客货混跑铁路重载运输对轨道设备的影响分析及强化措施

王建强，杨 毅

(呼和浩特铁路局总工程师室，呼和浩特 010010)

1 概述

京包线大同至包头段(以下简称大包铁路)呼铁局管辖正线约421 km，该段铁路为客货混运线路，客车最高速度为120 km/h，2007年开行载重80 t级的C80型万吨重载列车，目前，每天开行万吨重载列车约50对，万吨重载列车已实现主型化，运量从2000年的0.54亿t增长到2010年的2亿t。大包铁路上行线年运量、牵引质量已超过重载铁路的标准，为客货混运重载铁路。国外主要重载铁路及国内的其他2条重载铁路(大秦铁路、朔黄铁路)均为货运专线铁路，与其他重载铁路相比，大包铁路轨道设备现状以及运输模式明显不同。通过对大包铁路轨道设备病害的调查、分析，并结合铁道科学研究院的试验结论和当前的维修养护工作，提出C80万吨重载列车通道上轨道的强化改造对策和参考结构标准。

2 设备病害的表现形式

大包线为有砟轨道，随着万吨重载列车的开行，轨道设备在大修周期内已出现较为严重的伤损，随着运量的增加，线路的养护维修天窗明显缩短，轨道设备伤损显著增加，质量状态恶化，与运输需要相比，轨道设备已显薄弱，对安全运营造成了一定的隐患。通过定点观测分析，具体表现为:轨道几何尺寸变化较快、钢轨伤损周期缩短，增速较快、曲线钢轨伤损加剧及轨枕伤损增多等，同时曲线地段也出现了明显的横移。

2.1 轨道几何尺寸变化较快

轨道的变形与列车荷载相互影响，列车的重复振动荷载使线路产生变形，线路变形后产生的轨面不平顺致使列车对线路的冲击破坏加剧，加之列车运行的密度不断增大，这种相互影响更大，造成轨道几何尺寸变化频率加快。

2.2 钢轨伤损增速较快，探伤周期内探测难度增大

万吨重载列车开行后使重伤钢轨伤损周期缩短，增速较快，特别是C80万吨重载列车开行以来，近半年时间，重伤钢轨数量几乎达到刚开行时的1倍。万吨重载列车开行以前，探伤组在1个检查周期范围内，完全可以监控钢轨伤损的发展情况，但现在按照1周的钢轨探伤周期都难以探测。

2.3 曲线受到的冲击破坏

2.3.1 磨耗加剧

(1)曲线半径为600 m左右的小半径曲线钢轨侧磨速率加快，撞道现象增多，轨距及轨距变化率不易保持，造成小半径曲线上股钢轨的使用寿命缩短。

(2)曲线半径800 m＜R＜1 000 m的钢轨也开始出现磨耗。

如大包上行线K464+888 m～K465+314 m(R=930)曲线，2008年11月以前检查只有磨耗迹象，磨耗不足1 mm，2009年2月检查发现磨耗达到4 mm。曲线地段3个月钢轨侧磨情况见图1。

2.3.2 曲线内撞道处所增多，维修周期缩短(图2)

据现场调查，在曲线内撞道处所较以前增多，维修周期从15 d缩短为3～4 d。

2.3.3 小半径曲线轨枕螺杆折断数量增多(图3)

检查发现大包线K543+64～K543+69(正矢点号)间曲线下股里外口共折断螺杆22根，里口连续折断最多4根。这样的现象在重载列车开行之前是没有的。

图1 曲线地段3个月钢轨侧磨

图2 撞道

图3 轨枕螺杆折断

2.3.4 轨距杆折断数量增多(图4)

2.3.5 曲线内弹条折断数量增加(图5)

图5 曲线下股里外口弹条折断

2.3.6 曲线补修工作量加大，2次补修间隔时间缩短

曲线补修工作量加大，曲线补修周期由原来的每周补修1次变为现在的每3～4 d补修1次。主要的作业内容为改道、复紧联结零件，整治较大的水平。

2.3.7 小半径曲线下股钢轨的串动

2.4 接头病害(图6、图7)

图6 接头冒泥

万吨重载列车对线路接头冲击较大，接头处随之发生的道床翻浆冒泥、坍塌泛白，轨端扎伤掉块明显增多，几何尺寸难以保持，造成动态报警较多，占到60%以上。

2.5 轨枕伤损增多(图8、图9)

图7 接头掉块

图8 接头失效轨枕

图9 轨枕连续透灰

接头处轨枕破坏较为明显，原有伤损的混凝土轨枕，在车轮的冲击作用下，伤损发展更为明显。木枕道岔铁垫板嵌入枕木的现象较多，特别是重载列车通过的接头处所。2010年5月检查发现大包上行线K574曲线地段轨枕出现轨枕中间裂纹透灰的现象。

3 主要病害的统计分析

3.1 钢轨伤损严重

(1)钢轨重伤主要为核伤，2010年大包上行线钢轨重伤130处，其中核伤81处，占62.3%;钢轨折断同比有所增加，且断轨发展速度加快。

(2)钢轨螺孔裂纹发展速度急剧加速，日平均裂纹速度高达2.9 mm/d。

(3)钢轨掉块明显增加，钢轨接头伤损严重。

(4)钢轨疲劳寿命明显缩短。

大包线K561～K591区段直线钢轨重伤统计见表1，该区段2009年9月铺轨，至2011年4月，共发现重伤钢轨29处，累计通过总重3.81亿t时，钢轨累计重伤率为2.22处/km。重伤钢轨失效概率可拟合为F(t)=1-e-［t/337.91]1.5809，可以预测，在累计通过总重800 Mt时，钢轨疲劳重伤的可靠度为90%，预测重伤率达7.94根/km，钢轨疲劳重伤寿命预测见图10;而一般考虑钢轨疲劳重伤发展的可靠度为97.5%，即每km疲劳重伤失效率仅为2根。

表1 大包线K561～K591区段直线钢轨重伤统计

可见在目前的运输条件下，对于既有铁路的60 kg/m钢轨，在25 t轴重货物列车运行条件下，钢轨的疲劳寿命已明显缩短，明显不适应大轴重货物列车的运输要求。

图10 钢轨疲劳寿命预测

3.2 曲线钢轨磨耗严重

小半径曲线钢轨磨耗明显加快。R=800 m的曲线上股钢轨侧磨加速，下股压溃、鱼鳞伤损严重。曲线月平均侧磨量在2.0～2.5 mm。据统计，大包线K424+091～K424+782处的R=600 m半径曲线，2009年10月换轨，至2010年7月侧磨最大值达14 mm，2010年10月就因磨耗到限而下道，钢轨磨耗寿命不足240 Mt。

3.3 曲线地段轨道横移明显

据对大包线直线段K539+850～K540+600、曲线段K540+660～K541+410轨道横移量1年的观测统计，剔除个别数据突变观测点，直线地段轨道横移量一般在8 mm左右，曲线地段钢轨横移量高达20～30 mm。曲线地段的轨道横移量大于直线地段。

3.4 轨枕伤损严重

(1)Ⅱ型及以下轨枕伤损严重。大包线约40%的Ⅰ型轨枕存在不同程度的裂纹、挡肩破损和螺杆拔出。Ⅱ型轨枕约5%出现了较为严重的断裂、横裂、纵裂以及挡肩破损。

(2)接头处轨枕破坏较为明显，原有伤损的混凝土轨枕，在车轮的冲击作用下，伤损发展较为明显。

(3)在R≤600 m区段，虽然已采用了地锚拉杆、轨撑等加强措施，Ⅲ型轨枕挡肩出现破损。因而针对客货混运重载铁路，在R≤600 m区段，应对轨道结构进行强化。

3.5 轨道部件疲劳伤损数量明显增加

(1)尼龙底座挤压失效速率加快，尤其是曲线上股外口挡肩，由于列车横向冲击增加，尼龙挡座挤压失效速率加快，2009年，集宁工务段对半径小于600 m曲线地段尼龙挡座每年更换1次，进入2010年以来，磨损、挤压变薄半年即需更换1次。

(2)胶垫磨损压溃加快，受客货混跑条件制约，曲线超高设置难以同时兼顾，曲线下股胶垫磨损、压溃速率加快。集宁工务段对半径小于600 m曲线地段胶垫每半年更换1次，半径为600～800 m曲线下股胶垫使用周期也不足1年。

(3)弹条松动断裂现象明显增多。具体数量见图11。

图11 扣件零部件更换数量对比

4 试验结果分析及结论

铁道科学研究院于2011年7月对大包线的R=600 m曲线进行了动态试验，试验结果见表2。

表2 大包线曲线试验结果

(1)R=600 m曲线地段脱轨系数最大值为0.63，小于安全评判值。但明显大于神朔线R=500 m、大秦线R=600 m曲线的测试结果，安全储备量降低。

(2)轮轨横向力最大值90.0 kN，且导向轴轮轨横向力大于50 kN所占比例较大，为11.8%～22.5%。

(3)钢轨轨头横移以及轨距扩大分别为4.25 mm和8.04 mm，已超过轨道动态不平顺管理值Ⅰ级保养标准的要求。说明钢轨的倾翻比较明显，这会显著增加弹条的受力，会造成弹条伤损甚至断裂。

(4)R=600 m曲线地段(Ⅱ型枕)道床横向阻力实测值分布范围为7.1～9.8 kN/枕，平均值小于标准要求。

(5)小半径区段脱轨系数、轨头横移、轨距扩大明显增加，外轨横向力明显增大。对轨道的破坏较为严重，几何状态恶化，对安全运营带来了一定的隐患。

强化小半径曲线轨道结构，采用合理的超高设置，优质高强度钢轨、钢轨润滑以及打磨等措施，提高轨道结构的承载能力，同时应加强曲线的养护维修，保持其轨道几何状态在规定范围之内。

5 轨道的强化改造对策

5.1 钢轨

(1)国外年运量超过100～150 Mt的重载铁路一般均采用68 kg/m及以上钢轨。国内大秦铁路年运量虽已达400 Mt，但在运量未超过2亿t时，已将60 kg/m钢轨逐步更换为75 kg/m钢轨，朔黄铁路年运量为200 Mt左右，重车线已全部更换为75 kg/m钢轨。

(2)重载铁路大轴重、大运量的运输特点，要求重载铁路钢轨具有高的抗疲劳性能、高耐磨性能和良好的焊接性能。钢轨硬度的提高，能明显提高钢轨的耐磨性能，因此在重载铁路的曲线地段，一般采用高强度、高硬度的热处理钢轨。良好的焊接性能则是要求能提高焊接接头轨面的硬度，同时减少钢轨焊接过程中出现灰斑等内部缺陷的机率。

(3)国内相关单位研制了可适用于重载铁路的优质钢轨，其中包括攀钢生产的75 kg/m PG4钢轨，鞍钢生产的U77MnCr、U75V钢轨。

(4)结合上述3种优质钢轨的技术性能以及大秦、朔黄铁路的使用效果，建议客货混跑重载运输铁路的轨道设备采用75 kg/m钢轨，R≤1 200 m曲线段采用热处理钢轨。

5.2 轨枕

(1)鉴于大包线的Ⅲ型枕虽然已经出现部分伤损，但是裂缝宽度普遍不大，而且占轨枕总数的比例较低，因此，建议大半径以及直线地段仍然采用Ⅲ型枕。

(2)R≤600 m曲线段建议采用新型重载轨枕(Ⅳ型轨枕)，以提高道床横向阻力，增强线路稳定性。

根据轨枕设计方法、主要参数及有关资料可知:IV型轨枕较Ⅲ型枕轨下截面和枕中截面的承载能力分别提高了44.4%和32.4%，道床横向阻力提高5%.

5.3 扣件

(1)强化扣件方案

结合大包线既有扣件使用情况，重载列车荷载频繁作用下弹条松弛严重，由于行车密度大，又没有弹条复拧的作业时间，使得扣件状态不良，影响轨道的工作状态。既有线强化扣件应用在Ⅲ型枕上，即维持既有扣件的整体结构，对个别部件进行强化以提高弹条扣压力的保持能力，增大抗钢轨倾翻能力并减少养护维修工作量。

①弹条强化:弹条加粗加宽，能增大弹条的扣压力。

②橡胶垫板强化:既有扣件橡胶垫板压溃现象严重，直接造成弹条扣压力衰减。对橡胶垫板结构进行强化，保持橡胶垫板的刚度，增大其两侧刚度，提高抗钢轨倾翻能力。

③轨距挡板强化:适当加大轨距挡板宽度，已安装强化后的弹条。同时配套加长挡座板，降低挡座板承压力，减缓对轨枕挡肩的作用。

(2)使用弹性轨撑方案。

(3)新型Ⅳ型轨枕采用弹条Ⅵ型扣件。

5.4 道床

(1)提高道床质量，改善道砟材质和粒径级配。

(2)在曲线地段可采取在路基上安装挡砟块，可以有效提高道床横向阻力，防止轨排横移。

5.5 曲线超高

(1)大包线R=600 m曲线均衡速度为55.3～79.7 km/h，R=800 m曲线的均衡速度为73.6～92.1 km/h。万吨重载列车通过曲线时，过超高达80 mm以上。

(2)建议对曲线超高进行适当调整，过超高一般控制在30 mm以内，最大不超过35 mm，而欠超高一般可控制在90 mm以内。

(3)R=800 m曲线超高设置为30～125 mm。可将超高调整为60～65 mm，则过超高分别降低至17.1～34 mm，而欠超高均未超过90 mm。由于万吨重载列车的速度较低，可适当降低曲线的最高限速，可根据区段列车的通过速度，将R=800 m曲线最高限速规定至100 km/h。

6 结语

本文给出了客货混跑条件下重载铁路的轨道结构参考标准，对其他铁路也有一定借鉴作用，具体到不同运输组织形式的铁路，应当针对铁路自身的定位，以科学严谨的工作态度，认真研究、比选，务求找到经济合理、适应性强的轨道结构标准，为铁路运输安全打下坚实基础。

［1]刘增杰，吴敬朴，孙家林.我国重载铁路轨道结构破坏的特点及对策研究［C].铁道科学技术新发展-铁道科学研究院五十五周年论文集，2005:153-156.Liu Zengjie，Wu Jingpu，Sun Jialin.China's heavy rail track structure damage characteristics and countermeasures［C].Railway science technology new development of Railway Science Research Institute fifty-five Anniversary Symposium，2005:153-156.

［2]李云川.浅谈重载铁路的养护维修［J].科技情报开发与经济，2007(2):11-14.Li Yunchuan.Discussion on the maintenance and repair of heavy haul railway［J].Sci tech information development and economy，2007(2):11-14.

［3]杨德修.重载铁路运输轨道结构面临的主要问题及强化措施［J].铁道标准设计，2005(12):10-12.Yang Dexiu.The heavy-haul transport tracks and the measures for strengthening the main problem［J].Railway Standard Design，2005(12):10-12.

［4]王志忠.关于重载高密度运输中工务病害养护的思考［J].铁道建筑技术，2007(2):6-8.Wang Zhizhong.About heavy high density transportation maintenance works on disease［J].Railway Construction Technology，2007(2):6-8.

［5]张文生.重载铁路的最新养护与维修技术［J].内蒙古科技与经济，2010(7):12-14.Zhang Wensheng.Heavy haul railway latest maintenance and repair technology［J].Inner Mongolia Science Technology and Economy，2010(7):12-14.

［6]李洪斌.张唐铁路主要技术标准研究［J].铁道标准设计，2011(7):4-8.Li Hongbin.Zhang Tang railroad is main technical standard［J].Railway Standard Design，2011(7):4-8.

［7]田宝红.大秦线2亿t重载扩能改造工程及轨道设计标准浅析［J].铁道标准设计，2005(3):9-11.Tian Baohong.200000000 t heavy haul capacity expansion renovation project and the design standards of track［J].Railway Standard Design，2005(3):9-11.

［8]钱立新.国际铁路重载技术发展水平［J].铁道运输与经济，2003(8):12-14.Qian Lixin.International railway heavy haul technology development level［J].Railway Transport and Economy，2003(8):12-14.

［9]钱立新.世界铁路重载运输技术的最新发展［J].中国铁道科学，2003(3):9-11.Qian Lixin.World railway heavy haul transport technology latest development［J].China Railway Science，2003(3):9-11.

［10]曾树谷.重载轨道结构的动力试验［J].铁道学报，1998(10):26-30.Ceng Shugu.Heavy-duty track structure dynamic test［J].Journal of the China Railway Society，1998(10):26-30.

［11]铁道部经济规划研究院.TB10082—2005.铁路轨道设计规范［S].北京:中国铁道出版社，2005.Economic and Planning Research Institute of MOR.TB10082—2005 code for design of railway track［S].Beijing:China Railway Publishing House，2005.

［12]陈秀方.轨道工程［M].北京:中国建筑工业出版社，2005.Chen Xiufang.Railway Engineering［M].Beijing:China Building Industry Press，2005.