在建高速鐵路鋼軌缺陷分析及鋼軌保護管理建議

戚志剛 劉豐收 姜子清

1.中國鐵路蘭州局集團有限公司工務部，蘭州 730030；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

多條在建高速鐵路鋼軌出現大量軌端不平順、表面擦傷、連續硬彎（軌向多波不平順）等問題。若開通前不處理，開通后會很快發展成軌枕空吊，動檢車Ⅲ、Ⅳ級偏差等線路病害，影響高速鐵路運營安全［1-3］。因此，需認真分析這些缺陷的成因，高度重視鋼軌保護和管理。一方面要研究鋼軌缺陷快速排查技術，將安全隱患消除在開通前；另一方面加強施工時的鋼軌保護管理，減少施工導致的鋼軌缺陷問題。本文以銀西客運專線為例介紹鋼軌缺陷的排查與分析，并給出整治措施。

1 軌端不平順

1.1 病害情況

銀蘭客運專線介入檢查時發現，每根百米軌（包鋼生產）距軌端2.4 m和6.2 m處出現軌面不平順［4］，有1 778處平直度在-0.2～-0.76 mm/m。開通前采用鋼軌打磨車進行全線預打磨，開通后仍有不平順處出現軌枕空吊、動檢車Ⅰ級偏差。2019年底開通的某高速鐵路因開通前軌端不平順未全部打磨整治，加之大型養路機械搗固不到位，開通后大量出現軌枕空吊，動檢車Ⅲ、Ⅳ級偏差。軌端不平順病害較普通，應重點排查。對焊軌廠和銀西客運專線現場鋼軌進行檢查，同樣發現大量軌端不平順問題。現場排查、修磨累計整治鋼軌軌端不平順4 450處。

1.2 原因分析

經調查，銀西客運專線百米軌距軌端2.4 m處軌面不平順出廠前就已存在，是鋼軌軋制過程中出軋機時突然失張所致［5］。此為鋼廠生產工藝導致的缺陷，通過調整改進工藝可消除該缺陷。

1.3 整治方案

因焊縫距橋墩不得小于2 m［6］，焊縫與橋墩相錯2 m后，距軌端2.4 m處的不平順正好在橋墩上，從而導致動車組運行沖擊增大，易產生軌枕空吊等問題。因此，鋪軌時應確保軌端不平順距橋墩大于2 m。對于焊軌基地發現的軌端不平順，焊軌前須打磨調直處理［7］，嚴重不平順的應切除處理。對鋪軌后發現的軌端不平順，先安排鋼軌打磨車全線預打磨，然后依據不平順幅值按0.1‰～0.2‰的坡率［8］進行人工打磨順坡處置。

2 軌面擦傷及硌傷

2.1 排查情況

為掌握銀西客運專線高速鐵路鋼軌擦傷情況，2019年8月至10月添乘銀西客運專線17列工程列車。其中，長軌車8列，卸砟車9列。對記錄的60個停車處（正常制動54處、緊急制動6處）鋼軌狀態進行檢查，僅發現4處（3處正常制動）擦傷，位于坡率10‰～19‰的坡道上。排查洪德—惠安堡區間上下行線發現15處擦傷，其中9處位于15‰以上坡道，6處位于15‰及以下坡道。

2019年11月使用渦流探傷儀、里氏硬度計檢查銀西客運專線洪德—惠安堡區間上行線，發現擦傷351處（241處軌面擦傷深度小于0.35 mm，其中大部分擦傷僅軌面光澤度、硬度發生變化），硌傷170處。有2處擦傷、21處硌傷最大深度達到5 mm。

2.2 擦傷類型

鋼軌擦傷主要呈塊狀、連續點狀和長條狀，見圖1。擦傷寬度基本在12～18 mm，長度分布不均，從8 mm至10 mm不等。擦傷處硬度大多在580 HB左右，部分焊縫周邊的擦傷硬度較高，在720 HB左右。擦傷深度平均在0.9 mm左右。

圖1 鋼軌擦傷主要類型

2.3 硌傷類型

鋼軌硌傷主要呈點狀和長條狀，見圖2。平均深度在2.1 mm左右，長度和寬度基本在10.0 mm以內；硬度分布不均，其中較高的在680 HB左右。

圖2 鋼軌硌傷主要類型

2.4 原因分析

添乘排查和人工現場檢查出的擦傷數量明顯少于儀器檢查出的。主要原因為：①擦傷處軌面光澤變化不明顯，渦流探傷儀檢查發現后，硬度計檢查軌面硬度有變化，但這種變化人工檢查難以發現；②軌道車、接觸網車、大型養路機械搗固車等制動、空轉也有擦傷鋼軌的可能，僅排查長軌車、卸砟車制動處，不能發現所有的擦傷；③鋼軌成品保護不到位，小的硌傷、麻面較多，檢查人員未全部記錄。

2.5 整治方案

擦傷、硌傷深度小于等于0.35 mm［9］時打磨車預打磨后，再進行人工修磨；深度大于0.35 mm時換軌處理。

3 鋼軌連續硬彎

3.1 現場檢查、抽檢和化驗情況

銀西客運專線第4遍精搗后采用0級軌道檢查儀檢測，軌道質量指數（Track Quality Index，TQI）達到3.6 mm，比正常軌道精調精搗后的TQI（約2.5 mm）［10］高。銀西客運專線第4遍精搗（四搗）后軌向TQI為0.80 mm，從粗搗至四搗軌向TQI降幅不如高低TQI明顯，見圖3。

圖3 銀西客運專線大型養路機械搗固后各項軌道幾何參數TQI對比

第4遍精搗后軌向TQI無法降低，現場檢查發現鋼軌存在長8～10 m、幅值2～4 mm的連續小硬彎，見圖4。開通運營的杭黃客運專線、梅汕客運專線等線路均出現過類似問題。

圖4 銀西客運專線第4遍精搗后鋼軌硬彎

2020年4月，銀西鐵路有限公司組織有關專家和施工、設備接管單位對焊軌基地、鋪架基地存軌場鋼軌，橋梁、路基、隧道等不同地段已鋪設的鋼軌進行抽檢。焊軌基地長軌條出廠檢驗全部合格，未發現鋼軌平直度超標；鋪架基地存軌場鋼軌平直度未發現超標。橋梁、路基地段鋼軌存在幅值3.0～6.5 mm的連續硬彎。

銀西客運專線未粗搗和已粗搗地段均存在長8～10 m、幅值3.0～6.5 mm的連續硬彎；已精搗地段存在長8～10 m、幅值2.5～5.0 mm的連續硬彎；隧道內已精調的無砟軌道地段鋼軌同樣存在幅值-1.0～+1.5 mm的S形軌向不平順。抽檢情況反映出的鋼軌連續硬彎問題不是焊接、運輸、搗固環節造成的，是鋪軌后成品保護不到位所致。

從距百米軌軌端3 m處取樣，分析化學成分、拉伸性能、硬度、顯微組織、軌底殘余拉應力、非金屬夾雜物等，除了軌底殘余拉應力（277.0、272.4、257.9、256.3 MPa）略大于TB/T 3276—2011《高速鐵路用鋼軌》［11］規定的250 MPa，其余指標均合格。鋼廠矯直過程中壓力大引起軌底殘余拉應力較大，該指標僅對鋼軌疲勞強度有影響，不會導致鋼軌連續硬彎［12-13］。

3.2 對比分析

對比銀西客運專線與銀蘭客運專線、中川鐵路搗固數據。采用相同型號的大型養路機械、相同的搗固方法，2020年5月銀西客運專線精搗后軌向TQI為0.82 mm，為銀蘭客運專線的1.95倍。采用同一臺搗固車，中川鐵路精搗后軌向TQI為0.43 mm，僅為銀西客運專線的50%，說明軌向TQI不同是因搗固的線路不同，與大型養路機械搗固作業方法無關，基本可以排除施工單位認為的搗固作業方法不當所致。

對比銀西客運專線站內與區間線路精搗數據。采用相同的大型養路機械作業，白土崗、惠安堡、甜水堡站內股道軌向TQI在0.4～0.5 mm；而吳忠—甜水堡區間線路軌向TQI在0.8～1.0 mm。區間線路軌向TQI明顯高于站內股道，站內股道無工程列車運行、無鋼軌硬彎問題，可見連續硬彎與區間線路運行工程列車有較大關系。

對比距鋪軌基地不同距離地段的精搗數據。2020年5月選取環縣—曲子區間中距惠安堡鋪軌基地遠、未精搗過的10 km線路進行精搗試驗。精搗后軌向TQI由精搗前的1.10 mm降至0.44 mm，降幅0.66 mm。距惠安堡鋪軌基地近的洪德—惠安堡區間，精搗后軌向TQI由精搗前的1.0 mm降至0.8 mm，降幅0.2 mm。可以看出，距鋪軌基地較遠的區間精搗后軌向TQI降幅明顯。距鋪軌基地近，通過重車多；距鋪軌基地遠，通過重車少。這反映出鋼軌硬彎數量與通過重車數量成正相關，通過重車少的線路鋼軌連續硬彎少，大型養路機械搗固作業更容易提升線路質量。

3.3 放散試驗

2020年5月1日施工單位對K529+000—K529+200連續硬彎地段鋼軌進行應力放散試驗，鎖定軌溫由20℃提高至24℃。放散前扣件鎖定狀態時軌向偏差3 mm，切軌后扣件松開時軌向偏差10 mm，再次鎖定擰緊扣件時軌向偏差3 mm。使用2 m平直尺測量鋼軌工作邊平直度，放散前扣件鎖定時平直度0.6 mm，扣件松開自由狀態時平直度2.4 mm，放散后擰緊扣件時平直度0.8 mm。這反映出鋼軌已發生塑性變形，通過應力放散無法完全消除鋼軌變形，整治鋼軌硬彎問題。

3.4 鋪軌施工情況

2018年12月施工單位從惠安堡站分別向銀川、西安方向鋪軌。2018年12月11日開始鋪軌，2019年3月12日開始線路粗搗，從長軌鋪設到應力放散間隔61～177 d，從長軌鋪設到完成粗搗間隔85～343 d。鋪軌后扣件未上齊全、未搗固整修情況下夏季易脹軌，且鋪軌車、卸砟車等工程列車一直在運行，易造成鋼軌塑性變形。

通過現場抽驗、對比分析和放散試驗發現，銀西客運專線鋼軌連續硬彎的主要原因包括施工單位對鋼軌成品保護意識不強，鋪軌后扣件隔5裝1，線路高低、軌向不良，整修不到位，鋪軌后未及時進行應力放散和工程列車頻繁碾壓。

3.5 整治方案及效果

鋼軌硬彎造成的連續軌向不平順會引發列車轉向架激振，與單個軌向不平順相比，對安全更不利［14］。建議鋼軌硬彎引起的連續軌向不平順按1.5 mm/10 m弦控制，軌向TQI按0.6 mm控制［15］。結合國內其他鐵路處理方案，銀西客運專線按設計鎖定軌溫上限重新進行放散鎖定，通過放散拉伸鋼軌，減少軌向多波不平順問題。對放散后軌向TQI仍大于0.7 mm的連續地段更換500 m長軌，對軌向TQI在0.6～0.7 mm的地段人工改道和精搗，對軌向TQI小于0.6 mm地段插入單根百米軌。

由于鋼軌保護不到位，原工期內須要重復完成兩遍應力放散、軌距精改和大型養路機械精搗等工作。銀西客運專線累計更換鋼軌100 km，雖然協調將其他在建高速鐵路到發線的41 km新鋼軌與銀西客運專線正線更換下的鋼軌進行調換，施工單位仍需采購更換59 km新鋼軌。

2020年8月銀西客運專線進行聯調聯試，動檢波形顯示，全線軌向質量優良，僅個別地段存在較小幅值的連續軌向不平順，動檢軌向TQI為0.3 mm。與梅汕客運專線未換軌整治地段動檢波形相比，銀西客運專線換軌整治后軌向不平順基本消除，整治效果良好，見圖5。

圖5 連續軌向不平順動檢波形

4 在建高速鐵路鋼軌保護管理建議

1）加強鋼軌源頭質量管理

高度重視鋼軌源頭質量管理，不斷提升鋼軌生產工藝，嚴格出廠質量卡控，從源頭杜絕軌端不平順問題。焊軌廠嚴格百米軌進廠質量檢驗，重點做好軌端平直度、鋼軌外觀質量的檢查驗收。鋪架基地加強鋼軌進場質量驗收，細化鋼軌進場檢驗、鋪設、質量驗收等環節的工作流程，完善作業標準和管理措施。

2）加強軌道施工質量卡控

施工單位要做好鋪軌后續工序銜接，鋪軌后及時補齊扣件、應力放散和搗固整修。工程列車上線運行前確保線路幾何尺寸達標，加強裝砟點、鋪軌基地附近重車運行頻繁區段線路的檢查和整修，防止鋼軌產生塑性變形。

3）強化工程列車開行要求

記錄工程列車異常啟停位置，建立報告、現場復核制度，制定長大坡道、進出車站、列車啟停時行車作業辦法。根據牽引定數合理配置牽引動力，對工程列車嚴格限速管理，防止和減少工程列車運行中空轉、緊急制動造成軌面擦傷。

4）加強新線鋼軌介入檢查

新建高速鐵路靜態驗收前，設備接管單位應使用渦流探傷儀、硬度計等設備對鋼軌表面缺陷全面檢查，對存在的問題制定整治措施，及時整治。

5）加強鋼軌質量管理

要高度重視鋼軌質量管理，生產廠家、施工單位、設備接管單位應從各個工序制定、完善鋼軌保護管理辦法，及時檢查發現問題，杜絕不合格鋼軌進入下一工序。明確各單位各部門職責，加強成品軌的保護。

5 結語

從鋼軌缺陷原因分析和整治，可以看出施工時鋼軌保護管理不到位是造成在建高速鐵路鋼軌缺陷的主要原因。大型養路機械搗固作業數據分析，也反映出施工時鋼軌保護管理不到位導致的鋼軌連續硬彎無法通過搗固作業予以消除，換軌整治造成巨大浪費。因此，新線建設施工時各單位各部門應高度重視，加強在建高速鐵路鋼軌保護和管理，確保高速鐵路開通運營安全。