论文部分内容阅读
【摘 要】地铁线路钢轨使用几年后会在表面产生横向裂纹及出现剥离掉块伤损。某地铁1号线二期开通运营约1年，使用的钢轨在某车站列车进站端的半径为360 m的一曲线路段上随机出现多处掉块。通过对钢轨掉块的原因进行分析发现，存在轨底坡设置不符合要求、下股接触面积过小、受轨道弹性影响等问题，采取相应措施：①将钢轨剥落掉块纳入伤损台账，巡检时对该区段予以重点关注，加强探伤检查，发现内部有伤损及时上报处理。②对剥落掉块所处曲线轨底坡进行调整，将上下股轨底坡调整至合适范围。提出养护维修管理建议，提高地铁运营质量。
【关键词】城市轨道交通;钢轨;掉块;建议
【中图分类号】U213 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）04-0097-03
0 引言
在地下铁路轨道系统中，钢轨是承担列车荷载及引导列车前行的重要设施，经过一段时间的运营后，钢轨经常出现各种各样的伤损，其中以钢轨剥落掉块最常见，除钢轨本身材质问题外，地铁线路曲线半径小、行车频次高、轨道几何形位有偏差均会导致或加剧钢轨伤损。本文通过对某地铁1号线二期某区间下行钢轨剥落掉块情况进行调查统计，分析钢轨剥落掉块产生的原因，采取措施并提出养护维修管理建议。
1 工程概况
鋼轨剥落掉块里程为下行K07+230～K07+420，位于平面曲线K07+217～K07+837上，曲线半径R=360 m，超高H=110 mm;处在25‰的下坡道上。
1.1 伤损特征
通过对线路的外观检查、几何尺寸调查、轨底坡调查及对钢轨表面伤损检查后发现以下特点：曲线下股光带偏外侧，光带宽度约25 mm，掉块位于光带上;掉块宽3～8 mm（多为5 mm），最深处深度约2 mm;掉块为断断续续的状态，最长连续掉块为350 mm;经探伤检测，该处为钢轨近表面剥落掉块，没有发现内部伤损;掉块发生在曲线下股，钢轨中轴线外侧。
1.2 伤损发展情况
掉块发生在1号线二期开通1年时间左右，曲线下股与列车车轮接触面为钢轨外侧;轨面掉块是由轨面细微裂纹发展而来，裂纹发展到一定程度将会产生掉块;裂纹主要发生在曲线下股轨面，离轨顶外侧圆弧5～10 mm处，大致平行，长15～25 mm，与钢轨横截面呈45°，开口方向与行车方向一致，用手触摸有毛刺感，裂纹肉眼可见 [1]。轨面裂纹情况如图1、图2所示。
当裂纹深度不断增加，裂纹之间的轨面会因列车车轮的黏滞力而发生脱落，形成掉块，现场掉块为薄片，长度约15 mm，深度约1 mm，宽度约5 mm。掉块后钢轨轨面状态如图3所示。
2 钢轨剥落掉块原因分析
2.1 轨底坡设置不符合要求
设计坡比与实测坡比最大相差0.057，设计坡比与实测坡比平均相差0.042 8。由于曲线下股轨底坡严重偏大，所以曲线下股轮轨接触面积过小，进而导致钢轨裂纹，由此钢轨轨底坡设置不符合要求是导致钢轨剥落掉块的主要原因，实测轨底坡比数值如图4所示。
2.2 下股接触面积过小
曲线下股股钢轨受力分析：通过现场测量，曲线下股光带宽度为25 mm左右，为正常接触面积的1/2～1/3，相应的下股钢轨单位面积承担的压力将会增加，同时在曲线地段行车时，内侧车轮在钢轨上行程较外侧车轮短，会发生空转现象，轨面与车轮间会产生更大的制动力，导致掉块现象加剧。下股接触面积过小是曲线下股股外侧轨面发生裂纹的次要原因。
2.3 轨道弹性影响
剥落掉块地段为一般整体道床，单趾弹条扣件，轨道减振只有通过轨下、铁垫板下的橡胶垫板及弹条变形实现。列车通过曲线地段产生的振动无法通过道床吸收，将直接反馈在扣件与钢轨之间及车轮与钢轨之间，曲线下股长期受到较大的冲击力将会导致曲线下股钢轨产生疲劳裂纹并加速裂纹发展，最终导致轨面掉块。
3 采取措施
3.1 伤损影响
根据《线路检修规程》中“6.6.2”的规定，轨端或轨顶面剥落掉块长度超过15 mm且深度超过4 mm，属钢轨轻伤，该处伤损未达到轻伤标准。
3.2 采取措施
（1）将钢轨剥落掉块纳入伤损台账，巡检时对该区段予以重点关注，加强探伤检查，发现内部有伤损及时上报处理。
（2）对剥落掉块所处曲线轨底坡调整，将上下股轨底坡调整至合适范围。
（3）申报打磨计划，对剥落掉块区域多遍打磨，尽量消除轨面剥落掉块。
4 轨底坡调整施工要点
4.1 轨底坡测量仪器及使用方法
轨底坡测量应使用专业的轨底坡测量仪器，测量结果为轨底倾角，测量结果使用坡度比格式。测量时，测量人员应先用砂纸清洁待测位置轨底，然后将轨底坡测量仪从轨道线路外侧插入轨底，记录坡度比，测量过程中应防止仪器磕碰，测量仪器详如图5所示。
4.2 计算待调整区段轨底坡误差
轨底坡比测量为每4根轨枕测量一处，因为轨底坡测量仪测量结果为轨底相对于水平面的坡度比，所以为计算待调区段轨底坡度比误差，需要换算出曲线地段轨底相对于水平面的坡度比，其中下股的轨底坡比标准值的计算公式为α=1/40-h/
1 508，上股的轨底坡比标准值β=1/40+h/1 508，为方便计算，先对轨底坡比进行100倍放大处理，然后计算待调区段测量轨底坡比与标准值之间的误差，根据不同型号异型胶垫可调量选择不同的胶垫进行调整，该区段轨底坡测量部分资料见表1。
4.3 现场调整
根据前期测量结果，在现场对应位置更换不同型号的轨下胶垫，此时应注意，更换异形胶垫对轨距影响较大，施工前应准备足量的轨距块，并配备起道机、弹条扳手等工具，为确保调整以后线路几何尺寸良好，上下股调整轨底坡后应同步调整线路几何尺寸，确保几何尺寸符合作业验收标准，异型胶垫设计图如图6所示。
5 整改效果
5.1 光带偏移
从图7可以看出，调整前后，该区段光带移动了5 mm左右，基本调整至钢轨轨面中部且光带宽度也有所增加，说明轮轨关系已有较大改善。
5.2 掉块情况缓解
该区间轨面剥落掉块情况无明显发展，轨底坡调整前轨旁的铁屑较多（如图8所示），轨底坡调整以后轨旁未发现明显掉落的铁屑（如图9所示）。
5.3 噪声减小
从2019年1月开始调整轨底坡至6月调整完成，该区段噪声降低明显，从1月份的最高90 dB，降低至6月份最高的81 dB，说明轨底坡调整对轮轨噪声有一定的改善效果（见表2）。
6 养护维修管理建议
（1）调整轨底坡至设计值能改善轮轨关系、减缓钢轨剥落掉块的发展、降低轮轨噪声并延长钢轨使用寿命。
（2）对钢轨轨面伤损进行周期性检查并建立观察台账，以及时查找钢轨轨面伤损产生及发展的原因并采取措施减缓、抑制钢轨轨面伤损的发展，可延长钢轨使用寿命，降低钢轨运营维护成本。
参 考 文 献
[1]杜茂金.南京地铁钢轨掉块病害分析与防治[J].城市轨道交通研究，2015，18（1）：78-80.
【关键词】城市轨道交通;钢轨;掉块;建议
【中图分类号】U213 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）04-0097-03
0 引言
在地下铁路轨道系统中，钢轨是承担列车荷载及引导列车前行的重要设施，经过一段时间的运营后，钢轨经常出现各种各样的伤损，其中以钢轨剥落掉块最常见，除钢轨本身材质问题外，地铁线路曲线半径小、行车频次高、轨道几何形位有偏差均会导致或加剧钢轨伤损。本文通过对某地铁1号线二期某区间下行钢轨剥落掉块情况进行调查统计，分析钢轨剥落掉块产生的原因，采取措施并提出养护维修管理建议。
1 工程概况
鋼轨剥落掉块里程为下行K07+230～K07+420，位于平面曲线K07+217～K07+837上，曲线半径R=360 m，超高H=110 mm;处在25‰的下坡道上。
1.1 伤损特征
通过对线路的外观检查、几何尺寸调查、轨底坡调查及对钢轨表面伤损检查后发现以下特点：曲线下股光带偏外侧，光带宽度约25 mm，掉块位于光带上;掉块宽3～8 mm（多为5 mm），最深处深度约2 mm;掉块为断断续续的状态，最长连续掉块为350 mm;经探伤检测，该处为钢轨近表面剥落掉块，没有发现内部伤损;掉块发生在曲线下股，钢轨中轴线外侧。
1.2 伤损发展情况
掉块发生在1号线二期开通1年时间左右，曲线下股与列车车轮接触面为钢轨外侧;轨面掉块是由轨面细微裂纹发展而来，裂纹发展到一定程度将会产生掉块;裂纹主要发生在曲线下股轨面，离轨顶外侧圆弧5～10 mm处，大致平行，长15～25 mm，与钢轨横截面呈45°，开口方向与行车方向一致，用手触摸有毛刺感，裂纹肉眼可见 [1]。轨面裂纹情况如图1、图2所示。
当裂纹深度不断增加，裂纹之间的轨面会因列车车轮的黏滞力而发生脱落，形成掉块，现场掉块为薄片，长度约15 mm，深度约1 mm，宽度约5 mm。掉块后钢轨轨面状态如图3所示。
2 钢轨剥落掉块原因分析
2.1 轨底坡设置不符合要求
设计坡比与实测坡比最大相差0.057，设计坡比与实测坡比平均相差0.042 8。由于曲线下股轨底坡严重偏大，所以曲线下股轮轨接触面积过小，进而导致钢轨裂纹，由此钢轨轨底坡设置不符合要求是导致钢轨剥落掉块的主要原因，实测轨底坡比数值如图4所示。
2.2 下股接触面积过小
曲线下股股钢轨受力分析：通过现场测量，曲线下股光带宽度为25 mm左右，为正常接触面积的1/2～1/3，相应的下股钢轨单位面积承担的压力将会增加，同时在曲线地段行车时，内侧车轮在钢轨上行程较外侧车轮短，会发生空转现象，轨面与车轮间会产生更大的制动力，导致掉块现象加剧。下股接触面积过小是曲线下股股外侧轨面发生裂纹的次要原因。
2.3 轨道弹性影响
剥落掉块地段为一般整体道床，单趾弹条扣件，轨道减振只有通过轨下、铁垫板下的橡胶垫板及弹条变形实现。列车通过曲线地段产生的振动无法通过道床吸收，将直接反馈在扣件与钢轨之间及车轮与钢轨之间，曲线下股长期受到较大的冲击力将会导致曲线下股钢轨产生疲劳裂纹并加速裂纹发展，最终导致轨面掉块。
3 采取措施
3.1 伤损影响
根据《线路检修规程》中“6.6.2”的规定，轨端或轨顶面剥落掉块长度超过15 mm且深度超过4 mm，属钢轨轻伤，该处伤损未达到轻伤标准。
3.2 采取措施
（1）将钢轨剥落掉块纳入伤损台账，巡检时对该区段予以重点关注，加强探伤检查，发现内部有伤损及时上报处理。
（2）对剥落掉块所处曲线轨底坡调整，将上下股轨底坡调整至合适范围。
（3）申报打磨计划，对剥落掉块区域多遍打磨，尽量消除轨面剥落掉块。
4 轨底坡调整施工要点
4.1 轨底坡测量仪器及使用方法
轨底坡测量应使用专业的轨底坡测量仪器，测量结果为轨底倾角，测量结果使用坡度比格式。测量时，测量人员应先用砂纸清洁待测位置轨底，然后将轨底坡测量仪从轨道线路外侧插入轨底，记录坡度比，测量过程中应防止仪器磕碰，测量仪器详如图5所示。
4.2 计算待调整区段轨底坡误差
轨底坡比测量为每4根轨枕测量一处，因为轨底坡测量仪测量结果为轨底相对于水平面的坡度比，所以为计算待调区段轨底坡度比误差，需要换算出曲线地段轨底相对于水平面的坡度比，其中下股的轨底坡比标准值的计算公式为α=1/40-h/
1 508，上股的轨底坡比标准值β=1/40+h/1 508，为方便计算，先对轨底坡比进行100倍放大处理，然后计算待调区段测量轨底坡比与标准值之间的误差，根据不同型号异型胶垫可调量选择不同的胶垫进行调整，该区段轨底坡测量部分资料见表1。
4.3 现场调整
根据前期测量结果，在现场对应位置更换不同型号的轨下胶垫，此时应注意，更换异形胶垫对轨距影响较大，施工前应准备足量的轨距块，并配备起道机、弹条扳手等工具，为确保调整以后线路几何尺寸良好，上下股调整轨底坡后应同步调整线路几何尺寸，确保几何尺寸符合作业验收标准，异型胶垫设计图如图6所示。
5 整改效果
5.1 光带偏移
从图7可以看出，调整前后，该区段光带移动了5 mm左右，基本调整至钢轨轨面中部且光带宽度也有所增加，说明轮轨关系已有较大改善。
5.2 掉块情况缓解
该区间轨面剥落掉块情况无明显发展，轨底坡调整前轨旁的铁屑较多（如图8所示），轨底坡调整以后轨旁未发现明显掉落的铁屑（如图9所示）。
5.3 噪声减小
从2019年1月开始调整轨底坡至6月调整完成，该区段噪声降低明显，从1月份的最高90 dB，降低至6月份最高的81 dB，说明轨底坡调整对轮轨噪声有一定的改善效果（见表2）。
6 养护维修管理建议
（1）调整轨底坡至设计值能改善轮轨关系、减缓钢轨剥落掉块的发展、降低轮轨噪声并延长钢轨使用寿命。
（2）对钢轨轨面伤损进行周期性检查并建立观察台账，以及时查找钢轨轨面伤损产生及发展的原因并采取措施减缓、抑制钢轨轨面伤损的发展，可延长钢轨使用寿命，降低钢轨运营维护成本。
参 考 文 献
[1]杜茂金.南京地铁钢轨掉块病害分析与防治[J].城市轨道交通研究，2015，18（1）：78-80.