朔黃重載鐵路小半徑曲線病害成因分析及整治措施探析

王定舉

(朔黃鐵路發展有限責任公司,河北肅寧 062350)

1 概況

朔黃鐵路西起山西省神池縣，東至河北省黃驊港，正線總長585.441 km，設計為國家Ⅰ級干線、雙線電氣化重載鐵路。朔黃鐵路神池南至肅寧北段雙線電氣化重載鐵路1998年開始建設，2000年5月18日正式運營。朔黃鐵路二期工程肅寧北至黃驊港段單線2001年開始建設，2002年5月18日正式運營，復線于2004年10月建成通車。朔黃線上行為重車方向，下行為空車方向，自2000年開通以來，朔黃管內DK0～DK256區段上行重車線主要是R≤800 m的曲線地段鋼軌磨耗嚴重，從2002年開始對曲線外側鋼軌進行成段換軌，2002年～2003年更換采用PD3鋼軌或稀土軌，2004年更換采用PD3全長淬火鋼軌。2005年5月至2007年底，朔黃鐵路上行重車方向正線全部60 kg/m標準軌換鋪為75 kg/m無縫線路。朔黃管內DK0～DK256區段沿太行山的滹沱河峽谷修建，沿線地質構造復雜，屬典型山區小半徑鐵路，該段共有曲線181條計94.862 km，其中R≤600 m的75條計43.112 km，600 m800 m的69條計29.761 km。該段最小曲線半徑為400 m，上行重車方向坡度為4‰，下行空車方向坡度為12‰，隧道77座/66 339雙延米。朔黃鐵路年運量2006年達到1.13億t，逐年增長， 2012年年運量達到1.976億t，2013年計劃年運量達到2.34億t，隨著朔黃鐵路運量日益增大、2萬t列車試驗開行、30 t軸重機車上線運行，將會給小半徑曲線地段帶來更快更多的破壞，各種病害頻發幾率也將大大增加，小半徑曲線地段鋼軌病害日益頻繁嚴重。因此，深入分析小半徑曲線地段病害成因，并采取行之有效的措施來有效抑制病害發展并實現最終根治這些病害，保障朔黃鐵路行車安全尤為重要。

2 小半徑曲線常見病害

2.1 鋼軌傷損病害

朔黃鐵路DK0～DK256區段在2005年運量突破1億t，2007年上行重車方向正線全部60 kg/m標準軌換鋪為75 kg/m無縫線路以來，隨著累計通過總重的增長， 人工探傷發現的重傷鋼軌的數量也隨之增加(表1)，在2007年～2012年期間成段更換磨耗鋼軌(表2)，造成鋼軌使用壽命縮短，進而給防斷工作增加了壓力。

表1 朔黃鐵路DK0～DK256區段上行無縫線路2007年～ 2012年度人工探傷重傷鋼軌情況 根

依據表1統計資料，從線路平面分析，朔黃鐵路DK0～DK256區段上行無縫線路2007年～2013年8月探傷所發現824根重傷鋼軌中，有528根在R≤600 m的曲線上，占64%；有120根在600 m1 000 m的曲線上，占8.6%。說明75 kg/m軌地段鋼軌傷損仍以曲線地段為主，且主要分布在小半徑曲線上，因此小半徑曲線仍是防斷特別是探傷的重點。

表2 朔黃線DK0～DK256區段上行75 kg/m無縫線路2007年～2012年度鋼軌磨耗及換軌統計

經對表2更換磨耗鋼軌數量分析，2011年～2012年對DK0～DK256區段上行75 kg/m無縫線路進行大修更換。從更換磨耗鋼軌統計數據看，75 kg/m軌傷損的主要表現形式為:(1)曲線地段特別是小半徑曲線地段上股鋼軌的側磨嚴重；(2)小半徑曲線下股鋼軌的軌頂面壓潰變寬，尤其是R≤600 m小半徑曲線地段下股垂磨嚴重。

2.2 軌道幾何尺寸易超限

2.3 聯接零件易松動且破損率高

由于小半徑曲線上聯接零件承受的沖擊力和橫向作用力都比較大，在相同扭力矩情況下，小半徑曲線地段聯接零件更容易松動。尤其當沖擊力和橫向作用力達到一定值時，極易造成夾板及接頭螺栓折斷、混凝土枕立螺栓失效、軌距桿折斷、軌撐壓裂及離縫、尼龍座擠碎、軌枕擋肩破損、膠墊壓潰等病害。

3 小半徑曲線病害產生的原因分析

曲線運營條件和軌道結構屬于客觀因素，當列車在曲線地段運行時，在鋼軌上會產生豎直、水平縱向和水平橫向3個方向的力，由于鋼軌受力的影響，直接造成鐵路小半徑曲線的病害產生，使其在鋼軌、線路幾何尺寸、軌枕和道床等設備上極有可能產生變化，出現各種線路病害，從而給鐵路運輸安全造成一定隱患。

3.1 鋼軌傷損的原因

朔黃鐵路上行重載線在2005年以來換鋪75 kg/m鋼軌無縫線路，軌枕仍按1 840根/km配置Ⅱ型鋼筋混凝土枕，Ⅱ型彈條，并且部分小半徑曲線地段道砟不足，達不到標準斷面道床標準，造成軌道強度及框架剛度偏弱，從現場觀測分析來看，朔黃鐵路小半徑曲線地段出現的主要病害是鋼軌側面磨耗、垂直磨耗及接頭損傷。朔黃線上行重載線因鋼軌側面磨耗每年更換量達40 km，主要是由于機車通過軌道曲線時，車輪在與鋼軌的接觸過程中會產生較大的橫向作用力，從而加劇鋼軌側面磨耗病害產生，造成鋼軌使用壽命大大縮短。與此同時，外軌超高與列車橫向水平力的不相適應，也造成鋼軌垂直磨耗病害產生。另外，朔黃線目前重載線年運量達2億t，日開行列車達到158對，其中萬噸列車30對，小半徑曲線地段在輪軌接觸疲勞和沖擊荷載作用下造成軌頂面嚴重的不平順，使鋼軌及軌道受力惡化，從而出現軌端或軌頂面剝落掉塊病害。

3.2 軌道幾何尺寸易超限的原因

由于機車通過軌道曲線時，車輪在與鋼軌的接觸過程中會產生較大的橫向作用力，特別是在小半徑曲線地段加劇鋼軌側面磨耗病害產生，隨著鋼軌側磨增大而逐漸加劇，導致小半徑曲線地段的軌距和正矢容易發生變化而難以保持，造成維修工作量加大。在小半徑曲線地段維修作業由于人工作業方法不當，采用由曲線一端向另一端簡易法撥道，容易將撥道誤差積累于曲線的另一端，或是采用目測粗撥緩和曲線的方法，將緩和曲線長期上挑，造成曲線首尾連接不良，形成曲線首尾反彎“鵝頭”。曲線超高設置應根據實際通過的列車對數和實際通過的車速來確定。而事實上車速和通過對數是在不斷變化、逐步增加的，超高數值的合理性很難確定。

3.3 軌道聯結零件松動、破損的原因

朔黃上行重載線上的小半徑曲線地段經常會發生軌道夾板及接頭螺栓折斷、混凝土枕立螺栓失效、軌距桿折斷、軌撐壓裂及離縫、尼龍座擠碎、軌枕擋肩破損、膠墊壓潰、螺栓扭力不足等現象，這主要是長期受到機車強大的橫向水平作用力而造成的。在日常維修保養工作中，小半徑病害的整治質量直接影響這些聯結零件的使用壽命，因此，考慮到設備更換頻率及維修費用等客觀要素，要高度重視軌道聯結零件的損壞率，并積極采取有效的整治措施，切實延長聯結零件的使用壽命。

4 小半徑曲線病害整治措施

針對朔黃線小半徑曲線病害的成因，通過現場摸索實踐，采取有效的措施加以整治，小半徑曲線地段的線路質量得到提升，確保鐵路行車安全。

4.1 強化小半徑曲線地段軌道強度及框架剛度

朔黃線上行重車線路目前年通過總重已超過2億t以上，并且萬噸列車大量開行，對軌道的要求越來越高。對此，朔黃線在軌道強度及框架剛度方面采取多項措施進行加強：在75 kg/m鋼軌小半徑曲線地段，將原Ⅱ型混凝土軌枕按標準更換為Ⅲ型混凝土軌枕，Ⅱ型彈條扣件，在半徑R≤600 m地段更換Ⅲ型軌枕將標準1 667根/km配置提高為1 760根/km進行加密布置，橋梁頭尾在原有橋枕布置基礎上，各自再延長鋪設橋枕25 m。同時，在小半徑曲線地段更換強度更高、更耐磨的合金鋼軌。

在小半徑曲線地段安裝軌距桿、地錨加固、軌撐等加強設備以確保軌道整體穩定性，具體安裝辦法為：半徑R≤600 m地段按5根枕木間距安裝1根拉桿，10 m間距設置1個鋼軌地錨，3根枕木間距在鋼軌外側安裝1個軌撐；600 m

4.2 調整小半徑曲線各部靜態幾何尺寸

4.2.1 及時正確改道，保持良好軌距

針對現場情況，如扣板離縫、鋼軌硬彎等，改正軌距不僅要做好防止動態軌距擴大，還要加強靜態軌距調整。在改曲線軌距時尤其注意軌距變化率，并留有一定余量，在日常養護中小半徑曲線地段應按每一根枕木來改軌距，在改道的同時修理和更換不良扣件，避免重復作業。

在整治小半徑曲線軌距病害時，要采取及時整修和集中整修方式，對超過臨時補修容許偏差管理值的軌距采取及時整修，對經常保養管理值的軌距按照周期變化進行集中整修。軌距整修一般應分3個階段實施。

第一階段：換軌初期。成段更換鋼軌時，軌距應保持在-1～+1 mm范圍內，即60 kg/m鋼軌及75 kg/m鋼軌，左股外側軌距擋板10號，擋板座號碼為2號，內側軌距擋板6號，擋板座號碼為4號；右股外側軌距擋板10號，擋板座號碼為2號，內側軌距擋板6號，擋板座號碼為4號。

第二階段：當鋼軌側磨達到10 mm左右時，軌距應保持在+6～-2 mm范圍內，即60 kg/m鋼軌及75 kg/m鋼軌，左股外側軌距擋板為10號，擋板座號碼為4號，內側軌距擋板6號，擋板座號碼為2號；右股外側軌距擋板為10號，擋板座號碼為4號，內側軌距擋板6號，擋板座號碼為2號。即是曲線普遍減小6 mm，達到改道目的。

第三階段：當鋼軌磨耗達到15 mm左右時，軌距應保持在+9～-4 mm范圍內，即60 kg/m鋼軌及75 kg/m鋼軌，左股外側軌距擋板為10號，擋板座號碼為6號，內側軌距擋板6號，擋板座號碼為0號；右股外側軌距擋板為10號，擋板座號碼為6號，內側軌距擋板6號，擋板座號碼為0號。即是曲線普遍減小4 mm，達到改道目的。至此時，鋼軌磨耗已超過輕傷標準，需準備備用鋼軌，當鋼軌即將達到重傷，且軌距也無法改回規定值時，及時安排更換新鋼軌。

4.2.2 調整小半徑曲線正矢

小半徑曲線地段，由于長期所受外力作用，會造成曲線ZH、HY、QZ、YH、HZ點的正矢不易保持，曲線五大樁的位置或多或少發生位移。故在撥正曲線正矢前，要用經緯儀準確測定曲線ZH、HY、QZ、YH、HZ點的正確位置，準確測量現場正矢，計算出撥道量，采用小半徑曲線10 m弦長，加密正矢點，以提高撥道精度。整正曲線按繩正法原理計算撥道量，計算時不宜為減少撥道量而大量調整，設置撥道樁，按樁撥道，并將“起、搗、撥、改”等方法與正矢遞增或遞減、矯直鋼軌硬彎、更換失效聯結零件、加寬曲線外股道床、堆高砟肩等方法進行綜合應用。同時在小半徑曲線地段要及時預防與整治曲線“鵝頭”， 設置合適的緩和曲線長度以及超高和軌距加寬的遞減；在小半徑曲線頭尾要保證足夠的道床厚度和寬度，并加強道床夯實，使軌道方向穩定。

4.2.3 合理設置超高

小半徑曲線超高設置時，要通過車載式軌道動態監測系統測量行車速度，科學計算出機車運行的平均速度，并依此計算設置超高，按5 mm的倍數現場標記。朔黃管內有C64、C70、C80貨車以及軌道車混跑，在通過小半徑曲線地段的行車條件有較大變化，每年利用大型機械對管內小半徑曲線進行超高設置和曲線的超高順坡，并將實設超高按計算的超高減少10%～15%進行操作，經現場測試較為合理，外股鋼軌的側面磨耗能有不同程度的減輕，里股鋼軌的肥邊能有所減小，有利于減緩曲線磨耗。同時許多小半徑緩和曲線限于山區地形條件不能延長，造成超高順坡距較短。為減小或避免列車從直線進入圓曲線時，由于離心力所引起的急劇沖擊，造成列車搖晃、鋼軌磨損，在緩和曲線前方直線上，保持外軌水平高出內軌3～4 mm。在特別困難條件下，加高緩直點的超高3～4 mm，然后向直線至少5 m范圍內進行順坡處理。

4.3 整治小半徑曲線地段鋼軌重點病害

4.3.1 銑磨鋼軌

小半徑曲線日常養護時要綜合修理鋼軌病害，對擦傷、掉塊、壓潰、馬鞍形磨耗軌及時打磨處理。朔黃線自2010年以來采用自購銑磨車銑磨鋼軌，對每30～40 Mt通過總重的小半徑曲線鋼軌采取周期性預防性打磨，采用非對稱鋼軌打磨斷面，降低輪軌接觸應力，有效地消滅波磨軌和下股疲勞裂紋及肥邊，保持鋼軌踏面平順度，提高列車曲線通過能力，從而減輕鋼軌接觸疲勞傷損。

4.3.2 鋼軌涂油作業

整治小半徑曲線病害時，要對積累的有關觀測資料進行總結、分析， 合理制定機車涂油周期，適時采用鋼軌涂油作業辦法來減少輪軌之間的滑動阻力，有效減輕鋼軌磨耗，延長曲線鋼軌使用壽命。

4.3.3 綜合養護鋼軌接頭

對小半徑曲線接頭病害，要做好預防和整治工作，通過綜合維修改善道床彈性。在維修保養工作中，對接頭處所采用 “換、搗、墊、篩、勻、磨、緊、焊”手段進行綜合整治，及時更換接頭失效軌枕和不良夾板、加強搗固消滅空吊、枕下墊砟或枕上墊板、清篩處理道床翻漿冒泥、均勻調整不良軌縫、打磨修理鋼軌、擰緊接頭螺栓、焊補軌面擦傷和剝落掉塊，及時消除小半徑曲線的鋼軌支嘴、鵝頭、高低、水平、軌向不良等重點病害，確保小半徑曲線接頭處所狀態良好，經常保持方向圓順，軌面平順，軌距不超限。

4.4 加強小半徑曲線日常維修養護和檢查

小半徑曲線日常維修養護和檢查要采取周期性檢查和重點整修相結合的方式來進行。周期性檢查要堅持“檢重于修、檢先于修”的原則，實行檢修分開管理模式，認真執行各項定期檢查制度、定期撥道制度和定期驗收制度等，通過曲線地段每二根軌枕檢查一尺加密檢查設備，全面做好曲線正矢、超高、磨耗等技術資料的統計分析工作，真實掌握軌距、水平、高低、軌向、三角坑、軌距和水平的變化率等設備病害情況，及時查找原因，及時采取有效對策進行整治消除病害。

線路重點整修要遵照 “預防為主、防治結合、修養并重”的原則，本著“動查病害、靜找原因、動靜結合、保持均衡”方法，按線路設備各種變化的不同程度安排臨時補修和經常性保養工作。在日常作業中嚴格控制維修作業過程質量，嚴格作業程序，消滅有害作業，落實記名修，嚴格責任考核，減少重復用工，提高作業效率。同時注意做到搗固作業與撤板相結合，全部撤除搗固作業地段鋼軌下的調高墊板，加強超厚地段搗固，保證軌道彈性；做到改道作業與整正曲線正矢相結合，在改道作業中嚴格控制軌距值保持在(0，-1 mm)，軌距變化率不超過0.5‰，以保持曲線的圓順度。在整治機車車載病害時，要重點關注病害的復合性，要綜合考慮軌距、高低、水平、軌向、吊板、三角坑及軌距、水平的變化率等因素，對病害進行綜合分析，有效預防和整治線路病害，有計劃地補償線路設備損耗，以取得較好的技術經濟效益。

5 結語

按照以上方法對管內小半徑曲線進行綜合整治，軌道幾何尺寸得到有效保持，軌道框架剛度得到有效提高，鋼軌磨耗現象明顯減少，延長了換軌周期，降低了維修成本，效果十分明顯。經軌檢車檢測，車體水平加速度和垂直加速度超限值明顯降低，線路質量優良，保證了設備和行車安全。

[1] 黃明雄.山區鐵路小半徑曲線鋼軌傷損分析[J].鐵道標準設計，2002(7):23-25．

[2] 黃為.山區鐵路小半徑曲線鋼軌接頭病害綜合整治技術[J].鐵道標準設計，2006(9)：15-17．

[3] 國際重載協會.國際重載鐵路最佳應用指南-線路施工與運營維修[M].北京:中國鐵道出版社，2011．

[4] 徐小龍.小半徑曲線脫軌原因分析及對策措施[J].鐵道標準設計，2003(2)：3-5．

[5] 中華人民共和國鐵道部.鐵路線路修理規則[M].北京:中國鐵道出版社，2006．

[6] 中華人民共和國鐵道部.鐵路工務安全規則[M].北京:中國鐵道出版社，2006．

[7] 高聯軍.山區小半徑曲線無縫線路的養護[J].鐵道建筑，2004(8):79-80．

[8] 張建效.淺談小半徑曲線的養護維修[J].內蒙古科技與經濟，2012(13)：100-101．

[9] 中華人民共和國鐵道部.TB10001—2005 鐵路路基設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2006．

[10] 荊泰.鐵路小半徑曲線日常維修遇到的病害及整治措施探討[J].科技情報開發與經濟，2010(20):202-204．

[11] 孟憲洪.重載鐵路小半徑曲線鋼軌減磨措施試驗研究[J].中國鐵路，2013(5):37-41．

[12] 姚剛.小半徑曲線軌距超限及整治[J].鐵道運營技術，1997(3)．