杜茂金

（南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，210012，南京∥工程師）

曲線地段鋼軌頂面掉塊是城市軌道交通中鋼軌的常見(jiàn)典型傷損形式。掉塊的發(fā)展會(huì)引起鋼軌核傷折斷、崩塊，縮短鋼軌的使用壽命并危及行車(chē)安全；且鋼軌掉塊會(huì)引起車(chē)輪踏面?zhèn)麚p，縮短車(chē)輪使用壽命，影響行車(chē)的平穩(wěn)性。

南京地鐵2號(hào)線運(yùn)營(yíng)2年來(lái)，部分曲線地段鋼軌頂面出現(xiàn)嚴(yán)重的掉塊現(xiàn)象，掉塊大小和發(fā)展速率均較1號(hào)線及南延線嚴(yán)重。為找出引起鋼軌掉塊的真正原因，選取2號(hào)線興隆大街站附近兩處掉塊嚴(yán)重的曲線進(jìn)行定期觀測(cè)和研究。

1 基本情況

南京地鐵2號(hào)線采用的A型車(chē)，車(chē)輛最大軸重為16 t，最高運(yùn)行速度為80 km／h；正線為1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距，1／40軌底坡，平面最小曲線半徑為350 m，線路最大縱坡為30‰；全線鋪設(shè)普通無(wú)縫線路，采用U75V（PD3）60 kg／m鋼軌。掉塊處相關(guān)技術(shù)資料見(jiàn)表1及表2。

表1 掉塊處曲線技術(shù)參數(shù)

表2 掉塊現(xiàn)場(chǎng)的詳細(xì)情況

2 傷損特征及發(fā)展過(guò)程

2.1 軌面掉塊特征

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行超高驗(yàn)算、軌底坡測(cè)量、鋼軌頂面光帶測(cè)量，以及對(duì)鋼軌頂面裂紋、掉塊的觀察，發(fā)現(xiàn)了一些特征：

（1）掉塊只發(fā)生在曲線上股鋼軌中軸線內(nèi)側(cè)，外側(cè)沒(méi)有發(fā)生；直線、曲線下股不發(fā)生剝離掉塊。個(gè)別夾直線也發(fā)生了掉塊。

（2）曲線半徑越小，掉塊越嚴(yán)重。

（3）掉塊嚴(yán)重地段位于列車(chē)進(jìn)站前，距離車(chē)站約400 m處，出站方向曲線無(wú)掉塊現(xiàn)象。

（4）相鄰掉塊發(fā)生的間距約為450 mm，逐漸向兩側(cè)延伸。

（5）鋼軌頂面掉塊發(fā)生在軌道普通扣件未采取減振措施地段；采用減振措施地段、碎石道床地段掉塊情況不明顯。

（6）曲線上股鋼軌發(fā)生掉塊處，鋼軌無(wú)側(cè)磨或不明顯。

2.2 軌面掉塊的發(fā)展過(guò)程

（1）掉塊在地鐵開(kāi)通后1年左右出現(xiàn)。

（2）軌面掉塊由裂紋發(fā)展而成，掉塊是裂紋發(fā)展的最終結(jié)果。

（3）裂紋發(fā)生在曲線上股，在軌面內(nèi)側(cè)離行車(chē)邊軌頂圓弧上5～10 mm處。裂紋大致平行，長(zhǎng)約15～25 mm，與鋼軌橫截面交角在45°左右，開(kāi)口的方向與車(chē)輪滾動(dòng)方向一致。裂紋處用手觸摸有明顯毛刺感覺(jué)（見(jiàn)圖1）。

圖1 鋼軌裂紋發(fā)展成掉塊圖片

（4）當(dāng)裂紋深度不斷發(fā)展、局部接觸應(yīng)力及其它外力急劇減少時(shí)，在粘著力作用下車(chē)輪會(huì)卷起裂紋開(kāi)口形成表面掉塊?，F(xiàn)場(chǎng)的掉塊均為薄塊狀，長(zhǎng)度小于15 mm，深度小于3 mm，寬度在5 mm左右（見(jiàn)圖2）。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)鋼軌頂面掉塊圖片

（5）軌面發(fā)生掉塊后，造成缺口區(qū)域應(yīng)力集中，并影響行車(chē)的平穩(wěn)性，增大了動(dòng)力沖擊作用，這又促使缺口區(qū)域裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，形成新的掉塊。

（6）隨著掉塊的不斷發(fā)展，裂紋會(huì)沿鋼軌表面向鋼軌內(nèi)部發(fā)展；當(dāng)裂紋到達(dá)一定深度時(shí)會(huì)造成鋼軌頭部斷裂，再往深處發(fā)展會(huì)造成鋼軌折斷，嚴(yán)重危及行車(chē)安全。

3 原因分析

（1）曲線上股鋼軌受力分析：曲線上股輪軌接觸面積比直線地段和曲線下股小。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，曲線上股接觸面積只有下股受力面積的1／2～1／3，故曲線上股接觸應(yīng)力將成倍增加，當(dāng)列車(chē)發(fā)生制動(dòng)減速時(shí)其受到的制動(dòng)應(yīng)力也成倍增加。這是曲線上股內(nèi)側(cè)軌面發(fā)生裂紋的最主要原因，也是最根本的原因。

（2）軌底坡的影響：現(xiàn)場(chǎng)對(duì)曲線地段鋼軌傾角進(jìn)行測(cè)量并根據(jù)超高計(jì)算出曲線上股的軌底坡值：現(xiàn)場(chǎng)掉塊處的軌底坡最小為1∶409接近平坡；大部分為負(fù)的軌底坡，最大為－1／38，嚴(yán)重低于規(guī)定的1∶40。這種情形使得曲線上股鋼軌與錐形車(chē)輪的接觸為線狀接觸，接觸面積更小，應(yīng)力更加集中。

（3）軌道彈性的影響：地鐵軌道大部分采用整體道床，普通分開(kāi)式扣件，道床無(wú)減振作用，軌道減振只有通過(guò)軌下及鐵墊板下的橡膠墊板實(shí)現(xiàn)。列車(chē)通過(guò)曲線地段時(shí)振動(dòng)較通過(guò)直線地段時(shí)大很多，車(chē)輪對(duì)鋼軌的沖擊力相應(yīng)也比直線地段大。上股鋼軌因受力面積較小，就會(huì)形成較大的沖擊應(yīng)力，造成曲線上股鋼軌產(chǎn)生疲勞裂紋并加劇發(fā)展，直至鋼軌頂面掉塊。而下股鋼軌由于受力面積大，在同等沖擊力下，應(yīng)力成倍減小，所以鋼軌頂面不會(huì)出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)普通扣件未采取減振措施地段的軌道上發(fā)生了掉塊現(xiàn)象，而減振器扣件及碎石道床上鋼軌掉塊現(xiàn)象不明顯的情況也驗(yàn)證了此觀點(diǎn)。

（4）輪軌接觸關(guān)系的影響：在小半徑曲線地段，當(dāng)輪軌一點(diǎn)接觸時(shí)，上股鋼軌與車(chē)輪的接觸應(yīng)力高度集中，容易造成軌頭疲勞、裂紋、剝落掉塊等病害；當(dāng)輪軌兩點(diǎn)接觸時(shí)，由于輪沿與鋼軌的沖擊，容易形成鋼軌側(cè)磨。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)上股鋼軌沒(méi)有側(cè)磨的現(xiàn)象，可判斷此掉塊地段的輪軌關(guān)系應(yīng)為一點(diǎn)接觸。

（5）列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行（ATO）對(duì)輪軌關(guān)系的影響：ATO的特點(diǎn)是起動(dòng)和制動(dòng)都是固定模式，每趟列車(chē)進(jìn)站時(shí)都在站前固定地點(diǎn)進(jìn)行減速制動(dòng)，由此造成該地段鋼軌頂面長(zhǎng)期受到制動(dòng)力影響，鋼軌頂面應(yīng)力集中，鋼軌頂面裂紋發(fā)生塑性變形，出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象。地鐵具有車(chē)輛類(lèi)型單一、軸重一致、同一區(qū)段行車(chē)速度一致、行車(chē)間隔短、整體道床彈性差等特點(diǎn)，因此鋼軌一旦出現(xiàn)病害，發(fā)展速度非?？?。

4 防止曲線上股出現(xiàn)掉塊的措施

（1）地鐵設(shè)計(jì)單位應(yīng)科學(xué)合理地做好軌道設(shè)計(jì)工作：

·線路選線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)化地鐵線路走向，盡量避免設(shè)置小半徑曲線。

·科學(xué)確定軌道零件的選型，地下線路設(shè)計(jì)時(shí)軌枕應(yīng)盡量采用帶軌底坡長(zhǎng)枕，以便施工軌底坡一致；對(duì)于無(wú)法采用長(zhǎng)枕的高架地段，可以通過(guò)在鐵墊板上統(tǒng)一設(shè)置軌底坡的形式，做到全線軌底坡統(tǒng)一。

·適當(dāng)提高曲線無(wú)減振地段軌道普通扣件的彈性，降低其靜剛度，達(dá)到減緩沖擊力的作用。

·做好曲線地段軌底坡研究，對(duì)于小半徑曲線地段，可嘗試將軌底坡調(diào)整為1∶20，然后通過(guò)觀察輪軌受力變化情況，找出最優(yōu)的輪軌接觸關(guān)系，為后續(xù)線路設(shè)計(jì)提供參考。

（2）施工單位把好施工質(zhì)量關(guān)：

·優(yōu)化軌道施工工藝，重視軌底坡的設(shè)置。吊軌架作為整體道床施工的關(guān)鍵工具應(yīng)科學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)；吊軌架上應(yīng)預(yù)先設(shè)置好軌底坡，曲線地段施工時(shí)應(yīng)在吊軌架上加設(shè)垂向扣壓鋼軌的裝置，以使鋼軌與吊軌架全面接觸，確保施工中軌底坡能符合設(shè)計(jì)要求。

·做好線路開(kāi)通前軌道預(yù)防性打磨。地鐵軌道工程普遍采用的掛枕架軌法施工整體道床雖然在軌枕或鐵墊上已加工了相應(yīng)的軌底坡，但由于施工中支撐的變形以及鋼軌、軌枕的制造公差等原因，使竣工后的軌底坡無(wú)法得到保證。利用鋼軌打磨可以在很大程度上消除這種施工誤差，使軌面得到一個(gè)相對(duì)不變的鋼軌傾斜度，從而改善輪軌接觸關(guān)系。

（3）運(yùn)營(yíng)部門(mén)做好后期鋼軌的維護(hù)工作：

·對(duì)于既有線路出現(xiàn)的軌底坡過(guò)小、鋼軌接觸光帶偏窄等無(wú)法通過(guò)調(diào)換墊板作業(yè)進(jìn)行改正的問(wèn)題，只能通過(guò)對(duì)上股鋼軌進(jìn)行打磨來(lái)修正軌底坡，達(dá)到增加車(chē)輪與鋼軌接觸面積，改善輪軌關(guān)系的目的。

·對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)疲勞性裂紋和掉塊的鋼軌頂面應(yīng)及時(shí)進(jìn)行打磨，減少由于掉塊造成的應(yīng)力集中，延緩裂紋和掉塊發(fā)生的速率。

·改變輪軌接觸關(guān)系，改一點(diǎn)接觸為兩點(diǎn)接觸。對(duì)于使用U75V高強(qiáng)度鋼軌的線路，疲勞是主要問(wèn)題，側(cè)磨是次要問(wèn)題。通過(guò)打磨曲線上股鋼軌易發(fā)生掉塊的疲勞區(qū)，將輪軌接觸點(diǎn)向鋼軌中心轉(zhuǎn)移，形成輪軌的兩點(diǎn)接觸，可降低接觸應(yīng)力，延長(zhǎng)疲勞周期。

通過(guò)在南京地鐵2號(hào)線進(jìn)行的鋼軌打磨試驗(yàn)可以看到，原先鋼軌頂面掉塊嚴(yán)重地段通過(guò)打磨后掉塊變小，同時(shí)發(fā)展速度已經(jīng)變緩，逐漸趨于穩(wěn)定。

［1］羅清明.關(guān)于曲線上股軌面內(nèi)側(cè)剝離掉塊問(wèn)題的探討［J］.鐵道建筑，1991（1）：15.

［2］胡怡東.廣州地鐵1號(hào)線曲線鋼軌軌底坡的調(diào)整［J］.城市軌道交通研究，2006（8）：65.