南京地鐵鋼軌掉塊病害分析與防治

杜茂金

（南京地鐵運營有限責任公司，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典型傷損形式。掉塊的發展會引起鋼軌核傷折斷、崩塊，縮短鋼軌的使用壽命并危及行車安全；且鋼軌掉塊會引起車輪踏面傷損，縮短車輪使用壽命，影響行車的平穩性。

南京地鐵2號線運營2年來，部分曲線地段鋼軌頂面出現嚴重的掉塊現象，掉塊大小和發展速率均較1號線及南延線嚴重。為找出引起鋼軌掉塊的真正原因，選取2號線興隆大街站附近兩處掉塊嚴重的曲線進行定期觀測和研究。

1 基本情況

南京地鐵2號線采用的A型車，車輛最大軸重為16 t，最高運行速度為80 km／h；正線為1 435 mm標準軌距，1／40軌底坡，平面最小曲線半徑為350 m，線路最大縱坡為30‰；全線鋪設普通無縫線路，采用U75V（PD3）60 kg／m鋼軌。掉塊處相關技術資料見表1及表2。

表1 掉塊處曲線技術參數

表2 掉塊現場的詳細情況

2 傷損特征及發展過程

2.1 軌面掉塊特征

通過對現場進行超高驗算、軌底坡測量、鋼軌頂面光帶測量，以及對鋼軌頂面裂紋、掉塊的觀察，發現了一些特征：

（1）掉塊只發生在曲線上股鋼軌中軸線內側，外側沒有發生；直線、曲線下股不發生剝離掉塊。個別夾直線也發生了掉塊。

（2）曲線半徑越小，掉塊越嚴重。

（3）掉塊嚴重地段位于列車進站前，距離車站約400 m處，出站方向曲線無掉塊現象。

（4）相鄰掉塊發生的間距約為450 mm，逐漸向兩側延伸。

（5）鋼軌頂面掉塊發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）曲線上股鋼軌發生掉塊處，鋼軌無側磨或不明顯。

2.2 軌面掉塊的發展過程

（1）掉塊在地鐵開通后1年左右出現。

（2）軌面掉塊由裂紋發展而成，掉塊是裂紋發展的最終結果。

（3）裂紋發生在曲線上股，在軌面內側離行車邊軌頂圓弧上5～10 mm處。裂紋大致平行，長約15～25 mm，與鋼軌橫截面交角在45°左右，開口的方向與車輪滾動方向一致。裂紋處用手觸摸有明顯毛刺感覺（見圖1）。

圖1 鋼軌裂紋發展成掉塊圖片

（4）當裂紋深度不斷發展、局部接觸應力及其它外力急劇減少時，在粘著力作用下車輪會卷起裂紋開口形成表面掉塊。現場的掉塊均為薄塊狀，長度小于15 mm，深度小于3 mm，寬度在5 mm左右（見圖2）。

圖2 現場鋼軌頂面掉塊圖片

（5）軌面發生掉塊后，造成缺口區域應力集中，并影響行車的平穩性，增大了動力沖擊作用，這又促使缺口區域裂紋的產生和發展，形成新的掉塊。

（6）隨著掉塊的不斷發展，裂紋會沿鋼軌表面向鋼軌內部發展；當裂紋到達一定深度時會造成鋼軌頭部斷裂，再往深處發展會造成鋼軌折斷，嚴重危及行車安全。

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。通過現場測量，曲線上股接觸面積只有下股受力面積的1／2～1／3，故曲線上股接觸應力將成倍增加，當列車發生制動減速時其受到的制動應力也成倍增加。這是曲線上股內側軌面發生裂紋的最主要原因，也是最根本的原因。

（2）軌底坡的影響：現場對曲線地段鋼軌傾角進行測量并根據超高計算出曲線上股的軌底坡值：現場掉塊處的軌底坡最小為1∶409接近平坡；大部分為負的軌底坡，最大為－1／38，嚴重低于規定的1∶40。這種情形使得曲線上股鋼軌與錐形車輪的接觸為線狀接觸，接觸面積更小，應力更加集中。

（3）軌道彈性的影響：地鐵軌道大部分采用整體道床，普通分開式扣件，道床無減振作用，軌道減振只有通過軌下及鐵墊板下的橡膠墊板實現。列車通過曲線地段時振動較通過直線地段時大很多，車輪對鋼軌的沖擊力相應也比直線地段大。上股鋼軌因受力面積較小，就會形成較大的沖擊應力，造成曲線上股鋼軌產生疲勞裂紋并加劇發展，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，應力成倍減小，所以鋼軌頂面不會出現裂紋現象。現場普通扣件未采取減振措施地段的軌道上發生了掉塊現象，而減振器扣件及碎石道床上鋼軌掉塊現象不明顯的情況也驗證了此觀點。

（4）輪軌接觸關系的影響：在小半徑曲線地段，當輪軌一點接觸時，上股鋼軌與車輪的接觸應力高度集中，容易造成軌頭疲勞、裂紋、剝落掉塊等病害；當輪軌兩點接觸時，由于輪沿與鋼軌的沖擊，容易形成鋼軌側磨。根據現場上股鋼軌沒有側磨的現象，可判斷此掉塊地段的輪軌關系應為一點接觸。

（5）列車自動運行（ATO）對輪軌關系的影響：ATO的特點是起動和制動都是固定模式，每趟列車進站時都在站前固定地點進行減速制動，由此造成該地段鋼軌頂面長期受到制動力影響，鋼軌頂面應力集中，鋼軌頂面裂紋發生塑性變形，出現掉塊現象。地鐵具有車輛類型單一、軸重一致、同一區段行車速度一致、行車間隔短、整體道床彈性差等特點，因此鋼軌一旦出現病害，發展速度非常快。

4 防止曲線上股出現掉塊的措施

（1）地鐵設計單位應科學合理地做好軌道設計工作：

·線路選線設計時應優化地鐵線路走向，盡量避免設置小半徑曲線。

·科學確定軌道零件的選型，地下線路設計時軌枕應盡量采用帶軌底坡長枕，以便施工軌底坡一致；對于無法采用長枕的高架地段，可以通過在鐵墊板上統一設置軌底坡的形式，做到全線軌底坡統一。

·適當提高曲線無減振地段軌道普通扣件的彈性，降低其靜剛度，達到減緩沖擊力的作用。

·做好曲線地段軌底坡研究，對于小半徑曲線地段，可嘗試將軌底坡調整為1∶20，然后通過觀察輪軌受力變化情況，找出最優的輪軌接觸關系，為后續線路設計提供參考。

（2）施工單位把好施工質量關：

·優化軌道施工工藝，重視軌底坡的設置。吊軌架作為整體道床施工的關鍵工具應科學進行設計；吊軌架上應預先設置好軌底坡，曲線地段施工時應在吊軌架上加設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計要求。

·做好線路開通前軌道預防性打磨。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，使軌面得到一個相對不變的鋼軌傾斜度，從而改善輪軌接觸關系。

（3）運營部門做好后期鋼軌的維護工作：

·對于既有線路出現的軌底坡過小、鋼軌接觸光帶偏窄等無法通過調換墊板作業進行改正的問題，只能通過對上股鋼軌進行打磨來修正軌底坡，達到增加車輪與鋼軌接觸面積，改善輪軌關系的目的。

·對于已經出現疲勞性裂紋和掉塊的鋼軌頂面應及時進行打磨，減少由于掉塊造成的應力集中，延緩裂紋和掉塊發生的速率。

·改變輪軌接觸關系，改一點接觸為兩點接觸。對于使用U75V高強度鋼軌的線路，疲勞是主要問題，側磨是次要問題。通過打磨曲線上股鋼軌易發生掉塊的疲勞區，將輪軌接觸點向鋼軌中心轉移，形成輪軌的兩點接觸，可降低接觸應力，延長疲勞周期。

通過在南京地鐵2號線進行的鋼軌打磨試驗可以看到，原先鋼軌頂面掉塊嚴重地段通過打磨后掉塊變小，同時發展速度已經變緩，逐漸趨于穩定。

［1］羅清明.關于曲線上股軌面內側剝離掉塊問題的探討［J］.鐵道建筑，1991（1）：15.

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