地鐵小半徑曲線鋼軌磨耗的防治措施

陸 云

（中鐵上海設計院集團有限公司，200072，上海∥高級工程師）

小半徑曲線地段鋼軌磨耗伴隨地鐵的誕生和發展一直存在。與鐵路不同，地鐵穿越市中心，對環境保護的要求較高，因此軌道結構采用了大量的減振設計。隨著減振型軌道結構在地鐵線路上的廣泛應用，鋼軌出現了異常波磨。一線城市如北京、上海和廣州等城市對鋼軌磨耗特別是波磨作了大量的現場測試、統計分析和理論計算，采取了防治措施，收到了一定的效果。二、三線城市地鐵建設方興未艾，小半徑曲線地段鋼軌磨耗需引起重視。本文調研了國內主要城市在鋼軌磨耗防治方面的先進經驗和存在的問題，基于工程全壽命周期提出了地鐵小半徑曲線鋼軌磨耗的前置性預防和后期治理建議。

1 小半徑曲線線路鋼軌傷損特點

1.1 鋼軌側磨明顯

因受環境制約，較多地鐵線路采用小半徑曲線，且存在豎緩重疊、大坡道等復雜工況，加之運營過程中采用同類車輛、固定軸重、固定速度，這些因素導致小半徑曲線鋼軌磨耗較為嚴重。地鐵鋼軌損傷主要表現為接觸疲勞裂紋、剝離掉塊、曲線上股鋼軌側磨、曲線下股鋼軌頂面波磨、軌頭壓潰等。對于小半徑曲線線路，鋼軌側磨是決定鋼軌壽命的主要因素，因為鋼軌側磨引起的換軌周期往往短于正常的換軌周期。根據有關資料，北京地鐵因鋼軌側磨導致最短的換軌周期為4年，鋼軌側磨的最大速率為5.33 mm/月［1］；而極端情況如上海軌道交通1號線的漢中路站—上海火車站站區段，該區段線路的最小曲線半徑為300 m，鋼軌的使用壽命短的僅6個月左右［2］。

1.2 鋼軌波磨異常

地鐵線路軌道結構減振的要求日益提高，因此軌道結構采用了大量的減振設計。在減振軌道結構中，由于經濟性、施工便利性和可維護性，減振型扣件得到了廣泛應用。隨著減振型扣件的大量使用，在鋪設有減振型扣件的區段，產生了鋼軌波磨異常。北京地鐵4號線，全線采用多種形式的減振軌道結構，線路開通運營1個月，鋼軌即出現異常波磨，鋼軌異常波磨的波長在60 mm左右［3］。GB 50157—2013《地鐵設計規范》明確提出：采取減振工程措施時，不應削弱軌道結構的強度、穩定性及平順性［4］。

一線城市對地鐵小半徑曲線線路的鋼軌磨耗，特別是異常波磨越來越重視，并從設計、施工和維護方面探尋防治措施，取得了明顯效果。二、三線城市地鐵建設正處于快速發展階段，在工程實踐中對于小半徑曲線區段鋼軌磨耗的重視程度顯得不夠。西南地區某地鐵線路，于2016年下半年開通，8個月左右，即發現全線曲線半徑R≤500 m的小半徑曲線區段上股鋼軌出現了裂紋，并且短期內鋼軌損傷迅速擴大，發生了剝離掉塊，軌面間斷掉塊最長300 mm、最深3 mm。華東地區某正在建設的地鐵線路，R≤600 m的小半徑曲線區段總長占正線總長達38%（該指標一般在25%左右），而且還設有大量小半徑反向曲線，但個別區段反向曲線間夾直線長度短；小半徑曲線普遍存在豎緩重疊或豎圓重疊，個別還位于大坡道上。其中，有2個小半徑反向曲線的半徑為300 m，夾直線為25 m，分別位于25‰和27‰的大坡道上，而且豎圓重疊，線型極為復雜，施工和運營期均較難保證軌道幾何形位正確，其后期的鋼軌磨耗問題令人堪憂。

2 小半徑曲線線路鋼軌磨耗的影響因素

鋼軌磨耗成因復雜，涉及因素多，至今未能對其發生、發展機理取得共識［5］。影響鋼軌磨耗的主要因素為線路條件、走行部構造、輪軌黏著系數及運營條件。

（1）線路條件。曲線半徑、軌道剛度、軌道阻尼、軌道幾何參數都影響鋼軌磨耗。曲線半徑越小，輪軌間滑動幾率越大，鋼軌磨耗加劇；降低軌道豎向和橫向剛度，即增加軌道結構彈性，可減輕列車對軌道的沖擊作用，減緩鋼軌側磨；而低阻尼軌道容易形成鋼軌波磨；軌道幾何參數如超高、軌距、軌底坡等對鋼軌的側磨和波磨的影響比較復雜，不能一概而論。

（2）走行部構造。輪對軸和一系彈簧的剛度、輪緣摩擦系數過小，及軸重過大等易促進波磨形成和發展。

（3）輪軌黏著系數降低，易促進波磨形成和發展。

（4）運營條件。不同的車型，其走行部性能差異較大，若混跑則波磨不易加劇，反之則鋼軌易形成波磨。在曲線區段，通過某種速度的列車數量明顯較多，則該區段（如車站附近、長大坡道、限速段）的鋼軌易形成波磨。

3 鋼軌磨耗的防治措施

地鐵線路因小半徑曲線多、線型復雜、車型和速度單一等，影響鋼軌磨耗的4個因素普遍存在，鋼軌磨耗無可避免，但采取一定的措施則可減緩鋼軌磨耗。其防治措施可分為后期治理和前置性預防。在地鐵發展初期對鋼軌磨耗的后期治理給予了較多研究，近期則越來越重視鋼軌磨耗的前置性預防。科技人員長期致力于防治小半徑曲線線路鋼軌磨耗的研究和測試，并在主要方面取得共識。

3.1 鋼軌磨耗的治理措施

3.1.1 鋼軌涂油

鋼軌涂油已廣泛應用于地鐵，其減磨效果得到業內普遍認可。上海城市軌道交通曾對13個曲線區段的鋼軌涂油效果進行分析，鋼軌涂油不僅可降低鋼軌側磨速率80%以上，對內股鋼軌波磨和頂面剝離亦有抑制作用。北京地鐵經驗表明，在特定曲線區段，鋼軌涂油可使鋼軌側磨速率由5.33 mm/月減緩為1.3 mm/季。廣州地鐵經驗認為，鋼軌涂油可大大降低鋼軌波磨發展［6-7］，尤其適用于不依靠輪軌摩擦力作為牽引力的直線電機線路，鋼軌涂油不會影響直線電機線路的運營安全。

鋼軌涂油要注意以下事項。

（1）把控出油量。鋼軌涂油的難點在于油量控制，油量過少，起不到減磨效果；油量過多，則影響列車制動和牽引。國外涂油技術較為成熟，美國和加拿大采用電子涂油器，油脂輸出量可保持恒定。美國運輸試驗中心用簡單的量規來檢查鋼軌內側面和軌距角處的涂油狀態，以控制涂油量。國內對涂油工藝還缺乏深入、系統的研究［8］，曾發生過因涂油過多而使列車無法制動的情況。對涂油量的控制應引起重視并作深入研究。

（2）在超聲波探傷前應中止涂油或去除油脂。

（3）對于已出現裂紋的鋼軌，如果涂油，則油脂可能通過裂紋進入鋼軌根部，進而促進裂紋發展、加速剝離，故鋼軌出現裂紋時應停止涂油，裂紋磨掉后方可恢復涂油。

3.1.2 合理選擇軌道基本參數

就軌道基本參數對鋼軌磨耗來說，軌距、超高和軌底坡是最主要的參數。不合理軌道參數值會使軌輪接觸不良，加速鋼軌磨耗。國內外有大量關于這方面的理論計算和分析，國內各城市的地鐵運營管理部門做了較多現場測試和統計分析，各地取得的結論略有不同。上海的測試與理論比較吻合，比如，過高的超高和過大的軌距對鋼軌側磨不利。上海城市軌道交通建設早期，設計階段考慮了一定的欠超高，也是基于現場測試分析結論。廣州地鐵5號線的測試分析卻得出了相反的結論，即大量的過超高有利于減少鋼軌側磨。

軌道幾何參數對鋼軌磨耗的影響比較復雜，不能一概而論。小半經曲線區段輪軌受力復雜，如欲通過調整軌道基本參數而進行磨耗治理時，應以現場實測和統計分析數據為準。

3.2 鋼軌磨耗的預防性措施

鋼軌涂油和調整軌道參數，對鋼軌磨耗治理確有效果，但治標不治本，優化線路和軌道設計、提高施工質量及精度、鋼軌預打磨等才是防治鋼軌磨耗的根本。前置性鋼軌防磨措施雖然會增加軌道建設初期投入，但地鐵乃百年工程，建成后如再整改，則所花費用可能是一次性投資的數倍，故對鋼軌磨耗采取防患于未然的預防措施，從全壽命周期來看是合理的，也是具有良好的經濟效益的。

3.2.1 線路設計的前置性預防

小半徑、豎緩重疊、反向曲線、大坡道和夾直線過短等線路設計使輪軌受力復雜［9］，施工和養護期均難做到和保持軌道幾何形位的正確，必然促使鋼軌磨耗的產生和發展。軌道專業在設計階段應及早介入線路設計，從預防鋼軌磨耗和工程全壽命周期出發，盡量避免采用小半徑曲線和復雜線型。

3.2.2 軌道設計方面的預防措施

3.2.2.1 軌道減振設計

為治理振動和噪聲，采用了大量的減振型軌道結構，軌道減振從特殊措施已變為常用技術。如上海軌道交通14號線，減振型軌道占線路總長的86%。各類減振軌道均帶來不同程度的鋼軌波磨，其中尤以減振型扣件地段為甚。現場測試和理論分析表明，減振型扣件因剛度低，致使鋼軌變形較大，引起鋼軌異常波磨。據調查，各類減振型扣件均存在鋼軌異常波磨問題［9］。減振型扣件能夠引起鋼軌異常波磨這一情況已得到高度重視：北京地鐵相關標準規定減振產品設計“應慎用扣件類減振措施”；上海地鐵在R＜800 m的曲線區段和道岔區不采用剪切型減振器；烏魯木齊地鐵全線均不采用扣件減振。《地鐵設計規范》對減振軌道明確規定：采取減振工程措施，不應削弱軌道結構的強度、穩定性及平順性［10］。

減振型扣件因投資較低、有一定減振性，目前仍然被大量用于地鐵線路中等減振地段。減振扣件需綜合考慮減振、防磨和經濟因素，減振型扣件應合理確定其彈性和阻尼，不能一味追求低剛度，應采取扣件間距加密等措施。

3.2.2.2 軌道優化和創新設計

20世紀90年代以來，國內軌道交通迅猛發展，從提高施工精度和減少養護維修出發，軌道技術人員對軌道結構設計進行了持續的優化和創新。

（1）選用長軌枕整體道床。在地鐵建設早期，長枕式和短枕式整體道床在不同城市均有采用。長枕埋入式道床整體性好，軌道框架剛度大，施工精度易保證。經多年實踐，短軌枕整體道床施工精度難以保證的缺點日益凸現，早期部分采用短軌枕整體道床的城市皆紛紛改用長軌枕整體道床。目前長軌枕整體道床已成主流。

（2）高鐵預制板式軌道的吸收和創新。高鐵軌道的新技術首先體現在板式軌道的設計上。上海率先在高鐵CRTSⅢ型板的基礎上研發了適用于地鐵的預制板式軌道，軌道標準化設計和工廠預制化創新技術大大減少了現場施工作業量，為提高施工質量創造了條件。

3.2.3 施工工藝和精度控制方面的預防措施

（1）無縫線路鋼軌焊接。上海城市軌道交通關于無縫線路鋼軌焊接的經驗教訓值得關注。以2006年為分界點，之前均采用廠焊；之后，在4號線上首次采用現場焊，隨即在8、9號線上推廣使用。此后，現場焊成為國內地鐵無縫線路主流焊接方法。上海申通地鐵集團有限公司于2009對上海各條運營線作了調查分析。調查資料顯示，從運營開始直至2009年，廠焊焊頭均無傷損記錄，現場焊則存在較多不足。目前，上海在有條件的前提下均優先采用基地焊接長鋼軌，以控制焊接接頭質量；而國內其他城市往往一概采用現場焊。上海軌道交通鋼軌焊接從“現場焊”回歸到“基地焊”之歷程值得借鑒，施工應統籌考慮便利、經濟和質量，在有條件的前提下應盡量采用基地焊，從源頭上保證軌道原始平順度。

（2）CPⅢ網和軌道精調。CPⅢ網是我國高鐵一項成熟技術，將CPⅢ網高鐵精密測量技術引入城市地鐵建設與運營管理中，融合、改進和再創新傳統的地鐵測量方法與軌道施工工藝，可使軌道在建設階段即達到高平順性，實現減振、降噪、減少輪軌磨耗并延長設備使用壽命的目的。該項技術已在上海、北京等地開展工程實踐。

3.2.4 鋼軌打磨方面的預防措施

鋼軌預打磨是指鋼軌鋪設后、線路正式開通運營前對新鋪鋼軌進行打磨。其作用是磨去鋼軌軌面的脫碳層以及施工中造成的鋼軌表面傷損，同時形成要求的打磨廓面，改善輪軌接觸狀態。

（1）防磨效果——1995年，北美已經完全推行了鋼軌預防打磨。澳大利亞主要采用預防性打磨。1970年澳西鐵路打磨公司采用外形打磨控制輪軌接觸力，成功降低了側磨，鋼軌使用壽命提高了70%～80%［11］。廣州地鐵運營實踐表明，未打磨鋼軌其輪軌磨合期通常為4～5個月。廣州地鐵2號線開通前，對全線進行了打磨，打磨后的軌道，其磨合期僅為1～2周。鋼軌打磨后，光帶穩定，軌面均勻，磨合期大大縮短，延長了輪軌壽命。

（2）存在問題——我國鋼軌打磨起步晚、技術落后，打磨設備主要依靠進口，技術上長期處于修正性打磨階段，即出現鋼軌損傷時才會采取打磨手段。隨著高速鐵路的發展，打磨技術已越來越受重視。目前，打磨已經是鐵路一項基本的軌道維修技術，鋼軌預打磨要求已列入施工驗收規范。鋼軌打磨與涂油相結合可以延長鋼軌使用壽命50%～300%。雖然鋼軌預打磨在防治鋼軌磨耗方面效果明顯，但是地鐵領域對鋼軌預打磨的重視程度卻遠遠不夠。地鐵相關規范尚無鋼軌預打磨要求。

（3）建議——設計時將鋼軌打磨費用列入鋪軌施工費用中；地鐵運營部門從線網角度對打磨車進行配置，每200 km線路配置1臺打磨車；線路開通前由鋪軌單位委托運營單位或廠家進行鋼軌預打磨。

3.3 鋼軌防治措施經濟性分析

小半徑曲線線路鋼軌磨耗是記憶性病害，一旦產生，之后采取涂油、打磨等措施花費巨大，且只能減緩而不能徹底消除［12］。我國一線城市對地鐵小半徑曲線線路鋼軌磨耗的防治正從被動治理向前期預防轉變。二、三線城市運營時間短，鋼軌磨耗問題尚未完全暴露。一線城市在鋼軌磨耗防治方面已取得一定經驗。在設計階段，應謹慎選擇軌道部件，需綜合考慮技術性和經濟性；在施工階段，則需研究采用新工藝和新機具以提高施工速度和精度，確保軌道原始平順度。綜合設計、施工、養護三方面，目前防止地鐵小半徑曲線線路鋼軌減磨主要措施有：①前期預防。在設計階段，如采用預制板板式軌道、減振型扣件，應注意剛度和阻尼協調設計；在施工階段，無縫線路采用基地焊、CPⅢ網精測系統，線路開通前進行鋼軌預打磨。②后期治理。鋼軌涂油結合鋼軌打磨、軌道參數調整。

經初步測算，設計、施工、運營階段防治鋼軌磨耗措施所增加的費用為：預制板板式軌道150萬/km；基地焊6萬/km；CPⅢ網精測系統3萬/km；鋼軌預打磨1.3萬/km；大型打磨機8.5萬/km（按1 700萬元/臺、每200 km配1臺計算）。

以上所增總費用約為168.8萬/km，按普通道床費用450萬/km計算，則增加費用約37.5%。而根據相關文獻資料，僅預打磨一項措施，鋼軌壽命可提高達70%以上。我國鋼軌預打磨技術對于延長鋼軌使用壽命尚無統計資料，但是采用預制板、基地焊、CPⅢ網精測系統、軌道精調和鋼軌預打磨等綜合技術對于大大延長鋼軌壽命是值得期待的。

4 結語

減小和延緩小半徑曲線鋼軌磨耗、延長鋼軌使用壽命是地鐵工作者長期關注的課題，不應該把鋼軌的磨耗等問題放在運營階段來解決，需要把管理關口前移，建立全壽命、立體化管理體系。在設計階段，應從源頭上規避小半徑曲線及各種豎緩重疊、大坡道等惡劣條件；軌道減振設計中需注意剛度與阻尼的統籌。在施工階段，應研究采用新技術、新工藝。在線路開通前，應及時進行鋼軌預打磨，以提高軌道原始平順度。在運營期間，根據實際磨耗情況，通過現場測試和統計分析等，可采用鋼軌涂油和調整軌道基本參數等方法。

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