城市轨道交通钢轨伤损的评价分析

1 前言

随着我国城市的发展,出行需求增加,但由于道路交通的昂贵费用和运行的拥挤状况,轨道交通,尤其是地铁成为成千上万乘客更适合的选择,可以说在很多城市,地铁逐渐成为上班族的生命线。从西方发达国家的大城市交通发展历史来看,发展公共交通,尤其是发展轨道交通是解决交通问题、促进城市发展的最佳途径,城市轨道交通是城市公共交通的骨干。一方面从城市发展的角度来说,它对于提高土地利用效率、缓解地面交通、改善人类居住环境、减少环境污染等都具有十分显著的作用；另一方面‚它运量大‚方便快捷‚对于乘客的分流有着明显的积极作用。

从1965年7月1日开始修建第一条地铁线路以来,我国内地已经有北京、广州、上海、天津、香港、深圳、南京、重庆等几个城市拥有了地铁或轻轨。据统计‚截至2005年6月‚我国试运行、试运营和正式运营的城市轨道交通线路总长为422．52公里,其中地铁187．52公里、轻轨235公里；正在建设并将于近期投入运行的线路总长287公里,其中地铁211公里、轻轨76公里。

城市轨道交通安全涉及因素较多‚无论在设计阶段、施工阶段还是运营阶段‚都隐含着触发事故的潜在条件。城市轨道交通不仅体现了土建工程、机车车辆、牵引供电、通信信号、运输调度、运营管理等专业技术的较高水平,同时对其安全性也提出了更高的要求。其中轨道作为轨道交通的行车基础‚其坚固稳定性和正确的几何形位是车辆安全运行的保障。而钢轨是轨道的主要部件,它直接支撑并引导机车车辆的运行,承受来自车轮的垂直力、横向水平力、纵向水平力等,并传递到轨枕、路基上‚同时‚钢轨还必须为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面。因此‚钢轨的质量、工作状态对整个线路的质量以及行车安全有着直接的影响。

随着城市轨道交通运量的不断增长‚以及机车条件的变化,钢轨的伤损问题越来越突出。研究钢轨伤损成因及防治技术就显得越来越迫切。

2000年10月17日英国伦敦发生了由于钢轨折断引起的列车出轨事件‚导致4人死亡、30余人受伤。

2003年4月13日‚京广线武汉段汉水铁路桥北端一根钢轨发生折断,被守桥武警官兵及时发现,守桥武警官兵及铁路工程技术人员进行了紧急抢修,受此影响,北京至广州的T15次特快列车被拦停约半小时。2001年5月22日台北地铁淡水线士林站附近轨道发生裂缝,地铁被迫减速,并改为手动驾驶,10万旅客上班受阻。浙赣线上行K529+36处钢轨右股小腰轨头裂断‚由于巡道工及时发现并采取防护措施‚养路工区及时更换钢轨‚才保证了行车安全。2004年12月19日凌晨,北京法塔寺道口钢轨被冻裂‚导致l0辆列车晚点。正确认识和掌握钢轨伤损以及由伤损造成的钢轨折断的规律,主动超前进行防范,是目前亟待解决的重要课题。

笔者通过对北京地铁钢轨伤损情况进行调查统计和分析,研究伤损发生的原因及发生条件‚提出相应的对策措施‚尽量减缓钢轨伤损,避免严重伤损,以延长钢轨的使用寿命‚确保轨道交通运输的安全和降低运营成本。

2 钢轨伤损现状分析

钢轨是作为一根支撑在连续弹性基础或点支撑上的无限长梁进行工作的。它主要承受轮载作用下的弯曲应力,同时还要承担轮轨接触点上的接触应力,以及轨腰与轨头或轨底连接处可能产生的局部应力和温度变化作用下的温度应力。在轮载和温度力的作用下,钢轨产生复杂的变形,如压缩、伸长、弯曲、扭转、压溃、磨耗等。

钢轨伤损是轨道交通中一个比较突出的问题,它与行车安全、运输成本、钢材选用和设计制造都有着密切的关系。钢轨伤损根据伤损程度可分为轻伤、轻伤在发展、重伤和断轨。下图为钢轨生命周期图。

钢轨的生命周期图

2∙1 钢轨伤损的常见类型

按铁道部标准,钢轨伤损分为9大类共32种城市轨道因其车辆轴重轻、车种单一‚轨道结构及运营条件明显有别于国铁,其钢轨伤损与国铁相比亦有着自身特点。北京地铁常见钢轨伤损类型如下：

第一类‚轻伤及轻伤在发展主要类型：掉块、划伤、焊缝伤损、焊点伤损、锈蚀、啃磨、螺孔伤损、擦伤、轨底角伤损及其他伤损。

第二类‚重伤主要类型：

1）与钢轨母材有关的重伤,如轨头表面金属碎裂或剥离掉块、轨头横向裂纹、轨头纵向的水平裂纹和垂直裂纹、轨头劈裂、轨腰伤损、轨底伤损等。

2）与焊接有关的重伤,如焊缝裂纹、气孔、过烧、夹渣、未焊透‚相关专业线缆焊接引起的焊点伤损等。

3）与钢轨接头有关的重伤,如螺孔裂纹、扩孔、下颚裂纹等。

4）其他伤损‚如钢轨锈蚀、钢轨磨耗（包括垂直磨耗、侧面磨耗、波浪形磨耗）钢轨擦伤等。

2∙2 钢轨伤损类型的统计

北京地铁运营线路包括运营较早的线路——1号线、2号线‚以及新投入试运营的线路——13号线和八通线。笔者将北京地铁新、老运营线路同期钢轨轻伤及轻伤在发展类型分布统计对比（见表1）‚将新线运营以来重伤钢轨类型分布与老线近十年以来重伤钢轨类型分布统计对比（见表2）。

表1　北京地铁运营线路钢轨轻伤及轻伤在发展类型统计(%)

表2　北京地铁运营线路钢轨重伤类型统计（%）

通过统计对比可以看出：

1）1号线和2号线运营时间较长,钢轨伤损主要以剥离掉块等疲劳性损伤为主；

2） 新建线（13号线和八通线）到目前为止出现的钢轨伤损主要以焊缝伤损及焊点伤损为主要类型。

3 钢轨伤损主要原因分析

城市轨道交通作为城市客运的主体,它运营时间长、行车密度大、安全性要求高、维修条件差,隧道所占比重大,所以其钢轨伤损的成因也有自身的特点。

3∙1 材质缺陷及疲劳伤损

1）剥离掉块：钢轨接触应力大于钢轨屈服强度是造成剥离的外因；钢轨轨头踏面存在夹杂物是造成剥离的内因。除钢轨质量外,线路不平顺、轮轨润滑涂油工艺不当也能引起剥离掉块。

2）核伤：它与通过的总重成正比增加。夹杂物,如钢轨本身存在的白点、气泡通常为疲劳裂纹源,由其开始,微裂纹逐渐发展为核伤且与表面伤损贯通,氧化形成黑核。因此,延长钢轨使用寿命,减少核伤的关键在于提高钢轨的质量。

3）裂纹：钢轨制造工艺不良,没有切够铸锭中带有严重偏析、缩孔、夹杂等部分,留下了疲劳源,即会导致轨头水平或垂直裂纹、轨腰垂直裂纹及臌泡。如加工时存在轧痕、皮下气泡等缺陷,则会使钢轨轨底产生裂纹或折断。

3∙2 焊接伤损

1）焊接接头伤损：焊接接头包括铝热焊接头、移动气压焊接头和接触焊接头‚由于焊接设备、材料、气温和操作工艺等诸多因素都会影响焊接质量‚最终导致钢轨的伤损。铝热焊接头尤为严重,焊接过程中,如不严格执行工艺要求,在焊缝内极易产生夹渣、气孔、疏松、缩孔及未焊透等伤损。移动气压焊接头在高温高压下将钢轨两端面熔化后再结合,其缺陷形式与铝热焊接头不同,除外部缺陷,即几何形状偏差和局部凹陷外,另一个是内部缺陷,即光斑、未焊透、过烧、粗晶组织等。

2）焊点伤损：焊点伤损的主要原因为相关专业线缆焊联于钢轨上,由于焊接工艺不过关或未严格执行焊接工艺,导致焊点处钢轨母材发生金相组织变化继而引发钢轨伤损。

3∙3 钢轨接头伤损

钢轨接头是线路的薄弱环节。车轮作用在钢轨接头的惯性力要比其他部位大60％左右；如果钢轨接头养护不良‚存在高低接头、空吊板、大轨缝等病害‚都会增大冲击力‚加剧对钢轨接头的破坏。钢轨接头的伤损‚突出的表现为螺孔裂纹。此外还有下颚裂纹及鞍型磨耗等。另外‚螺栓孔加工质量不高‚螺孔周边有毛刺、缺口等‚会使其本身的形成局部应力集中‚导致裂纹的产生。

3∙4 钢轨伤损检测

目前北京地铁线路的检测维修方法以手工或小型机械静态检测、维修为主。但是钢轨出现一些核伤后‚由于缺少先进的动态检测设备,静态检测不能完全反映地铁车辆通过时线路的真实情况‚加上夜间作业环境限制,对客观判断伤损程度造成一定影响；同时由于现有维修成本和检测维修周期的限制,钢轨可能在两个检测探伤周期之间出现无法预测的伤损‚最终将导致钢轨的突然折断。

解决该问题需要地铁运营有限公司线路公司引进先进的检测探伤技术和线路维修技术‚增加更先进的探伤和维修设备,提高职工的技术水平,提高探伤效率和探伤准确率‚针对钢轨疲劳期的线路应缩短维修周期,改进检测维修手段,保障地铁线路始终处于安全状态。

4 钢轨伤损防治对策

钢轨的质量、工作状态对整个线路的质量以及行车安全有着直接的影响,笔者针对城市轨道交通目前的钢轨伤损的状况,提出一些防治的对策。

4∙1 钢轨伤损的防治

4∙1∙1 提高钢轨质量

根据国外的发展经验和对于国产化率的要求,我国的城市轨道交通钢材选用以国产铁路钢材为主。改善钢轨的内部质量和表面质量,防治钢轨伤损,研制、生产强度高‚韧性好、抗疲劳‚耐磨耗的新钢轨是切实提高钢轨质量的主要途径。

钢轨材质不纯‚淬火工艺不当是疲劳损伤的主要原因‚所以在钢轨用钢的冶炼过程中应采用精炼‚真空脱气使钢质净化‚尽量减少钢中非金属夹杂物‚减少疲劳剥离和核伤的发生。

4∙1∙2 铺设无缝线路,提高焊接质量

新建城市轨道交通均采用无缝线路技术‚通过增加轨条长度而尽量消除和减少钢轨接头‚螺孔裂纹伤损数量因此而大大减少。但是,从新线的伤损发生情况可以看出‚无缝线路由于焊接质量问题‚焊缝伤损和焊点伤损情况变得十分突出‚因此‚切实提高焊接工艺是十分重要的防治钢轨伤损的措施之一。

4∙1∙3 加强综合养护

加强曲线养护,对磨耗较严重的曲线进行钢轨涂油,波磨严重的地段及时进行钢轨打磨；加强接头养护‚及时整治接头病害；加强无缝线路养护,做好无缝线路的防胀、防断工作；做好钢轨防锈、除锈及养护工作等。

4∙1∙4 做好钢轨探伤检查工作

进一步做好钢轨探伤检查工作,力争做到不漏检、不错判。包括引进先进的检测探伤技术和线路维修技术,增加更先进的探伤和维修设备,更新检测维修手段；提高职工的技术水平‚提高探伤效率和探伤准确率；健全岗位责任制‚加强职工的安全意识和责任心‚完善探伤检查工作。

4∙2 钢轨伤损的管理和修复措施

4∙2∙1 监测管理措施

1）加强对钢轨焊缝的管理,对线路存在缺陷的焊接接头分级进行统计记录,列入重点检测工作。

2）坚持严格执行钢轨周期探伤制度,加强对钢轨伤损发展情况的探伤监管及报告,伤损重点部位实行加密探伤。

3）加强对焊缝及焊点处的巡道检查。

4∙2∙2 整治及修复措施

除监测监管措施外,对伤损钢轨有针对性地开展整治修复工作。通过改善线路状况尽量减少钢轨伤损出现,对已形成伤损的钢轨减缓其发展,对已发展至一定程度的钢轨及时加固或更换‚从而消除线路隐患‚延长钢轨的使用寿命。加强无缝线路钢轨焊接接头处的维修养护‚对碎石道床加强捣固‚保持焊头处道床饱满密实。

对异常爬行的轨条及时进行应力放散,减少钢轨内部应力集中现象,改善钢轨受力状况；对钢轨硬弯进行矫直,对个别有轻微高焊头及支嘴现象的焊头打磨顺直,消除轨面不平顺‚减小列车冲击荷载影响,防止其发展为内部伤损；对低塌焊头进行焊补及打磨等。

5 结论

1） 作为与城市居民生活密切相关的出行工具,轨道交通的安全性是最值得关注的课题。城市轨道交通的运营单位应当组织对城市轨道交通关键部位和关键设备的长期监测工作；评估城市轨道交通运行对土建工程的影响；定期对城市轨道交通进行安全性评价；并针对薄弱环节制定安全运营对策。

2） 钢轨伤损与防治是一项复杂的系统工程‚减少钢轨伤损、延长钢轨寿命、保证行车安全主要应注意以下几个方面：

（1） 保证城市轨道交通选用钢材的质量；

（2） 严格执行钢轨焊接标准,控制焊接质量,改善各种线缆与钢轨焊联时的焊接工艺,并严格按工艺规程操作‚以减少线缆焊接对钢轨造成的伤损；

（3） 加强线路维修养护和科学管理,减少线路病害,延长钢轨使用寿命；

（4） 采用静态和动态相结合的检测方法和先进的维修方法,配置轨道检查车、钢轨探伤车、综合维修车等先进的检测维修设备,保证线路始终处于完好状态‚以保障乘客的安全；

（5） 加强职工培训‚提高人员的技术水平和安全意识。

文章来源：

原文名称：中国安全科学学报

作者信息：白雁¹，袁昊²（1北京交通大学土木建筑工程学院‚北京100044　2北京地铁运营公司‚北京100044）

期刊信息：中国安全科学学报，2006 年3 月