無縫線路應(yīng)力放散與鎖定技術(shù)在烏將鐵路擴能改造工程中的應(yīng)用

趙鋒

（中鐵二十一局集團第四工程有限公司，西安 710000）

1 引言

不管是鐵路軌道還是地鐵軌道，鋼軌接頭是軌道上最脆弱的環(huán)節(jié)之一，如果產(chǎn)生鋼軌縫隙，火車經(jīng)過時會出現(xiàn)震動，列車的平穩(wěn)性和乘客的舒適度會受到此沖擊力的影響，同時導(dǎo)致路基上的道砟結(jié)塊、滑塌、混凝土軌枕破損等病害，加快鋼軌和連接零件的磨損及耗損速度。在施工季節(jié)及施工地點環(huán)境的影響下，鋪設(shè)無縫軌道時，通常軌溫?zé)o法在設(shè)計鎖定軌溫下鎖定，導(dǎo)致維修保養(yǎng)工作無法順利進行[1]。若鎖定軌溫低，維修保養(yǎng)施工受到影響，并且使鋼軌在高溫下承受巨大的溫度應(yīng)力，同時長鋼軌不勻稱蠕變產(chǎn)生應(yīng)力聚集，導(dǎo)致鋼軌變形和膨脹的危害；相反若鎖定軌溫高，處于低溫狀態(tài)時的鋼軌拉力增大，鋼軌內(nèi)部應(yīng)力不均勻，局部拉力劇增，溫度拉力和蠕變附加拉力加在一起，導(dǎo)致拉斷連接夾板或造成鋼軌斷裂。本文將對無縫線路應(yīng)力放散的前提、方式、品質(zhì)掌控、線路鎖緊的最佳溫度展開研究探討，希望能從中積累寶貴的施工經(jīng)驗。

2 工程概況

烏將鐵路擴能改造工程S2 標(biāo)西起北三臺、東至將軍廟，位于吉木薩爾縣和昌吉州境內(nèi)，途經(jīng)烏魯木齊國家級甘泉堡經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、昌吉州國家準東經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)及準東煤田五彩灣礦區(qū)，然后沿準東煤田Z917 線（準東公路）南部向東，最后到準東煤田Z917 線和S228 線交匯處西側(cè)的準東煤田將軍廟礦點。

3 應(yīng)力放散條件

溫度應(yīng)力型長鋼軌鎖緊后，鋼軌不能跟隨溫度轉(zhuǎn)變而開放式伸縮。鋼軌溫度和設(shè)計鎖緊軌溫不一致時，鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的溫度應(yīng)力，溫差與鋼軌應(yīng)力呈正相關(guān)。為使溫度應(yīng)力得到有效控制，選擇定期松開夾板和緊固件，防止鋼軌強度及線路穩(wěn)固性損壞，此施工步驟為應(yīng)力擴散。

無縫線路的鎖軌溫度要求精準、均勻，如出現(xiàn)下列情況之一必須解除或調(diào)整：

1）現(xiàn)實鎖定軌溫在計劃鎖緊軌溫范圍外，或左右段長鋼軌實質(zhì)鎖軌溫差＞5 ℃。

2）鎖緊軌溫不明確或不精準；夏季新疆白天溫度過高，導(dǎo)致軌溫太高，無法鎖定，白天鎖定后進行線路搗固，晚上進行應(yīng)力放散。

3）相鄰兩個單元無縫鋼軌跨段與全段的鎖軌溫度差＞5 ℃，同一段單元鋼軌最低和最高鎖軌溫度差為10 ℃。

4）鋪設(shè)和維護方式不當(dāng)造成長鋼軌脹縮異常。

5）固定區(qū)域及無縫窄軌產(chǎn)生嚴重的不均勻位置轉(zhuǎn)變。

6）線路軌道嚴重損壞，斷彎多。

7）因處理線路故障或施工，原鎖軌溫度發(fā)生變化。

8）在低溫下鋪設(shè)長軌時拉伸欠缺或不均衡。

4 應(yīng)力放散方法

當(dāng)前主要有以下幾種應(yīng)力放散方法：

1）鼓式擴散法。松開所有緊固件，每隔10～15 m 在鋼軌下放置一個滾輪，使鋼軌離開墊塊開放式伸縮，當(dāng)鋼軌溫度滿足要求時鎖線。

2）火車滾動法。根據(jù)列車運行方向，保持鋼軌始端扣件不動，松開其他扣件和防爬裝置，通過列車運行振動擴大消散鋼軌溫差力，實現(xiàn)預(yù)定要求時重新鎖定軌溫。

3）鋼軌碰撞分散法。松開緊固件，用鋼軌保險杠碰撞鋼軌，耗散溫差力，完成預(yù)定要求后再鎖緊鋼軌。

應(yīng)力放散施工主要通過滾筒結(jié)合拉伸，同時匹配碰撞軌的方式實現(xiàn)無縫線路應(yīng)力解除的操作，其作業(yè)流程如下：

1）清理道床砟肩，以防影響施工。

2）籌備鋼軌，卸到設(shè)定地點，同時準備夾板和螺栓；準備撞軌器、鋼軌鋸、鋼軌焊機和鋼軌拉伸機及夜間照明設(shè)備；根據(jù)要求配備作業(yè)安全防護用品。

3）施工區(qū)域的緊固件和接頭螺栓應(yīng)提前松開并涂油，然后再擰緊，務(wù)必預(yù)先處理無效扣件和螺栓。彎曲段地面錨桿需提前拆卸再涂油。

4）確定拉伸點，按Δl=αLΔt計算出拉伸量，其中，Δl為熱伸長量；α為管材膨脹系數(shù)；L為管段長度；Δt為管道在運行時的溫度與安裝時的環(huán)境溫度差。

5）事先在鋼軌和軌枕上分別做好碰撞點、壓路機安裝點和位移觀測點的標(biāo)記且編號。軌道碰撞點設(shè)置在200～300 m位置處；拉軌機距離第一臺撞軌器300～400 m 設(shè)置；滾動直徑為30～35 mm，安裝間隔為30～40 m；沿長鋼軌每隔100 m 設(shè)置位移觀測點，用油漆在軌枕上標(biāo)出設(shè)計伸縮量并注明方向。

5 方案確定

鎖線前檢查線路的整體質(zhì)量，包括軌道幾何尺寸、軌道床參考數(shù)據(jù)等，證實其達到設(shè)計方案及規(guī)則標(biāo)準。通過滾筒解除法及綜合解除法削弱鋼軌內(nèi)應(yīng)力，直到為零。軌溫和鎖緊軌溫一致時安置鋼軌，但軌溫未超過鎖緊軌溫時，采用單元軌段兩頭的拉軌器將鋼軌段延長到鎖緊軌溫時的長度，最后落下并鎖住鋼軌再標(biāo)記為零位移。

1）一端放散。一端放散是最普通的放散類型，以單元軌道節(jié)點為單元，長度大概1～1.5 km，長度太長影響應(yīng)力的均衡性。

2）兩端放散。獨個單元軌段常用兩端放散法，操作時比較煩瑣，通常條件下不采納。若兩端有緩和區(qū)可一并管理，調(diào)整緩沖導(dǎo)軌間隙。

6 施工工藝及要求

6.1 施工流程

施工準備→設(shè)置臨時位移觀測樁→拆卸扣件→軌下墊滾筒→撞軌、通過釋放應(yīng)力測量位移量→軌溫測量→落軌→鎖定線路→設(shè)置位移觀測標(biāo)志→質(zhì)量檢查。

6.2 施工要求

1）軌道狀態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測全部鋼軌，需在應(yīng)力放散前進行，監(jiān)測內(nèi)容包括：鋼軌尺寸、軌道水位、中心線方位、枕形道床的剛度、側(cè)阻力等，通過綜合質(zhì)量檢驗確定軌道已初步穩(wěn)定，準備開始線路鎖緊操作。

2）近期軌溫調(diào)查。通過最近考查，確認鎖緊時間是每天下午17～20 點或早上5～8 點，鎖緊溫度在26～27 ℃。

3）拉欄桿。為使焊接作業(yè)便捷，安裝滾輪后應(yīng)拉軌，前后軌間隙不超過5 mm。拉軌間隔不超過50 cm 時，選擇鋼軌拉伸器進行拉軌；拉軌間隔超過50 cm 時，采用短軌焊接，加入的短軌長度≥20 m，每個區(qū)間只能插入兩根短軌。

4）焊接。焊接前拆掉緊固件、放置滾輪、除銹、軌頭對準、開始焊接，焊頭粗磨按單元鋼軌焊接工藝及驗收標(biāo)準執(zhí)行。

5）應(yīng)力放散及鎖定。（1）測量軌溫，在鋼軌的不同地方采取多點勘測，獲得平均值。（2）拆卸待放散單元軌道連接處的所有緊固件，每隔5～10 m 墊入一個滾輪，每300～500 m 設(shè)置一個搗軌器。（3）放散時，每隔100 m 設(shè)置一個暫時轉(zhuǎn)移觀測樁，觀測鋼軌的位移，實時消除影響放散的妨礙物，實現(xiàn)均勻、完全的應(yīng)力放散。梳理鋼軌碰撞位置，直到“零點”為零。此時立即拆下滾輪，使軌道開槽、上扣鎖緊單元鋼軌段。（4）鋼軌拉伸的計算公式為：Δl=αLΔt（α=1.18×10-5）。（5）首先將單元軌縫放散到零應(yīng)力形態(tài)，然后依照300 m 間距裝配碰撞裝置。使用鋼軌沖擊器沿同一方向沖擊鋼軌，利用拉伸器均衡拉伸，直至與設(shè)計鋼軌溫度相對應(yīng)的長度，并且注意，零點對零點的位移和暫時位移觀測點呈線性比例。當(dāng)鋼軌碰撞各檢查點的運動一致或最大偏差距為2 mm 時可將鋼軌應(yīng)力看作零，然后祛除滾輪，鋼軌落下，隨后鎖緊線路。

拉軌前必須在軌上設(shè)置臨時位移觀測點，每個觀測點間隔100～150 m，用于檢查單元鋼軌截面受力是否均衡。在牽引鋼軌的過程中，為了保持單元鋼軌截面應(yīng)力的均衡性，一般選擇鋼軌振搗器和小錘對鋼軌進行碰撞擊。牽引量滿足預(yù)定數(shù)值時終止碰撞，鎖住單元軌節(jié)。否則查明原因，拉鋼軌保持壓力繼續(xù)撞軌，直到滿足要求。

6.3 線路鎖定、焊機位移

安裝保溫塊和緊固件，根據(jù)設(shè)計的屈曲壓力緊固緊固件，驗證鎖軌溫度，填寫作業(yè)記錄表。鎖定線路后，焊工轉(zhuǎn)移到下一個需焊接的接頭等待焊接。

無縫鋼軌焊接和放散鎖定：長鋼軌架設(shè)后現(xiàn)場單元鋼軌焊接。在壓力放散之前合理設(shè)置位移觀測樁，在應(yīng)力放散過程中觀察軌道轉(zhuǎn)移，以確保均勻應(yīng)力放散。當(dāng)單元軌接頭松開并鎖定時，放散與之連接的單元軌道接頭30 m 范圍的緊固件，該緊固件已被放散并鎖定，防止焊接頭范圍的應(yīng)力聚集。鎖緊后，在200 m 轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，無縫線路位移觀測樁對應(yīng)位移≤10 mm，且任意一個位移觀測樁的位移≤20 mm。確定完全放散均衡后上扣鎖住軌道，緊固件同步、有序在短時間內(nèi)快速實現(xiàn)上扣安裝。依據(jù)氣象數(shù)據(jù)、無縫線路允許溫降和允許溫升決定無縫線路設(shè)計鎖軌溫度，同時達到橋上無縫線路的斷縫驗算標(biāo)準，并且鄰近單元軌之間的鎖軌溫差≤5 ℃，兩邊鎖軌溫差≤5 ℃，同一間隔內(nèi)單元鋼軌接頭的最高、最低鎖軌溫差≤10 ℃，同一單元鋼軌接頭的兩邊鎖軌溫差≤5 ℃。

7 施工注意事項

7.1 應(yīng)力放散鎖定安全措施

1）操作人員務(wù)必參加安全培訓(xùn)合格后方可上崗作業(yè)，操作時聽從命令，認真根據(jù)流程進行作業(yè)，禁止違章蠻干。

2）長軌在移動、拉伸、碰撞到位時要協(xié)調(diào)動作，手、腳不得放在長軌下。

3）與鋼軌相撞時指揮同步，每組動作同步，用力均衡，防止碰撞塊飛起傷人。

4）卸載固件時禁止蠻力砸擊，避免彈條飛出傷人，緊固時，每2 人之間應(yīng)間隔3 根以上軌枕，避免使用扭力扳手時相互碰傷。

7.2 放散后鎖定軌溫的確定

因為無縫線路原始鎖軌溫度出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，不能成為放散時的原始證據(jù)，所以，鎖軌溫度的計算應(yīng)按照現(xiàn)實施工狀況決定。

1）當(dāng)鋼軌溫度在計劃的鋼軌鎖緊溫度范圍內(nèi)時，鋼軌碰撞到“零應(yīng)力形態(tài)”，最后緊固緊固件和接頭螺栓。這時鋼軌溫度為鋼軌鎖緊溫度，即t鎖緊=t當(dāng)前鋼軌溫度。

2）當(dāng)軌溫低于設(shè)計鎖定軌溫時，將鋼軌撞到“零應(yīng)力狀態(tài)”，測得此時的軌溫為t0，利用拉伸器拉伸鋼軌，拉伸長度折算軌溫為t0′（℃），最后得鎖定軌溫為ts（°），則：

式中：Δl為鋼軌拉伸長度，m；l為軌道長度，m。

8 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的不斷進步，鐵路建設(shè)也迎來了高峰期，無縫線路應(yīng)力放散與鎖定技術(shù)作為一種新型的軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)，為發(fā)展我國鐵路行業(yè)，完善軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)提供了重要的技術(shù)支撐。但在實際應(yīng)用中出現(xiàn)了不少問題，需要施工方和技術(shù)人員進一步研究及探索無縫線路應(yīng)力放散與鎖定技術(shù)，從而為后期類似工程提供參考。