日本軌道結構薄弱點檢測及養護維修措施

1 引言

用于支撐列車運行的軌道結構因為長期反復承受列車荷載，會產生變形或狀態惡化，需對其進行適當的養護維修，才能確保列車安全運行。

軌道結構變形和狀態惡化的速度因軌道構造不同而各異。由于變形和狀態惡化速度快的部位在修復之后仍容易變形和惡化，因此其需要更高的養護頻率。此外，受曲線半徑等線形條件以及通過車輛特性的影響，軌道結構的安全裕度也不盡相同。為降低軌道結構養護維修的成本，應在確保列車安全運行的前提下，盡量降低需養護部位的養護維修頻率。

本文將介紹軌道結構常見的薄弱點及其特征，并提出相應的檢測及養護維修措施，以期提高軌道結構的安全性和養護維修效率。

2 軌道結構薄弱點

軌道結構的薄弱點分為安全上的薄弱點和養護上的薄弱點兩大類。其中，安全上的薄弱點是指軌道結構的變形、損傷等危及列車運行安全的病害和缺陷；而養護上的薄弱點是指修復之后會很快再次發生變形或狀態惡化的部位，即養護頻率高、維修時間長的部位，如通過魚尾板連接的鋼軌間接縫處，此處列車運行的沖擊力較大，道砟易粉化，易出現翻漿冒泥現象，從而導致軌道變形進一步加大，需頻繁地對其進行養護（圖1）。

圖1 發生翻漿冒泥現象的有砟軌道線路

消除這些薄弱點的方法是，準確地找出安全上的薄弱點并優先進行養護，對養護上的薄弱點進行低成本的修補強化，以達到在確保安全性的同時降低養護維修成本的目的。

3 安全上薄弱點的檢測及養護維修措施

枕木狀態惡化是一種常見的安全上薄弱點，墊板連接部位因為枕木腐蝕而失去功能（圖2），加上由于枕木腐蝕而產生的局部軌枕懸空，將導致軌道平面的扭曲（即三角坑）加大，使列車運行安全性下降，這也是近年來造成列車脫軌事故的主要原因之一。

圖2 枕木腐蝕圖例

從外觀看尚無嚴重結構變形的軌道線路在列車經過時也可能發生動態變形，這可以通過軌道檢測車進行監測，但由于軌道檢測車價格昂貴，因此在區域鐵路、支線鐵路等非干線線路上難以推廣使用。

為此，日本鐵道綜合技術研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）從常規軌道線路的5個檢測項目中，選出軌距和三角坑2個關鍵項目，開發出低成本的軌道線路動態變形檢測系統Track2er（圖3）。該系統可搭載在運營列車或工務機械車上，其傳感器單元可在車輛行駛時自動采集數據，通過對這些數據進行分析，可及時發現并處理優先級較高的軌枕懸空問題，從而提高線路的安全系數。

圖3 搭載在調車機車上的Track2 er

4 養護上薄弱點的檢測及養護維修措施

4.1 軌枕懸空

4.1.1 檢測

軌枕懸空是有砟軌道線路的常見病害（圖4）。其通常發生在列車通過時沖擊力較大、支撐結構易發生變化、路基條件惡劣的地方，如接縫處、橋臺、鐵路道口前后，隨著這些地方材料的老化，軌道變形速率也會加快。軌枕懸空雖然不會立即導致線路安全性降低，但可能會在夏季導致線路發生顯著的軌向變形，甚至引發脹軌跑道，在隧道內還可能造成鋼軌腐蝕。

圖4 軌枕懸空示意圖

可以使用5 m弦量測（沿鋼軌拉5 m長的線作為弦，測量弦中心點到鋼軌內側的距離）的正矢數據進行懸空軌枕的檢測。

此外，鐵道綜研還開發出結合軌道幾何形位變化的波形，利用自重分析，計算懸空軌枕數量和范圍的方法（圖5）。利用此方法可以對此病害進行定量評價，有助于提高管理效率。

圖5 通過計算檢出懸空軌枕示例

4.1.2 養護維修

軌枕懸空處會發生道砟粉化現象，隨著路基泥土的混入，道床的排水性能會更加惡化，導致翻漿冒泥現象的發生。道床翻修、路基改良（即在軟弱路基段更換優質材料）等方法是解決上述問題的有效措施，但由于其成本高昂，無法在支線鐵路上廣泛應用。

為降低養護成本，鐵道綜研開發了利用可生物降解聚合物使道砟穩固的養護維修方法（圖6），即通過在粉化道砟中混入由催化劑和可生物降解聚合物組成的養護材料，以提高道砟強度，減少有砟軌道沉降。該方法的養護效果非常好，已在行業中得到廣泛應用（圖7）。

圖6 可生物降解聚合物養護法施工現場

圖7 可生物降解聚合物養護法與原養護法效果比較圖

此外，鐵道綜研還開發了可防止產生軌枕懸空的軌枕懸空自動矯正裝置（即鋼軌高度保持器），目前正在日本國內推廣（圖8）。在橋臺及鐵路道口前后，線路結構的變化會導致軌道的局部沉降，而該裝置可根據道砟沉降的情況將鋼軌保持在一定高度范圍內，從而維持軌道線路的穩定性。

圖8 軌枕懸空自動矯正裝置

4.2 列車荷載對鋼軌的沖擊

在鋼軌接縫處，鋼軌端部由于受到車輪的反復撞擊而產生變形，局部下陷。這將導致列車通過時的沖擊力進一步增大，從而加速道砟的粉化及軌道幾何形位變化。為解決上述問題、有效減小列車荷載對鋼軌的沖擊力，可采用增加鋼軌端部曲率，以及打磨鋼軌使其頂面平順光滑的方法。

通過長軌化去除接縫是解決接縫處病害的根本方法，但對于以木枕為主的區域鐵路、支線鐵路等，其道床橫向阻力不足以保證軌道的橫向穩定性。為此，鐵道綜研提出通過在混入砂土的道砟中加入水泥來增大道床橫向阻力的方法，該方法可在降低成本的同時，確保長鋼軌軌道的橫向穩定性（圖9）。

圖9 低成本長鋼軌軌道

在長鋼軌兩端，通常將相互連接的鋼軌加工出類似尖岔的斜面并拼接構成伸縮縫，用于抵消由于溫度變化引起的鋼軌伸縮。目前，鐵道綜研已開發出價格更加低廉的、用于通過能力較小線路的有縫伸縮縫結構（圖10），正在進行鋪設試驗。其具體使用方式是，將普通的短鋼軌以無軌縫的方式連接為長約100 m的長鋼軌，在相鄰長鋼軌的兩端設置此裝置，以減少需要養護的接縫數量。

圖10 有縫伸縮縫結構

4.3 鋼軌波狀磨耗及腐蝕

在鋼軌的養護管理中，波狀磨耗的修復是最耗費人工的項目之一。波狀磨耗會增加鋼軌的振動及噪聲，因此需要定期對鋼軌進行打磨。

在養護易腐蝕環境下的鋼軌時，由于難以對鋼軌腐蝕的程度進行評價，因此需要頻繁地進行鋼軌更換。為降低養護成本，養護人員采用超聲波探傷的方法判斷鋼軌腐蝕程度，以確定其是否需要更換。

目前，鐵道綜研正在開發防止鋼軌腐蝕的方法（圖 11）。該方法可預防鋼軌連接裝置摩擦所導致的防腐蝕涂膜損傷，提高鋼軌的耐久性。

圖11 鋼軌防腐蝕法