限。

4.4 加强小半径曲线日常维修养护和检查

小半径曲线日常维修养护和检查要采取周期性检查和重点整修相结合的方式来进行。周期性检查要坚持“检重于修、检先于修”的原则，实行检修分开管理模式，认真执行各项定期检查制度、定期拨道制度和定期验收制度等，通过曲线地段每二根轨枕检查一尺加密检查设备，全面做好曲线正矢、超高、磨耗等技术资料的统计分析工作，真实掌握轨距、水平、高低、轨向、三角坑、轨距和水平的变化率等设备病害情况，及时查找原因，及时采取有效对策进行整治消除病害。

线路重点整修要遵照 “预防为主、防治结合、修养并重”的原则，本着“动查病害、静找原因、动静结合、保持均衡”方法，按线路设备各种变化的不同程度安排临时补修和经常性保养工作。在日常作业中严格控制维修作业过程质量，严格作业程序，消灭有害作业，落实记名修，严格责任考核，减少重复用工，提高作业效率。同时注意做到捣固作业与撤板相结合，全部撤除捣固作业地段钢轨下的调高垫板，加强超厚地段捣固，保证轨道弹性；做到改道作业与整正曲线正矢相结合，在改道作业中严格控制轨距值保持在(0，-1 mm)，轨距变化率不超过0.5‰，以保持曲线的圆顺度。在整治机车车载病害时，要重点关注病害的复合性，要综合考虑轨距、高低、水平、轨向、吊板、三角坑及轨距、水平的变化率等因素，对病害进行综合分析，有效预防和整治线路病害，有计划地补偿线路设备损耗，以取得较好的技术经济效益。