客运专线长钢轨低温焊接和锁定施工工法

陈太权

京津城际铁路全长113.544km，采用CRTSⅡ型板式无砟轨道结构一次性铺设跨区间无缝线路233公里，是我国第一条设计时速350km铁路客运专线。中铁二局在跨区间无缝线路锁定施工中，采用本工法，克服平均气温-5℃以下、最低气温-15℃低温恶劣天气的影响，于2007年12月至2008年1月底按期完成了全部跨区间无缝线路焊接和锁定施工任务。

2. 工法特点

2.1采用拉伸法和加热法相结合等方式及移动焊轨车焊接钢轨接头；

2.2施工方法简便，可操作性强，施工质量稳定，满足350km/h铁路客运专线技术要求；

2.3可在平均气温-5℃以下、最低气温-15℃低温条件下，快速进行跨区间无缝线路焊接和锁定施工。

3. 适用范围

本工法适用于低于设计锁定轨温及最低气温-15℃低温条件下长钢轨放散锁定和焊接施工。

4. 工艺原理

4.1长钢轨低温锁定工艺理论分析

按长钢轨的力学和热力学理论，当实际轨温低于设计锁定轨温ΔT时，长钢轨的温度力、钢轨线膨胀系数、拉力、拉伸伸长量换算关系如下：

4.1.1加热法使长钢轨均匀受热，长钢轨实际轨温升高ΔT至设计锁定轨温时，长钢轨伸长量ΔL = 轨温差ΔT×钢轨线膨胀系数α×长钢轨长度L，钢轨线膨胀系数α=11.8×10-6/℃；

4.1.2拉伸法使长钢轨均匀伸长，拉伸伸长量ΔL与⑴述温度伸长量相当时，长钢轨状态达到设计锁定轨温状态，拉伸力F=（弹性模量E×钢轨伸长率ΔL/L）×钢轨横断面积A，即钢轨伸长量ΔL=（拉伸力T/钢轨横断面积A）/弹性模量×钢轨长度L，弹性模量E=210GPa，钢轨横断面积A=77.45cm2；

4.1.3每组钢轨扣件可提供纵向阻力9KN。

不同长度长钢轨在不同温差条件下换算关系计算如下表：

经计算，90吨级液压拉伸机可满足实际轨温最大低于设计锁定轨温35℃时2000m及以下长度单元轨的放散锁定施工。

4.2施工工艺原理

4.2.1采用移动焊轨机替代铝热焊、接触焊焊接长钢轨，焊接质量稳定可靠。

4.2.2采用拉伸法或加热法使长钢轨伸长，使低温条件下长钢轨达到锁定轨温时所需要的长钢轨长度。

5. 施工工艺流程及操作要点

5.1 施工工艺流程

1、准备工作

移动焊轨机对位，支撑支腿油缸，拆除焊机前15m左右和前端待焊500m长轨的扣件，并用滚轮支垫，使两待焊轨端平齐。

2、轨端除锈

用手砂轮机对钢轨端部600mm范围内的轨腰和端面进行除锈至表面有金属光泽。

3、焊接

焊接前对钢轨进行预热至50℃，然后操作焊轨车吊机，焊机对钢轨进行夹持、焊接并进行保压推瘤。

4、焊轨机前行

同线另一根钢轨焊接完成后，拆除滚轮，按照1/3上线路扣件并拧紧。轨道车顶推焊轨机前行进行下一根钢轨焊接。

5、正火

拆除焊缝两端约15m左右的扣件，将钢轨适当垫高，用氧炔焰对焊缝进行加热至900±50℃，熄火后迅速利用专门制作的钢轨焊头保温箱和石棉被对焊头进行覆盖，防止冬季低温和自然风使钢轨的冷却速度过快而淬火。

6、钢轨打磨

对焊头轨底上角、下角进行打磨，应打磨圆顺；用仿型打磨机将焊缝及焊缝两侧1m长度范围内的轨顶面、轨头侧面进行精细打磨。

7、探伤

利用便携式超声波探伤仪对焊缝进行探伤，并喷焊接流水号。同时将拆除的线路进行恢复。

5.2.2 无缝线路长钢轨低温锁定施工

1、施工准备

无缝线路长钢轨低温锁定由区间或股道的一端向另一端施工。

1）人工拆除起点处一对100m拉伸锚固轨和与其连接的1500m单元轨范围内全部轨枕扣件和绝缘垫片，按10m间距支垫滚轮，使钢轨处于“无阻力状态”。

2）在钢轨轨腰上每间隔100m安装轨温器，查看轨温。

3） 在1500m钢轨上按200～300m间距安装撞轨器，并向锁定施工前进方向进行撞轨，使100m轨和1500m轨之间留有一定的缝隙。

2、起点处100m拉伸锚固轨锁定焊接

起点处拉伸锚固轨由于不能提供拉伸反力，不能采用拉伸法锁定，由于在低温条件下进行区间锁定时，道岔钢轨不能进行拉伸。因此，100m拉伸锚固轨采用加热的方式使钢轨伸长，达到锁定轨温的长度。

1）用锤敲击钢轨轨腰使钢轨在滚轮上伸缩进行应力释放，使钢轨处于“无阻力状态”，在钢轨沿线路方向两端和中部设位移观测点，查看钢轨伸长量。

2）利用每5m一个煤气喷枪对钢轨来回循环加热，观察轨温表的轨温显示和钢轨伸长量。

3）当钢轨伸长量达到计算量且钢轨温度达到锁定轨温上限时停止加热，迅速取出滚轮使钢轨落槽，并上紧扣件对钢轨进行锁定。

4）利用接触焊机对100m拉伸锚固轨与前端的1500m单元轨进行焊接。

3、单元轨应力放散

1）利用撞轨器向施工反方向进行撞轨和敲轨，使钢轨处于当前轨温的自由长度，在1500m单元轨前端安装钢轨拉伸机。

2）每隔100m根据拉伸长度要求设置一个钢轨观测点，以便确认钢轨的均匀拉伸和钢轨拉伸量。

3）在拉伸钢轨的同时，辅以撞轨器向锁定施工前方方向撞击，并配以铁锤敲击钢轨轨腰，使钢轨在拉伸时均匀伸长。

4、线路锁定

1）观测钢轨拉伸过程中每个观测点的位移量，当钢轨拉伸量达到计算要求时，停止拉轨，取出钢轨下面的滚轮。

2）拆除支垫滚轮及撞轨器，上齐轨枕扣件和绝缘垫片，每隔100m利用一台定扭矩的内燃扳手对钢轨沿线的扣件进行紧固，并拧至规定扭矩值，完成1500m钢轨的应力放散锁定。

3）拆除钢轨拉伸机，并转移同线另一根钢轨上进行应力放散和锁定。

5、设置线路标志

设置位移观测桩，粘贴位移标尺，清理线路。

6、其他两单元轨之间的焊接

两单元轨之间钢轨焊接时，焊缝应设在两承轨台之间，离承轨台的最小距离100mm。

6． 质量控制

6.1 质量标准

6.1.1正线无缝线路最短焊接短轨不小于12m，道岔前或后最短焊接短轨不小于31m或37.5m，钢轨焊接接头须错开刚度变化点5m以上，单元轨接头应置于两承轨台扣件节点中间。

6.1.2除道岔内外焊接接头采用铝热焊外，钢轨焊接接头采用闪光接触焊，钢轨焊接按规定做焊接型式试验和周期性检验，并由铁道部科学研究院出具钢轨焊接型式试验报告。

6.1.3本线无缝线路锁定轨温23±3℃，相邻单元轨间的锁定轨温之差不大于5℃，同一区间单元轨间的最高与最低锁定轨温之差不大于10℃，左右股钢轨锁定轨温之差不大于3℃。

6.1.4焊接接头的表面平直度允许偏差：轨顶面+0.2、0mm，轨头内侧工作面+0.2、0mm，轨底（焊筋）+0.5、0mm。

6.1.5全线钢轨预打磨作业后，钢轨顶面平直度1m范围内允许偏差+0.2、0mm。

6.2 质量保证措施

6.2.1对于钢轨焊接、正火、探伤、装吊、行车、应力放散等作业人员进行技术培训，增强员工的技能和安全意识。施工前进行详细的技术交底，使所有参战的施工人员熟悉施工工艺和工序。

6.2.2钢轨工地接触焊接施工中，经过型式试验确定的焊接参数，不得随意改变，每个焊头由焊机计算机全过程自动监控，识别焊头的合格情况。并按规定每焊接500头进行周期性生产检验。

6.2.3钢轨焊接前对焊缝两端各1m范围进行预热，正火后必须对焊接接头进行保温，以免焊头因冷却过快而淬火。并对焊接过程中的每一道工序质量实行自检和互检。

6.2.4在无缝线路应力放散锁定施工过程中，各工序施工人员按照技术交底要求和施工规范、技术标准，严把质量关。

6.3 采用技术标准

6.3.1客运专线250km/h和350km/h钢轨检验及验收暂行标准；

6.3.2 350km/h客运专线60kg/m钢轨暂行技术条件；

6.3.3 TB/T 1632-2005钢轨焊接接头技术条件(通用技术条件/闪光焊接)；

6.3.4客运专线铁路轨道工程施工质量验收暂行标准。

7. 安全措施

7.1加强行车安全管理，行车中严格控制车速，施工中应在施工前后端各500m距离处设置安全防护。

7.2焊接施工时，施工人员应避让飞溅的火花；经常检查正火设备氧气乙炔管道的密封性能

7.3钢轨应力放散锁定施工中，撞轨和取放滚轮时用撬棍抬放钢轨应齐心协力，安装取出滚轮应迅速，以免引发安全事故。

8. 环保措施

及时收集钢轨焊接、打磨过程中产生的废物、铁屑和焊瘤和设备的废油，并集中处理，防止对环境造成污染。

9. 效益分析

9.1社会效益

京津城际铁路是我国第一条时速350km客运专线，备受国内国际关注，本施工技术率先应用于我国第一条时速350km客运专线并取得良好效果，推动了我国高速铁路无砟轨道施工技术的发展。

采用本工法施工，保证了施工质量和工期，为京津城际铁路的顺利完工提供了技术保障。

9.2经济效益

本工法的使用，在平均气温-5℃以下、最低气温-15℃等恶劣天气条件下，按期完成了京津城际铁路233公里客运专线无缝线路长钢轨锁定施工，既保证了工期，又节省了二次放散的费用。

10． 应用实例

京津城际铁路全长113.544km，采用CRTSⅡ型板式无砟轨道结构一次性铺设跨区间无缝线路233公里，是我国第一条设计时速350km铁路客运专线。中铁二局运用本技术在平均气温-5℃以下、最低气温-15℃的恶劣天气条件下一次性完成全部无缝线路长钢轨锁定施工，避免了二次应力放散。铁道部和使用单位组织的无缝线路锁定轨温检测仪检测的结果表明，施工质量满足时速350km铁路客运专线的技术要求。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。