无缝线路应力放散与锁定技术在乌将铁路扩能改造工程中的应用

赵锋

（中铁二十一局集团第四工程有限公司，西安 710000）

1 引言

不管是铁路轨道还是地铁轨道，钢轨接头是轨道上最脆弱的环节之一，如果产生钢轨缝隙，火车经过时会出现震动，列车的平稳性和乘客的舒适度会受到此冲击力的影响，同时导致路基上的道砟结块、滑塌、混凝土轨枕破损等病害，加快钢轨和连接零件的磨损及耗损速度。在施工季节及施工地点环境的影响下，铺设无缝轨道时，通常轨温无法在设计锁定轨温下锁定，导致维修保养工作无法顺利进行[1]。若锁定轨温低，维修保养施工受到影响，并且使钢轨在高温下承受巨大的温度应力，同时长钢轨不匀称蠕变产生应力聚集，导致钢轨变形和膨胀的危害；相反若锁定轨温高，处于低温状态时的钢轨拉力增大，钢轨内部应力不均匀，局部拉力剧增，温度拉力和蠕变附加拉力加在一起，导致拉断连接夹板或造成钢轨断裂。本文将对无缝线路应力放散的前提、方式、品质掌控、线路锁紧的最佳温度展开研究探讨，希望能从中积累宝贵的施工经验。

2 工程概况

乌将铁路扩能改造工程S2 标西起北三台、东至将军庙，位于吉木萨尔县和昌吉州境内，途经乌鲁木齐国家级甘泉堡经济技术开发区、昌吉州国家准东经济技术开发区及准东煤田五彩湾矿区，然后沿准东煤田Z917 线（准东公路）南部向东，最后到准东煤田Z917 线和S228 线交汇处西侧的准东煤田将军庙矿点。

3 应力放散条件

温度应力型长钢轨锁紧后，钢轨不能跟随温度转变而开放式伸缩。钢轨温度和设计锁紧轨温不一致时，钢轨内部产生相应的温度应力，温差与钢轨应力呈正相关。为使温度应力得到有效控制，选择定期松开夹板和紧固件，防止钢轨强度及线路稳固性损坏，此施工步骤为应力扩散。

无缝线路的锁轨温度要求精准、均匀，如出现下列情况之一必须解除或调整：

1）现实锁定轨温在计划锁紧轨温范围外，或左右段长钢轨实质锁轨温差＞5 ℃。

2）锁紧轨温不明确或不精准；夏季新疆白天温度过高，导致轨温太高，无法锁定，白天锁定后进行线路捣固，晚上进行应力放散。

3）相邻两个单元无缝钢轨跨段与全段的锁轨温度差＞5 ℃，同一段单元钢轨最低和最高锁轨温度差为10 ℃。

4）铺设和维护方式不当造成长钢轨胀缩异常。

5）固定区域及无缝窄轨产生严重的不均匀位置转变。

6）线路轨道严重损坏，断弯多。

7）因处理线路故障或施工，原锁轨温度发生变化。

8）在低温下铺设长轨时拉伸欠缺或不均衡。

4 应力放散方法

当前主要有以下几种应力放散方法：

1）鼓式扩散法。松开所有紧固件，每隔10～15 m 在钢轨下放置一个滚轮，使钢轨离开垫块开放式伸缩，当钢轨温度满足要求时锁线。

2）火车滚动法。根据列车运行方向，保持钢轨始端扣件不动，松开其他扣件和防爬装置，通过列车运行振动扩大消散钢轨温差力，实现预定要求时重新锁定轨温。

3）钢轨碰撞分散法。松开紧固件，用钢轨保险杠碰撞钢轨，耗散温差力，完成预定要求后再锁紧钢轨。

应力放散施工主要通过滚筒结合拉伸，同时匹配碰撞轨的方式实现无缝线路应力解除的操作，其作业流程如下：

1）清理道床砟肩，以防影响施工。

2）筹备钢轨，卸到设定地点，同时准备夹板和螺栓；准备撞轨器、钢轨锯、钢轨焊机和钢轨拉伸机及夜间照明设备；根据要求配备作业安全防护用品。

3）施工区域的紧固件和接头螺栓应提前松开并涂油，然后再拧紧，务必预先处理无效扣件和螺栓。弯曲段地面锚杆需提前拆卸再涂油。

4）确定拉伸点，按Δl=αLΔt计算出拉伸量，其中，Δl为热伸长量；α为管材膨胀系数；L为管段长度；Δt为管道在运行时的温度与安装时的环境温度差。

5）事先在钢轨和轨枕上分别做好碰撞点、压路机安装点和位移观测点的标记且编号。轨道碰撞点设置在200～300 m位置处；拉轨机距离第一台撞轨器300～400 m 设置；滚动直径为30～35 mm，安装间隔为30～40 m；沿长钢轨每隔100 m 设置位移观测点，用油漆在轨枕上标出设计伸缩量并注明方向。

5 方案确定

锁线前检查线路的整体质量，包括轨道几何尺寸、轨道床参考数据等，证实其达到设计方案及规则标准。通过滚筒解除法及综合解除法削弱钢轨内应力，直到为零。轨温和锁紧轨温一致时安置钢轨，但轨温未超过锁紧轨温时，采用单元轨段两头的拉轨器将钢轨段延长到锁紧轨温时的长度，最后落下并锁住钢轨再标记为零位移。

1）一端放散。一端放散是最普通的放散类型，以单元轨道节点为单元，长度大概1～1.5 km，长度太长影响应力的均衡性。

2）两端放散。独个单元轨段常用两端放散法，操作时比较烦琐，通常条件下不采纳。若两端有缓和区可一并管理，调整缓冲导轨间隙。

6 施工工艺及要求

6.1 施工流程

施工准备→设置临时位移观测桩→拆卸扣件→轨下垫滚筒→撞轨、通过释放应力测量位移量→轨温测量→落轨→锁定线路→设置位移观测标志→质量检查。

6.2 施工要求

1）轨道状态监测。监测全部钢轨，需在应力放散前进行，监测内容包括：钢轨尺寸、轨道水位、中心线方位、枕形道床的刚度、侧阻力等，通过综合质量检验确定轨道已初步稳定，准备开始线路锁紧操作。

2）近期轨温调查。通过最近考查，确认锁紧时间是每天下午17～20 点或早上5～8 点，锁紧温度在26～27 ℃。

3）拉栏杆。为使焊接作业便捷，安装滚轮后应拉轨，前后轨间隙不超过5 mm。拉轨间隔不超过50 cm 时，选择钢轨拉伸器进行拉轨；拉轨间隔超过50 cm 时，采用短轨焊接，加入的短轨长度≥20 m，每个区间只能插入两根短轨。

4）焊接。焊接前拆掉紧固件、放置滚轮、除锈、轨头对准、开始焊接，焊头粗磨按单元钢轨焊接工艺及验收标准执行。

5）应力放散及锁定。（1）测量轨温，在钢轨的不同地方采取多点勘测，获得平均值。（2）拆卸待放散单元轨道连接处的所有紧固件，每隔5～10 m 垫入一个滚轮，每300～500 m 设置一个捣轨器。（3）放散时，每隔100 m 设置一个暂时转移观测桩，观测钢轨的位移，实时消除影响放散的妨碍物，实现均匀、完全的应力放散。梳理钢轨碰撞位置，直到“零点”为零。此时立即拆下滚轮，使轨道开槽、上扣锁紧单元钢轨段。（4）钢轨拉伸的计算公式为：Δl=αLΔt（α=1.18×10-5）。（5）首先将单元轨缝放散到零应力形态，然后依照300 m 间距装配碰撞装置。使用钢轨冲击器沿同一方向冲击钢轨，利用拉伸器均衡拉伸，直至与设计钢轨温度相对应的长度，并且注意，零点对零点的位移和暂时位移观测点呈线性比例。当钢轨碰撞各检查点的运动一致或最大偏差距为2 mm 时可将钢轨应力看作零，然后祛除滚轮，钢轨落下，随后锁紧线路。

拉轨前必须在轨上设置临时位移观测点，每个观测点间隔100～150 m，用于检查单元钢轨截面受力是否均衡。在牵引钢轨的过程中，为了保持单元钢轨截面应力的均衡性，一般选择钢轨振捣器和小锤对钢轨进行碰撞击。牵引量满足预定数值时终止碰撞，锁住单元轨节。否则查明原因，拉钢轨保持压力继续撞轨，直到满足要求。

6.3 线路锁定、焊机位移

安装保温块和紧固件，根据设计的屈曲压力紧固紧固件，验证锁轨温度，填写作业记录表。锁定线路后，焊工转移到下一个需焊接的接头等待焊接。

无缝钢轨焊接和放散锁定：长钢轨架设后现场单元钢轨焊接。在压力放散之前合理设置位移观测桩，在应力放散过程中观察轨道转移，以确保均匀应力放散。当单元轨接头松开并锁定时，放散与之连接的单元轨道接头30 m 范围的紧固件，该紧固件已被放散并锁定，防止焊接头范围的应力聚集。锁紧后，在200 m 转换范围内，无缝线路位移观测桩对应位移≤10 mm，且任意一个位移观测桩的位移≤20 mm。确定完全放散均衡后上扣锁住轨道，紧固件同步、有序在短时间内快速实现上扣安装。依据气象数据、无缝线路允许温降和允许温升决定无缝线路设计锁轨温度，同时达到桥上无缝线路的断缝验算标准，并且邻近单元轨之间的锁轨温差≤5 ℃，两边锁轨温差≤5 ℃，同一间隔内单元钢轨接头的最高、最低锁轨温差≤10 ℃，同一单元钢轨接头的两边锁轨温差≤5 ℃。

7 施工注意事项

7.1 应力放散锁定安全措施

1）操作人员务必参加安全培训合格后方可上岗作业，操作时听从命令，认真根据流程进行作业，禁止违章蛮干。

2）长轨在移动、拉伸、碰撞到位时要协调动作，手、脚不得放在长轨下。

3）与钢轨相撞时指挥同步，每组动作同步，用力均衡，防止碰撞块飞起伤人。

4）卸载固件时禁止蛮力砸击，避免弹条飞出伤人，紧固时，每2 人之间应间隔3 根以上轨枕，避免使用扭力扳手时相互碰伤。

7.2 放散后锁定轨温的确定

因为无缝线路原始锁轨温度出现转变，不能成为放散时的原始证据，所以，锁轨温度的计算应按照现实施工状况决定。

1）当钢轨温度在计划的钢轨锁紧温度范围内时，钢轨碰撞到“零应力形态”，最后紧固紧固件和接头螺栓。这时钢轨温度为钢轨锁紧温度，即t锁紧=t当前钢轨温度。

2）当轨温低于设计锁定轨温时，将钢轨撞到“零应力状态”，测得此时的轨温为t0，利用拉伸器拉伸钢轨，拉伸长度折算轨温为t0′（℃），最后得锁定轨温为ts（°），则：

式中：Δl为钢轨拉伸长度，m；l为轨道长度，m。

8 结语

随着我国经济社会的发展及科学技术的不断进步，铁路建设也迎来了高峰期，无缝线路应力放散与锁定技术作为一种新型的轨道结构技术，为发展我国铁路行业，完善轨道结构技术提供了重要的技术支撑。但在实际应用中出现了不少问题，需要施工方和技术人员进一步研究及探索无缝线路应力放散与锁定技术，从而为后期类似工程提供参考。