淺談地鐵鋼軌剝落掉塊原因分析及整治

郭天朋 李永 喬國靖

【摘 要】地鐵線路鋼軌使用幾年后會在表面產生橫向裂紋及出現剝離掉塊傷損。某地鐵1號線二期開通運營約1年，使用的鋼軌在某車站列車進站端的半徑為360 m的一曲線路段上隨機出現多處掉塊。通過對鋼軌掉塊的原因進行分析發現，存在軌底坡設置不符合要求、下股接觸面積過小、受軌道彈性影響等問題，采取相應措施：①將鋼軌剝落掉塊納入傷損臺賬，巡檢時對該區段予以重點關注，加強探傷檢查，發現內部有傷損及時上報處理。②對剝落掉塊所處曲線軌底坡進行調整，將上下股軌底坡調整至合適范圍。提出養護維修管理建議，提高地鐵運營質量。

【關鍵詞】城市軌道交通;鋼軌;掉塊;建議

【中圖分類號】U213 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）04-0097-03

0 引言

在地下鐵路軌道系統中，鋼軌是承擔列車荷載及引導列車前行的重要設施，經過一段時間的運營后，鋼軌經常出現各種各樣的傷損，其中以鋼軌剝落掉塊最常見，除鋼軌本身材質問題外，地鐵線路曲線半徑小、行車頻次高、軌道幾何形位有偏差均會導致或加劇鋼軌傷損。本文通過對某地鐵1號線二期某區間下行鋼軌剝落掉塊情況進行調查統計，分析鋼軌剝落掉塊產生的原因，采取措施并提出養護維修管理建議。

1 工程概況

鋼軌剝落掉塊里程為下行K07+230～K07+420，位于平面曲線K07+217～K07+837上，曲線半徑R=360 m，超高H=110 mm;處在25‰的下坡道上。

1.1 傷損特征

通過對線路的外觀檢查、幾何尺寸調查、軌底坡調查及對鋼軌表面傷損檢查后發現以下特點：曲線下股光帶偏外側，光帶寬度約25 mm，掉塊位于光帶上;掉塊寬3～8 mm（多為5 mm），最深處深度約2 mm;掉塊為斷斷續續的狀態，最長連續掉塊為350 mm;經探傷檢測，該處為鋼軌近表面剝落掉塊，沒有發現內部傷損;掉塊發生在曲線下股，鋼軌中軸線外側。

1.2 傷損發展情況

掉塊發生在1號線二期開通1年時間左右，曲線下股與列車車輪接觸面為鋼軌外側;軌面掉塊是由軌面細微裂紋發展而來，裂紋發展到一定程度將會產生掉塊;裂紋主要發生在曲線下股軌面，離軌頂外側圓弧5～10 mm處，大致平行，長15～25 mm，與鋼軌橫截面呈45°，開口方向與行車方向一致，用手觸摸有毛刺感，裂紋肉眼可見 [1]。軌面裂紋情況如圖1、圖2所示。

當裂紋深度不斷增加，裂紋之間的軌面會因列車車輪的黏滯力而發生脫落，形成掉塊，現場掉塊為薄片，長度約15 mm，深度約1 mm，寬度約5 mm。掉塊后鋼軌軌面狀態如圖3所示。

2 鋼軌剝落掉塊原因分析

2.1 軌底坡設置不符合要求

設計坡比與實測坡比最大相差0.057，設計坡比與實測坡比平均相差0.042 8。由于曲線下股軌底坡嚴重偏大，所以曲線下股輪軌接觸面積過小，進而導致鋼軌裂紋，由此鋼軌軌底坡設置不符合要求是導致鋼軌剝落掉塊的主要原因，實測軌底坡比數值如圖4所示。

2.2 下股接觸面積過小

曲線下股股鋼軌受力分析：通過現場測量，曲線下股光帶寬度為25 mm左右，為正常接觸面積的1/2～1/3，相應的下股鋼軌單位面積承擔的壓力將會增加，同時在曲線地段行車時，內側車輪在鋼軌上行程較外側車輪短，會發生空轉現象，軌面與車輪間會產生更大的制動力，導致掉塊現象加劇。下股接觸面積過小是曲線下股股外側軌面發生裂紋的次要原因。

2.3 軌道彈性影響

剝落掉塊地段為一般整體道床，單趾彈條扣件，軌道減振只有通過軌下、鐵墊板下的橡膠墊板及彈條變形實現。列車通過曲線地段產生的振動無法通過道床吸收，將直接反饋在扣件與鋼軌之間及車輪與鋼軌之間，曲線下股長期受到較大的沖擊力將會導致曲線下股鋼軌產生疲勞裂紋并加速裂紋發展，最終導致軌面掉塊。

3 采取措施

3.1 傷損影響

根據《線路檢修規程》中“6.6.2”的規定，軌端或軌頂面剝落掉塊長度超過15 mm且深度超過4 mm，屬鋼軌輕傷，該處傷損未達到輕傷標準。

3.2 采取措施

（1）將鋼軌剝落掉塊納入傷損臺賬，巡檢時對該區段予以重點關注，加強探傷檢查，發現內部有傷損及時上報處理。

（2）對剝落掉塊所處曲線軌底坡調整，將上下股軌底坡調整至合適范圍。

（3）申報打磨計劃，對剝落掉塊區域多遍打磨，盡量消除軌面剝落掉塊。

4 軌底坡調整施工要點

4.1 軌底坡測量儀器及使用方法

軌底坡測量應使用專業的軌底坡測量儀器，測量結果為軌底傾角，測量結果使用坡度比格式。測量時，測量人員應先用砂紙清潔待測位置軌底，然后將軌底坡測量儀從軌道線路外側插入軌底，記錄坡度比，測量過程中應防止儀器磕碰，測量儀器詳如圖5所示。

4.2 計算待調整區段軌底坡誤差

軌底坡比測量為每4根軌枕測量一處，因為軌底坡測量儀測量結果為軌底相對于水平面的坡度比，所以為計算待調區段軌底坡度比誤差，需要換算出曲線地段軌底相對于水平面的坡度比，其中下股的軌底坡比標準值的計算公式為α=1/40-h/

1 508，上股的軌底坡比標準值β=1/40+h/1 508，為方便計算，先對軌底坡比進行100倍放大處理，然后計算待調區段測量軌底坡比與標準值之間的誤差，根據不同型號異型膠墊可調量選擇不同的膠墊進行調整，該區段軌底坡測量部分資料見表1。

4.3 現場調整

根據前期測量結果，在現場對應位置更換不同型號的軌下膠墊，此時應注意，更換異形膠墊對軌距影響較大，施工前應準備足量的軌距塊，并配備起道機、彈條扳手等工具，為確保調整以后線路幾何尺寸良好，上下股調整軌底坡后應同步調整線路幾何尺寸，確保幾何尺寸符合作業驗收標準，異型膠墊設計圖如圖6所示。

5 整改效果

5.1 光帶偏移

從圖7可以看出，調整前后，該區段光帶移動了5 mm左右，基本調整至鋼軌軌面中部且光帶寬度也有所增加，說明輪軌關系已有較大改善。

5.2 掉塊情況緩解

該區間軌面剝落掉塊情況無明顯發展，軌底坡調整前軌旁的鐵屑較多（如圖8所示），軌底坡調整以后軌旁未發現明顯掉落的鐵屑（如圖9所示）。

5.3 噪聲減小

從2019年1月開始調整軌底坡至6月調整完成，該區段噪聲降低明顯，從1月份的最高90 dB，降低至6月份最高的81 dB，說明軌底坡調整對輪軌噪聲有一定的改善效果（見表2）。

6 養護維修管理建議

（1）調整軌底坡至設計值能改善輪軌關系、減緩鋼軌剝落掉塊的發展、降低輪軌噪聲并延長鋼軌使用壽命。

（2）對鋼軌軌面傷損進行周期性檢查并建立觀察臺賬，以及時查找鋼軌軌面傷損產生及發展的原因并采取措施減緩、抑制鋼軌軌面傷損的發展，可延長鋼軌使用壽命，降低鋼軌運營維護成本。

參 考 文 獻

[1]杜茂金.南京地鐵鋼軌掉塊病害分析與防治[J].城市軌道交通研究，2015，18（1）：78-80.