滨州线轨道状态及养护维修对策研究

陈宪麦，贺天龙，刘胜勇，张向民，徐磊，马子祥，王卫东

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；

2.高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075；

3.哈尔滨铁路局海拉尔工务段，内蒙 古海拉尔 021000；

4.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031)



滨州线轨道状态及养护维修对策研究

陈宪麦1,2，贺天龙1，刘胜勇3，张向民1,2，徐磊4，马子祥3，王卫东1

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；

2.高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075；

3.哈尔滨铁路局海拉尔工务段，内蒙 古海拉尔 021000；

4.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031)

摘要:严寒的气候条件使得高寒地区轨道结构的运营状态和养护维修具有特殊性，其养护维修不宜简单套用现行铁路线路修理规则。为确保高寒地区铁路运营安全，迫切需要针对高寒地区铁路养护维修技术进行深入研究。采用现场调研、测试和计算分析等研究方法，对滨洲线的钢轨磨耗、三折、断轨和原始弯曲，扣件参数及接头螺栓扭矩，道床状态参数和几何参数，线路冻害和轨道不平顺等线路状态进行深入分析，总结滨洲线轨道状态之特征和变化规律，并提出养护维修之对策。研究结论可为其他高寒地区无缝线路养护维修技术之研究提供借鉴意义。

关键词：滨洲线；无缝线路；运营状态；养护维修；高寒铁路

滨洲线所经地区大部分是严寒地区，穿越季节和多年冻土区，气候条件复杂，温差大，特别是大兴安岭高纬度高寒冷地区，四季分明，冬季最低气温达-40～-52.3 ℃，夏季最高气温达30～36.8 ℃[1]。这种严寒的气候条件使得轨道结构的运维具有特殊性，不宜简单套用现行线路修理规则。为确保高寒地区铁路安全，迫切需要深入研究高寒地区的铁路养护维修技术。基于此研究背景，课题组对滨洲线的运营状态和养护维修现状进行了现场调研、测试及分析，现详述之。

1钢轨运营状态及变化规律

滨洲线地处严寒地区，地质、气候环境复杂，建设期早，小半径曲线多，运量大，现场调研情况表明，其钢轨磨耗和伤损情况有其自身特点，常见的病害有磨耗、轨头龟裂、压溃、剥离、接触疲劳、擦伤、焊缝伤损、肥边、接头高低差和大轨缝等。

1.1　钢轨磨耗

钢轨直接承受车轮荷载和病害区引发的冲击作用，磨耗的产生是难以避免的。小半径曲线钢轨受到各种轮轨应力的作用，更容易造成磨耗问题。引起钢轨磨耗的原因可以归结为列车作用不稳定、线路几何形位设置不合理、钢轨材质及线路病害影响等方面，同时也可以从这几个方面着手开展相应的整治[2-3]。

现场调研表明，滨洲线钢轨磨耗和伤损发展快，3个月就出现鱼鳞伤损，约7-10个月就需更换钢轨，究其原因是线路结构道砟不足、螺栓不紧和应力不均等因素造成，这些因素在一开始并没有引起全局的重视。随着现场经验的积累，管理人员开始重视这些因素，采取补足道砟、拧紧螺栓、调均应力等相应的整治措施，把钢轨伤损降了下来。调查发现，钢轨应力不均的现象在大坡道和软土路基上出现的比较多，其根源在于锁定轨温很难准确确定。长轨条在铺设前常会在现场停放几天，这期间很难正常伸缩，造成钢轨落地和铺设时候的温度差异。根据现有的施工工艺，铺设钢轨时候的温度就会被认为是锁定轨温，但实际上真正的锁定轨温并非如此。此外，施工中各种随机因素造成的温度差和线路运营中出现的因螺栓松动、钢轨爬行、道砟不足等因素所造成的温度偏差，也会致使应力不均。列车通过小半径曲线时，常常出现一股滚动、一股滑动的现象，易造成上、下股位移量不一致的病害。据哈尔滨铁路局现场运维经验，有时即使道床饱满程度和扣压力都达标，小半径曲线仍然产生位移，控制困难。这种现象在每年的小半径曲线检查中都出现过，很难克服，可视为高寒地区无缝线路运维需要克服的一大难题。同时，发现钢轨磨耗量与曲线半径之间存在一定关联。图1给出了2013-03~2014-07月间在曲线半径分别为509，605，750，900，1000，1 670和2 000 m的小半径曲线上测得的钢轨累计磨耗量。从图1可以看出，一般情况下，曲线半径越小，钢轨磨耗量越大。半径为509 m的曲线磨耗在2014-02~03期间出现了异常增大的现象，具体原因初步估计跟春季冻土消融有关，具体原因有待进一步研究。

图1　钢轨磨耗与曲线半径之间的关系Fig.1 Relation between rail wear and curve radius

1.2　三折

所谓“三折”，就是指铁路线路上的钢轨(含辙叉、尖轨)、钢轨接头夹板和钢轨接头夹板螺栓的折损[4-6]。“三折”是北方寒冷地区频繁出现的轨道病害之一，严重威胁列车的运行安全，干扰列车运行的正常秩序，给铁路的经济效益带来极大损失。表1给出了海拉尔工务段轨件伤损的统计情况，表2给出了各类伤损的具体数量。由表1可以看出，在2013-10~2014-03的统计区间，总共发生了208次轨件伤损，发生伤损最多的时间是2013年11月，共69次，占总量的33.17%，其次是2014年3月和1月(分别为35次和34次)，其他时间介于20～27次之间。可见，11月份是发生三折最集中的时间段，应列为重点防治时间。

表1　海拉尔工务段轨件伤损(2013.10～2014.03)

表2　钢轨伤损类型

由表2可以看出，统计时间内钢轨伤损类型主要是各种裂纹(63.94%)、核伤(24.52%)和掉块(7.21%)。其中，裂纹病害中，螺栓裂纹最为严重，共81处，所占比例达到了60.90%；水平裂纹次之，35次，占26.32%。接头病害、螺栓孔不倒棱是孔裂的主要原因，而摩擦冻结夹板存在缺陷是产生接头处钢轨水平裂纹的主要原因，如滨洲线上行585 km 30号钢轨左股夹板两侧与钢轨下颚存在缝隙，轨缝处轨下颚与夹板密贴，在力的作用下导致钢轨水平裂纹。此外，调研发现，春季是螺栓裂纹和水平裂纹频发的季节，如2014年3月海工探伤共33处，其中螺孔裂纹20处，水平裂纹5处，两者共25处，占总伤损的75.76%。螺栓裂纹和水平裂纹多发与春季线路弹性不均匀有直接关系。

1.3　断轨

在复杂的气候条件下，由于钢轨受到列车荷载冲击碾压、热胀冷缩等因素的影响，在冬、春季拉应力增大的情况下，断轨现象在各个铁路局都有不同程度的发生，尤其是严寒地区[7-8]。滨洲线2010~2013年期间共发生6次断轨，分别是：2010-11-27检查上行92 km+996 m右股钢轨铝热焊焊缝时，发现焊缝轨底外口三角区存在8×8 mm2未焊透缺陷；2011-10-02发现的587 km 22号钢轨左股焊缝断开；2011年11月20日发现的上行304 km 7号钢轨左股铝热焊接头垂直折断；2011-12-15发现的上行875 km 33号钢轨左股铝热焊接头焊缝拉开；2012-10-30发现的滨洲线下行159 km 14号钢轨右股铝热焊接头拉开；2012-12-26发现的滨洲线上行306 km 6号钢轨左股铝热焊接头拉开。总结滨洲线断轨发生的原因，主要有焊剂选择不当、夹杂、焊剂材质、焊区疏松和溢流飞边以及未能严格执行焊接工艺流程等。基于滨洲线既有断轨处置经验，提出如下参考性建议：

1)不同材质强度的钢轨相互焊接时，按材质强度低的钢轨选用焊剂。对于特殊型号的钢轨及热处理钢轨，按照强度等级确定使用的焊剂规格[9]。 2)在钢轨焊接过程中，需要严格执行焊接工艺，以防焊接过程中夹杂、焊区边缘出现晶粒粗大，致使焊接质量不达标，留下断轨隐患。3)焊前准备、焊接、焊后保护阶段，都要重视周围时空环境和焊接施工的环境要求，下雨、气温变化过大、振动都会导致焊接质量问题，如焊区拉伤、疏松和溢流飞边等。4)合理制定焊缝探伤管理机制，提高技术人员业务素养，严格责任到人，采取专用探伤设备，对焊缝进行全断面检查，防止漏检漏判。

1.4　钢轨原始弯曲

钢轨原始弯曲是由诸多随机因素造成的，是影响无缝线路稳定性的重要因素[10]。课题组采用弦测法(弦长分别为3～8 m)对滨洲线钢轨原始弯曲进行了现场实测，计算获得原始弯曲矢长比和原始弹性弯曲的相对曲率(由于是在8月进行的测试，塑性和弹性初弯可按原始弯曲矢度的一半考虑[11])及其相应的平均值，并采用Savitzky-Golay滤波算法对平均值进行了20次的平滑处理[12]，滤波器窗宽取为5，滤波系数由不加权线性最小二乘回归和多项式模型确定，多项式模型的阶数取为3阶。对平滑结果进行多项式拟合，获得3阶拟合函数，计算结果如图2和图3所示。

图2　原始弯曲矢长比Fig.2 Ratio of vector to wavelength of initial deflection

图3　弹性原始弯曲相对曲率Fig.3 Relative curvature of elastic initial deflection

由图2和图3可以看出，在同一测点，钢轨原始弯曲测试值随着测量弦长的增大而增大；在不同测点，原始弯曲的离散性较大，具有随机性。原始弯曲矢长比的平均值，方差和标准差分别为4.70×10-4，2.31×10-4和1.52 ×10-4，原始弹性弯曲相对曲率的平均值，方差和标准差分别为4.71×10-5m-1，2.67×10-5m-2和1.63 ×10-5m-1。

2扣件参数及接头螺栓扭矩

课题组于2014-9-24，2014-10-24，2014-11-24和2015-1-7在兴安岭分别进行了4次扣件和接头螺栓扭矩的现场测试，扣件共选了10个横断面，每个断面4组螺栓，接头共选了6个横断面，每个断面2组螺栓。图4和图5给出了测试结果，并给出了4次测试的平均值(如图中条形图所示)。由图4和图5可知扣件螺栓和接头螺栓扭矩均符合规范要求。在137天的观测期内，扣件螺栓扭矩在前三个月内基本保持平稳，差值小于2%，但进入严冬之后，扣件螺栓扭矩增大，差值达10%；接头螺栓扭矩平均值一直在衰减，差值达11.8%，衰减变化规律可用式(1)表示

y=-44.2x+1 114.6

(1)

其中，y是接头螺栓扭矩(N·m);x是测试次数，一般情况下，按1次/月的频率计算。根据式(1)，滨洲线接头扣件检查复紧的周期约是9个月。实际养护维修中，除了采用适应严寒地区的高强度接头螺栓、施必牢接头螺栓外，还要在入冬前高温季节和春季检查复紧，其目的是防止冬季因扭矩不足，将轨缝拉大，造成接头螺栓折断，夏季因扭矩不足，将轨缝拉小至顶死，造成钢轨横向变形失稳。

图4　兴安岭扣件螺栓扭矩测试值Fig.4 Test torque values of fastener bolt at Xing'an region

图5　兴安岭接头螺栓扭矩测试值Fig.5 Test torque values of joint bolt at Xing' an region

3道床运营状况

3.1　道床状态参数

为了解严寒地区无缝线路道床的状态参数，课题组在兴安岭测试区进行了道床状态参数的测试，测试方法见文献[13]，图6和图7分别给出了道床纵、横向阻力的测试结果、平均值及其拟合曲线，非线性拟合数学公式可用式(2)表示

(2)

其中，y是道床阻力,kN/枕;x是轨枕位移,mm;a，b，c和d是模型参数，可以通过现场实测数据反算获得，表3给出了滨洲线道床纵、横向阻力的模型参数值。

计算结果表明，当轨枕产生2 mm位移时，道床纵向阻力平均值为9.884 kN/枕，略小于规范值10 kN/枕，道床横向阻力平均值为11.047 kN/枕，满足规范要求。

图6　兴安岭无缝线路道床纵向阻力测试值Fig.6 Test on longitudinal resistance of CWR ballast bed at Xing' an region

图7　兴安岭无缝线路道床横向阻力测试值Fig.7 Test on lateral resistance of CWR ballast bed at Xing' an region

3.2　道床几何参数

在兴安岭测试区对道床几何参数进行了量测，结果见图8所示。

表3　道床纵、横向阻力模型参数

由图8可以看出，兴安测试区的道床肩宽约一半(10/19)低于40 cm，道床高度有4处低于15 cm，道床肩部堆高普遍低于15 cm，坡度只有1处高于0.57。由现场实测结果可以看出，该测试区道床几何参数部分不满足规范要求，需要进行相应的养护维修，如补充道砟等。

图8　兴安测试区道床几何参数测试值Fig.8 Testing values of geometric parameters of CWR ballast bed at Xing' an region

4线路冻害

路基冻害是严寒地区，特别是多年冻土地区铁路线路上常见的病害，其特点是分布广、时间长、维修工作量大、影响行车程度严重。滨洲线也具有非常严重的冻害受灾区，以2014年为例，冻害高度15 mm及以上的冻害有396处，其中滨洲上下行k707~k710、滨洲上k680+950~k681+050、滨洲上下k627~k629、滨洲上行k639~k645下行k645~k652、滨洲上下k658~k660+500、滨洲上下k514~k515+500是最为严重的6处冻害区，应给予重点整治。

冻害已成为困扰安全、质量的主要问题之一。为此哈尔滨铁路局制定了3年(2014-2016)冻害整治规划，估算投资31 613万元，计划整治冻害10 444处，单股延长达594.679 km。

5轨道几何状态

5.1　轨道不平顺整体状态的时域分析

对滨洲线(哈尔滨—满洲里)2012-03，2012-05，2013-09，2013-11，2014-01，2014-05，2014-06，2014-07和2014-08等共9个月的轨道不平顺轨检数据进行概率统计分析，计算结果表明：

1)轨道左高低不平顺呈现明显的分层现象，即带有显著的季节性特征，见图9所示。从概率统计图来看，轨道几何形变幅值越聚集，表明轨道几何不平顺状态越好，反之，幅值分布越广、越离散，状态越差。2013-09的轨道不平顺幅值最为聚集，状态最好；2014-01次之；而其他月份的幅值概率统计特性较为一致。轨道右高低不平顺可分为4个状态层次，分布状况依次以2013-09，2012-03，2014-7和2012-03为代表月份，状态由好到坏。

2)轨道左方向不平顺分布特性不同于高低不平顺，2014-07,2014-08和2013-11是比较有代表性的月份，状态由好到坏。轨道右方向不平顺在2014-07,2014-01和2013-11状态依次由好到差。可见，左、右轨向不平顺在不同的时间其状态并不一致。

图9　左高低不平顺幅值概率统计Fig.9 Probability statistics of left vertical track irregularity

3)轨道扭曲和水平不平顺的幅值概率分布都主要集中在2012-03~05月和2014-08之间，其几何形变受季节变化的影响不明显。轨道轨距不平顺的幅值概率分布主要分布在2014-01,2014-08和2012-05三个月份，状态依次由好到差。

5.2　轨道不平顺的频域分析

根据调研获得的滨洲线9个月份的轨道不平顺检测数据(2012-03~2014-08)，选取约430 km的线路长度作为分析对象，以1.024 km为一个轨道不平顺功率谱计算区段，统计不同波长下概率水平最高的功率谱值，获得了滨洲线不同轨道不平顺类型的总体不平顺状态特征。同时，选取美国五、六级谱，德国高、低干扰谱，中国时速160 km提速轨道谱和提速干线谱等作为对比谱线[14-15]与之做横向比较分析，图10给出了滨洲线轨道左、右高低的谱密度计算比较结果。

图10　轨道左高低不平顺Fig.10 PSD of left vertical track irregularity

由频域计算结果可知：

1)滨洲线轨道高低不平顺控制较好的波长段为13.47~39.48m波段，其功率谱线基本位于德国低干扰谱线之下；波段3.24~13.49 m、39.38 m以上基本位于德国低干扰谱与美国六级谱之间；3.094 m波长以下的功率谱值波动较大，某些月份的不平顺位于德国高干扰谱与美国五级谱之间；与国内提速干线轨道谱比较，除在40 m以上波长差于提速干线谱外，在其他波段，其轨道不平顺状态均优于提速干线谱及时速160 km提速线路谱。在1.37 m及2.76 m波长处出现尖峰谱线，应该重点关注。

2)滨洲线方向不平顺在波长48.76 m以上的状态跨度较大，从德国低干扰谱依次到美国5级谱；在波段17.07~48.76 m不平顺状态较好，基本在德国低干扰谱以下或附近波动；波段3.83~17.07 m处于德国低干扰谱与德国高干扰谱之间；在3.83 m波长以下，功率谱值分布较为离散，基本与美国六级谱与德国高干扰谱相当。其不平顺功率谱基本处于我国提速干线谱线之下。在1.38，2.76，3.55，6.32，8.25和12.96 m等波长处，出现明显的尖峰，这些波长应该详细探讨其成因，并重点加以监控和整治。

3)轨道扭曲不平顺在波长2.76 m处，出现了明显的尖峰。滨州线轨道水平不平顺的功率谱值基本在德国低干扰谱附近波动，状态较好，在波长2.75 m处，出现显著的尖峰谱线。

4)滨洲线轨道几何状态中最需要控制的不平顺类型为轨距不平顺，在波长3.07 m以上，其不平顺状态基本位于美国六级谱与德国高干扰谱之间；而在波长3.07 m以下，其不平顺状态基本与美国六级谱相当。

6结论

1)滨洲线钢轨磨耗发展快，3个月就出现鱼鳞伤损，大约7~10个月就需更换钢轨，应采取补足道砟、拧紧螺栓、调均应力等措施以降低钢轨伤损。

2)11月份应当列为三折重点防治时间。三折伤损类型主要是各种裂纹、核伤和掉块，所占比例分别为63.94%、24.52%和7.21%。

3)裂纹病害中，螺栓裂纹最为严重，水平裂纹次之，所占比例分别达60.90%和26.32%。春季是螺栓裂纹和水平裂纹频发的季节，应与春季线路弹性不均匀有直接关系。

4)提出了断轨处置参考意见，即正确选择焊剂、严格执行焊接工艺、重视焊接环境和提高焊缝探伤质量。

5)钢轨原始弯曲矢度与弦长比的平均值为4.70×10-4，轨道原始弯曲的相对曲率的平均值为4.71×10-5m-1。

6)提出了接头螺栓扭矩的衰减公式，据此，反算得出接头扣件检查复紧的周期是9个月。

7)道床纵向阻力平均值为9.884 kN/枕，略小于规范值(10 kN/枕)；道床横向阻力平均值为11.047 kN/枕，满足规范要求；提出了滨洲线道床纵、横向阻力的统一表达式。

8)滨洲线的轨道不平顺呈现明显的分层现象，即带有显著的季节性特征。高低不平顺在9月份的状态最好，3月最差；轨向不平顺7月最好，11月最差；扭曲和水平不平顺受季节变化的影响不明显。

9)滨洲线轨道高低不平顺控制较好的波长段为13.47~39.48 m波段，在1.37 m及2.76 m波长处出现尖峰谱线；滨洲线方向不平顺在波段17.07~48.76 m不平顺状态较好，在1.38，2.76，3.55，6.32，8.25和12.96 m等波长处，出现明显的尖峰；轨道扭曲和水平在波长2.75 m处，出现显著的尖峰谱线。

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(编辑蒋学东)

Research on track service state and maintenance responses of Harbin-Manzhouli railway

CHEN Xianmai1,2, HE Tianlong1, LIU Shengyong3, ZHANG Xiangmin1,2, XU Lei1,2, MA Zixiang3, WANG Weidong1

(1.School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2.National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China;

3.Hailar Railway Section, Harbin Railway Bureau, Hailar 021000, China;

4.Track Power State Key Laboratory, SouthwestJiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract:Track structure in cold area have special property on service state and maintenance.The current rules for maintenance of railway line should not been simply applied to the railway at cold area.In order to ensure service safety of railway at cold area, profound study on its’ service state and maintenance technology is mecessary.With the methods of site investigation, testing and calculation analysis, useful discussions of rail wear, Sanzhe, rail breaking and initial deflection, parameters of fastener and rail joint bolt torque, service state and geometric parameters of ballast bed, cold damage, track irregularity, are proposed.Besides, th service safety characteristics and change law of Harbin-Manzhouli Railway (HMR) are summarized.Eventually, some suggestions for railway maintenance at cold area were proposed.All the preliminary conclusion from HMR would benefit to the research on maintenance technology of other railway lines at cold area.

Key words：HMR; CWR; service state; maintenance; railway at cold area

通讯作者：陈宪麦(1975-)，男，甘肃会宁人，副教授，博士，从事轨道动力学、线路状态评估及养护维修领域的研究；E-mail：xianmaichen@aliyun.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51478482)；中国铁路总公司科技研究开发计划课题资助项目(Z2013-G006)

收稿日期：2015-04-12

中图分类号：U216.4

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2015)06-1304-08