地鐵小半徑曲線鋼軌磨耗的防治措施

陸 云

（中鐵上海設(shè)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(fā)展一直存在。與鐵路不同，地鐵穿越市中心，對環(huán)境保護的要求較高，因此軌道結(jié)構(gòu)采用了大量的減振設(shè)計。隨著減振型軌道結(jié)構(gòu)在地鐵線路上的廣泛應(yīng)用，鋼軌出現(xiàn)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(xiàn)場測試、統(tǒng)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(shè)方興未艾，小半徑曲線地段鋼軌磨耗需引起重視。本文調(diào)研了國內(nèi)主要城市在鋼軌磨耗防治方面的先進經(jīng)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(yù)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(cè)磨明顯

因受環(huán)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(xiàn)為接觸疲勞裂紋、剝離掉塊、曲線上股鋼軌側(cè)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(cè)磨是決定鋼軌壽命的主要因素，因為鋼軌側(cè)磨引起的換軌周期往往短于正常的換軌周期。根據(jù)有關(guān)資料，北京地鐵因鋼軌側(cè)磨導致最短的換軌周期為4年，鋼軌側(cè)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(qū)段，該區(qū)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(jié)構(gòu)減振的要求日益提高，因此軌道結(jié)構(gòu)采用了大量的減振設(shè)計。在減振軌道結(jié)構(gòu)中，由于經(jīng)濟性、施工便利性和可維護性，減振型扣件得到了廣泛應(yīng)用。隨著減振型扣件的大量使用，在鋪設(shè)有減振型扣件的區(qū)段，產(chǎn)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(jié)構(gòu)，線路開通運營1個月，鋼軌即出現(xiàn)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(shè)計規(guī)范》明確提出：采取減振工程措施時，不應(yīng)削弱軌道結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)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(shè)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(shè)正處于快速發(fā)展階段，在工程實踐中對于小半徑曲線區(qū)段鋼軌磨耗的重視程度顯得不夠。西南地區(qū)某地鐵線路，于2016年下半年開通，8個月左右，即發(fā)現(xiàn)全線曲線半徑R≤500 m的小半徑曲線區(qū)段上股鋼軌出現(xiàn)了裂紋，并且短期內(nèi)鋼軌損傷迅速擴大，發(fā)生了剝離掉塊，軌面間斷掉塊最長300 mm、最深3 mm。華東地區(qū)某正在建設(shè)的地鐵線路，R≤600 m的小半徑曲線區(qū)段總長占正線總長達38%（該指標一般在25%左右），而且還設(shè)有大量小半徑反向曲線，但個別區(qū)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(fā)生、發(fā)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(gòu)造、輪軌黏著系數(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)彈性，可減輕列車對軌道的沖擊作用，減緩鋼軌側(cè)磨；而低阻尼軌道容易形成鋼軌波磨；軌道幾何參數(shù)如超高、軌距、軌底坡等對鋼軌的側(cè)磨和波磨的影響比較復雜，不能一概而論。

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

（3）輪軌黏著系數(shù)降低，易促進波磨形成和發(fā)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(qū)段，通過某種速度的列車數(shù)量明顯較多，則該區(qū)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(yù)防。在地鐵發(fā)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(yù)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(yīng)用于地鐵，其減磨效果得到業(yè)內(nèi)普遍認可。上海城市軌道交通曾對13個曲線區(qū)段的鋼軌涂油效果進行分析，鋼軌涂油不僅可降低鋼軌側(cè)磨速率80%以上，對內(nèi)股鋼軌波磨和頂面剝離亦有抑制作用。北京地鐵經(jīng)驗表明，在特定曲線區(qū)段，鋼軌涂油可使鋼軌側(cè)磨速率由5.33 mm/月減緩為1.3 mm/季。廣州地鐵經(jīng)驗認為，鋼軌涂油可大大降低鋼軌波磨發(fā)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(shù)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(guī)來檢查鋼軌內(nèi)側(cè)面和軌距角處的涂油狀態(tài)，以控制涂油量。國內(nèi)對涂油工藝還缺乏深入、系統(tǒng)的研究［8］，曾發(fā)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(yīng)引起重視并作深入研究。

（2）在超聲波探傷前應(yīng)中止涂油或去除油脂。

（3）對于已出現(xiàn)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(fā)展、加速剝離，故鋼軌出現(xiàn)裂紋時應(yīng)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(shù)

就軌道基本參數(shù)對鋼軌磨耗來說，軌距、超高和軌底坡是最主要的參數(shù)。不合理軌道參數(shù)值會使軌輪接觸不良，加速鋼軌磨耗。國內(nèi)外有大量關(guān)于這方面的理論計算和分析，國內(nèi)各城市的地鐵運營管理部門做了較多現(xiàn)場測試和統(tǒng)計分析，各地取得的結(jié)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(cè)磨不利。上海城市軌道交通建設(shè)早期，設(shè)計階段考慮了一定的欠超高，也是基于現(xiàn)場測試分析結(jié)論。廣州地鐵5號線的測試分析卻得出了相反的結(jié)論，即大量的過超高有利于減少鋼軌側(cè)磨。

軌道幾何參數(shù)對鋼軌磨耗的影響比較復雜，不能一概而論。小半經(jīng)曲線區(qū)段輪軌受力復雜，如欲通過調(diào)整軌道基本參數(shù)而進行磨耗治理時，應(yīng)以現(xiàn)場實測和統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)為準。

3.2 鋼軌磨耗的預(yù)防性措施

鋼軌涂油和調(diào)整軌道參數(shù)，對鋼軌磨耗治理確有效果，但治標不治本，優(yōu)化線路和軌道設(shè)計、提高施工質(zhì)量及精度、鋼軌預(yù)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(shè)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(shù)倍，故對鋼軌磨耗采取防患于未然的預(yù)防措施，從全壽命周期來看是合理的，也是具有良好的經(jīng)濟效益的。

3.2.1 線路設(shè)計的前置性預(yù)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(shè)計使輪軌受力復雜［9］，施工和養(yǎng)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(chǎn)生和發(fā)展。軌道專業(yè)在設(shè)計階段應(yīng)及早介入線路設(shè)計，從預(yù)防鋼軌磨耗和工程全壽命周期出發(fā)，盡量避免采用小半徑曲線和復雜線型。

3.2.2 軌道設(shè)計方面的預(yù)防措施

3.2.2.1 軌道減振設(shè)計

為治理振動和噪聲，采用了大量的減振型軌道結(jié)構(gòu)，軌道減振從特殊措施已變?yōu)槌Ｓ眉夹g(shù)。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(xiàn)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(jù)調(diào)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(guān)標準規(guī)定減振產(chǎn)品設(shè)計“應(yīng)慎用扣件類減振措施”；上海地鐵在R＜800 m的曲線區(qū)段和道岔區(qū)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(shè)計規(guī)范》對減振軌道明確規(guī)定：采取減振工程措施，不應(yīng)削弱軌道結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)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(jīng)濟因素，減振型扣件應(yīng)合理確定其彈性和阻尼，不能一味追求低剛度，應(yīng)采取扣件間距加密等措施。

3.2.2.2 軌道優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計

20世紀90年代以來，國內(nèi)軌道交通迅猛發(fā)展，從提高施工精度和減少養(yǎng)護維修出發(fā)，軌道技術(shù)人員對軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了持續(xù)的優(yōu)化和創(chuàng)新。

（1）選用長軌枕整體道床。在地鐵建設(shè)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(jīng)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(xiàn)，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(yù)制板式軌道的吸收和創(chuàng)新。高鐵軌道的新技術(shù)首先體現(xiàn)在板式軌道的設(shè)計上。上海率先在高鐵CRTSⅢ型板的基礎(chǔ)上研發(fā)了適用于地鐵的預(yù)制板式軌道，軌道標準化設(shè)計和工廠預(yù)制化創(chuàng)新技術(shù)大大減少了現(xiàn)場施工作業(yè)量，為提高施工質(zhì)量創(chuàng)造了條件。

3.2.3 施工工藝和精度控制方面的預(yù)防措施

（1）無縫線路鋼軌焊接。上海城市軌道交通關(guān)于無縫線路鋼軌焊接的經(jīng)驗教訓值得關(guān)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(xiàn)場焊，隨即在8、9號線上推廣使用。此后，現(xiàn)場焊成為國內(nèi)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(diào)查分析。調(diào)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(xiàn)場焊則存在較多不足。目前，上海在有條件的前提下均優(yōu)先采用基地焊接長鋼軌，以控制焊接接頭質(zhì)量；而國內(nèi)其他城市往往一概采用現(xiàn)場焊。上海軌道交通鋼軌焊接從“現(xiàn)場焊”回歸到“基地焊”之歷程值得借鑒，施工應(yīng)統(tǒng)籌考慮便利、經(jīng)濟和質(zhì)量，在有條件的前提下應(yīng)盡量采用基地焊，從源頭上保證軌道原始平順度。

（2）CPⅢ網(wǎng)和軌道精調(diào)。CPⅢ網(wǎng)是我國高鐵一項成熟技術(shù)，將CPⅢ網(wǎng)高鐵精密測量技術(shù)引入城市地鐵建設(shè)與運營管理中，融合、改進和再創(chuàng)新傳統(tǒng)的地鐵測量方法與軌道施工工藝，可使軌道在建設(shè)階段即達到高平順性，實現(xiàn)減振、降噪、減少輪軌磨耗并延長設(shè)備使用壽命的目的。該項技術(shù)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(yù)防措施

鋼軌預(yù)打磨是指鋼軌鋪設(shè)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?zhèn)麚p，同時形成要求的打磨廓面，改善輪軌接觸狀態(tài)。

（1）防磨效果——1995年，北美已經(jīng)完全推行了鋼軌預(yù)防打磨。澳大利亞主要采用預(yù)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(cè)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(wěn)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(shù)落后，打磨設(shè)備主要依靠進口，技術(shù)上長期處于修正性打磨階段，即出現(xiàn)鋼軌損傷時才會采取打磨手段。隨著高速鐵路的發(fā)展，打磨技術(shù)已越來越受重視。目前，打磨已經(jīng)是鐵路一項基本的軌道維修技術(shù)，鋼軌預(yù)打磨要求已列入施工驗收規(guī)范。鋼軌打磨與涂油相結(jié)合可以延長鋼軌使用壽命50%～300%。雖然鋼軌預(yù)打磨在防治鋼軌磨耗方面效果明顯，但是地鐵領(lǐng)域?qū)︿撥夘A(yù)打磨的重視程度卻遠遠不夠。地鐵相關(guān)規(guī)范尚無鋼軌預(yù)打磨要求。

（3）建議——設(shè)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(wǎng)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(yù)打磨。

3.3 鋼軌防治措施經(jīng)濟性分析

小半徑曲線線路鋼軌磨耗是記憶性病害，一旦產(chǎn)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(yù)防轉(zhuǎn)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(jīng)驗。在設(shè)計階段，應(yīng)謹慎選擇軌道部件，需綜合考慮技術(shù)性和經(jīng)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(shè)計、施工、養(yǎng)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(yù)防。在設(shè)計階段，如采用預(yù)制板板式軌道、減振型扣件，應(yīng)注意剛度和阻尼協(xié)調(diào)設(shè)計；在施工階段，無縫線路采用基地焊、CPⅢ網(wǎng)精測系統(tǒng)，線路開通前進行鋼軌預(yù)打磨。②后期治理。鋼軌涂油結(jié)合鋼軌打磨、軌道參數(shù)調(diào)整。

經(jīng)初步測算，設(shè)計、施工、運營階段防治鋼軌磨耗措施所增加的費用為：預(yù)制板板式軌道150萬/km；基地焊6萬/km；CPⅢ網(wǎng)精測系統(tǒng)3萬/km；鋼軌預(yù)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(jù)相關(guān)文獻資料，僅預(yù)打磨一項措施，鋼軌壽命可提高達70%以上。我國鋼軌預(yù)打磨技術(shù)對于延長鋼軌使用壽命尚無統(tǒng)計資料，但是采用預(yù)制板、基地焊、CPⅢ網(wǎng)精測系統(tǒng)、軌道精調(diào)和鋼軌預(yù)打磨等綜合技術(shù)對于大大延長鋼軌壽命是值得期待的。

4 結(jié)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(guān)注的課題，不應(yīng)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(guān)口前移，建立全壽命、立體化管理體系。在設(shè)計階段，應(yīng)從源頭上規(guī)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(shè)計中需注意剛度與阻尼的統(tǒng)籌。在施工階段，應(yīng)研究采用新技術(shù)、新工藝。在線路開通前，應(yīng)及時進行鋼軌預(yù)打磨，以提高軌道原始平順度。在運營期間，根據(jù)實際磨耗情況，通過現(xiàn)場測試和統(tǒng)計分析等，可采用鋼軌涂油和調(diào)整軌道基本參數(shù)等方法。

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