朔黄重载铁路线路设备合理修理周期研究

王风

国能朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西原平 034100

为满足煤炭运输、资源开发和地区经济发展的需要，朔黄铁路在2007年扩能改造工程的基础上，提出进一步将货车轴重由25 t提高到30 t、规模化开行万吨和两万吨重载列车的扩能改造方案，大幅提升运输能力［1］。随着货车轴重提高、运输密度增加，朔黄铁路既有维修天窗将会进一步减小，维护与运营的矛盾将更加突出。

朔黄铁路线路修理主要参考〔2006〕146号《铁路线路修理规则》，而重载铁路大轴重和大运量条件下线路设备状态的变化规律与普速铁路存在明显差异。本文在分析朔黄铁路线路修理现状的基础上，通过理论分析、室内试验和现场测试，分析钢轨、轨枕、扣件、道床等线路设备的劣化规律，提出适用于朔黄重载铁路线路设备的修理周期。

1 维修现状

朔黄铁路线路设备修理分为设备大修和维修。设备大修和维修主要采用周期修制度。

1）大修周期

朔黄铁路重车线铺设75 kg/m钢轨无缝线路、Ⅲ型混凝土枕，钢轨大修周期为1 400～1 500 Mt通过总质量；轻车线铺设60 kg/m钢轨无缝线路，钢轨大修周期为10亿t以上通过总质量；道床清筛周期一般为3年［2］。近年来运量提升，以年通过总质量250～375 Mt计算，则清筛周期约750～1 125 Mt通过总质量。

《铁路线路修理规则》中规定的线路设备大修周期见表1。修订后的TG/GW 102—2019《普速铁路线路修理规则》中75、60 kg/m钢轨无缝线路的钢轨大修周期分别由900、700 Mt提高到1 500、1 000 Mt通过总质量，道床清筛周期不变。

表1 线路设备大修周期

朔黄铁路钢轨大修周期在TG/GW 102—2019规定的换轨周期内，但由于钢轨供货等原因，目前朔黄铁路少部分通过总质量在1 800 Mt以上的钢轨仍在上道使用。目前朔黄铁路年通过总质量超过了375 Mt，清筛周期比规定的周期长。

2）维修周期

朔黄铁路钢轨打磨侧重于修复性打磨，主要消除小半径曲线区段外轨侧磨、内轨压溃性垂磨伤损以及直线区段钢轨表面鱼鳞状裂纹损伤和波磨。钢轨打磨利用天窗进行，按照重车线每年2遍、轻车线每年1遍的周期进行钢轨打磨。以年通过总质量250～375 Mt计算，则重车线打磨周期为125.0~187.5 Mt通过总质量，明显超过了TG/GW 102—2019规定的100 Mt。

朔黄铁路重车线大约1年捣固2遍，轻车线1年捣固1遍，与TG/GW 102—2019规定的每年1～2遍基本一致。

2 钢轨修理周期

2.1 钢轨大修

1）直线区段

近年来朔黄铁路钢轨伤损形式主要为核伤、焊缝伤损、孔裂，其占总伤损的比例分别为53%、22%、14%，其他伤损仅占11%。可见核伤是控制钢轨寿命的重要因素。

既有研究［3-5］表明，钢轨累计重伤率服从威布尔分布，并可进一步简化为

式中：F（t）为钢轨累计重伤率，即每根长25 m钢轨发生1处疲劳重伤的累计概率；t为通过总质量，Mt；m、t0为威布尔分布参数，m＞0，t0＞0。

由式（1）可见，F（t）随t增大呈幂函数增长。

朔黄铁路直线区段F（t）随t变化曲线见图1。采用幂函数进行拟合，幂指数为1.656。相关系数R2=0.981 6，说明拟合精度较高。

图1 朔黄铁路直线区段F（t）随t变化曲线

为将拟合函数转换成式（1）格式，先计算t0。t0=

根据TG/GW 102—2019，每公里两股钢轨重伤数量达到2～4根时应及时更换钢轨。朔黄铁路为货运专线，钢轨材质较为单一，强度和纯净度较高，钢轨伤损概率较小。为降低运营成本，充分发挥钢轨应有寿命，建议每公里两股钢轨重伤数量达到3～4根时判定钢轨失效，应及时更换钢轨。每公里80根钢轨，钢轨重伤3根、4根对应的钢轨失效概率分别为3.75%、5.00%，通过计算得到对应的通过总质量分别为1 526、1 816 Mt，即钢轨使用寿命为1 526～1 816 Mt通过总质量。考虑10%的安全余量，建议钢轨大修周期为1 390～1 650 Mt通过总质量。

2）曲线区段

钢轨达到更换条件时线路通过总质量具有一定离散性。朔黄铁路半径400～1 500 m曲线区段取通过总质量的中位数作为相应半径曲线区段的钢轨寿命。因此，半径400、500、600、700、800、1 000、1 500 m曲线区段对应的钢轨寿命依次为247、298、350、394、501、602、797 Mt通过总质量。因此，建议曲线段钢轨换轨周期为300～800 Mt通过总质量。

2.2 钢轨打磨

钢轨轨距角和轨顶面裂纹长度和深度随通过总质量的变化曲线分别见图2、图3。

图2 钢轨轨距角裂纹长度和深度随通过总质量变化曲线

图3 轨顶面裂纹长度和深度随通过总质量变化曲线

由图2、图3可知：①通过总质量10 Mt时，外轨和内轨轨距角以及外轨轨顶面均出现了明显接触疲劳裂纹，之后外轨轨距角裂纹长度和深度逐渐减小，但外轨轨顶面裂纹长度和深度逐渐增大。②通过总质量达到60 Mt时，内轨轨距角裂纹长度达到最大值2.5 mm。③通过总质量达到100 Mt时外轨轨顶面裂纹深度达到最大值1.2 mm。④通过总质量达到150 Mt时外轨轨顶面裂纹长度达到最大值4.0 mm。⑤通过总质量超过150 Mt后，外轨轨顶面裂纹停止向钢轨内部扩展，相邻裂纹开始贯通，进而发展为剥离掉块；外轨和内轨轨距角裂纹长度基本稳定在1.5～2.5 mm，深度基本稳定在0.4～0.7 mm。

裂纹长度、深度不仅与通过总质量有关，还与磨耗速率密切相关，磨耗对裂纹的扩展起到抑制作用［6］。裂纹发展速率比磨耗发展速率更快，故应在裂纹进入快速发展阶段前进行打磨。因此，建议在通过总质量达到60 Mt前进行预防性钢轨打磨，通过总质量超过150 Mt时进行修理性钢轨打磨。

3 轨枕和扣件修理周期

3.1 轨枕

朔黄铁路原平分公司所管辖的线路长度约255 km（双线），轨枕数量约90万根。线路主要采用Ⅲa型混凝土轨枕，部分小半径曲线区段铺设SH⁃Ⅰ型混凝土轨枕［7］。

目前我国铁路混凝土轨枕使用状态主要根据其伤损程度进行评估。TG/GW 102—2019中规定了混凝土轨枕的失效及严重伤损标准。混凝土轨枕的维修主要是更换轨枕。换枕须结合线路的大修和综合维修开展，采用大机换枕和人工换枕相结合的方式进行。相对于钢轨、扣件、道床等其他轨道部件，混凝土轨枕的稳定性较高，使用寿命较长，因此维修工作量较小［8］。

3.2 扣件

扣件的更换周期应综合考虑扣件失效标准和现场实际情况合理确定。为了减少养护维修量和兼顾施工的便利性，弹条和垫板的更换基本与钢轨大修一起进行。多年运营实践表明，直线区段在钢轨大修周期内扣件基本能够满足运营的要求。因此，建议直线区段扣件更换周期与钢轨大修周期一致。

4 道床修理周期

4.1 道床捣固

1）室内试验

按25、30 t轴重分别加载进行模型试验。不同轴重下道床累计变形见图4。可知：①道床累计变形总体上可分为两个阶段。第一阶段为道床稳定阶段，初始时道床承力骨架尚未形成，道床沉降和累计变形较快。道床逐渐变密实，沉降到一定程度后，道床承力骨架形成，进入第二阶段（道床稳定后的正常工作阶段）。②第一阶段时间较短，但变形较大，在25、30 t轴重作用下初始变形分别为11.70、20.43 mm。在25、30 t轴重条件下第二阶段的道床累计变形速率分别为0.052、0.140 mm/Mt。30 t轴重下的道床累计变形速率比25 t轴重下增大了1倍以上，30 t轴重下道床养护维修工作量比25 t轴重下将增加1倍以上。

图4 不同轴重下道床累计变形规律

2）现场观测

对K79+500处一个捣固周期内道床稳定阶段累计变形进行观测。通过总质量150 Mt时实测道床累计变形约5～6 mm，与按室内试验道床累计变形速率0.052 mm/Mt推算的变形（约7.74 mm）基本一致，而且实测轨道质量指数仅增大1～2 mm，因此在目前年通过总质量375 Mt、轴重25 t运营条件下，每年2遍的捣固周期基本可行。

结合室内试验和现场观测结果，朔黄铁路30 t轴重条件下通过总质量150 Mt时道床累计变形约14～15 mm，通过总质量300 Mt时道床累计变形约28～30 mm，道床的捣固周期将比25 t轴重条件下减小1/2，但考虑道床捣固对运营的影响，建议朔黄铁路开行30 t轴重列车时，每年捣固2～3遍。

4.2 道床清筛

道床脏污率为道床清筛的重要依据。通过理论计算和现场测试的道床脏污率分析道床脏污的发展规律，为重载铁路道床的大修提供参考。

1）理论计算

不同道砟材质对道床密实度影响较大，TB/T 2140—2008《铁路碎石道砟》规定道砟密度最小为2.5 g/cm3，实际使用的密度较大的玄武岩道砟密度一般不超过3.0 g/cm3。TB 10082—2017《铁路轨道设计规范》规定稳定碎石道床密度为1.7 g/cm3，现场实测的新建线路道床密度不超过1.9 g/cm3。根据不同道砟材质密度以及道床密度计算得到新建或清筛线路稳定碎石道床的孔隙率为31%～42%。

道床脏污一般因道砟粉化和外部污染，脏污成分密度一般为1.4～1.6 g/cm3［9］。假定稳定碎石道床初始脏污率为0，不同材质道砟的孔隙被脏污成分完全填满需要清筛时，其对应的道床脏污率为20%～31%、道床密度为2.15～2.49 g/cm3。因此，建议道床脏污率超过20%时进行清筛。

2）现场试验

在朔黄铁路对不同清筛时期的道床现场采样测量脏污率。取样范围为从枕盒中心到轨枕端头，从轨枕底面到枕下30 cm。称取样本总质量W，然后晾干后筛分出直径小于等于16 mm的组分再次称其质量W1，计算道床脏污率（W1/W），结果见表2。可知，K408+750处道床脏污率明显高于其他处所，现场调研发现该处存在大量机车撒沙。

表2 朔黄铁路道床脏污率测试结果

结合国内大秦、北同蒲、朔黄等重载铁路道床脏污情况，得到重载铁路道床脏污率与通过总质量的关系，见图5。可知：通过总质量达到1 500 Mt时道床脏污率超过了20%。因此，建议朔黄铁路在目前开行25 t轴重列车条件下，通过总质量达到1 300～1 500 Mt时进行清筛。

图5 道床脏污率与通过总质量的关系

选择半径500 m曲线段铺设新型重载轨道（SH⁃Ⅰ型轨枕和扣件），另外选取半径500 m曲线段既有轨道（高刚度垫板、Ⅲa型轨枕）区段作为对比段，测试分析30 t轴重下其道床顶面应力，结果见表3。可见：30 t轴重下新型重载轨道和既有轨道的道床顶面应力均明显低于容许应力500 kPa；与铺设既有轨道区段相比，铺设新型重载轨道区段道床顶面应力可降低10%～30%，从而延缓道砟粉化、延长有砟道床的清筛周期。

表3 30 t轴重下道床顶面应力测试结果

在相同轨道结构条件下，理论上30 t轴重列车作用下道床顶面压应力比25 t轴重列车作用下增加20%。综合考虑轴重以及轨道结构对道床粉化、脏污的影响，建议30 t轴重列车作用下道床清筛周期缩短至1 200～1 300 Mt。

5 结论

1）根据朔黄铁路钢轨伤损统计结果，建议在既有运营条件下直线区段钢轨大修周期为1 390～1 650 Mt通过总质量。半径400～1 500 m曲线区段钢轨大修周期为300～800 Mt通过总质量。

2）根据钢轨裂纹长度和深度随通过总质量的发展规律，建议在通过总质量达到60 Mt前进行预防性打磨，通过总质量超过150 Mt时进行修理性打磨。

3）在钢轨大修周期内直线区段扣件状态基本能够满足运营的要求，因此建议直线区段扣件更换周期与钢轨大修周期一致。

4）目前年通过总质量375 Mt、轴重25 t运营条件下，朔黄铁路可保持每年2遍的捣固周期；开行30 t轴重列车时建议每年捣固2~3遍。

5）通过理论计算，道床脏污率大于20%时应清筛。结合现场测试结果，建议25、30 t轴重下通过总质量分别达到1 300～1 500 Mt和1 200～1 300 Mt时进行清筛。