铁路病害整治设计阶段风险管理研究

周 阳

1. 兰州交通大学 甘肃 兰州 730070

2. 中铁二院工程集团有限责任公司工经院 四川 成都 610031

高速铁路系统中，道岔属于列车转线、停站的重要部位，也是铁路路线中最薄弱的位置之一，因此道岔属于高速铁路病害整治项目中设计的重点，需要设计人员精心做好道岔的病害整治与养护维修，尤其是要针对道岔扣件系统的病害特点，设计针对性的整治方案，采取一定风险管理措施，降低道岔扣件系统发生病害的风险，维护高速铁路正常运行。

1 高速铁路道岔及扣件系统的病害特点

道岔属于高速铁路重要的连接设备，主要设置在铁路线路的分支部位，组成方式有多组、单组等形式。高速铁路在运行过程中，高速铁路运输量、运输频率直接会影响道岔的耐久性和稳定性，道岔会因为较大的外部负荷发生各种病害[1]。在高速铁路道岔病害的整治项目中，设计人员要根据高速铁路运行的实际情况，结合现场检查结果，准确评估道岔的病害情况，便于在项目设计中制定针对性的病害整治方案。在高速铁路道岔的病害整治项目中，如果扣件系统出现病害，引起系统失效、零件固定不牢等情况，直接会引起道岔故障。如果道岔枕位置发生偏移，扣件系统直接会受到影响，设计人员要考虑导致道岔偏移的原因，如螺栓错位。在病害整治设计中，如果不注重对道岔扣件系统的病害采取针对性养护和维修措施，可能会导致病害问题加剧，如螺栓在外部环境作用下会出现腐蚀，如果病害整治不到位，会导致螺栓无法发挥出相应作用，道岔扣件系统质量直接会受到影响，给列车的正常运行带来巨大安全隐患[2]。

2 高速铁路道岔扣件系统的常见病害

2.1 岔枕螺栓病害

道岔扣件系统中，M30岔枕螺栓和预埋尼龙套管连接在一起，受外部环境影响，高速铁路在长期运营后，外部环境作用于螺栓和尼龙套管，可能发生锈死的问题，无法对螺栓或尼龙套管进行拆卸；螺栓锈蚀后发生折断的风险较高，尤其是在运输量和运输频率增加后，这一风险会不断延长；部分项目中岔枕内的尼龙套管会发生失效的情况，M30无扣压力扭力矩[3]，这可能引起道岔枕上钢轨部件脱轨，导致空吊等几何尺寸发生变化，使动态荷载加剧，巨大的外部荷载可能引起混凝土岔枕被压断，或者铁垫板发生开裂的现象。

2.2 硫化垫板弹性衰弱

高速铁路在运行过程中，道岔扣件系统如果长时间未得到有效维护，可能造成硫化垫板的保护层破坏，促使弹性垫板和铁垫板发生分离情况，在列车行驶带来的外部荷载影响下，铁垫板可能发生折断的风险。硫化垫板有一定使用寿命，在外部环境影响下硫化垫板老化，其会发生弹性衰弱的问题，这会导致硫化垫板作用受到限制；硫化垫板弹性衰弱容易引起保护层破损，最终引发铁垫板断裂。

2.3 轨下垫片压溃

轨下调高垫片受列车行驶带来的荷载影响，可能发生压溃病害。垫片出现压溃之后，胶垫的边缘会逐渐超出钢轨轨底边缘位置，钢轨轨底对垫片施加的压力会不断增加，直接会导致垫片与胶垫发生损坏，直接会影响扣件系统正常运行。

2.4 弹条病害

道岔扣件系统中，弹条是易发生病害的部件，如弹条折断、缺损、位置偏移等问题，会给扣件系统正常运行造成不良影响，此类病害不易被察觉，因此在设计过程中，要将弹条病害问题作为风险管理的要点。

3 高速铁路道岔扣件系统病害问题的成因及整治

3.1 岔枕螺栓病害成因及整治措施

3.1.1 成因

列车行驶过程中，车上留下的油渍污水落在道岔上，导致M30岔枕螺栓污损，加剧螺栓锈蚀；当列车在过岔的时候，道岔曲股为设置曲线超高，会有很高的离心力产生，这种外部作用力会使得原本锈蚀的螺栓颈部被剪断。高速铁路投入使用后，养护单位对M30岔枕螺栓的养护不及时，长时间不涂油，尼龙套管内因为缺少一定的润滑作用，螺栓与尼龙套管可能会发生锈死。在道岔设计中，国产道岔的中间连接结构设计，一般选用铁垫片，缺少混凝土挡肩设计，列车通过时车轮产生垂向和横向的巨大荷载作用于钢轨，钢轨通过M30岔枕螺栓向岔枕传递荷载的过程中，在螺栓颈部下的一定位置会有一个较强的受力点，导致螺栓在该处折断，从既往工程项目的现场勘察情况来看，多数螺栓折断都在这个部位。维修过程中，在道岔的改道阶段，维修人员使用大锤在敲击钢轨时，会直接对M30岔枕螺栓产生较大作用率，螺栓断裂的风险会随之增加。M30岔枕螺栓的扭力矩标准为300～350N·m[4]，如果未执行这一标准，会因为过大扭力矩反复拆卸，导致尼龙套管内的螺纹失效，加剧螺杆锈死的问题。高速铁路施工中，新铺设的道岔可能面临M30岔枕螺栓未拧紧或复紧不及时的问题，安装时扭力矩达不到设计标准，在后期列车行驶过程中受高频振动的作用力影响，螺杆螺纹和尼龙套管丝扣在相互作用下会导致螺纹磨损。部分施工单位可能未考虑气候条件，在气温较低的条件下施工，低温条件下施工尼龙套管发生收缩，M30岔枕螺栓在加热后拧入时可能导致尼龙套管和螺栓发生胶合，引起尼龙套管内侧螺纹失效。

3.1.2 整治措施

1、锈死

①M30岔枕螺栓的整治中，对螺杆锈死可以采用16磅大锤敲击，震松后使用大扭力矩扳手拆卸。②使用加长力臂的呆头扳手，3人同时用力进行拆卸；如果仍然无法拆卸，可以使用长手柄套筒扳手，1人负责固定螺栓，两人同时用力进行拆卸。③如果M30岔枕螺栓和尼龙套管锈死，上述措施无法解决问题，可以先对尼龙套管进行加热，尼龙套管软化后再进行拆卸。

2、折断

①遗留部分高出岔枕面的，采用起吊方式抬起道岔钢轨，卸下硫化垫板，平移至不影响正常作业的区域。使用高强度螺栓杆与预留在外面的螺栓进行焊接，焊接时对遗漏的螺杆进行加尼龙套管软化后及时采用扳手拧出折断的螺栓。②对低于岔枕面的折断，根据螺杆距离岔枕顶面的距离，选择不同拧出方式。如螺杆较深，可以采用一根空心铁管，铁管外径要略小于断裂螺杆的外径，内径要略粗于焊条直径，外壁要保持一定能够厚度。采用内径焊接方式将铁管和短螺栓进行焊接，使用管钳将铁管按照逆时针旋出从而带动断螺杆旋出。

3、失效

如果尼龙套管失效，可以采用电加热法、钻头垂直向下拔锚方法等进行处理，保证将断裂的螺杆从尼龙导管内旋出，及时更换螺纹失效的尼龙套管。

3.2 硫化垫片弹性衰弱原因及整治措施

3.2.1 成因

高速铁路施工中，施工单位未规范使用挖掘机等重型机械，在压过钢轨时巨大荷载直接作用于道岔硫化垫板，引起硫化垫板保护层压坏。道岔扣件系统维护保养阶段，施工人员使用倒垂敲击垫板改道，或者对钢轨病害进行整治时，可能导致铁垫板的硫化保护层破坏。垫板硫化层容易老化，尤其是在与铁垫板熔接的位置，容易因为老化发生破损。在铁垫板上，通常会设置铁座、锚固螺栓孔等，这会导致硫化层厚度不均匀，在较为薄弱的位置硫化层老化的速度更快[5]。在列车行驶的过程中，其在产生巨大后再后，如果M30岔枕螺栓扣出现压力不足的情况，在冲击时会使弹性垫板不断变弱，从而引发空吊的问题；列车行驶产生的高频振动，如果面临弹性垫板弹性强度不足的情况，可能会促使下部的弹性垫板和上部铁垫板发生分离，直接影响铁垫板的使用寿命，严重时铁垫板会发生折断。硫化垫板扣压钢轨的方式存在差异，一般是在轨外侧采用弹条扣件扣压，基本轨道内侧使用滑床台板、刚弹片扣压，不同结构产生的扣压力存在差异，基本轨、长心轨、尖轨等面临的压力不够均衡，可能引起硫化垫板的损坏。

3.2.2 整治措施

高速铁路道岔扣件系统整治项目中，如果发现铁垫片失效、损坏，要及时更换铁垫片，尽量采用原厂生产的铁垫片；整组道岔可以考虑对某一部位的硫化垫片进行更换，如果在道岔的转折位置，建议从尖轨的尖端开始更换。在更换硫化垫板前后，都要加强对硫化垫板的刚度检测，每年可以在每组道岔抽取3块硫化垫板送往专业检测机构进行检测，一旦发现硫化垫板弹性衰弱，要立即采取应对措施，必要时可以更换硫化垫片。

3.3 轨下垫板压溃病害成因及整治措施

3.3.1 成因

轨下垫板直接会受到列车荷载的影响，钢轨直接对垫板产生作用力，长此以往导致垫板厚度变小，引起垫板破损的风险。设计人员可以在现场观察中，直接观察钢轨轨底边缘，判断是否发生轨下垫板压溃。胶垫受上部荷载影响会不断变宽，拆卸后可以部分胶垫中部存在压穿的病害；道岔尖轨与长心轨位置的滑床台板经常要涂润滑油，润滑油下渗作用于翼轨、基本轨，会导致胶垫受到腐蚀，胶垫老化速度变化，引发压溃病害的概率上升。胶垫和垫片设置的位置不合理。胶垫主要发挥防止钢轨发生爬行的作用，设置在钢垫下方，调高垫板是起到提高的作用，其必须设置在胶垫下部，调高垫板的安装需要在胶垫拆除后进行，安装呈现比较复杂，部分施工单位为追求施工效率，可能会将垫片设置在胶垫上，引起钢轨爬行，引发垫片穿出的问题。

3.3.2 整治措施

轨下垫片因压溃失效后，要及时更换垫片，对特殊位置如翼轨、基本轨等为部位的轨下垫片，可以选用耐油的高弹性焦点，通过这种方式提高线路的稳定性。由于在更换胶垫时，需要连续松懈多套前后扣件才能抽出胶垫和插入新胶垫，再加上作业空间狭小、作业难度较大，胶垫的取出和插入有较高难度，因此每次在更换胶垫时都要做好质量检测工作，保证新胶垫的质量，尽量延长胶垫的使用寿命，减少维修和更换的频率。

3.4 弹条病害成因及整治措施

3.4.1 成因

每次对道岔扣件系统进行保养维护时，都需要拆卸扣件，在改道或者垫片维修期间，都要重复拆卸扣件弹条[6]。安装弹条时，如果工作人员未按照规定扭力矩拧紧螺栓，导致扭力矩过大，弹条容易被振断，如果扭力矩过小，弹条位置会发生偏移，设置会出现脱落。弹条受到钢轨振动影响，列车行驶时高频振动可能引起弹条诊断；道岔转折位置，基本轨内侧钢制高强度弹性夹扣压，基本轨外侧由弹条扣压；撤叉心轨的翼轨内存由滑床台扣压，外侧由弹条扣压，在二者口压力不一致的情况下，可能导致弹条断裂。

3.4.2 整治措施

扣件系统的整治项目中，设计人员严格检查弹条的情况，如果发现弹条弹性不足，或者发生断裂，要及时更换弹条。如果发现T型螺栓受力不均，需要同时更换螺栓、弹条、螺帽、防尘帽和平垫圈。

4 高速铁路病害整治设计中风险管理策略

4.1 做好现场勘察，实时掌握扣件系统的情况

扣件系统病害整治项目设计中，风险管理要贯穿于设计的整个流程，尤其设计前需要严格做好现场勘察工作，全面了解高速铁路道岔扣件系统的情况，严格落实对扣件系统的质量检查。设计人员在现场勘察过程中，要将扣件系统的M30岔枕螺栓、硫化垫片、轨下垫板、弹条等作为重点检查对象，以便及时发现问题，并在设计中制定针对性的整治方案，明确不同问题需要实施的具体整治措施，以全面且准确的现场勘察结果为依据，为扣件系统病害整治设计的风险管理提供可靠依据。

4.2 整体更换扣件，维持系统正常运行

设计人员在工作中一旦发现道岔扣件系统达到整体更换的要求，在更换时必须保证扣件系统各部分刚度的均匀性。在高速铁路道岔扣件系统中，其结构组成包括三个部分。第一个部分为基本轨起始端到基本轨末端；第二部分为撤叉心部位，从翼轨起始端到道岔尾部；第三部分为导曲部分，从尖轨末端到翼轨始端。设计人员要将扣件系统结构中不同部分作为一个管理单元，在具体设计中如果要更换扣件系统，要同时将三个结构部分作为把控重点，如果某一管理单元内的扣件系统发生损坏，或者出现零部件损坏问题，可以制定单元整体更换策略，在对对应单元进行更换时，统筹考虑其他两个单元的情况，避免因为某一单元零部件更换导致其他单元刚度失衡。

4.3 强化材料管理，延长使用寿命

材料问题容易引发扣件系统的各类病害，不利于高速铁路运行的安全性。在扣件系统病害整治设计中，设计人员要将扣件系统的各类备用材料作为管理重点，注重对备用材料管理风险进行防范。在扣件系统备用材料管理中，设计人员首先要完善备用材料的库房设计，按照不同材料保存的标准进行库房建设。在库房设计中，设计人员要根据不同备用材料保存的要求，做好库房的防潮、通风、防腐等设计[7]。各类备用材料到场后，要按照相关标准进行分类，并及时将材料表面的水渍、油污擦拭干净，及时将备用材料转移至库房。由于扣件系统对垫板等材料的使用年限由较高要求，设计人员要将备用材料中的垫板作为重点检查对象。对橡胶制品等备用材料，由于此类材料从出厂后就进入不断老化环节，长时间保存不利于其使用寿命，因此设计人员可以根据既往整治数据，结合高速公路实际情况按需设计材料采购标准，保证所采购橡胶材料能及时投入使用。

5 结语

综上所述，高速铁路道岔扣件系统在整个铁路系统中扮演着重要决策，扣件系统发生病害，会增加高速铁路运行的风险，因此在高速铁路道岔扣件系统的病害整治设计中，要采取相应的风险管理措施，在保证扣件系统病害整治效果的同时，降低病害问题给高速铁路造成的安全风险。