城市軌道交通鋼軌傷損的評價分析

【摘　要】　城市軌道交通中鋼軌的質(zhì)量、工作狀態(tài)對整個線路的質(zhì)量以及行車安全有著直接的影響。筆者在對北京地鐵鋼軌傷損常見類型和傷損現(xiàn)狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上,得出了以下結(jié)論:1號線和2號線運(yùn)營時間較長,鋼軌傷損主要以剝離掉塊等疲勞性損傷為主;新建線(13號線和八通線)到目前為止出現(xiàn)的鋼軌傷損主要以焊縫傷損及焊點(diǎn)傷損為主要類型。討論了軌道交通與國鐵不同的鋼軌傷損的成因,有針對性地提出了鋼軌傷損防治對策,如提高鋼軌質(zhì)量、鋪設(shè)無縫線路、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)維修和做好鋼軌探傷檢查工作,并提出了鋼軌傷損的監(jiān)測管理和整治修復(fù)措施。

【關(guān)鍵詞】　鋼軌傷損;　安全分析;　防治;　監(jiān)測管理;　修復(fù)措施;　成因

 

1 前　言

      隨著我國城市的發(fā)展,出行需求增加,但由于道路交通的昂貴費(fèi)用和運(yùn)行的擁擠狀況,軌道交通,尤其是地鐵成為成千上萬乘客更適合的選擇,可以說在很多城市,地鐵逐漸成為上班族的生命線。從西方發(fā)達(dá)國家的大城市交通發(fā)展歷史來看,發(fā)展公共交通,尤其是發(fā)展軌道交通是解決交通問題、促進(jìn)城市發(fā)展的最佳途徑,城市軌道交通是城市公共交通的骨干。一方面從城市發(fā)展的角度來說,它對于提高土地利用效率、緩解地面交通、改善人類居住環(huán)境、減少環(huán)境污染等都具有十分顯著的作用;另一方面,它運(yùn)量大,方便快捷,對于乘客的分流有著明顯的積極作用。

      從1965年7月1日開始修建第一條地鐵線路以來,我國內(nèi)地已經(jīng)有北京、廣州、上海、天津、香港、深圳、南京、重慶等幾個城市擁有了地鐵或輕軌。據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2005年6月,我國試運(yùn)行、試運(yùn)營和正式運(yùn)營的城市軌道交通線路總長為422.52公里,其中地鐵187.52公里、輕軌235公里;正在建設(shè)并將于近期投入運(yùn)行的線路總長287公里,其中地鐵211公里、輕軌76公里[1]。

      城市軌道交通安全涉及因素較多,無論在設(shè)計(jì)階段、施工階段還是運(yùn)營階段,都隱含著觸發(fā)事故的潛在條件。城市軌道交通不僅體現(xiàn)了土建工程、機(jī)車車輛、牽引供電、通信信號、運(yùn)輸調(diào)度、運(yùn)營管理等專業(yè)技術(shù)的較高水平,同時對其安全性也提出了更高的要求。其中軌道作為軌道交通的行車基礎(chǔ),其堅(jiān)固穩(wěn)定性和正確的幾何形位是車輛安全運(yùn)行的保障。而鋼軌是軌道的主要部件,它直接支撐并引導(dǎo)機(jī)車車輛的運(yùn)行,承受來自車輪的垂直力、橫向水平力、縱向水平力等,并傳遞到軌枕、路基上,同時,鋼軌還必須為車輪提供連續(xù)、平順和阻力最小的滾動表面。因此,鋼軌的質(zhì)量、工作狀態(tài)對整個線路的質(zhì)量以及行車安全有著直接的影響[2]。

      隨著城市軌道交通運(yùn)量的不斷增長,以及機(jī)車條件的變化,鋼軌的傷損問題越來越突出。研究鋼軌傷損成因及防治技術(shù)就顯得越來越迫切。2000年10月17日英國倫敦發(fā)生了由于鋼軌折斷引起的列車出軌事件,導(dǎo)致4人死亡、30余人受傷。2003年4月13日,京廣線武漢段漢水鐵路橋北端一根鋼軌發(fā)生折斷,被守橋武警官兵及時發(fā)現(xiàn),守橋武警官兵及鐵路工程技術(shù)人員進(jìn)行了緊急搶修,受此影響,北京至廣州的Ｔ15次特快列車被攔停約半小時。2001年5月22日,臺北地鐵淡水線士林站附近軌道發(fā)生裂縫,地鐵被迫減速,并改為手動駕駛,10萬旅客上班受阻。浙贛線上行Ｋ529+36處鋼軌右股小腰軌頭裂斷,由于巡道工及時發(fā)現(xiàn)并采取防護(hù)措施,養(yǎng)路工區(qū)及時更換鋼軌,才保證了行車安全。2004年12月19日凌晨,北京法塔寺道口鋼軌被凍裂,導(dǎo)致ｌ0輛列車晚點(diǎn)。正確認(rèn)識和掌握鋼軌傷損以及由傷損造成的鋼軌折斷的規(guī)律,主動超前進(jìn)行防范,是目前亟待解決的重要課題。

      筆者通過對北京地鐵鋼軌傷損情況進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)和分析,研究傷損發(fā)生的原因及發(fā)生條件,提出相應(yīng)的對策措施,盡量減緩鋼軌傷損,避免嚴(yán)重傷損,以延長鋼軌的使用壽命,確保軌道交通運(yùn)輸?shù)陌踩徒档瓦\(yùn)營成本。

2 鋼軌傷損現(xiàn)狀分析

      鋼軌是作為一根支撐在連續(xù)彈性基礎(chǔ)或點(diǎn)支撐上的無限長梁進(jìn)行工作的。它主要承受輪載作用下的彎曲應(yīng)力,同時還要承擔(dān)輪軌接觸點(diǎn)上的接觸應(yīng)力,以及軌腰與軌頭或軌底連接處可能產(chǎn)生的局部應(yīng)力和溫度變化作用下的溫度應(yīng)力。在輪載和溫度力的作用下,鋼軌產(chǎn)生復(fù)雜的變形,如壓縮、伸長、彎曲、扭轉(zhuǎn)、壓潰、磨耗等[3]。

      鋼軌傷損是軌道交通中一個比較突出的問題,它與行車安全、運(yùn)輸成本、鋼材選用和設(shè)計(jì)制造都有著密切的關(guān)系。鋼軌傷損根據(jù)傷損程度可分為輕傷、輕傷在發(fā)展、重傷和斷軌。下圖為鋼軌生命周期圖[4]。

2.1 鋼軌傷損的常見類型

      按鐵道部標(biāo)準(zhǔn),鋼軌傷損分為9大類共32種,城市軌道因其車輛軸重輕、車種單一,軌道結(jié)構(gòu)及運(yùn)營條件明顯有別于國鐵,其鋼軌傷損與國鐵相比亦有著自身特點(diǎn)。北京地鐵常見鋼軌傷損類型如下:

      第一類,輕傷及輕傷在發(fā)展主要類型:掉塊、劃傷、焊縫傷損、焊點(diǎn)傷損、銹蝕、啃磨、螺孔傷損、擦傷、軌底角傷損及其他傷損。

      第二類,重傷主要類型:

      1)與鋼軌母材有關(guān)的重傷,如軌頭表面金屬碎裂或剝離掉塊、軌頭橫向裂紋、軌頭縱向的水平裂紋和垂直裂紋、軌頭劈裂、軌腰傷損、軌底傷損等。

      2)與焊接有關(guān)的重傷,如焊縫裂紋、氣孔、過燒、夾渣、未焊透,相關(guān)專業(yè)線纜焊接引起的焊點(diǎn)傷損等。

      3)與鋼軌接頭有關(guān)的重傷,如螺孔裂紋、擴(kuò)孔、下顎裂紋等。

      4)其他傷損,如鋼軌銹蝕、鋼軌磨耗(包括垂直磨耗、側(cè)面磨耗、波浪形磨耗)鋼軌擦傷等。

2.2 鋼軌傷損類型的統(tǒng)計(jì)

      北京地鐵運(yùn)營線路包括運(yùn)營較早的線路———1號線、2號線,以及新投入試運(yùn)營的線路———13號線和八通線。筆者將北京地鐵新、老運(yùn)營線路同期鋼軌輕傷及輕傷在發(fā)展類型分布統(tǒng)計(jì)對比(見表1),將新線運(yùn)營以來重傷鋼軌類型分布與老線近十年以來重傷鋼軌類型分布統(tǒng)計(jì)對比(見表2)。

      通過統(tǒng)計(jì)對比可以看出:

      1)1號線和2號線運(yùn)營時間較長,鋼軌傷損主要以剝離掉塊等疲勞性損傷為主;

      2)新建線(13號線和八通線)到目前為止出現(xiàn)的鋼軌傷損主要以焊縫傷損及焊點(diǎn)傷損為主要類型。

3 鋼軌傷損主要原因分析

      城市軌道交通作為城市客運(yùn)的主體,它運(yùn)營時間長、行車密度大、安全性要求高、維修條件差,隧道所占比重大,所以其鋼軌傷損的成因也有自身的特點(diǎn)。

3.1 材質(zhì)缺陷及疲勞傷損[5—6]

      1)剝離掉塊:鋼軌接觸應(yīng)力大于鋼軌屈服強(qiáng)度是造成剝離的外因;鋼軌軌頭踏面存在夾雜物是造成剝離的內(nèi)因[5]。除鋼軌質(zhì)量外,線路不平順、輪軌潤滑涂油工藝不當(dāng)也能引起剝離掉塊。

      2)核傷:它與通過的總重成正比增加。夾雜物,如鋼軌本身存在的白點(diǎn)、氣泡通常為疲勞裂紋源,由其開始,微裂紋逐漸發(fā)展為核傷且與表面?zhèn)麚p貫通,氧化形成黑核。因此,延長鋼軌使用壽命,減少核傷的關(guān)鍵在于提高鋼軌的質(zhì)量。

      3)裂紋:鋼軌制造工藝不良,沒有切夠鑄錠中帶有嚴(yán)重偏析、縮孔、夾雜等部分,留下了疲勞源,即會導(dǎo)致軌頭水平或垂直裂紋、軌腰垂直裂紋及臌泡。如加工時存在軋痕、皮下氣泡等缺陷,則會使鋼軌軌底產(chǎn)生裂紋或折斷。

3.2 焊接傷損

      1)焊接接頭傷損:焊接接頭包括鋁熱焊接頭、移動氣壓焊接頭和接觸焊接頭,由于焊接設(shè)備、材料、氣溫和操作工藝等諸多因素都會影響焊接質(zhì)量,最終導(dǎo)致鋼軌的傷損。鋁熱焊接頭尤為嚴(yán)重,焊接過程中,如不嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求,在焊縫內(nèi)極易產(chǎn)生夾渣、氣孔、疏松、縮孔及未焊透等傷損。移動氣壓焊接頭在高溫高壓下將鋼軌兩端面熔化后再結(jié)合,其缺陷形式與鋁熱焊接頭不同,除外部缺陷,即幾何形狀偏差和局部凹陷外,另一個是內(nèi)部缺陷,即光斑、未焊透、過燒、粗晶組織等。

      2)焊點(diǎn)傷損:焊點(diǎn)傷損的主要原因?yàn)橄嚓P(guān)專業(yè)線纜焊聯(lián)于鋼軌上,由于焊接工藝不過關(guān)或未嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝,導(dǎo)致焊點(diǎn)處鋼軌母材發(fā)生金相組織變化繼而引發(fā)鋼軌傷損。

3.3 鋼軌接頭傷損

      鋼軌接頭是線路的薄弱環(huán)節(jié)。車輪作用在鋼軌接頭的慣性力要比其他部位大60%左右;如果鋼軌接頭養(yǎng)護(hù)不良,存在高低接頭、空吊板、大軌縫等病害,都會增大沖擊力,加劇對鋼軌接頭的破壞。鋼軌接頭的傷損,突出的表現(xiàn)為螺孔裂紋。此外還有下顎裂紋及鞍型磨耗等。另外,螺栓孔加工質(zhì)量不高,螺孔周邊有毛刺、缺口等,會使其本身的形成局部應(yīng)力集中,導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

3.4 鋼軌傷損檢測

      目前北京地鐵線路的檢測維修方法以手工或小型機(jī)械靜態(tài)檢測、維修為主。但是鋼軌出現(xiàn)一些核傷后,由于缺少先進(jìn)的動態(tài)檢測設(shè)備,靜態(tài)檢測不能完全反映地鐵車輛通過時線路的真實(shí)情況,加上夜間作業(yè)環(huán)境限制,對客觀判斷傷損程度造成一定影響;同時由于現(xiàn)有維修成本和檢測維修周期的限制,鋼軌可能在兩個檢測探傷周期之間出現(xiàn)無法預(yù)測的傷損,最終將導(dǎo)致鋼軌的突然折斷。

      解決該問題需要地鐵運(yùn)營有限公司線路公司引進(jìn)先進(jìn)的檢測探傷技術(shù)和線路維修技術(shù),增加更先進(jìn)的探傷和維修設(shè)備,提高職工的技術(shù)水平,提高探傷效率和探傷準(zhǔn)確率,針對鋼軌疲勞期的線路應(yīng)縮短維修周期,改進(jìn)檢測維修手段,保障地鐵線路始終處于安全狀態(tài)。

4 鋼軌傷損防治對策

      鋼軌的質(zhì)量、工作狀態(tài)對整個線路的質(zhì)量以及行車安全有著直接的影響,筆者針對城市軌道交通目前的鋼軌傷損的狀況,提出一些防治的對策。

4.1 鋼軌傷損的防治

4.1.1 提高鋼軌質(zhì)量

      根據(jù)國外的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和對于國產(chǎn)化率的要求,我國的城市軌道交通鋼材選用以國產(chǎn)鐵路鋼材為主。改善鋼軌的內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量,防治鋼軌傷損,研制、生產(chǎn)強(qiáng)度高,韌性好、抗疲勞,耐磨耗的新鋼軌是切實(shí)提高鋼軌質(zhì)量的主要途徑。

      鋼軌材質(zhì)不純,淬火工藝不當(dāng)是疲勞損傷的主要原因,所以在鋼軌用鋼的冶煉過程中應(yīng)采用精煉,真空脫氣使鋼質(zhì)凈化,盡量減少鋼中非金屬夾雜物, 減少疲勞剝離和核傷的發(fā)生。

4.1.2 鋪設(shè)無縫線路,提高焊接質(zhì)量

      新建城市軌道交通均采用無縫線路技術(shù),通過增加軌條長度而盡量消除和減少鋼軌接頭,螺孔裂紋傷損數(shù)量因此而大大減少。但是,從新線的傷損發(fā)生情況可以看出,無縫線路由于焊接質(zhì)量問題,焊縫傷損和焊點(diǎn)傷損情況變得十分突出,因此,切實(shí)提高焊接工藝是十分重要的防治鋼軌傷損的措施之一。

4.1.3 加強(qiáng)綜合養(yǎng)護(hù)

      加強(qiáng)曲線養(yǎng)護(hù),對磨耗較嚴(yán)重的曲線進(jìn)行鋼軌涂油,波磨嚴(yán)重的地段及時進(jìn)行鋼軌打磨;加強(qiáng)接頭養(yǎng)護(hù),及時整治接頭病害;加強(qiáng)無縫線路養(yǎng)護(hù),做好無縫線路的防脹、防斷工作;做好鋼軌防銹、除銹及養(yǎng)護(hù)工作等。

4.1.4 做好鋼軌探傷檢查工作

      進(jìn)一步做好鋼軌探傷檢查工作,力爭做到不漏檢、不錯判。包括引進(jìn)先進(jìn)的檢測探傷技術(shù)和線路維修技術(shù),增加更先進(jìn)的探傷和維修設(shè)備,更新檢測維修手段;提高職工的技術(shù)水平,提高探傷效率和探傷準(zhǔn)確率;健全崗位責(zé)任制,加強(qiáng)職工的安全意識和責(zé)任心,完善探傷檢查工作。

4.2 鋼軌傷損的管理和修復(fù)措施

4.2.1 監(jiān)測管理措施

      1)加強(qiáng)對鋼軌焊縫的管理,對線路存在缺陷的焊接接頭分級進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄,列入重點(diǎn)檢測工作。

      2)堅(jiān)持嚴(yán)格執(zhí)行鋼軌周期探傷制度,加強(qiáng)對鋼軌傷損發(fā)展情況的探傷監(jiān)管及報告,傷損重點(diǎn)部位實(shí)行加密探傷。

      3)加強(qiáng)對焊縫及焊點(diǎn)處的巡道檢查。

4.2.2 整治及修復(fù)措施

       除監(jiān)測監(jiān)管措施外,對傷損鋼軌有針對性地開展整治修復(fù)工作。通過改善線路狀況盡量減少鋼軌傷損出現(xiàn),對已形成傷損的鋼軌減緩其發(fā)展,對已發(fā)展至一定程度的鋼軌及時加固或更換,從而消除線路隱患,延長鋼軌的使用壽命。加強(qiáng)無縫線路鋼軌焊接接頭處的維修養(yǎng)護(hù),對碎石道床加強(qiáng)搗固,保持焊頭處道床飽滿密實(shí)。

      對異常爬行的軌條及時進(jìn)行應(yīng)力放散,減少鋼軌內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象,改善鋼軌受力狀況;對鋼軌硬彎進(jìn)行矯直,對個別有輕微高焊頭及支嘴現(xiàn)象的焊頭打磨順直,消除軌面不平順,減小列車沖擊荷載影響,防止其發(fā)展為內(nèi)部傷損;對低塌焊頭進(jìn)行焊補(bǔ)及打磨等。

5　結(jié)　論

      1)作為與城市居民生活密切相關(guān)的出行工具,軌道交通的安全性是最值得關(guān)注的課題。城市軌道交通的運(yùn)營單位應(yīng)當(dāng)組織對城市軌道交通關(guān)鍵部位和關(guān)鍵設(shè)備的長期監(jiān)測工作;評估城市軌道交通運(yùn)行對土建工程的影響;定期對城市軌道交通進(jìn)行安全性評價;并針對薄弱環(huán)節(jié)制定安全運(yùn)營對策。

      2)鋼軌傷損與防治是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,減少鋼軌傷損、延長鋼軌壽命、保證行車安全主要應(yīng)注意以下幾個方面:

      (1)保證城市軌道交通選用鋼材的質(zhì)量;

      (2)嚴(yán)格執(zhí)行鋼軌焊接標(biāo)準(zhǔn),控制焊接質(zhì)量,改善各種線纜與鋼軌焊聯(lián)時的焊接工藝,并嚴(yán)格按工藝規(guī)程操作,以減少線纜焊接對鋼軌造成的傷損;

      (3)加強(qiáng)線路維修養(yǎng)護(hù)和科學(xué)管理,減少線路病害,延長鋼軌使用壽命;

      (4)采用靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的檢測方法和先進(jìn)的維修方法,配置軌道檢查車、鋼軌探傷車、綜合維修車等先進(jìn)的檢測維修設(shè)備,保證線路始終處于完好狀態(tài),以保障乘客的安全;

      (5)加強(qiáng)職工培訓(xùn),提高人員的技術(shù)水平和安全意識。

 

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