朔黃鐵路線路設備狀態檢測模式分析

凌烈鵬，王新讓，周 游，王智超

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧 062350）

重載運輸是世界鐵路貨運的重要發展方向，增加軸重是實現重載運輸的主要方式之一，也是提高運能和效益的有效途徑［1］。隨著軸重的增加和運量的提高，列車作用于線路設備的荷載增大、作用次數增加，設備狀態變化速率加快，病害明顯增加，線路設備的劣化規律明顯與既有鐵路不同，養護維修費用大幅度增加［2］。北美鐵路貨車軸重提高到30 t和36 t時，曾在美國鐵路運輸試驗中心的重載環線對鋼軌、軌枕、扣件、道岔等軌道部件傷損，道床和路基狀態惡化，線路養護維修等進行了系統試驗，統計結果表明：貨車軸重增加20%，相應的維護成本增加66%，鋼軌及其接頭、道岔尖軌、轍叉等軌道部件的傷損明顯增加；要獲得大軸重重載運輸經濟效益，除強化線路設備外，必須改進線路設備養護維修技術，合理控制維修投入［3］。

為適應煤炭市場運輸、資源開發和地區經濟發展的需要，朔黃鐵路計劃在2007年擴能改造工程的基礎上，提出進一步將貨車軸重由25 t 提高到30 t，規模化開行1 萬t 和2 萬t 重載列車的擴能改造方案，年運量將從3.5億t提高到5.0億t，大幅度提升運輸能力［4］。

朔黃鐵路線路設備狀態分析表明，線路產生的病害主要呈現2 種形式：①結構上的病害，諸如鋼軌傷損、扣件銹蝕等；②軌道幾何不平順，即軌道幾何形位上的病害。重載線路這2方面病害的產生及其惡化速率均較普通鐵路和高速鐵路要早且快。為此，朔黃鐵路線路設備狀態檢測主要集中在鋼軌傷損檢測和軌道幾何狀態檢測。本文從這2 方面開展分析［5］，為以后重載鐵路的安全運營和養護維修提供參考。

1 線路鋼軌傷損狀態檢測數據分析

鋼軌傷損是指鋼軌在使用過程中發生鋼軌折斷、鋼軌裂紋以及其他影響和限制鋼軌使用性能的傷損［6］。朔黃鐵路（含黃萬線）目前通過SPERRYS 鋼軌超聲波探傷系統（分別安裝在綜合檢測車和專用鋼軌探傷車）、GCT-8C 和GCT-11 型數字探傷儀等檢測裝備，在正線采取大型探傷車和小型探傷儀相結合的鋼軌探傷模式。大車探傷周期執行旬檢，檢測周期平均在10 d 左右，按照探傷車-綜合檢測車-探傷車循環進行。經調研，目前朔黃鐵路原平分公司探傷工隊劃分為7個鋼軌探傷小組，其中包括6個母材探傷組和1個焊縫探傷組。對原平分公司管轄范圍（神池南—西柏坡）的上下行正線和站場線路進行探傷，發現重傷及時通報進行維修處理。

1.1 探傷方式分析

通過對朔黃鐵路2015 年1 月至2017 年5 月的探傷數據進行統計分析，大型探傷車累計發現疑似鋼軌傷損數2 452 個，當月經小型探傷儀確認的鋼軌傷損數為1 420 個，大型探傷車探傷兌現率為58.23%；大型探傷車累計發現疑似鋼軌重傷數109 個，當月經小型探傷儀發現的鋼軌重傷累計為428 個，大型探傷車重傷準確率為25.83%。

上述統計表明，目前大型鋼軌探傷車的探傷兌現率、重傷準確率均不高。原因是：①大型探傷車檢查速度80 km/h，存在一定的耦合、對中問題；②大型探傷車在檢查時若探輪外膜破損，會產生無效檢測數據。目前，朔黃鐵路鋼軌探傷仍然以手推數字探傷儀為主。

1.2 鋼軌傷損數目分析

朔黃鐵路上行線為重載線路，其鋼軌傷損數目變化見圖1。可知：朔黃鐵路鋼軌傷損數目與運量變化趨勢接近一致，隨著運量增大鋼軌傷損數量增大。

圖1 朔黃鐵路上行線鋼軌傷損數目變化

1.3 鋼軌傷損位置分析

分別對肅寧分公司和原平分公司管轄范圍的重傷鋼軌進行了統計分析。主要從上行線、下行線及站線進行分類，并從標準軌、道岔和焊縫位置分別進行統計，見表1和表2。

表1 肅寧分公司鋼軌傷損位置統計

表2 原平分公司鋼軌傷損位置統計

由表1 可知，肅寧分公司內鋼軌傷損主要發生在上行線，占比為53.35%，其次為下行線和站線。其中上行線主要傷損位置為道岔，下行線主要傷損位置為鋼軌，站線主要傷損位置為道岔。

由表2 可知，原平分公司內鋼軌傷損主要發生在上行線，占比為54.86%，其次為站線和下行線。其中上行線、下行線、站線主要傷損位置均為道岔。

鋼軌傷損主要發生在朔黃上行線，平均占比為54.11%，正線道岔位置尤為明顯。原平分公司內焊縫傷損較肅寧分公司內明顯。

1.4 鋼軌傷損類型分析

依據朔黃鐵路的調研數據，朔黃鐵路現場的主要鋼軌傷損類型依次為軌頭核傷、軌頭裂紋、壓潰裂紋、焊縫傷損、螺孔裂紋、軌底裂紋和軌腰裂紋，見表3。其中軌頭核傷、軌頭裂紋、壓潰掉塊受運量影響比較大，占了所有傷損的80%，主要是鋼軌接觸疲勞所導致。

表3 鋼軌傷損類型統計

1.5 服役周期及運量統計數據分析

對2015 年1 月至2017 年5 月的上行線不同重傷鋼軌類型的服役周期及運量進行了統計分析，研究不同傷損類型的平均服役周期和運量的關系。

上行線鋼軌傷損類型、運量和服役周期統計結果見表4。可知，上行線主要傷損類型為軌頭核傷、軌頭裂紋、焊縫傷損。服役周期平均值均在1年以上，大部分為2.5年，平均通過運量在4.02億t以上。

表4 上行線鋼軌傷損類型、運量和服役周期

2 線路鋼軌傷損狀態檢測周期分析

統計朔黃線鋼軌傷損數據，發現軌頭核傷這一重傷類型占比最多，軌頭核傷發展會導致核傷鋼軌發生突然脆斷，是危害性最大的鋼軌傷損形式之一，嚴重影響鐵路安全。因此選擇線路基礎設施更為復雜的原平分公司管轄范圍，重點對重車運輸上行正線的軌頭核傷探測工作進行現場調研。

軌頭核傷根據傷損位置的差異主要分為母材軌頭核傷和焊縫接頭軌頭核傷2種情況。母材核傷是鋼軌母材內部的制造缺陷（冶金缺陷、熱處理缺陷等）在運行荷載反復作用下形成和擴展的疲勞裂紋，核傷周圍的鋼材強度不足以抵抗輪載作用下的應力。與母材核傷不同，焊縫接頭軌頭核傷是由于鋼軌焊接接頭中心附近在列車荷載作用下產生疲勞裂紋。鋼軌焊接接頭是鋼軌的薄弱環節，易產生鋼軌接頭核傷，最終使接頭失效［7-8］。

為區分母材核傷和焊縫接頭核傷，選取500 mm作為臨界值，即距離焊縫中心小于500 mm 處的軌頭核傷視為焊縫傷損造成，大于500 mm 處的視為鋼軌母材的軌頭核傷。

選取原平分公司2015 年1 月至2018 年1 月上行正線發生軌頭核傷的鋼軌，分別對母材軌頭核傷和焊縫接頭影響引起軌頭核傷的情況進行了統計，結合鐵運〔2006〕146 號《鐵路線路維修規則》和鐵運〔2006〕200 號《鋼軌探傷管理規則》規定，對判定為核傷的鋼軌進行追溯，確認之前周期內是否檢測到輕傷或輕傷有發展的情況，統計結果見表5。

表5 現有核傷探傷周期探測到輕傷或輕傷發展統計

由表5 可知，檢測到上行正線有效數據母材核傷24 處、焊縫接頭核傷38 處；基于原平分公司現有一周覆蓋管轄范圍一次的探傷周期，在上一探傷周期可以探測到輕傷或輕傷有發展的鋼軌共計40 處，占比64.52%，其中母材核傷10 處，焊縫接頭核傷30 處，占比分別為41.67%，78.95%。其余為一次探測判定為重傷，并確認為軌頭核傷的情況。數據表明，現有探傷周期基本可以及時發現大部分軌頭核傷，且檢測到焊縫接頭核傷的覆蓋率高于母材核傷。

3 線路幾何狀態軌道質量指數分析

線路幾何軌道質量指數（Track Quality Index，TQI）是指一定長度的左高低、右高低、左軌向、右軌向、軌距、水平、三角坑單項標準差之和，是反映線路區段平順性的指標。朔黃鐵路軌道檢測實施動態和靜態相結合的檢測制度，動態和靜態檢查實行周期檢測，動、靜態檢測周期為30 d 左右。檢測的主要評價指標為線路幾何軌道質量指數。

3.1 全線平均TQI隨月份變化規律分析

根據朔黃綜合檢測列車的月報朔黃鐵路上下行的平均TQI 隨月份變化較為平緩，其中朔黃鐵路上行平均TQI 基本維持在6.65～7.35，下行的平均TQI 基本維持在7.28～8.21，說明朔黃鐵路全線幾何狀態基本維持在較為良好的狀態。目前朔黃鐵路的養護維修模式可以滿足其運量的需求。

3.2 TQI超限數目隨月份變化分析

根據軌道幾何狀態檢測及評定要求，在2015年至2017 年有記錄的時間內，朔黃鐵路沿線未出現Ⅳ級超限大值，Ⅰ級扣分點數目為38～368，數目波動較大；Ⅱ級扣分點數目為為1～78，數目較少；Ⅲ級扣分點數目為0～2，數目零星出現；Ⅳ級扣分從未出現。朔黃鐵路軌道幾何狀態在可控范圍內，在目前的養護維修模式下，可以及時發現問題，基本可以將超限大值控制在Ⅱ級范圍內。

3.3 特殊區段TQI主要影響因素分析

將朔黃鐵路內橋梁、隧道、曲線、長大坡度單獨摘出，分析對TQI 占比較大的3 個主要參數。朔黃鐵路西柏坡以北地區，橋梁區段主要影響的因素為高低、三角坑、軌距；隧道區段主要影響因素為三角坑、高低、水平。小半徑區段主要影響因素為三角坑、軌距、高低；長大坡度區段主要影響因素為三角坑、高低、軌距。

4 線路幾何狀態動靜態數據一致性分析

由于靜態檢測的地段和時間都有很強的隨機性，為了對數據進行對比和分析，在對朔黃鐵路各個工區的靜態數據匯總整理后，對數據源特征較為明顯、地段和時間重復性不好的數據予以剔除。只能按照時間接近的原則將動、靜態檢測數據對應起來，進行動、靜態數據的對比分析。

此次動、靜態對比數據主要選取了上行線264 ～266 km 區段動、靜態檢測數據進行分析，其中靜態檢測時間為2016 年8 月4 日，動態檢測時間為2016 年8月19 日。將動態不平順數據與靜態不平順數據進行對比，結果見圖2。可知，動、靜態軌道不平順的波形趨勢和幅值重復性較好。

由圖2 可知，動、靜態波形趨勢基本一致，但是在峰值處存在一些差異，因此需要對波峰、波谷處軌道動、靜態峰值差異進行分析。

圖2 區段動靜態對比

對上行線264～266 km 區段的軌距、水平、三角坑差異進行計算。各項不平順動、靜態差異統計結果見表6。可知，上行線264～266 km區段的軌距、水平、三角坑動靜態差異最大值分別為2.00，2.97，3.00 mm。

表6 動、靜態幅值差異（動態-靜態） mm

將朔黃鐵路動、靜態檢測數據，將動、靜態數據對齊后，靜態不平順按照間隔0.5 mm 進行分組，保證每一分組內有一定量的數據，如2.0～2.5 mm，2.5～3.0 mm。對每一組靜態不平順對應的動態不平順進行統計，計算動態不平順的平均值、標準差，在99%置信度的條件下求其最大、最小可能值，這樣每一組靜態不平順所對應的動態不平順99%在該最大可能值以內。根據統計結果，以每組數據靜態不平順值為橫坐標，動態不平順平均值、99%置信度動態不平順為縱坐標進行擬合，得出動態不平順與靜態不平順幅值的關系曲線。動態不平順平均值與靜態不平順近似成線性關系。通過線性回歸得出軌距、水平、三角坑軌道不平順動、靜態相關系數R2分別為1.00，0.98，0.99，相應的動、靜態擬合公式見表7。

表7 軌道不平順動、靜態擬合公式

5 結論

基于朔黃鐵路現在的“動態檢測，靜態監控，狀態修理，立體養護，壽命管理”線路固定設備維修模式，參考國外重載鐵路和國內大秦線、大包線養護維修模式，研究滿足朔黃鐵路新的運輸條件的線路設備檢測模式。主要結論如下：

1）朔黃鐵路目前的檢測模式與其現有的軸重、運量相匹配，能夠滿足現有的養護維修要求，但隨著軸重和運量的提升，部分檢測模式需結合檢測效率進一步完善。

2）朔黃鐵路鋼軌傷損主要集中在上行線，鋼軌傷損的主要形式為軌頭核傷，在現有探傷周期內基本可及時發現，其中母材核傷仍是需重點關注的病害，必要時調整探測周期。目前大型鋼軌探傷車的兌現率、重傷準確率均不高，但作為一種高效的新技術手段仍然值得推廣，因此建議采用現有探傷模式，以手推探傷為主，結合檢測數據在實際應用中繼續完善大型探傷車技術。

3）朔黃鐵路上行測量區段內軌道不平順（軌距、水平、三角坑）動、靜態波形趨勢重合較好，但是幅值會有一定差異，且軌道動、靜態不平順幅值并不存在一一對應的關系，相互關系只是統計上的關系。動、靜態幅值最大差異在3.0 mm 以內，80%的差異累計分布率在2.0 mm 以內。朔黃鐵路上行重載線路軌道不平順（軌距、水平、三角坑）靜態值與動態平均值具有較強的相關性，三者的靜態與動態平均值相關系數分別為1.00，0.98，0.99。朔黃鐵路軌道動靜態不平順幅值近似成線性相關。從檢測效率和人工成本考慮，可適當采用動態檢測替代靜態檢測。