高速铁路有砟轨道钢轨伸缩调节器运营状态研究

谭社会，林超，梅琴

高速铁路有砟轨道钢轨伸缩调节器运营状态研究

谭社会1，林超2, 3，梅琴2, 3

(1. 中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071；2. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；3. 铁路轨道安全服役湖北省重点实验室，湖北 武汉 430063)

钢轨伸缩调节器是高铁线路养护维修的重点。以合福高铁铜陵长江大桥钢轨伸缩调节器为研究对象，通过对其服役状态进行全天候监控，结合检测数据和日常养护维修资料，获得钢轨伸缩调节器服役状态变化规律，提出钢轨伸缩调节器养护维修建议：1) 夏季重点对钢轨伸缩调节器及其前后150 m线路范围的几何形位进行测量；2) 根据季节采用不同的道床捣固频率，秋季和冬季每月进行1次，春季和夏季每月进行2次及以上；3) 当发现左右股钢轨出现伸缩不一致时，要加强润滑涂油工作，保持2股钢轨的阻力一致；4) 定期检查钢轨伸缩调节器轨下胶垫和其他垫片的状态，及时修正扣件状态并更换失效部件。

高速铁路；钢轨伸缩调节器；服役状态；全天候监控；变化规律

钢轨伸缩调节器[1]是为解决大跨度(一般指温度跨度超过200 m)桥梁梁体和钢轨的相对位移及钢轨允许应力而设置。由于钢轨伸缩调节器区尖轨与基本轨存在相对滑动、大跨度桥梁存在纵向伸缩，且这两者往往难以协调一致，因此，钢轨伸缩调节器区是高速铁路线路的薄弱环节。钢轨伸缩调节器按轨道结构分为有砟和无砟2种类型，目前国内已开通的高速铁路大跨度桥梁主要采用有砟轨道。从运营状态来看，钢轨调节器区主要存在轨道几何形位不良、轨枕歪斜、钢轨光带不良等病 害[2−3]。基于上述情况，近年来国内专家学者针对钢轨伸缩调节器的病害开展了相关研究：潘成杰[4]汇总了淮河大桥钢轨伸缩调节器运营过程中出现的病害，提出了减缓伸缩调节器劣化的控制措施；孙积顺等[5]通过对芜湖长江大桥伸缩调节器常见病害的分析，提出了处理措施和保养建议。但总体来看，对于钢轨伸缩调节器区在服役过程中的变形规律研究较少，尚缺乏制定针对性养修措施的基础与参考。据此，本文选取合福高铁铜陵长江大桥钢轨伸缩调节器为研究对象，借鉴国内外类似轨道监测系统[6−10]的监测方法，通过对其服役状态进行全天候监控，同时结合动静态检测数据和养护维修台账，掌握大跨度连续梁在温度荷载作用下的梁缝变形特点、伸缩装置与调节器的伸缩变化规律，为养护维修提供科学依据。

1 钢轨伸缩调节器监测方案

1.1 监测工点

合福高铁铜陵长江大桥全长1 290 m，桥跨布置(90+240+630+240+90) m，为五跨连续钢桁梁斜拉桥。主桥钢桁梁两端设置钢轨伸缩调节器，梁缝处设抬轨装置。双线两端共铺设4组BWG SA60- 1200型单向钢轨伸缩调节器(基本轨设在钢梁区域)，伸缩量达到±600 mm。铜陵长江大桥梁端钢轨伸缩调节器布置位置如图1所示。

图1 铜陵长江大桥钢轨伸缩调节器布置位置示意图

1.2 监测内容

根据钢轨伸缩调节器区维护重点及养修规律探索需求[11−12]，钢轨伸缩调节器区布设监测内容如表1所示。

1.3 监测方法

为确保监测的准确性，对钢轨伸缩调节器区轨道结构部件的位移，采用图像识别技术进行监测；对于大气温度、桥梁梁缝值、结构温度等外部参数，采用光纤传感技术进行监测。

表1 铜陵长江大桥钢轨伸缩调节器监测内容

(a) 尖轨位移监测；(b) 桥梁梁缝位移传感器

1.4 测点布置方案

1.4.1 钢轨伸缩位移测点

一组钢轨伸缩调节器设置尖轨尖端伸缩位移测点和基本轨跟端伸缩位移测点各2个，分别位于尖轨前端和基本轨跟端。在测点处黏贴位移标识牌并安装视频摄像头，通过图像识别的方法获取位移值。钢轨伸缩位移测试精度为0.1 mm。

1.4.2 轨枕间距

一组钢轨伸缩调节器设置轨枕间距及变形测点2个。一个测点位于梁缝处，测量钢枕与钢枕间距、钢枕与混凝土枕间距和混凝土枕与混凝土枕间距；一个测点位于基本轨跟端，主要测量基本轨跟端附近的混凝土轨枕的间距变化。在测点处粘贴位移标识牌并安装视频摄像机，通过图像识别的方法获取轨枕间距值，如图3所示。轨枕间距的测试精度为1 mm。

1.4.3 桥梁梁缝值测点

在铜陵长江大桥主桥的两侧梁端(铜陵端和无为端)的梁缝处分别设置了2个桥梁梁缝位移传感器，传感器分别位于线路的上行线侧和下行线侧。桥梁梁缝值的测试精度为0.1 mm。

1.4.4 温度测点

温度的监测内容包括气温、轨温和桥梁温度。气温测点1个，设置在桥墩上；轨温测点1组调节器4个，基本轨和尖轨上各2个；桥梁温度测点4个，混凝土桥和钢桥上各2个。温度传感器的测试精度为0.1 ℃。

1.4.5 结构表观状态测点

一组钢轨伸缩调节器设置结构表观状态测点2个，借助视频摄像头对剪刀叉状态、扣件垫板窜出情况等进行识别。

有砟轨道钢轨伸缩调节器的测点布置方案如图4所示。

图3 钢轨及轨枕上黏贴的位移标识牌

2 钢轨伸缩调节器长期监测数据分析

通过对合福高铁铜陵长江大桥钢轨伸缩调节器区进行了一年期的观测(2017年7月～2018年6月)，主要监测数据如下。

图4 钢轨伸缩调节器长期监测测点布置方案

2.1 基本轨跟端伸缩位移

图5为合福高铁铜陵长江大桥上行线左、右2股基本轨的伸缩位移量随时间变化趋势图，图5(a)中正值表示钢轨沿着钢桥向相邻混凝土简支梁的方向伸缩，负值表示钢轨沿着简支梁向钢桥的方法伸缩。从图5(a)中可以看出，夏季随着温度的升高，钢轨向着远离钢桥的方向移动。钢轨位移是由2部分引起的，一部分是钢轨的自由伸缩(基本轨的布置方向见图1)，另一部分是由于升温导致梁缝变小，钢梁向简支梁移动带动基本轨一起移动。图5(b)中左、右2股基本轨的伸缩位移量值量基本一致，伸缩位移量差值在0～4.0 mm之间。全年基本轨的伸缩变化量为447.4 mm(±223.7 mm)，满足设计伸缩量程(±600 mm)。

(a) 上行线左、右两股基本轨的伸缩位移量值；(b) 上行线左、右两股基本轨的伸缩位移量差值

备注：受桥上电源中断影响，部分数据出现缺失。

2.2 桥梁梁缝宽度

图6为合福高铁铜陵长江大桥梁缝宽度随时间变化曲线图。从图中可以看出，夏季(7月份)梁缝最小宽度为485.6 mm，冬季(1月份)梁缝最大宽度为856.2 mm，全年的梁缝伸缩变化量为370.6 mm (±185.3 mm)，基本轨伸缩变化量趋势与梁缝伸缩的变化趋势相同。

由于基本轨伸缩变化量=桥梁梁缝变化量+钢轨自身伸缩量，因此全年大跨度桥上基本轨由于温度变化引起的伸缩变化量为±38.4 mm。由于全年钢轨的温度变化范围在−5.7～43.8 ℃，可以大致推算出大跨度桥上钢轨伸缩区长度为130 m。因此日常检查维护时可以重点对钢轨伸缩调节器单元前后150 m线路范围的几何形位进行测量。

图6 合福高铁铜陵长江大桥梁缝宽度随时间变化曲线图

备注：受桥上电源中断影响，部分数据出现缺失。

2.3 道床状态

为探索钢轨伸缩调节器基本轨跟端的日伸缩变形量(/mm)与大气温度日变化量(/℃)之间的关系，对监测数据进行拟合分析，拟合曲线公式分 别为：

据此，在相同的温差条件下(10 ℃)，4个季度对应的钢轨伸缩位移量分别为62.0，87.0，82.5和59.3 mm。鉴于有砟轨道扣件阻力大于道床阻力，因此钢轨伸缩调节器基本轨伸缩主要受道床阻力制约。在相同温差条件下，钢轨的纵向位移量越大，说明道床的纵向阻力越小。因此，应优化现有的钢轨伸缩调节器区段捣固规律，即为了保证道床的服役状态，秋季和冬季维持目前每月一次的捣固周期不变，春季和夏季调整为每月2次的捣固周期。

2.4 现场病害

2017年7月23日，监测系统发现现场扣件的垫板窜出，导致基本轨在伸缩过程中出现挤压扣件垫板的情况。发现上述情况后，设备管理单位及时对扣件垫板进行了调整。图7为监测系统拍摄到的基本轨伸缩挤压扣件垫板的过程。

(a) 挤压前；(b) 挤压后

3 钢轨伸缩调节器日常检测数据分析

3.1 动态检测数据分析

图8为全年钢轨伸缩调节器TQI指标接近超限情况统计图。从图8可以看出，钢轨伸缩调节器接近超限根据季节变化呈抛物线变化，温度越高，接近超限数据越多。

图8 钢轨伸缩调节器TQI接近超限情况统计

备注：监测周期内调节器无超限情况，图中为接近超限数据。

综上可知，钢轨伸缩调节器TQI接近超限情况统计趋势与道床状态变化趋势相同，均表现出秋冬季节的轨道状态要优于春夏季节。分析其原因，一是钢轨伸缩调节器受温度影响较为敏感，二是钢轨高低不平顺受道床密实度影响较大。

3.2 静态检测情况

2017年7月～2018年6月期间人工检查几何尺寸良好，未发现静态人工检查几何尺寸超限，数据正常。

4 结论

1) 夏季早晚温差大，梁轨相互作用剧烈，轨道几何状态不易保持。大跨度桥梁养护维修重点为钢轨伸缩调节器及其前后150 m线路范围。

2) 建议钢轨伸缩调节器区段根据季节采用不同的道床捣固频率，即秋季和冬季每月进行1次道床捣固作业，春季和夏季每月进行2次及以上的道床捣固作业。

3) 当发现钢轨伸缩调节器左右股钢轨出现伸缩不一致时，要加强润滑涂油工作，保持2股钢轨的阻力一致。

4) 在钢轨伸缩调节器基本轨伸缩过程中，部分轨下胶垫可能会产生偏移、变形甚至脱落串出。维护人员应重点检查钢轨伸缩调节器轨下胶垫状态，及时修正扣件状态，更换失效的部件。

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Study on the operation status of ballasted track inthe rail expansion joint of high-speed railway

TAN Shehui1, LIN Chao2, 3, MEI Qin2, 3

(1. China Railway Shanghai Group Co., Ltd., Shanghai 200071, China;2. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China; 3. Hubei Key Laboratory of Track Security Service, Wuhan 430063, China)

The area where the rail expansion joint located is the key section of high-speed railway maintenance. In this paper, the rail expansion joint of Tongling Changjiang River Bridge of Hefu high-speed railway was taken as the research object. Through the all-weather monitoring of the service status of the rail expansion joint, combined with the test data and the daily maintenance data, the change rule of the service status of the rail expansion joint was obtained, which provided guidance for the maintenance and repair of the rail expansion regulator of high-speed railway. In the summer, the geometric shape and position of the rail expansion joint with its front and rear 150 meter range are mainly measured. The tamping frequency of ballasted track is seasonally different that once a month in autumn and winter, and twice or more in spring and summer. When the expansion and contraction of the left and right rails are inconsistent, it is necessary to strengthen the lubrication and oiling work to keep the resistance of the two rails consistent. It is necessary to regularly check the status of the under rail pads and other pads of the rail expansion joint, and timely revise the fastener status, or replace the failed components.

high-speed railway; the rail expansion joint; service status; all-weather monitoring; change regularity

10.19713/j.cnki.43−1423/u. T20200577

U216.3

A

1672 − 7029(2021)04 − 0837 − 07

2020−06−23

国家科技支撑计划项目(2013BAG20B01)；国家自然科学基金资助项目(50908179)；上海市自然科学基金资助项目(11ZR1439200)；湖北省技术创新重大专项(2019AAA059)；中铁第四勘察设计院集团有限公司科研课题(2018K014)

谭社会(1973−)，男，安徽砀山人，高级工程师，从事高速铁路线路养护、新线介入、精密工程测量等方面研究；E−mail：672699091@qq.com

(编辑 阳丽霞)