集装箱起重机钢轨沉降分析及维修技术要点

2020-07-01邢树军朱洪涛

港工技术 2020年3期

邢树军，朱洪涛

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引言

集装箱码头后方堆场轨道式起重机作业时钢轨承担大荷载、高频率作用，堆场在运营一段时间后，钢轨经常会出现沉降、断轨、倾斜等病害。

唐山港京唐港区 26#～27#泊位现状共布置 6条集装箱堆场，安装起重机轨道 12条，钢轨型号为QU100，扣件采用弹性调高扣件。堆场于2014年9月开始投入使用。堆场设计初期为司机操作起重机，设备运行速度较慢，由于近年环保要求严格等原因，通过集装箱运输的货物量骤然加大，集装箱起重机通过升级，改造为半自动化运行，运行速度和吊运箱重均有很大的增加。

该工程起重机下设计每段钢轨长度为60 m，堆场投产后约5年产生的起重机下钢轨产生了接头沉降、扣件松动等问题，影响了起重机的正常行走。

为研究上述问题产生的原因和解决方法，作者进行了原因分析、理论计算、实地考察等工作，提出整改方案，通过现场实施整改，较好的解决了上述问题。

1 概况

唐山港京唐港区 26#～27#泊位位于京唐港三港池东侧，是京唐港区第一个真正意义上的专业化集装箱堆场，集装箱装卸采用跨距33 m的轨道式起重机作业，设计起重机轮压28 t/轮，先期使用6条堆场，每条堆场分为东、西两块，中间设一条25 m宽主干路。东侧堆场钢轨长度304～340 m，西侧堆场钢轨长度295 m。为保持两个堆场的协同作业，中间主干道处钢轨连续设置，保证起重机可以转场作业。起重机轨道基础采用钢筋混凝土轨道梁形式，钢轨为暗轨，设计轨顶高出轨道梁面10～20 mm。

堆场自北向南共 12条钢轨。每段钢轨焊接长度为60 m。根据运营单位反馈，集装箱堆场于2014年9月开始投入试运行，经过约5年左右的使用，部分缓冲垫板、调高垫板被压出或压坏，轨道大面积出现固定螺栓松动，起重机轮缘与固定螺栓磕碰。出现问题的钢轨总长度约1 200 m，钢轨接缝处沉降最为严重，使用期间钢轨进行了局部维修，但仍不能从根本上解决问题。主要存在的具体问题表现在两处：

1）非接头位置的常规段

主要存在钢轨沉降、螺栓松动、垫板移位、焊接两侧钢轨不在一个平面等问题，沉降严重处钢轨道钉已部分被设备钢轮碾压，钢轨沉降值在 10～35 mm范围，占已使用区段总量的30 %。

2）钢轨接头位置

钢轨接头位置主要存在钢轨沉降过大、伸缩缝间隙大、鱼尾板螺栓损坏等问题，沉降严重处的设备底座已刮碰轨道梁顶面。伸缩缝总计115处，问题伸缩缝占总数的80 %左右。

图1 钢轨沉降及配件损坏情况

2 原因分析

根据生产单位反应的情况，工程技术各方共同通过现场会议、考察类似工程等措施，进行了钢轨问题原因分析，通过分析总结，得出以下原因。

2.1 集装箱运量的急剧增加

唐山港集装箱吞吐量从2011年的34万TEU、2014年突破100万 TEU，到2017年的253.03万TEU，其中相当大部分增长量是依托26#～27#集装箱泊位堆场实现的，由此带来集装箱起重机的超负荷运转，造成堆场轨道沉降、扣件系统劳损，急需要进行维修。且经现场对比，通道侧的钢轨沉降较堆场侧的堆场沉降大，主要原因是通道侧装箱作业频繁，钢轨承受的轮压比堆场侧要大很多。

图2 通道侧钢轨和堆箱侧钢轨示意

2.2 钢轨接头处扣件未加密处理

钢轨扣件采用的是弹性调高扣件，设计图纸要求在伸缩缝支点两侧保证2套扣件支撑，实际踏勘中发现大部分区域未能保证2套支撑点，在单支撑点的情况下，钢轮通过时造成悬臂长度太大,钢轨弯矩超标，因而造成钢轨接头处的鱼尾板和螺栓在轮压作用下破损日趋严重。

图3 钢轨接头处扣件加密

2.3 每段钢轨的焊接长度较短

施工钢轨焊接长度定为60 m，由5根12 m长标准钢轨焊接而成，而堆场总长约在640 m左右，单根轨道共设置约 10条轨缝，在集装箱起重机高速运行的工况下，容易频繁通过钢轨接缝位置，造成钢轨接头处损坏。

为研究 26#～27#泊位起重机钢轨沉降问题的原因，对有类似工程的天津港、黄骅港、青岛港和日照港等其他港口进行了实地调研和考察，调研和考察的基本情况如表1。

根据考察结果，类似工程在钢轨长度上均进行了长轨焊接处理，有的工程是设计初期即采用长轨，有的是后期维修改造期间采用长轨，实践检验证明在其它同等条件下，单根钢轨焊接长度越长使用效果越好。

本工程扣件系统所用的是弹条扣件，其性能指标和国产压板扣件效果区别不大，进口压板扣件效果好于国产压板扣件，但造价是国产的2～3倍。

表1 钢轨应用情况

2.4 承轨槽沥青砂影响扣件维护

本工程轨道梁基础采用承轨槽型式，钢轨为暗轨，钢轨施工完毕之后，承轨槽采用沥青砂封闭，目的是防止承轨槽蓄水，但沥青砂封闭后连同扣件系统一起封闭，造成扣件维护难度增大，扣件系统破损初期未进行维修，尤其是胶垫板脱落导致扣力减小，逐渐造成后期破损加大，最终造成钢轨沉降量加大。

3 钢轨维修方案及技术要点分析

针对分析研究的钢轨沉降问题产生的原因，相应制定维修方案及技术要点如下。

3.1 承轨槽修正和加固

施工中应检查轨道槽深度和平整度，并检验轨道槽顶面混凝土强度，如有破损应进行剔除松散顶面至坚硬混凝土面，用轨道专用胶泥加高最低20 mm厚度。

钢垫板下采用浇筑胶泥加固，胶泥指标为：24 h抗压强度不小于22 MPa，28天抗压强度不小于70 MPa。胶泥顶高程高出钢板底面5 mm，胶泥轴向宽出垫板30 mm，保证钢垫板稳固。

3.2 更换新型EVA胶垫板

经现场踏勘，现用弹条扣件系统主要损坏在胶垫板，胶垫板位于钢轨下，夹在钢轨和基础钢垫板之间，起着缓冲并扩散钢轨冲击力的作用，在轮压频繁作用且左右偏心压力的情况下，容易发生挤出现象。扣件系统大部分组成零件均可继续使用，为降低造价，改造方案仍沿用原弹性调高扣件。

为解决原胶垫板损坏较大的情况，钢轨下胶垫板改为采用EVA胶垫板，型号为MK2-160，前后两端为两个凸台，采用反扣的形式安装在基础钢垫板上，防止它的纵向位移，垫板具有良好的抗压性和耐磨性，同时具有良好的防腐蚀抗老化的能力，使用年限约15年，降低轨道系统的维护成本。

3.3 钢轨采用焊接长轨

本工程堆场区中间为一条25 m宽度的主通道，通道东侧堆场钢轨长度304～340 m，西侧堆场钢轨长度295 m。根据考察研究，采用长轨更适合集装箱起重机快速重载运行的工况。结合本工程，经调研生产单位需求，集装箱起重机跨堆场作业的频率较小，因此拟将整场钢轨分两段，伸缩缝设置于主干道西侧，即西侧钢轨长度295 m，东侧钢轨长度304～340 m。《铁路工务技术手册》提供了长轨轨缝的计算理论和方法。

1）伸缩区长度计算

伸缩区长度根据轨温升、降的最大值，钢轨接头阻力和道床纵向阻力按下式计算：

式中：

L为伸缩区长度（cm）；

Ptmax为最大温度应力（N）；

Δtmax为从锁定轨温起，轨温的最大变化值（℃）；

F为钢轨断面面积（cm2），QU100钢轨为114.05 cm2；

Pj为钢轨街头阻力（N），本工程取300 000 N；

r为道床单位纵向阻力（N/cm），本工程为弹条扣件，每米2套扣件取182 N/cm。

查表，唐山地区最高轨温 60.1 ℃，最低气温-25.2oC，代入公式后得出伸缩区长度L=57.57 m。

2）长钢轨一端伸缩量

计算得长钢轨一端伸缩量长λ=12.6 mm。

3）缓冲区钢轨一端伸缩量

计算得短λ=4.9 mm。

4）预留轨缝长度计算

预留轨缝应能保持夏季轨缝不顶严，冬季轨缝不大于构造轨缝控制。

预留轨缝的计算：考虑最低轨温和最高轨温要求分别为：

①最低轨温时轨缝不超过构造轨缝

②最高轨温时轨缝大于零

其中：a1为长钢轨与缓冲区钢轨之间预留轨缝（mm）；ag为钢轨接头构造轨缝（mm），取18 mm。

③实际预留轨缝

根据计算，本工程在锁定轨温（17.45±5 ℃）的条件下，钢轨接缝为17.5 mm。

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