朔黃重載鐵路線路設備合理修理周期研究

王風

國能朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司，山西原平 034100

為滿足煤炭運輸、資源開發和地區經濟發展的需要，朔黃鐵路在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、規模化開行萬噸和兩萬噸重載列車的擴能改造方案，大幅提升運輸能力［1］。隨著貨車軸重提高、運輸密度增加，朔黃鐵路既有維修天窗將會進一步減小，維護與運營的矛盾將更加突出。

朔黃鐵路線路修理主要參考〔2006〕146號《鐵路線路修理規則》，而重載鐵路大軸重和大運量條件下線路設備狀態的變化規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狀的基礎上，通過理論分析、室內試驗和現場測試，分析鋼軌、軌枕、扣件、道床等線路設備的劣化規律，提出適用于朔黃重載鐵路線路設備的修理周期。

1 維修現狀

朔黃鐵路線路設備修理分為設備大修和維修。設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通過總質量；輕車線鋪設60 kg/m鋼軌無縫線路，鋼軌大修周期為10億t以上通過總質量；道床清篩周期一般為3年［2］。近年來運量提升，以年通過總質量250～375 Mt計算，則清篩周期約750～1 125 Mt通過總質量。

《鐵路線路修理規則》中規定的線路設備大修周期見表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通過總質量，道床清篩周期不變。

表1 線路設備大修周期

朔黃鐵路鋼軌大修周期在TG/GW 102—2019規定的換軌周期內，但由于鋼軌供貨等原因，目前朔黃鐵路少部分通過總質量在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量超過了375 Mt，清篩周期比規定的周期長。

2）維修周期

朔黃鐵路鋼軌打磨側重于修復性打磨，主要消除小半徑曲線區段外軌側磨、內軌壓潰性垂磨傷損以及直線區段鋼軌表面魚鱗狀裂紋損傷和波磨。鋼軌打磨利用天窗進行，按照重車線每年2遍、輕車線每年1遍的周期進行鋼軌打磨。以年通過總質量250～375 Mt計算，則重車線打磨周期為125.0~187.5 Mt通過總質量，明顯超過了TG/GW 102—2019規定的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鋼軌發生1處疲勞重傷的累計概率；t為通過總質量，Mt；m、t0為威布爾分布參數，m＞0，t0＞0。

由式（1）可見，F（t）隨t增大呈冪函數增長。

朔黃鐵路直線區段F（t）隨t變化曲線見圖1。采用冪函數進行擬合，冪指數為1.656。相關系數R2=0.981 6，說明擬合精度較高。

圖1 朔黃鐵路直線區段F（t）隨t變化曲線

為將擬合函數轉換成式（1）格式，先計算t0。t0=

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

2）曲線區段

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

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量變化曲線

圖3 軌頂面裂紋長度和深度隨通過總質量變化曲線

由圖2、圖3可知：①通過總質量10 Mt時，外軌和內軌軌距角以及外軌軌頂面均出現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通過總質量達到60 Mt時，內軌軌距角裂紋長度達到最大值2.5 mm。③通過總質量達到100 Mt時外軌軌頂面裂紋深度達到最大值1.2 mm。④通過總質量達到150 Mt時外軌軌頂面裂紋長度達到最大值4.0 mm。⑤通過總質量超過150 Mt后，外軌軌頂面裂紋停止向鋼軌內部擴展，相鄰裂紋開始貫通，進而發展為剝離掉塊；外軌和內軌軌距角裂紋長度基本穩定在1.5～2.5 mm，深度基本穩定在0.4～0.7 mm。

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

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，部分小半徑曲線區段鋪設SH?Ⅰ型混凝土軌枕［7］。

目前我國鐵路混凝土軌枕使用狀態主要根據其傷損程度進行評估。TG/GW 102—2019中規定了混凝土軌枕的失效及嚴重傷損標準。混凝土軌枕的維修主要是更換軌枕。換枕須結合線路的大修和綜合維修開展，采用大機換枕和人工換枕相結合的方式進行。相對于鋼軌、扣件、道床等其他軌道部件，混凝土軌枕的穩定性較高，使用壽命較長，因此維修工作量較小［8］。

3.2 扣件

扣件的更換周期應綜合考慮扣件失效標準和現場實際情況合理確定。為了減少養護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行。多年運營實踐表明，直線區段在鋼軌大修周期內扣件基本能夠滿足運營的要求。因此，建議直線區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）室內試驗

按25、30 t軸重分別加載進行模型試驗。不同軸重下道床累計變形見圖4。可知：①道床累計變形總體上可分為兩個階段。第一階段為道床穩定階段，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，進入第二階段（道床穩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軸重下道床養護維修工作量比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律

2）現場觀測

對K79+500處一個搗固周期內道床穩定階段累計變形進行觀測。通過總質量150 Mt時實測道床累計變形約5～6 mm，與按室內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，而且實測軌道質量指數僅增大1～2 mm，因此在目前年通過總質量375 Mt、軸重25 t運營條件下，每年2遍的搗固周期基本可行。

結合室內試驗和現場觀測結果，朔黃鐵路30 t軸重條件下通過總質量150 Mt時道床累計變形約14～15 mm，通過總質量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。通過理論計算和現場測試的道床臟污率分析道床臟污的發展規律，為重載鐵路道床的大修提供參考。

1）理論計算

不同道砟材質對道床密實度影響較大，TB/T 2140—2008《鐵路碎石道砟》規定道砟密度最小為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《鐵路軌道設計規范》規定穩定碎石道床密度為1.7 g/cm3，現場實測的新建線路道床密度不超過1.9 g/cm3。根據不同道砟材質密度以及道床密度計算得到新建或清篩線路穩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］。假定穩定碎石道床初始臟污率為0，不同材質道砟的孔隙被臟污成分完全填滿需要清篩時，其對應的道床臟污率為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%時進行清篩。

2）現場試驗

在朔黃鐵路對不同清篩時期的道床現場采樣測量臟污率。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的組分再次稱其質量W1，計算道床臟污率（W1/W），結果見表2。可知，K408+750處道床臟污率明顯高于其他處所，現場調研發現該處存在大量機車撒沙。

表2 朔黃鐵路道床臟污率測試結果

結合國內大秦、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量的關系，見圖5。可知：通過總質量達到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，通過總質量達到1 300～1 500 Mt時進行清篩。

圖5 道床臟污率與通過總質量的關系

選擇半徑500 m曲線段鋪設新型重載軌道（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）區段作為對比段，測試分析30 t軸重下其道床頂面應力，結果見表3。可見：30 t軸重下新型重載軌道和既有軌道的道床頂面應力均明顯低于容許應力500 kPa；與鋪設既有軌道區段相比，鋪設新型重載軌道區段道床頂面應力可降低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軸重下道床頂面應力測試結果

在相同軌道結構條件下，理論上30 t軸重列車作用下道床頂面壓應力比25 t軸重列車作用下增加20%。綜合考慮軸重以及軌道結構對道床粉化、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 結論

1）根據朔黃鐵路鋼軌傷損統計結果，建議在既有運營條件下直線區段鋼軌大修周期為1 390～1 650 Mt通過總質量。半徑400～1 500 m曲線區段鋼軌大修周期為300～800 Mt通過總質量。

2）根據鋼軌裂紋長度和深度隨通過總質量的發展規律，建議在通過總質量達到60 Mt前進行預防性打磨，通過總質量超過150 Mt時進行修理性打磨。

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

4）目前年通過總質量375 Mt、軸重25 t運營條件下，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%時應清篩。結合現場測試結果，建議25、30 t軸重下通過總質量分別達到1 300～1 500 Mt和1 200～1 300 Mt時進行清篩。