贵冶铁路线路钢轨断裂原因及预防措施

殷 飞

（江西铜业股份有限公司贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

贵冶企业专用铁路线路全长43.8km，有效长28.1km，主体建于20世纪80年代，钢轨主要采用单轨长度12.5m的P43轨，道岔采用9号木枕道岔。近年来线路逐步升级改造，升级为单轨长度25m的P50轨，道岔升级为9号砼枕道岔。虽然每年都有计划升级改造，但升级改造速度较缓，总体来说线路等级偏低，与贵冶铁路的高运量不相匹配。

铁轨是铁路线路最重要的组成部分之一，起着承载和导向作用，铁轨的正常与否直接影响着铁路运输的安全。钢轨断裂是铁路线路日常运行过程中极其危险的隐患，是铁路运输过程中最大的安全隐患。多年来，钢轨断裂安全隐患一直影响着贵冶铁路运输的安全顺行。伴随着贵冶的高速发展，贵冶铁路运量逐年攀升，货物净吞吐量已突破500万t/a，高运量加快了钢轨疲劳伤损的速度，缩短了钢轨的使用寿命。近年来，钢轨发生断裂的事件更加频繁。因此，从根本上解决钢轨断裂问题，确保铁路线路安全平稳运行尤为重要。

2 近年来典型断轨病害分析

2.1 24#道岔断轨

2021年2月7日，线路点检员在贵冶厂区24#道岔附近巡检时发现，该道岔岔心后连接轨断裂（见图1）。为确保行车安全，线路点检员第一时间与现场调乘作业人员取得联系，并叫停了正在通行的列车。后来经过现场检查确认，对断轨进行了充分评估，采取了特护和限速的方式指挥列车驶离断轨区域，并紧急更换了该道岔断裂钢轨。由于发现及时，并立即进行了应急处置，此次断轨未对铁路运输造成太大影响。

分析：此次出现断轨的道岔是P43轨9号木枕道岔，此道岔是多条装卸作业货位线路的必经之路，每天的列车通过量较大，钢轨一直处于高负荷工作状态。经现场勘验发现，发生断轨病害的临近区域有多根岔枕失效，且接头下沉严重。当车辆通过此处时，由于枕木失效，接头下沉严重，车辆经过时轨底承受的压应力增大。轨端螺栓孔处是钢轨的薄弱环节，在长期高频率的超常压力作用下，螺孔周围容易产生裂纹，继而发生断轨。24#道岔断轨是典型的线路基础不牢造成的，因此，做好线路基础的日常维护保养，如捣固、换枕、清筛等，是预防断轨的一个重要举措。

图1 24#道岔断轨现场图片

2.2 区间大弯道断轨

2020年7月16日，在区间大弯道处发现钢轨有纵向裂纹并出现局部断裂（见图2）。由于发现及时且处置快速，未对铁路运输造成影响。

分析：此处断轨位于曲线下股，曲线半径超过1000m，轨距加宽值为0mm。此处断轨主要原因：钢轨轨端两次钻孔，螺栓孔有6个，且孔间距较小，严重削弱了钢轨的承载力。按照铁路技术规范，为了使上下股钢轨接头对接，必须在下股适当位置铺设缩短轨。对于12.5m的标准轨，配有缩短量为40mm、80mm和120mm的三种标准缩短轨；对于25m的标准轨，配有缩短量为40mm、80mm和160mm的三种标准缩短轨。因缩短轨用量小，且采购比较麻烦，为了便于施工，在铺设该线路时没有采用标准的缩短轨，而是将自带螺孔的25m标准钢轨端部切割掉160mm后作为缩短轨。由于轨端被切割，接头螺栓孔也要相应重新钻孔，就造成了如图2所示的一端有6个接头螺栓孔的情况，而且两孔孔距较小。轨端50cm内钻了6个螺栓孔，造成轨端薄弱，埋下了安全隐患。此处断轨开始是在螺栓孔处出现裂纹，裂纹逐渐向上蔓延，直至钢轨完全断裂。此次断轨是典型的施工工艺不标准和工务管理不规范造成的。

图2 区间大弯道断轨现场图片

2.3 20#道岔断轨

2020年4月19日，在厂区20#道岔处发现钢轨断裂（见图3）。由于发现及时且处置快速，未对铁路运输造成影响。

分析：此次线路出现断轨的位置处于道口的一侧，距离道口仅1.5m。为了满足通行，道口处基础全部采用钢筋水泥硬化。而道口两侧的线路道岔是木枕道岔，基础是沙子和道砟，有一定的弹性。两侧的道岔相较于硬化的道口属于软性基础，这样就形成了一边硬（道口）、一边软（道岔）的情况。当车辆通过软硬基础交接处时，在基础硬化一侧由于缓冲效果降低容易出现钢轨断裂，特别是在软硬过渡关键区域出现软基侧捣固不实时，钢轨所受的压力无法由硬基向软基实现平滑过渡，且钢轨上部的承载重量不能有效地向基础均匀传导，进一步加剧了钢轨的疲劳和易出现断裂的劣化倾向进程。

图3 20#道岔断轨现场图片

2.4 轨道衡引轨断轨

2017年5月16日，在轨道衡引轨处发现钢轨断裂（见图4）。由于发现及时且处置快速，未对铁路运输造成影响。

分析：此轨道衡作业频繁，每年通过量超过200万t。根据轨道衡与引轨连接方式的特殊性要求，对引轨进行了切边处理，削弱了钢轨的承载力，形成了一个薄弱点，在车轮的长期冲击作用下最终造成了断轨。

图4 轨道衡引轨断轨现场图片

2.5 26#道岔断轨

2014年8月3日，在厂区26#道岔处发现钢轨断裂（见图5）。由于发现及时且处置快速，未对铁路运输造成影响。

分析：观察断口痕迹发现，钢轨中间有很多气泡，填充不实，降低了钢轨的强度，影响了钢轨的使用年限。此处断轨属于典型的钢轨材质缺陷导致断轨。

图5 26#道岔断轨现场图片

3 轨道力学及断轨原因分析

3.1 轨道力学分析

作用于轨道上的力比较复杂，而且具有较强的随机性和重复性。钢轨要承受复杂多变的力，必须要有足够的强度，而且抗疲劳性、耐磨性及几何尺寸精度也要达标，才能保证运行性能和运行安全。

钢轨所受的力大体上可以分为三种（见图6）：垂直于轨面上的竖向力；垂直于钢轨的横向水平力；平行于钢轨的纵向水平力。

竖向力主要包括：

（1）车轮荷载；

（2）受机车车辆构造及其状态影响的动力附加值；

（3）受轨道构造及其状态影响的动力附加值；

（4）受机车车辆在轨道上运动状态影响的动力附加值。

横向力主要包括：

（1）车辆在方向不平顺的轨道上蛇形运动产生横向水平力；

（2）车辆接头死弯、道岔尖轨、护轨等处的轮轨冲击引起的横向水平力；

（3）车辆通过曲线时因欠超高（或过超高）引起的未被平衡的横向力；

（4）车辆通过曲线轨道时转向架转向使车轮轮缘作用于钢轨侧面的导向力。

纵向力主要包括：

（1）钢轨爬行力；

（2）坡道上车辆重力的纵向分力；

（3）制动力；

（4）摩擦纵向力；

（5）温度变化引发的内部张力。

图6 轮轨之间的作用力示意图

3.2 断轨原因分析

铁路线路钢轨断裂一般是由多个因素综合作用引起的，如钢轨材质、线路运量荷载、线路基础情况、气温变化等。

3.2.1 钢轨材质有缺陷

（1）制造钢轨的钢材硬度、韧度、强度等不足，直接影响钢轨行车安全和使用性能［1］。

（2）钢轨内部存在暗核、细小裂纹或空隙等缺陷，在车辆的反复碾压下容易成为疲劳源［2］。

（3）钢轨中存在非金属夹杂物，对萌生疲劳裂纹有较大的促进作用。夹杂物的材性与钢轨的材性不同，在温度变化时，钢轨与夹杂物的热膨胀性能存在差异，交界处便会产生拉应力，导致夹杂物与钢轨母材之间形成空穴［3］。

3.2.2 线路基础不牢

（1）线路基础不牢是导致钢轨断裂的主要原因之一。当线路出现接头下沉、空吊板、三角坑、翻浆冒泥、道床板结等隐患，如果未及时进行整治维修，会出现线路不稳定和枕下弹性不均等问题，进而导致钢轨在列车的反复碾压下容易发生断轨。

（2）曲线地段超高设置不合理会导致钢轨的横向受力加剧，在曲线薄弱地段易引起钢轨折断。

3.2.3 线路养护不当

（1）机械作业时工具使用不当或作业方法不正确造成钢轨伤损［4］。如：捣固作业时捣镐捣伤钢轨，不松螺栓强行起道时损伤钢轨。

（2）作业人员维修作业时无法准确控制作业量造成钢轨伤损。如：线路起道或拨道作业量把握不准而出现超量，导致钢轨出现不均匀变形、破损［5］。

3.2.4 钢轨超限承载

钢轨超限承载会缩短钢轨疲劳周期，引发钢轨的疲劳伤损，加速钢轨断裂。尤其是如果钢轨内部有细小裂纹，在车轮的重复碾压过程中会逐步发展成为一个疲劳源，并逐渐向轨头内部扩展，使得轨面有效截面削弱，进而导致断轨。

随着铁路运输向高速、重载、高密度方向发展，钢轨出现接触疲劳伤损的现象越来越严重。钢轨伤损的大量出现，必然引起铁路线路的换轨施工作业量暴增［6］。

3.2.5 日常管理不到位

（1）线路点检时不重视对钢轨的检查或巡道人员巡检线路时不认真，未能及时发现钢轨的细小裂纹，导致裂纹不断扩大直至断轨。

（2）对线路点检发现的问题未作统筹安排，养护维修不及时，钢轨的疲劳无法得到修复，小问题逐步发展为大隐患。例如：原本是小翻浆冒泥，由于未及时养护，最后发展成大翻浆冒泥，导致钢轨轨底空吊严重，当车辆通过时，钢轨局部所受冲击力突增，容易造成钢轨从底部断裂。

（3）线路养护设备落后，机械化程度不高，导致养护质量不高。

（4）铁路工务人员技能水平不高，对线路病害认知不够。在日常培训中，存在走过场、应付了事的现象。

3.2.6 温度变化的影响

冬季昼夜温差较大，钢轨受热胀冷缩的影响，拉应力加大。如果作用在钢轨上的拉应力、承载力等合力超限，就会造成钢轨伤损。

4 钢轨伤损的规律总结

4.1 常发生钢轨断裂的地段

线路不平顺处断轨发生机率比平顺处大；曲线地段比直线地段断轨发生概率高。车辆行进过程中，在曲线地段对钢轨的冲击力较大，增加了钢轨伤损的风险。

4.2 常发生钢轨断裂的部位

断轨多发生在钢轨的接头位置。一是因为接头位置容易下沉，一旦出现下沉，车辆通过时会导致钢轨出现应力集中现象；二是因为接头位置有螺栓孔，减弱了钢轨抗疲劳的能力。

4.3 常发生钢轨断裂的时间

温差大的时段或区域较容易发生断轨。昼夜温差较大时，由于热胀冷缩的原因，会导致钢轨的拉应力增大而容易发生断轨。贵冶专用铁路的断轨故障多发生在冬季和春季，一般在每年的11月至次年的3月，所以在冬季和春季应提高对钢轨进行探伤的频次［7］。

5 预防断轨的措施

要解决好钢轨断裂问题，就要坚持“预防为主、防治结合”的方针。通过对钢轨断裂原因的分析总结，提出以下预防措施。

5.1 强化组织明确责任

成立钢轨防断工作领导小组，分级管理、多级检查、全员防断。根据钢轨防断有关规定和要求，明确防断重点，制定工作目标、日常安排、防断措施、应急预案以及考核机制，并组织实施。根据设备状态、大修计划及各类施工情况，统筹安排钢轨防断有关工作。

5.2 强化防断风险意识

定期或不定期地进行钢轨防断知识培训，提高相关人员责任心及业务水平，并强化风险意识。

5.3 全面做好应急准备

（1）加强备品备件管理，定期检查维护，保证钢轨防断工具在急需时齐全且能正常使用。例如，钻孔机、切割机要定期进行试运转检测，确保设备状态良好。

（2）完善断轨应急处理预案，做到流程清晰，分工明确，措施有效。

（3）开展好防断轨实操演练活动，规范抢险处理程序，增强应急处理能力。

5.4 加强线路设备检查

（1）规范钢轨探伤。按照“一看、二照、三敲、四摸”的手工复查程序，确保检测不超速、不漏探，做到隐患一个不漏、死角一处不留［8］。

（2）对重点部位进行重点检查。对钢轨接头、轨面有掉块擦伤、曲线磨耗严重地段等重点部位进行重点检查，及时发现问题并及时反馈和处置。定期打开鱼尾夹板、钢轨绝缘，查看螺栓孔周围有无裂纹。

（3）对重点区域进行重点检查。对列车通过量大、曲线半径较小、大坡制动地段、线路状况差等重点区域进行重点检查，并落实钢轨防断责任人。

5.5 提高养护作业质量

线路养护质量的好坏直接影响钢轨的使用寿命。平顺的线路可以让钢轨受力均匀，降低钢轨出现应力集中导致断轨的风险。

在线路养护作业中，应注意以下几方面：

（1）做好扣件复紧工作，增加线路稳定性。检查钢轨扣件有无松动、道钉是否有浮钉，保证钢轨扣件的扣压力，防止因扣件松动而使钢轨出现挠动。尤其是要防止连续扣件松动、失效的情况，扣件标准要达到“三点接触”。

（2）严格控制失效枕木根数，对连续2根以上枕木失效的情况要引起重视，并及时更换，最好做到无失效枕木在用的情况。

（3）加强捣固作业，特别是接头位置的捣固。通过捣固作业，消除空吊板、三角坑等病害，保证线路平顺且受力均匀。尤其要防范接头处捣固不均的问题，因为如果接头处一根枕木捣的过高、过实，而相邻的另外一根枕木忘记捣固，甚至出现空吊，就会出现钢轨受力不均的情况，很容易造成断轨。

（4）对线路道砟情况进行全面调查，及时做好道砟均匀补充工作，防止线路因缺砟而降低稳定性。

（5）及时更换混凝土枕线路轨底大胶垫，保持线路弹性均匀。尤其要避免钢轨直接压在水泥枕受力作业面上的情况，因为钢轨与轨枕之间直接刚性接触会加速钢轨的伤损。

5.6 不断提高探伤能力

钢轨探伤工作是防止铁路断轨的一道重要防线。要完善管理制度，使钢轨探伤工作更加规范化、科学化［9］，严格按照探伤周期进行探伤作业，对事故多发地段、咽喉区域增加探伤频次。同时，开展科技攻关，把升级探伤设备、完善探伤工艺和强化科学管理有机结合起来，不断提高钢轨伤损检出能力。

6 结语

钢轨是铁路运输的生命线，防止钢轨断裂是铁路工务部门的重要日常工作之一，不仅要加大力度做好钢轨的日常养护工作，还要做好钢轨伤损的预防工作以及断轨的紧急处置工作。唯有通过加强现场点检，仔细排查故障隐患，做到早发现、早处理，并同时加强线路养护作业，不断提高线路设施的质量，才能更好地保障铁路运输的安全和畅通。