淺談對鐵路無縫線路脹軌問題的幾點探討

張博涵 中國鐵路上海鐵路局集團有限公司新長工務段

1 引言

在高速鐵路上無縫線路消除了大量的接頭軌縫，很大程度的改善了軌道結構，因其平穩、舒適、壽命長、維修費用低、適應高速行車等優點，得到了廣泛的應用，逐步替代傳統的有縫線路。但也因為接頭軌縫的消除，進一步限制了鋼軌因溫度變化對鋼軌產生的熱脹冷縮，在鋼軌內部形成無法忽視的溫度應力，無縫線路存在脹軌的風險，影響著線路穩定和行車安全。

2 溫度應力

2.1 溫度應力的產生與計算公式

無縫線路大量軌縫的消除以及扣件和道床阻力的約束，限制了鋼軌在溫度變化時的熱脹冷縮，因此在鋼軌內部產生了溫度應力，鋼軌內部的溫度應力是引起無縫線路脹軌跑道的最根本原因，溫度應力的計算公式見式（1）。

式中：

σt——鋼軌內部溫度應力；

E——彈性模量，鋼軌彈性模量一般取E=2.1×105MPa；

α—— 線膨脹系數，鋼軌線膨脹系數一般取α=11.8×10-6/℃；

ΔT——鋼軌溫度變化值；

T——鋼軌溫度（變化后）；

T0——原鋼軌溫度（變化前）。

在日常作業中，通常認為鋼軌溫度應力與縱向應力一致，但基于定義，溫度應力與縱向應力有所差別。根據溫度應力的計算公式，無縫線路鋼軌內部縱向應力的計算公式見式（2）。

式中：

σz——鋼軌內部縱向應力；

T——鋼軌溫度；

Ts——鎖定軌溫。

2.2 降低鋼軌縱向應力的方法

根據公式（2）可知，影響鋼軌內部縱向應力的因素有鋼軌溫度T、鎖定軌溫Ts、鋼軌彈性模量E 以及線膨脹系數α。因此，降低鋼軌縱向應力的方法主要有以下幾個方向。

（1）降低實際軌溫T。降低實際軌溫主要有兩種方式：隔熱與降溫。由于鋼軌與機車車輪的摩擦，涂抹隔熱材料的方法并不適用，在鐵路沿線搭建封閉或半封閉遮陽設施則工程量大、價格昂貴、甚至可能造成安全隱患。相比較而言，降溫方法則更具研究潛力，目前降溫的方法通常用于發現脹軌時的緊急處理，常見方法有灑水降溫和CO2降溫。

（2）提高鎖定軌溫Ts。鎖定軌溫Ts指無縫線路在零應力狀態下的軌溫，本文中提及的鎖定軌溫均指實際鎖定軌溫。適當提高鎖定軌溫同樣可以降低高溫季節鋼軌內部的縱向應力，目前提高鎖定軌溫的主要運用，是在高溫季節來臨前通過應力放散或拉伸的方法得以實現?？紤]到冬季鋼軌防斷以及作業量等因素，鎖定軌溫的提高程度受到一定限制。

3 無縫線路穩定

無縫線路脹軌跑道，實際上是無縫線路失穩的表現。鋼軌內部縱向應力是破壞線路穩定的主要因素，而軌道框架剛度、道床阻力則是保護線路穩定的主要因素。因此保證無縫線路的框架剛度和道床阻力，是預防脹軌跑道的重要手段。而線路缺砟、爬行、硬彎、方向不良以及養路工作等諸多因素均會導致無縫線路框架剛度或道床阻力的降低。因此，在高溫季節作業前（嚴格按標作業的前提下），合理的判斷是否能夠作業、或是否需要應力放散，對于預防脹軌跑道具有十分重要的意義。

《鐵路工務修規》[1]中明確規定了無縫線路的作業軌溫范圍，而相關文獻中]表明，無縫線路的實際鎖定軌溫變化具有普遍性和單向性，即普遍衰減。這是由于在無縫線路的運營過程中，長軌條因各種原因導致的塑性碾長、鋪設無縫線路時產生的誤差、低溫作業等因素，導致實際鎖定軌溫衰減。因此，鎖定軌溫普遍偏低且具有不確定性，如果沒有及時檢測更新無縫線路實際鎖定軌溫，根據《修規》基于鎖定軌溫計算得到的作業軌溫范圍本身即存在誤差，存在超溫作業的可能，給無縫線路帶來脹軌跑道的風險。

4 鎖定軌溫的檢測方法

目前檢測鎖定軌溫的方法主要有：應變法、應力法等。

4.1 應變法

應變法是通過測定鋼軌的長度變化值推算鎖定軌溫變化值，應變法計算原理見公式（3）。

式中：

L——鋼軌長度；

ΔL——鋼軌長度的變化值；

ΔT——溫度變化值。

應變法原理簡單，易于實現和操作，目前國內普遍采用應變法測量鎖定軌溫。但應變法檢測的是一定長度范圍內鋼軌鎖定軌溫的平均值，無法檢測到鋼軌較短長度范圍內的應力峰。檢測鎖定軌溫的應變法主要有如下幾種。

（1）觀測樁法。該方法是無縫線路軌條鋪設鎖定前，在線路兩側按一定的原則布設位移觀測樁，并在鋼軌相應位置做標記，進而根據鋼軌標記與觀測樁的位置變化判斷鎖定軌溫變化。該方法簡單直觀，運用廣泛，但精確度較差，適用于定性分析。且該方法是建立在位移觀測樁位置不變、原鎖定軌溫已知的基礎上的，對于長距離鋪設在橋梁（尤其是鋼梁橋）上、原鎖定軌溫不明或不準的線路不適用。

（2）標定軌長法。采用與鋼軌相同線膨脹系數的鋼尺，在任何溫度下測量固定軌段的長度，鋼尺讀書不變，即“標定軌長”[2]。該方法是對25m 標準軌沖眼標記，標距24m，通過鋼軌相同線膨脹系數的鋼尺測量得到測標長度變化值，進而推算出鎖定軌溫以及縱向應力。標定軌長法能夠準確可靠的檢測鋼軌鎖定軌溫，但其測量效率較低，且對操作人員要求較高，受人為因素影響較大。

（3）形變儀法。該方法是在軌腰上粘貼標距210mm 的兩個支架，再用形變儀卡在兩個支架間進行測距，進而通過計算得到鎖定軌溫。但應變儀與測點接觸不能有效固定，受環境影響較大，精確度不高。

4.2 應力法

應力法是通過探索聲波、射線等物理量與應力的關系，根據對聲波、射線等物理量的檢測，間接得到鋼軌內部的縱向應力值，進而計算出鎖定軌溫。

（1）巴克豪森法。巴克豪森噪聲是鐵磁性材料特有的性質，該噪聲信號隨著壓應力的增大而減小，隨著拉應力的增大而增大。但該信號受鋼軌內部的組織結構影響較大，存在較大誤差。

（2）X 射線法。該方法是將特定的X 射線射入鋼軌，經過觀測衍射現象測得鋼軌縱向應力。但該方法需要對鋼軌表明進行拋光處理，且只能測到表層縱向應力。

（3）超聲波法。該方法是基于聲彈性原理，探索出超聲波在鋼軌中傳播速度的變化與鋼軌內部的應力為線性關系，進而通過超聲波檢測出無縫線路的縱向應力。超聲波法精度高，檢測距離較長，且裝置簡單靈活，受外界環境干擾較小，發展前景較好。

上述無縫線路鎖定軌溫檢測方法各有優缺點，目前國內檢測方法以應變法為主，但基于機械化、自動化、智能化、無損檢測的發展方向，應力法（尤其以超聲波法）更有發展潛力和前景。

5 結束語

①溫度應力的增長是無縫線路發生脹軌跑道的根本原因，本文根據溫度應力方程提出了降低鋼軌內部縱向應力的解決方向。②我國脹軌跑道事件主要發生在維修作業中或作業后的數天內。因此，合理的判斷是否能夠作業、或是否需要應力放散，對于預防脹軌跑道具有十分重要的意義。③基于鎖定軌溫的普遍衰退性，指出及時檢測更新無縫線路實際鎖定軌溫的重要性。④本文總結對比了目前檢測無縫線路鎖定軌溫的主要方法，指出應力法（尤其以超聲波法）更具潛力和發展前景。