浅谈对铁路无缝线路胀轨问题的几点探讨

张博涵 中国铁路上海铁路局集团有限公司新长工务段

1 引言

在高速铁路上无缝线路消除了大量的接头轨缝，很大程度的改善了轨道结构，因其平稳、舒适、寿命长、维修费用低、适应高速行车等优点，得到了广泛的应用，逐步替代传统的有缝线路。但也因为接头轨缝的消除，进一步限制了钢轨因温度变化对钢轨产生的热胀冷缩，在钢轨内部形成无法忽视的温度应力，无缝线路存在胀轨的风险，影响着线路稳定和行车安全。

2 温度应力

2.1 温度应力的产生与计算公式

无缝线路大量轨缝的消除以及扣件和道床阻力的约束，限制了钢轨在温度变化时的热胀冷缩，因此在钢轨内部产生了温度应力，钢轨内部的温度应力是引起无缝线路胀轨跑道的最根本原因，温度应力的计算公式见式（1）。

式中：

σt——钢轨内部温度应力；

E——弹性模量，钢轨弹性模量一般取E=2.1×105MPa；

α—— 线膨胀系数，钢轨线膨胀系数一般取α=11.8×10-6/℃；

ΔT——钢轨温度变化值；

T——钢轨温度（变化后）；

T0——原钢轨温度（变化前）。

在日常作业中，通常认为钢轨温度应力与纵向应力一致，但基于定义，温度应力与纵向应力有所差别。根据温度应力的计算公式，无缝线路钢轨内部纵向应力的计算公式见式（2）。

式中：

σz——钢轨内部纵向应力；

T——钢轨温度；

Ts——锁定轨温。

2.2 降低钢轨纵向应力的方法

根据公式（2）可知，影响钢轨内部纵向应力的因素有钢轨温度T、锁定轨温Ts、钢轨弹性模量E 以及线膨胀系数α。因此，降低钢轨纵向应力的方法主要有以下几个方向。

（1）降低实际轨温T。降低实际轨温主要有两种方式：隔热与降温。由于钢轨与机车车轮的摩擦，涂抹隔热材料的方法并不适用，在铁路沿线搭建封闭或半封闭遮阳设施则工程量大、价格昂贵、甚至可能造成安全隐患。相比较而言，降温方法则更具研究潜力，目前降温的方法通常用于发现胀轨时的紧急处理，常见方法有洒水降温和CO2降温。

（2）提高锁定轨温Ts。锁定轨温Ts指无缝线路在零应力状态下的轨温，本文中提及的锁定轨温均指实际锁定轨温。适当提高锁定轨温同样可以降低高温季节钢轨内部的纵向应力，目前提高锁定轨温的主要运用，是在高温季节来临前通过应力放散或拉伸的方法得以实现。考虑到冬季钢轨防断以及作业量等因素，锁定轨温的提高程度受到一定限制。

3 无缝线路稳定

无缝线路胀轨跑道，实际上是无缝线路失稳的表现。钢轨内部纵向应力是破坏线路稳定的主要因素，而轨道框架刚度、道床阻力则是保护线路稳定的主要因素。因此保证无缝线路的框架刚度和道床阻力，是预防胀轨跑道的重要手段。而线路缺砟、爬行、硬弯、方向不良以及养路工作等诸多因素均会导致无缝线路框架刚度或道床阻力的降低。因此，在高温季节作业前（严格按标作业的前提下），合理的判断是否能够作业、或是否需要应力放散，对于预防胀轨跑道具有十分重要的意义。

《铁路工务修规》[1]中明确规定了无缝线路的作业轨温范围，而相关文献中]表明，无缝线路的实际锁定轨温变化具有普遍性和单向性，即普遍衰减。这是由于在无缝线路的运营过程中，长轨条因各种原因导致的塑性碾长、铺设无缝线路时产生的误差、低温作业等因素，导致实际锁定轨温衰减。因此，锁定轨温普遍偏低且具有不确定性，如果没有及时检测更新无缝线路实际锁定轨温，根据《修规》基于锁定轨温计算得到的作业轨温范围本身即存在误差，存在超温作业的可能，给无缝线路带来胀轨跑道的风险。

4 锁定轨温的检测方法

目前检测锁定轨温的方法主要有：应变法、应力法等。

4.1 应变法

应变法是通过测定钢轨的长度变化值推算锁定轨温变化值，应变法计算原理见公式（3）。

式中：

L——钢轨长度；

ΔL——钢轨长度的变化值；

ΔT——温度变化值。

应变法原理简单，易于实现和操作，目前国内普遍采用应变法测量锁定轨温。但应变法检测的是一定长度范围内钢轨锁定轨温的平均值，无法检测到钢轨较短长度范围内的应力峰。检测锁定轨温的应变法主要有如下几种。

（1）观测桩法。该方法是无缝线路轨条铺设锁定前，在线路两侧按一定的原则布设位移观测桩，并在钢轨相应位置做标记，进而根据钢轨标记与观测桩的位置变化判断锁定轨温变化。该方法简单直观，运用广泛，但精确度较差，适用于定性分析。且该方法是建立在位移观测桩位置不变、原锁定轨温已知的基础上的，对于长距离铺设在桥梁（尤其是钢梁桥）上、原锁定轨温不明或不准的线路不适用。

（2）标定轨长法。采用与钢轨相同线膨胀系数的钢尺，在任何温度下测量固定轨段的长度，钢尺读书不变，即“标定轨长”[2]。该方法是对25m 标准轨冲眼标记，标距24m，通过钢轨相同线膨胀系数的钢尺测量得到测标长度变化值，进而推算出锁定轨温以及纵向应力。标定轨长法能够准确可靠的检测钢轨锁定轨温，但其测量效率较低，且对操作人员要求较高，受人为因素影响较大。

（3）形变仪法。该方法是在轨腰上粘贴标距210mm 的两个支架，再用形变仪卡在两个支架间进行测距，进而通过计算得到锁定轨温。但应变仪与测点接触不能有效固定，受环境影响较大，精确度不高。

4.2 应力法

应力法是通过探索声波、射线等物理量与应力的关系，根据对声波、射线等物理量的检测，间接得到钢轨内部的纵向应力值，进而计算出锁定轨温。

（1）巴克豪森法。巴克豪森噪声是铁磁性材料特有的性质，该噪声信号随着压应力的增大而减小，随着拉应力的增大而增大。但该信号受钢轨内部的组织结构影响较大，存在较大误差。

（2）X 射线法。该方法是将特定的X 射线射入钢轨，经过观测衍射现象测得钢轨纵向应力。但该方法需要对钢轨表明进行抛光处理，且只能测到表层纵向应力。

（3）超声波法。该方法是基于声弹性原理，探索出超声波在钢轨中传播速度的变化与钢轨内部的应力为线性关系，进而通过超声波检测出无缝线路的纵向应力。超声波法精度高，检测距离较长，且装置简单灵活，受外界环境干扰较小，发展前景较好。

上述无缝线路锁定轨温检测方法各有优缺点，目前国内检测方法以应变法为主，但基于机械化、自动化、智能化、无损检测的发展方向，应力法（尤其以超声波法）更有发展潜力和前景。

5 结束语

①温度应力的增长是无缝线路发生胀轨跑道的根本原因，本文根据温度应力方程提出了降低钢轨内部纵向应力的解决方向。②我国胀轨跑道事件主要发生在维修作业中或作业后的数天内。因此，合理的判断是否能够作业、或是否需要应力放散，对于预防胀轨跑道具有十分重要的意义。③基于锁定轨温的普遍衰退性，指出及时检测更新无缝线路实际锁定轨温的重要性。④本文总结对比了目前检测无缝线路锁定轨温的主要方法，指出应力法（尤其以超声波法）更具潜力和发展前景。