南京地铁扣件的典型伤损及使用性能分析

蒋林宏 李科委 马宇飞

南京地铁运营有限责任公司，南京210012

扣件系统是轨道结构的重要组成部分，是连接钢轨与支承结构的重要部件［1］，是影响轨道结构振动特性的关键因素［2-3］。其由弹条、轨下垫板、轨距挡板、螺旋道钉等多个零部件组成。任一零部件失效或断裂均会直接影响扣件系统的正常工作状态，严重时甚至威胁到列车运行的安全性和稳定性［4-6］。本文基于各类扣件在南京地铁多年的应用实践，从扣件设计、施工、生产质量和使用期的维护四个方面对扣件的主要病害及形成原因进行分析，并结合扣件刚度实验室检测、扣件减振性能线上测试结果系统分析扣件的主要性能，给出各类扣件的适用地段及优缺点，为地铁扣件的标准化设计和管理维护提供参考。

1 扣件使用情况分析

目前南京地铁运营里程378 km，在用扣件主要有22种。按减振等级分为无减振、一般减振、中等减振、高等减振4类。各类扣件铺设情况见表1。可以看出，铺设量较大的扣件是WJ-2A型扣件、ZX-2型扣件、弹条Ⅰ型不分开式扣件、DTⅥ2型扣件、弹条Ⅰ型分开式扣件5种，其铺设里程分别为216.627、200.077、95.629、80.951、54.441 km。

表1 南京地铁各类扣件铺设情况

2 扣件主要病害分析

2.1 设计缺陷引起的病害

2.1.1 尼龙套管失效

DTⅥ1型扣件、DTⅥ2型扣件、DT-Ⅲ型小阻力扣件、Ⅲ型减振器、双层非线性减振扣件等采用潘德罗弹条的扣件设计时均未设置轨下调高垫板，进行高低、水平调整时须松紧螺旋道钉，通过在铁垫板下的调高垫板进行调整作业。1号线、2号线DTⅥ2型扣件尼龙套管失效共196处，绝大多数出现在道岔、曲线等日常重点养护区域。10号线、机场线、宁天（南京—天长）线压缩型减振扣件均未设计轨距块，进行轨距、轨向调整时均须通过松紧螺旋道钉，调整轨距调整垫块实现。由于调整几何状态时频繁松紧螺旋道钉，导致尼龙套管失效病害时常发生。

2.1.2 波浪形弹性垫板压溃、开裂

设计时通过轨下弹性垫板与铁垫板下弹性垫板的共同作用提供扣件组装刚度，通过橡胶垫板或聚酯垫板材料本身的弹性变形和结构变形达到减振和缓冲效果。同时考虑到节省材料、排水等因素，采用开槽、圆柱形支撑等方式增大材料的结构变形，使扣件达到设计要求的组装刚度。但不恰当的处理方式使得弹性垫板强度大大削弱，当其强度不足以承受列车经过时钢轨传递的动荷载时便会出现弹性垫板变形、压溃等病害。4号线共计发现压溃、开裂等失效弹性垫板6 610块，其中95%以上为上下对称深开槽的波浪形弹性垫板（图1）。

图1 4号线失效垫板

2.2 施工不规范引起的病害

2.2.1 潘德罗弹条折断

1号线、2号线等老线扣件设计中大量采用DTⅥ2型扣件、Ⅲ型减振器等采用潘德罗弹条的扣件。此设计加大了弹条与钢轨上轨距块的接触面，使得扣压力更加均匀，但由于取消了T形螺栓，弹条扣压力不易保持，往往导致弹条安装过紧。同时由于安装过程中多采用锤击弹条辅助就位，对弹条本身强度造成破坏，使得潘德罗弹条在安装初期折断较多［7-8］。1号线开通初期DTⅥ2型扣件潘德罗弹条每年折断约500个，主要原因为扣件安装不规范。

2.2.2 减振器破坏

焊缝不平顺区段，尤其是高焊头地段，由于钢轨上拱度的存在对扣件系统产生了一个持久的上拔力，列车经过时巨大的轮轨作用力又对扣件系统形成了一个瞬时的向下冲击力，在上下循环荷载作用下扣件系统的位移变形导致扣件破坏失效。2号线钟灵街—经天路区间共计约1.6万套Ⅲ型减振器出现不同程度的橡胶剥离现象（图2），主要由线路建设时遗留的大量高焊头所致。

图2 高焊头导致附近Ⅲ型减振器破坏

2.3 产品质量问题引起的病害

2.3.1 轨下弹性垫板压溃

3号线2015年4月建成通车，该线建设时分为北段林场—大行宫（约22.7 km）和南段大行宫—秣周（22.2 km）2个标段，胶垫分别由不同厂家供货。据统计，3号线北段出现扣件轨下弹性垫板大面积压溃现象（图3），上下行共计5 384块，而南段相同扣件的轨下弹性垫板基本未出现压溃等损坏失效现象。

图3 3号线北段扣件轨下弹性垫板压溃

2.3.2 黏结垫板橡胶开裂剥离

橡胶作为扣件减振产品的核心部件，其质量优劣直接影响到扣件减振性能和耐久性，但目前不同厂家生产的橡胶产品质量存在较大差异。宁天线2014年8月开通运营，自2016年开始便发现高架压缩型减振扣件出现不同程度损坏。据统计，黏结垫板出现承轨槽挡肩部位橡胶剥离（图4）、压缩减振部位橡胶开裂等病害共计14 483块，均与产品质量有关系。

图4 承轨槽挡肩部位橡胶剥离

2.4 养护不及时引起的病害

弹条折断的根本原因是受到外界一定频率的激扰而引发共振［9］。钢轨波磨对扣件系统影响明显［10］，不及时对钢轨打磨，便会引起扣件弹条断裂等病害。3号线五塘广场—小市区间铺设剪切型减振扣件，该区间扣件弹条折断现象频发。经检测分析，该段波磨主要典型波长对应的频率约为500 Hz。另外通过在T形螺栓折断处钢轨轨脚粘贴加速度传感器，采集列车经过时钢轨垂向振动数据，分析得出该处钢轨垂向振动主频为500 Hz，振级为174.72 dB，与波磨典型波长对应的频率一致。这说明该处钢轨振动主要由波磨引起，进而引起扣件弹条折断。

3 扣件主要性能分析

3.1 扣件轨距扩大量

DTⅦ2型扣件是用于高架地段的小阻力扣件，目前主要用于2005年开通的1号线的高架地段和2010年开通的2号线的高架地段，分别铺设了18.30、13.19 km。为检测车辆行驶过程中扣件轨距扩大量，在上下股钢轨轨头外侧各布置1个横向位移传感器，每股钢轨轨底内外侧各布置1个垂向位移传感器，共6个，如图5所示。10组数据的轨距扩大量平均值为6.26 mm，最大值为6.87 mm，不满足扣件在300万次循环荷载作用下轨距扩大量不应大于6 mm的设计要求。车辆荷载作用下扣件轨距扩大量过大易造成轨距块异常磨耗。

图5 钢轨横向及垂向位移传感器布置

3.2 扣件弹性垫板刚度

为掌握1号线、2号线等老线扣件弹性垫板性能，在实验室对部分地段DTⅥ2型和DTⅦ2型扣件轨下和板下弹性垫板刚度进行了检测。对于轨下弹性垫板，服役8年的静刚度均能够满足设计要求，6组样品平均静刚度为43.55 kN∕mm，满足设计要求的35～50 kN∕mm；服役9～14年的静刚度均不能够满足设计要求，30组样品平均静刚度为77.72 kN∕mm，超过设计上限值（50 kN∕mm）55%。对于板下弹性垫板，服役8年的静刚度均满足设计要求；服役9～14年的静刚度能够满足设计要求的有18组，占样品总数的60%，不能够满足设计要求的有12组，占样品总数的40%（均为高架地段DTⅦ2型扣件）。这12组样品平均静刚度为86.65 kN∕mm，超过设计上限值（70 kN∕mm）24%。静刚度超过设计上限值20%的扣件应有计划地组织更换。

3.3 扣件减振量

为测试服役超过10年的Ⅲ型减振器在实际使用过程中的减振量，在1号线天印大道—龙眠区间（该段于2010年开通运营）一高架桥同一横截面处铺设Ⅲ型减振器的上行线路和铺设DTⅦ2型扣件的下行线路的道床、道心桥面处、桥梁横截面中心分别布设垂向振动传感器。

在上行Ⅲ型减振器对应的道床、道心桥面处和桥梁横截面中心共采集180组数据，在下行DTⅦ2型扣件对应的道床、道心桥面处和桥梁横截面中心共采集234组数据，选取早高峰相同时段连续20组数据，按照GB 10070—88《城市区域环境振动标准》进行总振级分析。Ⅲ型减振器对道床、道心桥面处、桥梁截面中心的减振量（DTⅦ2型扣件振级-Ⅲ型减振器振级）分别为2.59、4.45、6.64 dB，均未达到设计要求的8～10 dB。

按照JGJ∕T 170—2009《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》进行频谱分析。Ⅲ型减振器对应的道心桥面处主振频率有3个，分别为8.0、16.0、31.5 Hz；DTⅦ2型扣件对应的道心桥面处主振频率也有3个，分别为8、16、63 Hz。这说明Ⅲ型减振器对应的道心桥面处最大减振频率为63 Hz，减振量达到13.16 dB，但在31.5 Hz处存在振动放大效应，振级增大了6.15 dB。对减振量未达到设计要求的地段应根据减振扣件实测振动频率和模态测试结果进行科学改造。

4 扣件优缺点对比分析

目前南京地铁在用的22种扣件的适用地段及其优缺点对比见表2。

表2 可为扣件产品的标准化设计提供参考。标准化设计时应充分吸收各类扣件的优点，如ZX-2型扣件、WJ-2A型扣件轨距及轨面调整量大。同时避免各类扣件的缺点，如DTⅥ2型扣件、DT-Ⅲ型小阻力扣件、Ⅲ型减振器、双层非线性减振扣件不具备轨下调高量导致轨面调整时易导致尼龙套管失效；Ⅰ型减振器、剪切型减振扣件、Ⅲ型减振器的减振结构剪切变形过大易导致减振扣件损坏；双层非线性减振扣件、浮轨扣件、先锋扣件均结构复杂、零部件多。

表2 南京地铁各类扣件适用地段及其优缺点对比

5 结论与建议

通过统计分析、实验室检测、现场测试的方法对南京地铁目前在用的22种扣件的主要病害、主要性能、适用地段及优缺点进行了分析，得出结论如下：

1）采用潘德罗弹条的扣件无轨下调高垫板设计，压缩型减振扣件无轨距块设计，日常维护中频繁松动锚固螺栓是造成尼龙套管失效的主要原因。采用上下两侧对称深开槽的波浪形设计使弹性垫板结构强度损失较大，是弹性垫板压溃、开裂的主要原因。

2）弹条安装过紧、锤击弹条辅助就位等不规范施工是导致早期弹条大量折断的主要原因。线路建设时遗留的大量高焊头是高架地段Ⅲ型减振器橡胶剥离的主要原因。

3）产品质量问题是3号线轨下弹性垫板压溃、宁天线黏结垫板橡胶开裂剥离的主要原因。

4）波磨地段钢轨波磨主要典型波长对应的频率与钢轨垂向振动主频一致，表明波磨是导致该地段弹条折断的主要原因，应及时进行钢轨打磨。

5）车辆荷载作用下DTⅦ2型扣件轨距扩大量过大易造成轨距块异常磨耗，在日常养护中应重点关注。

6）服役8年的轨下弹性垫板及板下弹性垫板静刚度均满足设计要求；服役9～14年的轨下弹性垫板静刚度均不满足设计要求且超过设计上限值55%。服役9～14年的板下弹性垫板静刚度不满足设计要求的占40%（均为高架地段DTⅦ2型扣件），且不满足要求样本的平均静刚度超过设计上限值24%。与目前弹性垫板8年的中修周期基本一致，对于静刚度超过设计上限值20%的扣件应有计划地组织更换。

7）服役超过10年的Ⅲ型减振器对桥梁截面中心、道心桥面、道床处的减振效果逐渐降低，且均不满足设计要求。Ⅲ型减振器对主频为8、16、63 Hz的振动具有减小效果，对主频为31.5 Hz的振动具有放大效果。对减振量未达到设计要求的地段应根据减振扣件实测振动频率和模态测试结果进行科学改造。

8）各类扣件的优缺点对比分析可为扣件的标准化设计提供参考。应采用轨距及轨面调整量大的设计，避免无轨下调高量、减振结构剪切变形过大、结构复杂零部件多的设计。