在建高速铁路钢轨缺陷分析及钢轨保护管理建议

戚志刚 刘丰收 姜子清

1.中国铁路兰州局集团有限公司工务部，兰州 730030；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081

多条在建高速铁路钢轨出现大量轨端不平顺、表面擦伤、连续硬弯（轨向多波不平顺）等问题。若开通前不处理，开通后会很快发展成轨枕空吊，动检车Ⅲ、Ⅳ级偏差等线路病害，影响高速铁路运营安全［1-3］。因此，需认真分析这些缺陷的成因，高度重视钢轨保护和管理。一方面要研究钢轨缺陷快速排查技术，将安全隐患消除在开通前；另一方面加强施工时的钢轨保护管理，减少施工导致的钢轨缺陷问题。本文以银西客运专线为例介绍钢轨缺陷的排查与分析，并给出整治措施。

1 轨端不平顺

1.1 病害情况

银兰客运专线介入检查时发现，每根百米轨（包钢生产）距轨端2.4 m和6.2 m处出现轨面不平顺［4］，有1 778处平直度在-0.2～-0.76 mm/m。开通前采用钢轨打磨车进行全线预打磨，开通后仍有不平顺处出现轨枕空吊、动检车Ⅰ级偏差。2019年底开通的某高速铁路因开通前轨端不平顺未全部打磨整治，加之大型养路机械捣固不到位，开通后大量出现轨枕空吊，动检车Ⅲ、Ⅳ级偏差。轨端不平顺病害较普通，应重点排查。对焊轨厂和银西客运专线现场钢轨进行检查，同样发现大量轨端不平顺问题。现场排查、修磨累计整治钢轨轨端不平顺4 450处。

1.2 原因分析

经调查，银西客运专线百米轨距轨端2.4 m处轨面不平顺出厂前就已存在，是钢轨轧制过程中出轧机时突然失张所致［5］。此为钢厂生产工艺导致的缺陷，通过调整改进工艺可消除该缺陷。

1.3 整治方案

因焊缝距桥墩不得小于2 m［6］，焊缝与桥墩相错2 m后，距轨端2.4 m处的不平顺正好在桥墩上，从而导致动车组运行冲击增大，易产生轨枕空吊等问题。因此，铺轨时应确保轨端不平顺距桥墩大于2 m。对于焊轨基地发现的轨端不平顺，焊轨前须打磨调直处理［7］，严重不平顺的应切除处理。对铺轨后发现的轨端不平顺，先安排钢轨打磨车全线预打磨，然后依据不平顺幅值按0.1‰～0.2‰的坡率［8］进行人工打磨顺坡处置。

2 轨面擦伤及硌伤

2.1 排查情况

为掌握银西客运专线高速铁路钢轨擦伤情况，2019年8月至10月添乘银西客运专线17列工程列车。其中，长轨车8列，卸砟车9列。对记录的60个停车处（正常制动54处、紧急制动6处）钢轨状态进行检查，仅发现4处（3处正常制动）擦伤，位于坡率10‰～19‰的坡道上。排查洪德—惠安堡区间上下行线发现15处擦伤，其中9处位于15‰以上坡道，6处位于15‰及以下坡道。

2019年11月使用涡流探伤仪、里氏硬度计检查银西客运专线洪德—惠安堡区间上行线，发现擦伤351处（241处轨面擦伤深度小于0.35 mm，其中大部分擦伤仅轨面光泽度、硬度发生变化），硌伤170处。有2处擦伤、21处硌伤最大深度达到5 mm。

2.2 擦伤类型

钢轨擦伤主要呈块状、连续点状和长条状，见图1。擦伤宽度基本在12～18 mm，长度分布不均，从8 mm至10 mm不等。擦伤处硬度大多在580 HB左右，部分焊缝周边的擦伤硬度较高，在720 HB左右。擦伤深度平均在0.9 mm左右。

图1 钢轨擦伤主要类型

2.3 硌伤类型

钢轨硌伤主要呈点状和长条状，见图2。平均深度在2.1 mm左右，长度和宽度基本在10.0 mm以内；硬度分布不均，其中较高的在680 HB左右。

图2 钢轨硌伤主要类型

2.4 原因分析

添乘排查和人工现场检查出的擦伤数量明显少于仪器检查出的。主要原因为：①擦伤处轨面光泽变化不明显，涡流探伤仪检查发现后，硬度计检查轨面硬度有变化，但这种变化人工检查难以发现；②轨道车、接触网车、大型养路机械捣固车等制动、空转也有擦伤钢轨的可能，仅排查长轨车、卸砟车制动处，不能发现所有的擦伤；③钢轨成品保护不到位，小的硌伤、麻面较多，检查人员未全部记录。

2.5 整治方案

擦伤、硌伤深度小于等于0.35 mm［9］时打磨车预打磨后，再进行人工修磨；深度大于0.35 mm时换轨处理。

3 钢轨连续硬弯

3.1 现场检查、抽检和化验情况

银西客运专线第4遍精捣后采用0级轨道检查仪检测，轨道质量指数（Track Quality Index，TQI）达到3.6 mm，比正常轨道精调精捣后的TQI（约2.5 mm）［10］高。银西客运专线第4遍精捣（四捣）后轨向TQI为0.80 mm，从粗捣至四捣轨向TQI降幅不如高低TQI明显，见图3。

图3 银西客运专线大型养路机械捣固后各项轨道几何参数TQI对比

第4遍精捣后轨向TQI无法降低，现场检查发现钢轨存在长8～10 m、幅值2～4 mm的连续小硬弯，见图4。开通运营的杭黄客运专线、梅汕客运专线等线路均出现过类似问题。

图4 银西客运专线第4遍精捣后钢轨硬弯

2020年4月，银西铁路有限公司组织有关专家和施工、设备接管单位对焊轨基地、铺架基地存轨场钢轨，桥梁、路基、隧道等不同地段已铺设的钢轨进行抽检。焊轨基地长轨条出厂检验全部合格，未发现钢轨平直度超标；铺架基地存轨场钢轨平直度未发现超标。桥梁、路基地段钢轨存在幅值3.0～6.5 mm的连续硬弯。

银西客运专线未粗捣和已粗捣地段均存在长8～10 m、幅值3.0～6.5 mm的连续硬弯；已精捣地段存在长8～10 m、幅值2.5～5.0 mm的连续硬弯；隧道内已精调的无砟轨道地段钢轨同样存在幅值-1.0～+1.5 mm的S形轨向不平顺。抽检情况反映出的钢轨连续硬弯问题不是焊接、运输、捣固环节造成的，是铺轨后成品保护不到位所致。

从距百米轨轨端3 m处取样，分析化学成分、拉伸性能、硬度、显微组织、轨底残余拉应力、非金属夹杂物等，除了轨底残余拉应力（277.0、272.4、257.9、256.3 MPa）略大于TB/T 3276—2011《高速铁路用钢轨》［11］规定的250 MPa，其余指标均合格。钢厂矫直过程中压力大引起轨底残余拉应力较大，该指标仅对钢轨疲劳强度有影响，不会导致钢轨连续硬弯［12-13］。

3.2 对比分析

对比银西客运专线与银兰客运专线、中川铁路捣固数据。采用相同型号的大型养路机械、相同的捣固方法，2020年5月银西客运专线精捣后轨向TQI为0.82 mm，为银兰客运专线的1.95倍。采用同一台捣固车，中川铁路精捣后轨向TQI为0.43 mm，仅为银西客运专线的50%，说明轨向TQI不同是因捣固的线路不同，与大型养路机械捣固作业方法无关，基本可以排除施工单位认为的捣固作业方法不当所致。

对比银西客运专线站内与区间线路精捣数据。采用相同的大型养路机械作业，白土岗、惠安堡、甜水堡站内股道轨向TQI在0.4～0.5 mm；而吴忠—甜水堡区间线路轨向TQI在0.8～1.0 mm。区间线路轨向TQI明显高于站内股道，站内股道无工程列车运行、无钢轨硬弯问题，可见连续硬弯与区间线路运行工程列车有较大关系。

对比距铺轨基地不同距离地段的精捣数据。2020年5月选取环县—曲子区间中距惠安堡铺轨基地远、未精捣过的10 km线路进行精捣试验。精捣后轨向TQI由精捣前的1.10 mm降至0.44 mm，降幅0.66 mm。距惠安堡铺轨基地近的洪德—惠安堡区间，精捣后轨向TQI由精捣前的1.0 mm降至0.8 mm，降幅0.2 mm。可以看出，距铺轨基地较远的区间精捣后轨向TQI降幅明显。距铺轨基地近，通过重车多；距铺轨基地远，通过重车少。这反映出钢轨硬弯数量与通过重车数量成正相关，通过重车少的线路钢轨连续硬弯少，大型养路机械捣固作业更容易提升线路质量。

3.3 放散试验

2020年5月1日施工单位对K529+000—K529+200连续硬弯地段钢轨进行应力放散试验，锁定轨温由20℃提高至24℃。放散前扣件锁定状态时轨向偏差3 mm，切轨后扣件松开时轨向偏差10 mm，再次锁定拧紧扣件时轨向偏差3 mm。使用2 m平直尺测量钢轨工作边平直度，放散前扣件锁定时平直度0.6 mm，扣件松开自由状态时平直度2.4 mm，放散后拧紧扣件时平直度0.8 mm。这反映出钢轨已发生塑性变形，通过应力放散无法完全消除钢轨变形，整治钢轨硬弯问题。

3.4 铺轨施工情况

2018年12月施工单位从惠安堡站分别向银川、西安方向铺轨。2018年12月11日开始铺轨，2019年3月12日开始线路粗捣，从长轨铺设到应力放散间隔61～177 d，从长轨铺设到完成粗捣间隔85～343 d。铺轨后扣件未上齐全、未捣固整修情况下夏季易胀轨，且铺轨车、卸砟车等工程列车一直在运行，易造成钢轨塑性变形。

通过现场抽验、对比分析和放散试验发现，银西客运专线钢轨连续硬弯的主要原因包括施工单位对钢轨成品保护意识不强，铺轨后扣件隔5装1，线路高低、轨向不良，整修不到位，铺轨后未及时进行应力放散和工程列车频繁碾压。

3.5 整治方案及效果

钢轨硬弯造成的连续轨向不平顺会引发列车转向架激振，与单个轨向不平顺相比，对安全更不利［14］。建议钢轨硬弯引起的连续轨向不平顺按1.5 mm/10 m弦控制，轨向TQI按0.6 mm控制［15］。结合国内其他铁路处理方案，银西客运专线按设计锁定轨温上限重新进行放散锁定，通过放散拉伸钢轨，减少轨向多波不平顺问题。对放散后轨向TQI仍大于0.7 mm的连续地段更换500 m长轨，对轨向TQI在0.6～0.7 mm的地段人工改道和精捣，对轨向TQI小于0.6 mm地段插入单根百米轨。

由于钢轨保护不到位，原工期内须要重复完成两遍应力放散、轨距精改和大型养路机械精捣等工作。银西客运专线累计更换钢轨100 km，虽然协调将其他在建高速铁路到发线的41 km新钢轨与银西客运专线正线更换下的钢轨进行调换，施工单位仍需采购更换59 km新钢轨。

2020年8月银西客运专线进行联调联试，动检波形显示，全线轨向质量优良，仅个别地段存在较小幅值的连续轨向不平顺，动检轨向TQI为0.3 mm。与梅汕客运专线未换轨整治地段动检波形相比，银西客运专线换轨整治后轨向不平顺基本消除，整治效果良好，见图5。

图5 连续轨向不平顺动检波形

4 在建高速铁路钢轨保护管理建议

1）加强钢轨源头质量管理

高度重视钢轨源头质量管理，不断提升钢轨生产工艺，严格出厂质量卡控，从源头杜绝轨端不平顺问题。焊轨厂严格百米轨进厂质量检验，重点做好轨端平直度、钢轨外观质量的检查验收。铺架基地加强钢轨进场质量验收，细化钢轨进场检验、铺设、质量验收等环节的工作流程，完善作业标准和管理措施。

2）加强轨道施工质量卡控

施工单位要做好铺轨后续工序衔接，铺轨后及时补齐扣件、应力放散和捣固整修。工程列车上线运行前确保线路几何尺寸达标，加强装砟点、铺轨基地附近重车运行频繁区段线路的检查和整修，防止钢轨产生塑性变形。

3）强化工程列车开行要求

记录工程列车异常启停位置，建立报告、现场复核制度，制定长大坡道、进出车站、列车启停时行车作业办法。根据牵引定数合理配置牵引动力，对工程列车严格限速管理，防止和减少工程列车运行中空转、紧急制动造成轨面擦伤。

4）加强新线钢轨介入检查

新建高速铁路静态验收前，设备接管单位应使用涡流探伤仪、硬度计等设备对钢轨表面缺陷全面检查，对存在的问题制定整治措施，及时整治。

5）加强钢轨质量管理

要高度重视钢轨质量管理，生产厂家、施工单位、设备接管单位应从各个工序制定、完善钢轨保护管理办法，及时检查发现问题，杜绝不合格钢轨进入下一工序。明确各单位各部门职责，加强成品轨的保护。

5 结语

从钢轨缺陷原因分析和整治，可以看出施工时钢轨保护管理不到位是造成在建高速铁路钢轨缺陷的主要原因。大型养路机械捣固作业数据分析，也反映出施工时钢轨保护管理不到位导致的钢轨连续硬弯无法通过捣固作业予以消除，换轨整治造成巨大浪费。因此，新线建设施工时各单位各部门应高度重视，加强在建高速铁路钢轨保护和管理，确保高速铁路开通运营安全。