無縫線路換鋪施工技術研究

劉俊鵬

國能朔黃鐵路肅寧公司，河北肅寧，062350

0 引言

朔黃鐵路上接國家能源集團神朔鐵路、準池鐵路，中聯京廣、京九、京滬等國家重要鐵路干線，下通天津港、河北黃驊港和山東龍口港，形成了多路對一路，一路對多港的運輸網，在國家能源集團運輸板塊中，占有重要地位[1]。

無縫線路換鋪施工受施工作業面、施工配合、施工工序、施工時間等多重因素影響，同時涉及施工前期扒砟卸軌、長軌巡視、鋼軌焊接等多種條件制約，具有專業多、人數多、機械多、時間長等鮮明特點，屬于綜合性大型施工[2-3]。朔黃鐵路肅寧公司自更換無縫線路以來，積極總結現場工作經驗，已經形成了一套完備的無縫線路換鋪施工管理體系。

1 概況

朔黃鐵路肅寧分公司管內無縫線路主要分為朔黃線三汲站—黃驊港站上行鋪設75kg/m跨區間無縫線路；朔黃線三汲站—黃驊港站下行鋪設60kg/m全區間無縫線路；黃萬線黃驊南站—萬家碼頭站鋪設60kg/m全區間無縫線路；黃萬線進港三線東大沽站—神港站鋪設60kg/m全區間無縫線路；肅寧北站、黃驊港站部分股道鋪設普通無縫線路。運量隨著逐年增加后逐步趨于穩定，年度鋼軌通過總重基本固定，無縫線路換鋪工作已逐漸形成既定周期。

2 原理

2.1 鋼軌溫度力

傳統準軌線路與無縫線路存在較大的區別，主要區別是鋼軌承受的溫度力，對鋼軌溫度力進行研究，首先要明白溫度力變化規律，根據規律對影響其變化的因素進行研究，從而獲得較好的研究結果。

鋼軌的溫度力變化時自由伸縮受到影響，發生變化。對鋼軌溫度力進行定義，鋼軌溫度為T0時，鋼軌的兩端固定，長度為L，溫度變化△t時，自由伸縮的鋼軌也會發生長度的變化，這一變化量為△L，兩者之間存在一定的數量關系，鋼軌的自由伸縮量為[4]：

根據物理學中胡克定律，發生變化時，鋼軌溫度應力σt可表示為：

式中：E—鋼軌的彈性模量，E=2.1*105MPa；ɑ—鋼軌的線脹系數，ɑ=11.8×10-6/℃；T0—軌道溫度力為零時溫度（℃）；△t—相對零應力溫度變化差值（℃），定義為溫度上升為正，下降為負。

按照國家標準的鐵軌溫度計算，進行計算代入整理。將E和ɑ的數值代入式（2），則得：

由式（3）可知鋼軌溫度力Pt為：

式中：F—鋼軌橫截面積（cm2）。

按照定義，鋼軌溫度力受壓為正，根據以上公式能夠得出：

（1）鋼軌的長度一定時，溫度力與△t有關，不會隨著鋼軌的長度發生變化而變化。從這點來說，鋼軌進行無縫線路換鋪時，能夠根據長度需要自由選擇，不會影響溫度力。

（2）一天中的溫度發生變化時，鋼軌的溫度力也會呈現一定的波動。對于鋼軌而言，發生變化可能會影響溫度力。所以在無縫軌道的管理時，根據鎖定軌溫能夠知道溫度力的變化，可以靈活做出調整。

（3）軌溫一般是有效軌溫，是軌道橫截面的溫度。在白天有陽光的情況下，測量的軌溫可能會存在偏差，因為軌道橫截面可能呈現不同的溫度，測量時盡量獲得較為精確的溫度，一般應將溫度誤差控制在1℃。

（4）軌線溫度發生變化時，軌道的長度也會發生變化，把軌道伸縮隨溫度變化的量稱為線脹系數，符號為ɑ，代表軌溫每變化1℃所產生的伸縮應變，ɑ相當于11.8×10-6/℃。

（5）軌線的強度有一定的要求，所以需要鋼軌的溫度力保持在一定范圍。溫度應力對軌溫的變化率為Eɑ=2.48MPa/℃，計算精度一般為1MPa即可，與鋼軌的長度無關。

（6）鋼軌的溫度力在一定的范圍內，才能使得無縫線路正常工作，不同橫截面的鋼軌能夠承受的溫度變化力不同，以軌溫變化1℃為變化區間，不同的溫度力變化如表1。

表1 各類鋼軌的溫度力的變化

2.2 鎖定軌溫

鎖定軌溫的別稱是零應力軌溫，長軌在春夏秋冬不同季節中會呈現不同的溫度力。溫度力在冬季表現為拉力，在夏季表現為壓力。鎖定軌溫存在于拉力和壓力之間，從數學上來說是一個參考量。按照定義，鎖定鋼軌的瞬間△t接近于零，鋼軌的溫度力為零，軌道表面的溫度也接近于零，因此稱之為鎖定軌溫。

鎖定軌溫對于設計、施工、養護整個過程來說，在不同的階段代表的含義不盡相同。根據這些細微的區別，鎖定軌溫也可分為三種，即設計鎖定軌溫、施工鎖定軌溫和實際鎖定軌溫。

設計鎖定軌溫亦稱中和軌溫，是根據軌道穩定性和強度計算得來的，屬于理論鎖定軌溫。一般而言，設計鎖定軌溫在一個合適的范圍內，因為設計需要考慮各種情況，是對這些情況進行計算所得的一個理論結果，這個結果用于指導后續的工作。所以設計鎖定軌溫需要滿足鐵軌的強度要求，又要符合溫度范圍。一般設計鎖定軌溫t的變化范圍在±5℃之間設定，也稱設計鎖定軌溫范圍。

施工鎖定軌溫是指施工鎖定時的軌溫。實際情況中，鐵軌的長度可能與設計存在細微誤差，所以施工鎖定溫度也需要在誤差允許范圍之內。施工鎖定軌溫被認為是代表平均零應力軌溫，在不同橫截面點和長度上，施工鎖定軌溫可能存在差異。這些差異在較為接近的范圍，使在施工鎖定軌溫的基礎上有了“實際鎖定軌溫”。

實際鎖定軌溫的關鍵在于“實際”二字，與施工過程中的零應力軌溫存在區別。在無縫線軌工作過程中，零應力軌溫因為工作情況的影響也會出現變化，這也是實際鎖定軌溫的含義。

3 無縫線路換鋪關鍵流程

無縫線路大修的主要施工內容有全部更換新Ⅱ型彈條、更換軌下橡膠墊板及擋板座，此段線路連接的補償電容、各種連接線重新連接、軌道電路參數重新調整[5]。下面主要就卸長軌、鋼軌焊接、換鋪施工三方面進行總結論述。

3.1 卸長軌施工

卸軌前施工單位需申請相關專業工隊配合進行卸軌地段現場設備情況調查，包括：核實卸軌起、終點里程；道床石砟狀況（砟肩寬度、線間石砟高度及道床是否缺砟）；曲線基本要素；橋梁、涵洞位置及長度；道口位置及道口板類型；信號調諧區線纜位置及數量；信號機線纜位置及數量；紅外線設備位置及數量。通過現場的嚴格復核，為下一步扒砟、預埋枕木頭、卸長軌、鋼軌釘固、長軌條巡視明確重點。

卸軌時，應在卸完一對軌條后，卸第二對軌條之前，有效控制鋼軌搭接量，不宜過長也不宜過短，兩軌條間要確保搭接量不小于0.5m，搭接處兩端各增設一根枕木頭，保證新軌條方向順直，長軌條兩端不得有影響其伸縮的障礙物，并注意防止新鋼軌聯電。相鄰兩軌條軌頭錯開，不允許對接，以“八字形”相錯，開口朝來車方向。

卸軌完成后，區間信號機、調諧區等電務信號電纜處，必須在設備兩端加設枕木頭，同時將線纜處石砟扒出，將線纜落入枕木盒內，并低于既有枕面20mm。線纜處加蓋厚膠墊，進行二次保護，防止鋼軌竄動造成線纜損壞，保證線纜安全，且不受擠壓，如圖1所示。

圖1 卸軌完成后的枕木盒

3.2 鋼軌焊接施工

肅寧分公司無縫線路換鋪施工目前采用的長軌焊接方式為移動式閃光焊，始端線上鎖定焊接時，受施工單位人員技術特點影響，主要分為對位焊和撥彎焊兩種，在無縫換鋪鋼軌焊接時應著重注意以下幾點。

（1）鋼軌焊接前，對鋼軌進行外觀檢查，鋼軌端面垂直度不得大于0.8mm，用型尺、角尺和塞尺對每個待焊軌端面垂直度檢測，必要時進行端磨處理。對軌腰兩個側面不能存在銹蝕，如果已經存在銹跡需要做除銹處理，除銹區域待焊鋼軌端面距離端面750mm范圍內。除銹的結果是露出90%以上的金屬光澤，除銹應當均勻，避免鋼軌發藍和局部打虧等影響鋼軌質量的現象。如果需要除銹的區域存在凸出軌腰表面的廠標、生產日期等，應當將其消除并打磨平整。

（2）焊機操作嚴格按照《焊軌機使用手冊》進行操作，鋼軌就位后利用調整塊調整待焊軌的工作邊平直度及起拱量，工作邊平直度小于0.3mm/m，起拱量控制在2±0.2mm/m范圍內。焊接過程中要求操作人員隨時觀察設備及焊接過程，如有異常狀況緊急停機處理。焊接結束之后，檢查鋼軌焊接接頭的外觀質量。

（3）鋼軌焊接接頭正火時有一定的溫度要求，一般需低于500℃。正火設備需要進行調整，鋼軌與加熱器使火孔的長度距離為24～26mm，不能直接接觸。在進行正火時，應當保證火頭位于鋼軌焊頭中央，火頭的擺動幅度為60mm，頻率應當穩定不能過大或過小，一般為60-70次/分。在進行正火的過程中，需要監測軌道底端溫度和軌頭表面溫度，一般軌底溫度應為860±10℃，軌頭中心線溫度應為920±10℃，溫度不能超出合理范圍。

（4）粗磨作業完成，焊接接頭軌底面的打磨余量為0～0.5mm。不得將鋼軌表面打虧，不得出現發黑或發藍現象，嚴禁橫向打磨。細磨前應先測量焊接接頭的平直度，確定合適的打磨進給量，然后進行細磨作業，細磨打磨長度不應超過焊縫中心兩側各450mm限度。細磨作業完成要求焊縫兩側500mm范圍內軌頂平直度應控制在0.5mm/m左右，內側工作面的平直度應為-0.3～0.3mm/m（應考慮實際軌溫），打磨過程中的打磨面過渡應圓滑，不能有凸起和銳角，此外應避免打磨部位的機械損傷和打磨發黑。

（5）焊接接頭外觀檢查質量要求：一般要求軌頂面平直度為0～0.3mm/m，工作邊平直度-0.3～0.3mm/m，軌底面的平直度為0～0.5mm/m（非工作邊的平直度依據項目具體要求）。軌頭及軌底角上表面1m范圍應平順，母材打磨量不超過0.5mm。焊縫兩側不得有明顯壓痕、碰痕、劃傷等缺陷，表面不能有焊渣殘留、電擊損傷等。

3.3 無縫線路換鋪關鍵點

（1）釋放初始應力。無縫線路換鋪時，在鋼軌焊接完畢后，待全部準備工作到位，并且焊頭溫度降至300℃以下（始端焊頭加保壓器）或者無保壓器狀態焊頭溫度低于100℃后，由施工配合技術指導組統一指揮，開始撞軌釋放軌條初始應力（含逆向放散100m軌條），待各組撞軌點觀測人員反饋觀測點位置均出現軌條反彈后，停止撞軌，此時軌條視為零應力狀態。

（2）撞軌拉伸。軌條釋放應力后，查看當前軌溫值，按照設計鎖定軌溫31℃（黃萬線29℃）及單元軌條長度進行計算（含逆向放散100m），公式為Δ=0.0118×鋼軌長度×（設計鎖定軌溫-零應力軌溫），計算當前鎖定時需拉伸的數值及各撞軌點需拉伸的數值。此項工作由施工單位技術人員、施工配合技術指導組及工務工隊技術主管三方核實后，方可配軌拉伸。鋸軌完成后，分別將結果通知到每處撞軌點負責人及盯控人處，做好標記，終端配合拉伸器開始撞軌拉伸，要求各撞軌點聽從統一指揮并及時匯報各點拉伸數值，直至各點均拉伸到位。

（3）無縫線路位移觀測。無縫線路鋪設完成12h內粘貼好位移觀測標尺，開始觀測位移，做好記錄；連續觀測5日，分析鎖定狀態。需重新放散地段，進行放散后再依照本方法粘貼標尺，直至位移符合相關要求為止。

（4）換鋪作業其他關鍵點把控。無縫線路換鋪施工有其嚴格的流程，層層相扣，因此必須保證每一環節正點完成，需特別注意以下幾點：①每一環節時間點卡控，應針對松卸扣件、換鋪車走行、鋼軌焊接、撞軌拉伸、扣件鎖定、軌道電路恢復等環節時間點逐一明確，并制定應急處置方案，如現場突發情況，第一時間進行處理。②換鋪車走行很大程度會影響換鋪進度，在換鋪過程中，曲線的地段如何通過往往是重點難點，可采用撞軌器撞軌配合終端適當拉伸的方法通過，具體操作為曲線地段上股反向撞軌拉伸、下股對向撞軌擠壓的方式。③在無縫線路換鋪過程中，應考慮絕緣接頭地段如何處理，可根據換軌車承軌輪情況、換鋪單元軌條長度和人員情況、當日軌溫情況、絕緣接頭在單元軌條中所處位置等情況綜合考慮，決定線下提前膠接，還是線上拉伸到位鋸開現場膠接。

4 結語

無縫線路換鋪施工作為朔黃鐵路常年推進的一項綜合性施工，肅寧公司結合通過總重15億的鋼軌大修周期，約4年進行一遍重車線無縫線路換鋪施工，每次約有90km的無縫線路換鋪任務，通過分公司、工隊、配合小組三級管控盯控制度，實現了對無縫線路換鋪施工安全、質量、技術的全過程把控，為無縫線路換鋪施工管理積累了寶貴的現場經驗和理論材料。