王風(fēng)

國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西原平 034100

為滿足煤炭運(yùn)輸、資源開發(fā)和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，朔黃鐵路在2007年擴(kuò)能改造工程的基礎(chǔ)上，提出進(jìn)一步將貨車軸重由25 t提高到30 t、規(guī)模化開行萬噸和兩萬噸重載列車的擴(kuò)能改造方案，大幅提升運(yùn)輸能力［1］。隨著貨車軸重提高、運(yùn)輸密度增加，朔黃鐵路既有維修天窗將會進(jìn)一步減小，維護(hù)與運(yùn)營的矛盾將更加突出。

朔黃鐵路線路修理主要參考〔2006〕146號《鐵路線路修理規(guī)則》，而重載鐵路大軸重和大運(yùn)量條件下線路設(shè)備狀態(tài)的變化規(guī)律與普速鐵路存在明顯差異。本文在分析朔黃鐵路線路修理現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過理論分析、室內(nèi)試驗和現(xiàn)場測試，分析鋼軌、軌枕、扣件、道床等線路設(shè)備的劣化規(guī)律，提出適用于朔黃重載鐵路線路設(shè)備的修理周期。

1 維修現(xiàn)狀

朔黃鐵路線路設(shè)備修理分為設(shè)備大修和維修。設(shè)備大修和維修主要采用周期修制度。

1）大修周期

朔黃鐵路重車線鋪設(shè)75 kg/m鋼軌無縫線路、Ⅲ型混凝土枕，鋼軌大修周期為1 400～1 500 Mt通過總質(zhì)量；輕車線鋪設(shè)60 kg/m鋼軌無縫線路，鋼軌大修周期為10億t以上通過總質(zhì)量；道床清篩周期一般為3年［2］。近年來運(yùn)量提升，以年通過總質(zhì)量250～375 Mt計算，則清篩周期約750～1 125 Mt通過總質(zhì)量。

《鐵路線路修理規(guī)則》中規(guī)定的線路設(shè)備大修周期見表1。修訂后的TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》中75、60 kg/m鋼軌無縫線路的鋼軌大修周期分別由900、700 Mt提高到1 500、1 000 Mt通過總質(zhì)量，道床清篩周期不變。

表1 線路設(shè)備大修周期

朔黃鐵路鋼軌大修周期在TG/GW 102—2019規(guī)定的換軌周期內(nèi)，但由于鋼軌供貨等原因，目前朔黃鐵路少部分通過總質(zhì)量在1 800 Mt以上的鋼軌仍在上道使用。目前朔黃鐵路年通過總質(zhì)量超過了375 Mt，清篩周期比規(guī)定的周期長。

2）維修周期

朔黃鐵路鋼軌打磨側(cè)重于修復(fù)性打磨，主要消除小半徑曲線區(qū)段外軌側(cè)磨、內(nèi)軌壓潰性垂磨傷損以及直線區(qū)段鋼軌表面魚鱗狀裂紋損傷和波磨。鋼軌打磨利用天窗進(jìn)行，按照重車線每年2遍、輕車線每年1遍的周期進(jìn)行鋼軌打磨。以年通過總質(zhì)量250～375 Mt計算，則重車線打磨周期為125.0~187.5 Mt通過總質(zhì)量，明顯超過了TG/GW 102—2019規(guī)定的100 Mt。

朔黃鐵路重車線大約1年搗固2遍，輕車線1年搗固1遍，與TG/GW 102—2019規(guī)定的每年1～2遍基本一致。

2 鋼軌修理周期

2.1 鋼軌大修

1）直線區(qū)段

近年來朔黃鐵路鋼軌傷損形式主要為核傷、焊縫傷損、孔裂，其占總傷損的比例分別為53%、22%、14%，其他傷損僅占11%。可見核傷是控制鋼軌壽命的重要因素。

既有研究［3-5］表明，鋼軌累計重傷率服從威布爾分布，并可進(jìn)一步簡化為

式中：F（t）為鋼軌累計重傷率，即每根長25 m鋼軌發(fā)生1處疲勞重傷的累計概率；t為通過總質(zhì)量，Mt；m、t0為威布爾分布參數(shù)，m＞0，t0＞0。

由式（1）可見，F(xiàn)（t）隨t增大呈冪函數(shù)增長。

朔黃鐵路直線區(qū)段F（t）隨t變化曲線見圖1。采用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，冪指數(shù)為1.656。相關(guān)系數(shù)R2=0.981 6，說明擬合精度較高。

圖1 朔黃鐵路直線區(qū)段F（t）隨t變化曲線

為將擬合函數(shù)轉(zhuǎn)換成式（1）格式，先計算t0。t0=

根據(jù)TG/GW 102—2019，每公里兩股鋼軌重傷數(shù)量達(dá)到2～4根時應(yīng)及時更換鋼軌。朔黃鐵路為貨運(yùn)專線，鋼軌材質(zhì)較為單一，強(qiáng)度和純凈度較高，鋼軌傷損概率較小。為降低運(yùn)營成本，充分發(fā)揮鋼軌應(yīng)有壽命，建議每公里兩股鋼軌重傷數(shù)量達(dá)到3～4根時判定鋼軌失效，應(yīng)及時更換鋼軌。每公里80根鋼軌，鋼軌重傷3根、4根對應(yīng)的鋼軌失效概率分別為3.75%、5.00%，通過計算得到對應(yīng)的通過總質(zhì)量分別為1 526、1 816 Mt，即鋼軌使用壽命為1 526～1 816 Mt通過總質(zhì)量?？紤]10%的安全余量，建議鋼軌大修周期為1 390～1 650 Mt通過總質(zhì)量。

2）曲線區(qū)段

鋼軌達(dá)到更換條件時線路通過總質(zhì)量具有一定離散性。朔黃鐵路半徑400～1 500 m曲線區(qū)段取通過總質(zhì)量的中位數(shù)作為相應(yīng)半徑曲線區(qū)段的鋼軌壽命。因此，半徑400、500、600、700、800、1 000、1 500 m曲線區(qū)段對應(yīng)的鋼軌壽命依次為247、298、350、394、501、602、797 Mt通過總質(zhì)量。因此，建議曲線段鋼軌換軌周期為300～800 Mt通過總質(zhì)量。

2.2 鋼軌打磨

鋼軌軌距角和軌頂面裂紋長度和深度隨通過總質(zhì)量的變化曲線分別見圖2、圖3。

圖2 鋼軌軌距角裂紋長度和深度隨通過總質(zhì)量變化曲線

圖3 軌頂面裂紋長度和深度隨通過總質(zhì)量變化曲線

由圖2、圖3可知：①通過總質(zhì)量10 Mt時，外軌和內(nèi)軌軌距角以及外軌軌頂面均出現(xiàn)了明顯接觸疲勞裂紋，之后外軌軌距角裂紋長度和深度逐漸減小，但外軌軌頂面裂紋長度和深度逐漸增大。②通過總質(zhì)量達(dá)到60 Mt時，內(nèi)軌軌距角裂紋長度達(dá)到最大值2.5 mm。③通過總質(zhì)量達(dá)到100 Mt時外軌軌頂面裂紋深度達(dá)到最大值1.2 mm。④通過總質(zhì)量達(dá)到150 Mt時外軌軌頂面裂紋長度達(dá)到最大值4.0 mm。⑤通過總質(zhì)量超過150 Mt后，外軌軌頂面裂紋停止向鋼軌內(nèi)部擴(kuò)展，相鄰裂紋開始貫通，進(jìn)而發(fā)展為剝離掉塊；外軌和內(nèi)軌軌距角裂紋長度基本穩(wěn)定在1.5～2.5 mm，深度基本穩(wěn)定在0.4～0.7 mm。

裂紋長度、深度不僅與通過總質(zhì)量有關(guān)，還與磨耗速率密切相關(guān)，磨耗對裂紋的擴(kuò)展起到抑制作用［6］。裂紋發(fā)展速率比磨耗發(fā)展速率更快，故應(yīng)在裂紋進(jìn)入快速發(fā)展階段前進(jìn)行打磨。因此，建議在通過總質(zhì)量達(dá)到60 Mt前進(jìn)行預(yù)防性鋼軌打磨，通過總質(zhì)量超過150 Mt時進(jìn)行修理性鋼軌打磨。

3 軌枕和扣件修理周期

3.1 軌枕

朔黃鐵路原平分公司所管轄的線路長度約255 km（雙線），軌枕數(shù)量約90萬根。線路主要采用Ⅲa型混凝土軌枕，部分小半徑曲線區(qū)段鋪設(shè)SH?Ⅰ型混凝土軌枕［7］。

目前我國鐵路混凝土軌枕使用狀態(tài)主要根據(jù)其傷損程度進(jìn)行評估。TG/GW 102—2019中規(guī)定了混凝土軌枕的失效及嚴(yán)重傷損標(biāo)準(zhǔn)?；炷淋壵淼木S修主要是更換軌枕。換枕須結(jié)合線路的大修和綜合維修開展，采用大機(jī)換枕和人工換枕相結(jié)合的方式進(jìn)行。相對于鋼軌、扣件、道床等其他軌道部件，混凝土軌枕的穩(wěn)定性較高，使用壽命較長，因此維修工作量較?。?］。

3.2 扣件

扣件的更換周期應(yīng)綜合考慮扣件失效標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場實際情況合理確定。為了減少養(yǎng)護(hù)維修量和兼顧施工的便利性，彈條和墊板的更換基本與鋼軌大修一起進(jìn)行。多年運(yùn)營實踐表明，直線區(qū)段在鋼軌大修周期內(nèi)扣件基本能夠滿足運(yùn)營的要求。因此，建議直線區(qū)段扣件更換周期與鋼軌大修周期一致。

4 道床修理周期

4.1 道床搗固

1）室內(nèi)試驗

按25、30 t軸重分別加載進(jìn)行模型試驗。不同軸重下道床累計變形見圖4?？芍孩俚来怖塾嬜冃慰傮w上可分為兩個階段。第一階段為道床穩(wěn)定階段，初始時道床承力骨架尚未形成，道床沉降和累計變形較快。道床逐漸變密實，沉降到一定程度后，道床承力骨架形成，進(jìn)入第二階段（道床穩(wěn)定后的正常工作階段）。②第一階段時間較短，但變形較大，在25、30 t軸重作用下初始變形分別為11.70、20.43 mm。在25、30 t軸重條件下第二階段的道床累計變形速率分別為0.052、0.140 mm/Mt。30 t軸重下的道床累計變形速率比25 t軸重下增大了1倍以上，30 t軸重下道床養(yǎng)護(hù)維修工作量比25 t軸重下將增加1倍以上。

圖4 不同軸重下道床累計變形規(guī)律

2）現(xiàn)場觀測

對K79+500處一個搗固周期內(nèi)道床穩(wěn)定階段累計變形進(jìn)行觀測。通過總質(zhì)量150 Mt時實測道床累計變形約5～6 mm，與按室內(nèi)試驗道床累計變形速率0.052 mm/Mt推算的變形（約7.74 mm）基本一致，而且實測軌道質(zhì)量指數(shù)僅增大1～2 mm，因此在目前年通過總質(zhì)量375 Mt、軸重25 t運(yùn)營條件下，每年2遍的搗固周期基本可行。

結(jié)合室內(nèi)試驗和現(xiàn)場觀測結(jié)果，朔黃鐵路30 t軸重條件下通過總質(zhì)量150 Mt時道床累計變形約14～15 mm，通過總質(zhì)量300 Mt時道床累計變形約28～30 mm，道床的搗固周期將比25 t軸重條件下減小1/2，但考慮道床搗固對運(yùn)營的影響，建議朔黃鐵路開行30 t軸重列車時，每年搗固2～3遍。

4.2 道床清篩

道床臟污率為道床清篩的重要依據(jù)。通過理論計算和現(xiàn)場測試的道床臟污率分析道床臟污的發(fā)展規(guī)律，為重載鐵路道床的大修提供參考。

1）理論計算

不同道砟材質(zhì)對道床密實度影響較大，TB/T 2140—2008《鐵路碎石道砟》規(guī)定道砟密度最小為2.5 g/cm3，實際使用的密度較大的玄武巖道砟密度一般不超過3.0 g/cm3。TB 10082—2017《鐵路軌道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定穩(wěn)定碎石道床密度為1.7 g/cm3，現(xiàn)場實測的新建線路道床密度不超過1.9 g/cm3。根據(jù)不同道砟材質(zhì)密度以及道床密度計算得到新建或清篩線路穩(wěn)定碎石道床的孔隙率為31%～42%。

道床臟污一般因道砟粉化和外部污染，臟污成分密度一般為1.4～1.6 g/cm3［9］。假定穩(wěn)定碎石道床初始臟污率為0，不同材質(zhì)道砟的孔隙被臟污成分完全填滿需要清篩時，其對應(yīng)的道床臟污率為20%～31%、道床密度為2.15～2.49 g/cm3。因此，建議道床臟污率超過20%時進(jìn)行清篩。

2）現(xiàn)場試驗

在朔黃鐵路對不同清篩時期的道床現(xiàn)場采樣測量臟污率。取樣范圍為從枕盒中心到軌枕端頭，從軌枕底面到枕下30 cm。稱取樣本總質(zhì)量W，然后晾干后篩分出直徑小于等于16 mm的組分再次稱其質(zhì)量W1，計算道床臟污率（W1/W），結(jié)果見表2?？芍琄408+750處道床臟污率明顯高于其他處所，現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)該處存在大量機(jī)車撒沙。

表2 朔黃鐵路道床臟污率測試結(jié)果

結(jié)合國內(nèi)大秦、北同蒲、朔黃等重載鐵路道床臟污情況，得到重載鐵路道床臟污率與通過總質(zhì)量的關(guān)系，見圖5。可知：通過總質(zhì)量達(dá)到1 500 Mt時道床臟污率超過了20%。因此，建議朔黃鐵路在目前開行25 t軸重列車條件下，通過總質(zhì)量達(dá)到1 300～1 500 Mt時進(jìn)行清篩。

圖5 道床臟污率與通過總質(zhì)量的關(guān)系

選擇半徑500 m曲線段鋪設(shè)新型重載軌道（SH?Ⅰ型軌枕和扣件），另外選取半徑500 m曲線段既有軌道（高剛度墊板、Ⅲa型軌枕）區(qū)段作為對比段，測試分析30 t軸重下其道床頂面應(yīng)力，結(jié)果見表3?？梢姡?0 t軸重下新型重載軌道和既有軌道的道床頂面應(yīng)力均明顯低于容許應(yīng)力500 kPa；與鋪設(shè)既有軌道區(qū)段相比，鋪設(shè)新型重載軌道區(qū)段道床頂面應(yīng)力可降低10%～30%，從而延緩道砟粉化、延長有砟道床的清篩周期。

表3 30 t軸重下道床頂面應(yīng)力測試結(jié)果

在相同軌道結(jié)構(gòu)條件下，理論上30 t軸重列車作用下道床頂面壓應(yīng)力比25 t軸重列車作用下增加20%。綜合考慮軸重以及軌道結(jié)構(gòu)對道床粉化、臟污的影響，建議30 t軸重列車作用下道床清篩周期縮短至1 200～1 300 Mt。

5 結(jié)論

1）根據(jù)朔黃鐵路鋼軌傷損統(tǒng)計結(jié)果，建議在既有運(yùn)營條件下直線區(qū)段鋼軌大修周期為1 390～1 650 Mt通過總質(zhì)量。半徑400～1 500 m曲線區(qū)段鋼軌大修周期為300～800 Mt通過總質(zhì)量。

2）根據(jù)鋼軌裂紋長度和深度隨通過總質(zhì)量的發(fā)展規(guī)律，建議在通過總質(zhì)量達(dá)到60 Mt前進(jìn)行預(yù)防性打磨，通過總質(zhì)量超過150 Mt時進(jìn)行修理性打磨。

3）在鋼軌大修周期內(nèi)直線區(qū)段扣件狀態(tài)基本能夠滿足運(yùn)營的要求，因此建議直線區(qū)段扣件更換周期與鋼軌大修周期一致。

4）目前年通過總質(zhì)量375 Mt、軸重25 t運(yùn)營條件下，朔黃鐵路可保持每年2遍的搗固周期；開行30 t軸重列車時建議每年搗固2~3遍。

5）通過理論計算，道床臟污率大于20%時應(yīng)清篩。結(jié)合現(xiàn)場測試結(jié)果，建議25、30 t軸重下通過總質(zhì)量分別達(dá)到1 300～1 500 Mt和1 200～1 300 Mt時進(jìn)行清篩。