客貨混跑鐵路重載運輸對軌道設備的影響分析及強化措施

王建強，楊 毅

(呼和浩特鐵路局總工程師室，呼和浩特 010010)

1 概述

京包線大同至包頭段(以下簡稱大包鐵路)呼鐵局管轄正線約421 km，該段鐵路為客貨混運線路，客車最高速度為120 km/h，2007年開行載重80 t級的C80型萬噸重載列車，目前，每天開行萬噸重載列車約50對，萬噸重載列車已實現主型化，運量從2000年的0.54億t增長到2010年的2億t。大包鐵路上行線年運量、牽引質量已超過重載鐵路的標準，為客貨混運重載鐵路。國外主要重載鐵路及國內的其他2條重載鐵路(大秦鐵路、朔黃鐵路)均為貨運專線鐵路，與其他重載鐵路相比，大包鐵路軌道設備現狀以及運輸模式明顯不同。通過對大包鐵路軌道設備病害的調查、分析，并結合鐵道科學研究院的試驗結論和當前的維修養護工作，提出C80萬噸重載列車通道上軌道的強化改造對策和參考結構標準。

2 設備病害的表現形式

大包線為有砟軌道，隨著萬噸重載列車的開行，軌道設備在大修周期內已出現較為嚴重的傷損，隨著運量的增加，線路的養護維修天窗明顯縮短，軌道設備傷損顯著增加，質量狀態惡化，與運輸需要相比，軌道設備已顯薄弱，對安全運營造成了一定的隱患。通過定點觀測分析，具體表現為:軌道幾何尺寸變化較快、鋼軌傷損周期縮短，增速較快、曲線鋼軌傷損加劇及軌枕傷損增多等，同時曲線地段也出現了明顯的橫移。

2.1 軌道幾何尺寸變化較快

軌道的變形與列車荷載相互影響，列車的重復振動荷載使線路產生變形，線路變形后產生的軌面不平順致使列車對線路的沖擊破壞加劇，加之列車運行的密度不斷增大，這種相互影響更大，造成軌道幾何尺寸變化頻率加快。

2.2 鋼軌傷損增速較快，探傷周期內探測難度增大

萬噸重載列車開行后使重傷鋼軌傷損周期縮短，增速較快，特別是C80萬噸重載列車開行以來，近半年時間，重傷鋼軌數量幾乎達到剛開行時的1倍。萬噸重載列車開行以前，探傷組在1個檢查周期范圍內，完全可以監控鋼軌傷損的發展情況，但現在按照1周的鋼軌探傷周期都難以探測。

2.3 曲線受到的沖擊破壞

2.3.1 磨耗加劇

(1)曲線半徑為600 m左右的小半徑曲線鋼軌側磨速率加快，撞道現象增多，軌距及軌距變化率不易保持，造成小半徑曲線上股鋼軌的使用壽命縮短。

(2)曲線半徑800 m＜R＜1 000 m的鋼軌也開始出現磨耗。

如大包上行線K464+888 m～K465+314 m(R=930)曲線，2008年11月以前檢查只有磨耗跡象，磨耗不足1 mm，2009年2月檢查發現磨耗達到4 mm。曲線地段3個月鋼軌側磨情況見圖1。

2.3.2 曲線內撞道處所增多，維修周期縮短(圖2)

據現場調查，在曲線內撞道處所較以前增多，維修周期從15 d縮短為3～4 d。

2.3.3 小半徑曲線軌枕螺桿折斷數量增多(圖3)

檢查發現大包線K543+64～K543+69(正矢點號)間曲線下股里外口共折斷螺桿22根，里口連續折斷最多4根。這樣的現象在重載列車開行之前是沒有的。

圖1 曲線地段3個月鋼軌側磨

圖2 撞道

圖3 軌枕螺桿折斷

2.3.4 軌距桿折斷數量增多(圖4)

2.3.5 曲線內彈條折斷數量增加(圖5)

圖5 曲線下股里外口彈條折斷

2.3.6 曲線補修工作量加大，2次補修間隔時間縮短

曲線補修工作量加大，曲線補修周期由原來的每周補修1次變為現在的每3～4 d補修1次。主要的作業內容為改道、復緊聯結零件，整治較大的水平。

2.3.7 小半徑曲線下股鋼軌的串動

2.4 接頭病害(圖6、圖7)

圖6 接頭冒泥

萬噸重載列車對線路接頭沖擊較大，接頭處隨之發生的道床翻漿冒泥、坍塌泛白，軌端扎傷掉塊明顯增多，幾何尺寸難以保持，造成動態報警較多，占到60%以上。

2.5 軌枕傷損增多(圖8、圖9)

圖7 接頭掉塊

圖8 接頭失效軌枕

圖9 軌枕連續透灰

接頭處軌枕破壞較為明顯，原有傷損的混凝土軌枕，在車輪的沖擊作用下，傷損發展更為明顯。木枕道岔鐵墊板嵌入枕木的現象較多，特別是重載列車通過的接頭處所。2010年5月檢查發現大包上行線K574曲線地段軌枕出現軌枕中間裂紋透灰的現象。

3 主要病害的統計分析

3.1 鋼軌傷損嚴重

(1)鋼軌重傷主要為核傷，2010年大包上行線鋼軌重傷130處，其中核傷81處，占62.3%;鋼軌折斷同比有所增加，且斷軌發展速度加快。

(2)鋼軌螺孔裂紋發展速度急劇加速，日平均裂紋速度高達2.9 mm/d。

(3)鋼軌掉塊明顯增加，鋼軌接頭傷損嚴重。

(4)鋼軌疲勞壽命明顯縮短。

大包線K561～K591區段直線鋼軌重傷統計見表1，該區段2009年9月鋪軌，至2011年4月，共發現重傷鋼軌29處，累計通過總重3.81億t時，鋼軌累計重傷率為2.22處/km。重傷鋼軌失效概率可擬合為F(t)=1-e-［t/337.91]1.5809，可以預測，在累計通過總重800 Mt時，鋼軌疲勞重傷的可靠度為90%，預測重傷率達7.94根/km，鋼軌疲勞重傷壽命預測見圖10;而一般考慮鋼軌疲勞重傷發展的可靠度為97.5%，即每km疲勞重傷失效率僅為2根。

表1 大包線K561～K591區段直線鋼軌重傷統計

可見在目前的運輸條件下，對于既有鐵路的60 kg/m鋼軌，在25 t軸重貨物列車運行條件下，鋼軌的疲勞壽命已明顯縮短，明顯不適應大軸重貨物列車的運輸要求。

圖10 鋼軌疲勞壽命預測

3.2 曲線鋼軌磨耗嚴重

小半徑曲線鋼軌磨耗明顯加快。R=800 m的曲線上股鋼軌側磨加速，下股壓潰、魚鱗傷損嚴重。曲線月平均側磨量在2.0～2.5 mm。據統計，大包線K424+091～K424+782處的R=600 m半徑曲線，2009年10月換軌，至2010年7月側磨最大值達14 mm，2010年10月就因磨耗到限而下道，鋼軌磨耗壽命不足240 Mt。

3.3 曲線地段軌道橫移明顯

據對大包線直線段K539+850～K540+600、曲線段K540+660～K541+410軌道橫移量1年的觀測統計，剔除個別數據突變觀測點，直線地段軌道橫移量一般在8 mm左右，曲線地段鋼軌橫移量高達20～30 mm。曲線地段的軌道橫移量大于直線地段。

3.4 軌枕傷損嚴重

(1)Ⅱ型及以下軌枕傷損嚴重。大包線約40%的Ⅰ型軌枕存在不同程度的裂紋、擋肩破損和螺桿拔出。Ⅱ型軌枕約5%出現了較為嚴重的斷裂、橫裂、縱裂以及擋肩破損。

(2)接頭處軌枕破壞較為明顯，原有傷損的混凝土軌枕，在車輪的沖擊作用下，傷損發展較為明顯。

(3)在R≤600 m區段，雖然已采用了地錨拉桿、軌撐等加強措施，Ⅲ型軌枕擋肩出現破損。因而針對客貨混運重載鐵路，在R≤600 m區段，應對軌道結構進行強化。

3.5 軌道部件疲勞傷損數量明顯增加

(1)尼龍底座擠壓失效速率加快，尤其是曲線上股外口擋肩，由于列車橫向沖擊增加，尼龍擋座擠壓失效速率加快，2009年，集寧工務段對半徑小于600 m曲線地段尼龍擋座每年更換1次，進入2010年以來，磨損、擠壓變薄半年即需更換1次。

(2)膠墊磨損壓潰加快，受客貨混跑條件制約，曲線超高設置難以同時兼顧，曲線下股膠墊磨損、壓潰速率加快。集寧工務段對半徑小于600 m曲線地段膠墊每半年更換1次，半徑為600～800 m曲線下股膠墊使用周期也不足1年。

(3)彈條松動斷裂現象明顯增多。具體數量見圖11。

圖11 扣件零部件更換數量對比

4 試驗結果分析及結論

鐵道科學研究院于2011年7月對大包線的R=600 m曲線進行了動態試驗，試驗結果見表2。

表2 大包線曲線試驗結果

(1)R=600 m曲線地段脫軌系數最大值為0.63，小于安全評判值。但明顯大于神朔線R=500 m、大秦線R=600 m曲線的測試結果，安全儲備量降低。

(2)輪軌橫向力最大值90.0 kN，且導向軸輪軌橫向力大于50 kN所占比例較大，為11.8%～22.5%。

(3)鋼軌軌頭橫移以及軌距擴大分別為4.25 mm和8.04 mm，已超過軌道動態不平順管理值Ⅰ級保養標準的要求。說明鋼軌的傾翻比較明顯，這會顯著增加彈條的受力，會造成彈條傷損甚至斷裂。

(4)R=600 m曲線地段(Ⅱ型枕)道床橫向阻力實測值分布范圍為7.1～9.8 kN/枕，平均值小于標準要求。

(5)小半徑區段脫軌系數、軌頭橫移、軌距擴大明顯增加，外軌橫向力明顯增大。對軌道的破壞較為嚴重，幾何狀態惡化，對安全運營帶來了一定的隱患。

強化小半徑曲線軌道結構，采用合理的超高設置，優質高強度鋼軌、鋼軌潤滑以及打磨等措施，提高軌道結構的承載能力，同時應加強曲線的養護維修，保持其軌道幾何狀態在規定范圍之內。

5 軌道的強化改造對策

5.1 鋼軌

(1)國外年運量超過100～150 Mt的重載鐵路一般均采用68 kg/m及以上鋼軌。國內大秦鐵路年運量雖已達400 Mt，但在運量未超過2億t時，已將60 kg/m鋼軌逐步更換為75 kg/m鋼軌，朔黃鐵路年運量為200 Mt左右，重車線已全部更換為75 kg/m鋼軌。

(2)重載鐵路大軸重、大運量的運輸特點，要求重載鐵路鋼軌具有高的抗疲勞性能、高耐磨性能和良好的焊接性能。鋼軌硬度的提高，能明顯提高鋼軌的耐磨性能，因此在重載鐵路的曲線地段，一般采用高強度、高硬度的熱處理鋼軌。良好的焊接性能則是要求能提高焊接接頭軌面的硬度，同時減少鋼軌焊接過程中出現灰斑等內部缺陷的機率。

(3)國內相關單位研制了可適用于重載鐵路的優質鋼軌，其中包括攀鋼生產的75 kg/m PG4鋼軌，鞍鋼生產的U77MnCr、U75V鋼軌。

(4)結合上述3種優質鋼軌的技術性能以及大秦、朔黃鐵路的使用效果，建議客貨混跑重載運輸鐵路的軌道設備采用75 kg/m鋼軌，R≤1 200 m曲線段采用熱處理鋼軌。

5.2 軌枕

(1)鑒于大包線的Ⅲ型枕雖然已經出現部分傷損，但是裂縫寬度普遍不大，而且占軌枕總數的比例較低，因此，建議大半徑以及直線地段仍然采用Ⅲ型枕。

(2)R≤600 m曲線段建議采用新型重載軌枕(Ⅳ型軌枕)，以提高道床橫向阻力，增強線路穩定性。

根據軌枕設計方法、主要參數及有關資料可知:IV型軌枕較Ⅲ型枕軌下截面和枕中截面的承載能力分別提高了44.4%和32.4%，道床橫向阻力提高5%.

5.3 扣件

(1)強化扣件方案

結合大包線既有扣件使用情況，重載列車荷載頻繁作用下彈條松弛嚴重，由于行車密度大，又沒有彈條復擰的作業時間，使得扣件狀態不良，影響軌道的工作狀態。既有線強化扣件應用在Ⅲ型枕上，即維持既有扣件的整體結構，對個別部件進行強化以提高彈條扣壓力的保持能力，增大抗鋼軌傾翻能力并減少養護維修工作量。

①彈條強化:彈條加粗加寬，能增大彈條的扣壓力。

②橡膠墊板強化:既有扣件橡膠墊板壓潰現象嚴重，直接造成彈條扣壓力衰減。對橡膠墊板結構進行強化，保持橡膠墊板的剛度，增大其兩側剛度，提高抗鋼軌傾翻能力。

③軌距擋板強化:適當加大軌距擋板寬度，已安裝強化后的彈條。同時配套加長擋座板，降低擋座板承壓力，減緩對軌枕擋肩的作用。

(2)使用彈性軌撐方案。

(3)新型Ⅳ型軌枕采用彈條Ⅵ型扣件。

5.4 道床

(1)提高道床質量，改善道砟材質和粒徑級配。

(2)在曲線地段可采取在路基上安裝擋砟塊，可以有效提高道床橫向阻力，防止軌排橫移。

5.5 曲線超高

(1)大包線R=600 m曲線均衡速度為55.3～79.7 km/h，R=800 m曲線的均衡速度為73.6～92.1 km/h。萬噸重載列車通過曲線時，過超高達80 mm以上。

(2)建議對曲線超高進行適當調整，過超高一般控制在30 mm以內，最大不超過35 mm，而欠超高一般可控制在90 mm以內。

(3)R=800 m曲線超高設置為30～125 mm。可將超高調整為60～65 mm，則過超高分別降低至17.1～34 mm，而欠超高均未超過90 mm。由于萬噸重載列車的速度較低，可適當降低曲線的最高限速，可根據區段列車的通過速度，將R=800 m曲線最高限速規定至100 km/h。

6 結語

本文給出了客貨混跑條件下重載鐵路的軌道結構參考標準，對其他鐵路也有一定借鑒作用，具體到不同運輸組織形式的鐵路，應當針對鐵路自身的定位，以科學嚴謹的工作態度，認真研究、比選，務求找到經濟合理、適應性強的軌道結構標準，為鐵路運輸安全打下堅實基礎。

［1]劉增杰，吳敬樸，孫家林.我國重載鐵路軌道結構破壞的特點及對策研究［C].鐵道科學技術新發展-鐵道科學研究院五十五周年論文集，2005:153-156.Liu Zengjie，Wu Jingpu，Sun Jialin.China's heavy rail track structure damage characteristics and countermeasures［C].Railway science technology new development of Railway Science Research Institute fifty-five Anniversary Symposium，2005:153-156.

［2]李云川.淺談重載鐵路的養護維修［J].科技情報開發與經濟，2007(2):11-14.Li Yunchuan.Discussion on the maintenance and repair of heavy haul railway［J].Sci tech information development and economy，2007(2):11-14.

［3]楊德修.重載鐵路運輸軌道結構面臨的主要問題及強化措施［J].鐵道標準設計，2005(12):10-12.Yang Dexiu.The heavy-haul transport tracks and the measures for strengthening the main problem［J].Railway Standard Design，2005(12):10-12.

［4]王志忠.關于重載高密度運輸中工務病害養護的思考［J].鐵道建筑技術，2007(2):6-8.Wang Zhizhong.About heavy high density transportation maintenance works on disease［J].Railway Construction Technology，2007(2):6-8.

［5]張文生.重載鐵路的最新養護與維修技術［J].內蒙古科技與經濟，2010(7):12-14.Zhang Wensheng.Heavy haul railway latest maintenance and repair technology［J].Inner Mongolia Science Technology and Economy，2010(7):12-14.

［6]李洪斌.張唐鐵路主要技術標準研究［J].鐵道標準設計，2011(7):4-8.Li Hongbin.Zhang Tang railroad is main technical standard［J].Railway Standard Design，2011(7):4-8.

［7]田寶紅.大秦線2億t重載擴能改造工程及軌道設計標準淺析［J].鐵道標準設計，2005(3):9-11.Tian Baohong.200000000 t heavy haul capacity expansion renovation project and the design standards of track［J].Railway Standard Design，2005(3):9-11.

［8]錢立新.國際鐵路重載技術發展水平［J].鐵道運輸與經濟，2003(8):12-14.Qian Lixin.International railway heavy haul technology development level［J].Railway Transport and Economy，2003(8):12-14.

［9]錢立新.世界鐵路重載運輸技術的最新發展［J].中國鐵道科學，2003(3):9-11.Qian Lixin.World railway heavy haul transport technology latest development［J].China Railway Science，2003(3):9-11.

［10]曾樹谷.重載軌道結構的動力試驗［J].鐵道學報，1998(10):26-30.Ceng Shugu.Heavy-duty track structure dynamic test［J].Journal of the China Railway Society，1998(10):26-30.

［11]鐵道部經濟規劃研究院.TB10082—2005.鐵路軌道設計規范［S].北京:中國鐵道出版社，2005.Economic and Planning Research Institute of MOR.TB10082—2005 code for design of railway track［S].Beijing:China Railway Publishing House，2005.

［12]陳秀方.軌道工程［M].北京:中國建筑工業出版社，2005.Chen Xiufang.Railway Engineering［M].Beijing:China Building Industry Press，2005.