貴冶鐵路線路鋼軌斷裂原因及預防措施

殷 飛

（江西銅業股份有限公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

貴冶企業專用鐵路線路全長43.8km，有效長28.1km，主體建于20世紀80年代，鋼軌主要采用單軌長度12.5m的P43軌，道岔采用9號木枕道岔。近年來線路逐步升級改造，升級為單軌長度25m的P50軌，道岔升級為9號砼枕道岔。雖然每年都有計劃升級改造，但升級改造速度較緩，總體來說線路等級偏低，與貴冶鐵路的高運量不相匹配。

鐵軌是鐵路線路最重要的組成部分之一，起著承載和導向作用，鐵軌的正常與否直接影響著鐵路運輸的安全。鋼軌斷裂是鐵路線路日常運行過程中極其危險的隱患，是鐵路運輸過程中最大的安全隱患。多年來，鋼軌斷裂安全隱患一直影響著貴冶鐵路運輸的安全順行。伴隨著貴冶的高速發展，貴冶鐵路運量逐年攀升，貨物凈吞吐量已突破500萬t/a，高運量加快了鋼軌疲勞傷損的速度，縮短了鋼軌的使用壽命。近年來，鋼軌發生斷裂的事件更加頻繁。因此，從根本上解決鋼軌斷裂問題，確保鐵路線路安全平穩運行尤為重要。

2 近年來典型斷軌病害分析

2.1 24#道岔斷軌

2021年2月7日，線路點檢員在貴冶廠區24#道岔附近巡檢時發現，該道岔岔心后連接軌斷裂（見圖1）。為確保行車安全，線路點檢員第一時間與現場調乘作業人員取得聯系，并叫停了正在通行的列車。后來經過現場檢查確認，對斷軌進行了充分評估，采取了特護和限速的方式指揮列車駛離斷軌區域，并緊急更換了該道岔斷裂鋼軌。由于發現及時，并立即進行了應急處置，此次斷軌未對鐵路運輸造成太大影響。

分析：此次出現斷軌的道岔是P43軌9號木枕道岔，此道岔是多條裝卸作業貨位線路的必經之路，每天的列車通過量較大，鋼軌一直處于高負荷工作狀態。經現場勘驗發現，發生斷軌病害的臨近區域有多根岔枕失效，且接頭下沉嚴重。當車輛通過此處時，由于枕木失效，接頭下沉嚴重，車輛經過時軌底承受的壓應力增大。軌端螺栓孔處是鋼軌的薄弱環節，在長期高頻率的超常壓力作用下，螺孔周圍容易產生裂紋，繼而發生斷軌。24#道岔斷軌是典型的線路基礎不牢造成的，因此，做好線路基礎的日常維護保養，如搗固、換枕、清篩等，是預防斷軌的一個重要舉措。

圖1 24#道岔斷軌現場圖片

2.2 區間大彎道斷軌

2020年7月16日，在區間大彎道處發現鋼軌有縱向裂紋并出現局部斷裂（見圖2）。由于發現及時且處置快速，未對鐵路運輸造成影響。

分析：此處斷軌位于曲線下股，曲線半徑超過1000m，軌距加寬值為0mm。此處斷軌主要原因：鋼軌軌端兩次鉆孔，螺栓孔有6個，且孔間距較小，嚴重削弱了鋼軌的承載力。按照鐵路技術規范，為了使上下股鋼軌接頭對接，必須在下股適當位置鋪設縮短軌。對于12.5m的標準軌，配有縮短量為40mm、80mm和120mm的三種標準縮短軌；對于25m的標準軌，配有縮短量為40mm、80mm和160mm的三種標準縮短軌。因縮短軌用量小，且采購比較麻煩，為了便于施工，在鋪設該線路時沒有采用標準的縮短軌，而是將自帶螺孔的25m標準鋼軌端部切割掉160mm后作為縮短軌。由于軌端被切割，接頭螺栓孔也要相應重新鉆孔，就造成了如圖2所示的一端有6個接頭螺栓孔的情況，而且兩孔孔距較小。軌端50cm內鉆了6個螺栓孔，造成軌端薄弱，埋下了安全隱患。此處斷軌開始是在螺栓孔處出現裂紋，裂紋逐漸向上蔓延，直至鋼軌完全斷裂。此次斷軌是典型的施工工藝不標準和工務管理不規范造成的。

圖2 區間大彎道斷軌現場圖片

2.3 20#道岔斷軌

2020年4月19日，在廠區20#道岔處發現鋼軌斷裂（見圖3）。由于發現及時且處置快速，未對鐵路運輸造成影響。

分析：此次線路出現斷軌的位置處于道口的一側，距離道口僅1.5m。為了滿足通行，道口處基礎全部采用鋼筋水泥硬化。而道口兩側的線路道岔是木枕道岔，基礎是沙子和道砟，有一定的彈性。兩側的道岔相較于硬化的道口屬于軟性基礎，這樣就形成了一邊硬（道口）、一邊軟（道岔）的情況。當車輛通過軟硬基礎交接處時，在基礎硬化一側由于緩沖效果降低容易出現鋼軌斷裂，特別是在軟硬過渡關鍵區域出現軟基側搗固不實時，鋼軌所受的壓力無法由硬基向軟基實現平滑過渡，且鋼軌上部的承載重量不能有效地向基礎均勻傳導，進一步加劇了鋼軌的疲勞和易出現斷裂的劣化傾向進程。

圖3 20#道岔斷軌現場圖片

2.4 軌道衡引軌斷軌

2017年5月16日，在軌道衡引軌處發現鋼軌斷裂（見圖4）。由于發現及時且處置快速，未對鐵路運輸造成影響。

分析：此軌道衡作業頻繁，每年通過量超過200萬t。根據軌道衡與引軌連接方式的特殊性要求，對引軌進行了切邊處理，削弱了鋼軌的承載力，形成了一個薄弱點，在車輪的長期沖擊作用下最終造成了斷軌。

圖4 軌道衡引軌斷軌現場圖片

2.5 26#道岔斷軌

2014年8月3日，在廠區26#道岔處發現鋼軌斷裂（見圖5）。由于發現及時且處置快速，未對鐵路運輸造成影響。

分析：觀察斷口痕跡發現，鋼軌中間有很多氣泡，填充不實，降低了鋼軌的強度，影響了鋼軌的使用年限。此處斷軌屬于典型的鋼軌材質缺陷導致斷軌。

圖5 26#道岔斷軌現場圖片

3 軌道力學及斷軌原因分析

3.1 軌道力學分析

作用于軌道上的力比較復雜，而且具有較強的隨機性和重復性。鋼軌要承受復雜多變的力，必須要有足夠的強度，而且抗疲勞性、耐磨性及幾何尺寸精度也要達標，才能保證運行性能和運行安全。

鋼軌所受的力大體上可以分為三種（見圖6）：垂直于軌面上的豎向力；垂直于鋼軌的橫向水平力；平行于鋼軌的縱向水平力。

豎向力主要包括：

（1）車輪荷載；

（2）受機車車輛構造及其狀態影響的動力附加值；

（3）受軌道構造及其狀態影響的動力附加值；

（4）受機車車輛在軌道上運動狀態影響的動力附加值。

橫向力主要包括：

（1）車輛在方向不平順的軌道上蛇形運動產生橫向水平力；

（2）車輛接頭死彎、道岔尖軌、護軌等處的輪軌沖擊引起的橫向水平力；

（3）車輛通過曲線時因欠超高（或過超高）引起的未被平衡的橫向力；

（4）車輛通過曲線軌道時轉向架轉向使車輪輪緣作用于鋼軌側面的導向力。

縱向力主要包括：

（1）鋼軌爬行力；

（2）坡道上車輛重力的縱向分力；

（3）制動力；

（4）摩擦縱向力；

（5）溫度變化引發的內部張力。

圖6 輪軌之間的作用力示意圖

3.2 斷軌原因分析

鐵路線路鋼軌斷裂一般是由多個因素綜合作用引起的，如鋼軌材質、線路運量荷載、線路基礎情況、氣溫變化等。

3.2.1 鋼軌材質有缺陷

（1）制造鋼軌的鋼材硬度、韌度、強度等不足，直接影響鋼軌行車安全和使用性能［1］。

（2）鋼軌內部存在暗核、細小裂紋或空隙等缺陷，在車輛的反復碾壓下容易成為疲勞源［2］。

（3）鋼軌中存在非金屬夾雜物，對萌生疲勞裂紋有較大的促進作用。夾雜物的材性與鋼軌的材性不同，在溫度變化時，鋼軌與夾雜物的熱膨脹性能存在差異，交界處便會產生拉應力，導致夾雜物與鋼軌母材之間形成空穴［3］。

3.2.2 線路基礎不牢

（1）線路基礎不牢是導致鋼軌斷裂的主要原因之一。當線路出現接頭下沉、空吊板、三角坑、翻漿冒泥、道床板結等隱患，如果未及時進行整治維修，會出現線路不穩定和枕下彈性不均等問題，進而導致鋼軌在列車的反復碾壓下容易發生斷軌。

（2）曲線地段超高設置不合理會導致鋼軌的橫向受力加劇，在曲線薄弱地段易引起鋼軌折斷。

3.2.3 線路養護不當

（1）機械作業時工具使用不當或作業方法不正確造成鋼軌傷損［4］。如：搗固作業時搗鎬搗傷鋼軌，不松螺栓強行起道時損傷鋼軌。

（2）作業人員維修作業時無法準確控制作業量造成鋼軌傷損。如：線路起道或撥道作業量把握不準而出現超量，導致鋼軌出現不均勻變形、破損［5］。

3.2.4 鋼軌超限承載

鋼軌超限承載會縮短鋼軌疲勞周期，引發鋼軌的疲勞傷損，加速鋼軌斷裂。尤其是如果鋼軌內部有細小裂紋，在車輪的重復碾壓過程中會逐步發展成為一個疲勞源，并逐漸向軌頭內部擴展，使得軌面有效截面削弱，進而導致斷軌。

隨著鐵路運輸向高速、重載、高密度方向發展，鋼軌出現接觸疲勞傷損的現象越來越嚴重。鋼軌傷損的大量出現，必然引起鐵路線路的換軌施工作業量暴增［6］。

3.2.5 日常管理不到位

（1）線路點檢時不重視對鋼軌的檢查或巡道人員巡檢線路時不認真，未能及時發現鋼軌的細小裂紋，導致裂紋不斷擴大直至斷軌。

（2）對線路點檢發現的問題未作統籌安排，養護維修不及時，鋼軌的疲勞無法得到修復，小問題逐步發展為大隱患。例如：原本是小翻漿冒泥，由于未及時養護，最后發展成大翻漿冒泥，導致鋼軌軌底空吊嚴重，當車輛通過時，鋼軌局部所受沖擊力突增，容易造成鋼軌從底部斷裂。

（3）線路養護設備落后，機械化程度不高，導致養護質量不高。

（4）鐵路工務人員技能水平不高，對線路病害認知不夠。在日常培訓中，存在走過場、應付了事的現象。

3.2.6 溫度變化的影響

冬季晝夜溫差較大，鋼軌受熱脹冷縮的影響，拉應力加大。如果作用在鋼軌上的拉應力、承載力等合力超限，就會造成鋼軌傷損。

4 鋼軌傷損的規律總結

4.1 常發生鋼軌斷裂的地段

線路不平順處斷軌發生機率比平順處大；曲線地段比直線地段斷軌發生概率高。車輛行進過程中，在曲線地段對鋼軌的沖擊力較大，增加了鋼軌傷損的風險。

4.2 常發生鋼軌斷裂的部位

斷軌多發生在鋼軌的接頭位置。一是因為接頭位置容易下沉，一旦出現下沉，車輛通過時會導致鋼軌出現應力集中現象；二是因為接頭位置有螺栓孔，減弱了鋼軌抗疲勞的能力。

4.3 常發生鋼軌斷裂的時間

溫差大的時段或區域較容易發生斷軌。晝夜溫差較大時，由于熱脹冷縮的原因，會導致鋼軌的拉應力增大而容易發生斷軌。貴冶專用鐵路的斷軌故障多發生在冬季和春季，一般在每年的11月至次年的3月，所以在冬季和春季應提高對鋼軌進行探傷的頻次［7］。

5 預防斷軌的措施

要解決好鋼軌斷裂問題，就要堅持“預防為主、防治結合”的方針。通過對鋼軌斷裂原因的分析總結，提出以下預防措施。

5.1 強化組織明確責任

成立鋼軌防斷工作領導小組，分級管理、多級檢查、全員防斷。根據鋼軌防斷有關規定和要求，明確防斷重點，制定工作目標、日常安排、防斷措施、應急預案以及考核機制，并組織實施。根據設備狀態、大修計劃及各類施工情況，統籌安排鋼軌防斷有關工作。

5.2 強化防斷風險意識

定期或不定期地進行鋼軌防斷知識培訓，提高相關人員責任心及業務水平，并強化風險意識。

5.3 全面做好應急準備

（1）加強備品備件管理，定期檢查維護，保證鋼軌防斷工具在急需時齊全且能正常使用。例如，鉆孔機、切割機要定期進行試運轉檢測，確保設備狀態良好。

（2）完善斷軌應急處理預案，做到流程清晰，分工明確，措施有效。

（3）開展好防斷軌實操演練活動，規范搶險處理程序，增強應急處理能力。

5.4 加強線路設備檢查

（1）規范鋼軌探傷。按照“一看、二照、三敲、四摸”的手工復查程序，確保檢測不超速、不漏探，做到隱患一個不漏、死角一處不留［8］。

（2）對重點部位進行重點檢查。對鋼軌接頭、軌面有掉塊擦傷、曲線磨耗嚴重地段等重點部位進行重點檢查，及時發現問題并及時反饋和處置。定期打開魚尾夾板、鋼軌絕緣，查看螺栓孔周圍有無裂紋。

（3）對重點區域進行重點檢查。對列車通過量大、曲線半徑較小、大坡制動地段、線路狀況差等重點區域進行重點檢查，并落實鋼軌防斷責任人。

5.5 提高養護作業質量

線路養護質量的好壞直接影響鋼軌的使用壽命。平順的線路可以讓鋼軌受力均勻，降低鋼軌出現應力集中導致斷軌的風險。

在線路養護作業中，應注意以下幾方面：

（1）做好扣件復緊工作，增加線路穩定性。檢查鋼軌扣件有無松動、道釘是否有浮釘，保證鋼軌扣件的扣壓力，防止因扣件松動而使鋼軌出現撓動。尤其是要防止連續扣件松動、失效的情況，扣件標準要達到“三點接觸”。

（2）嚴格控制失效枕木根數，對連續2根以上枕木失效的情況要引起重視，并及時更換，最好做到無失效枕木在用的情況。

（3）加強搗固作業，特別是接頭位置的搗固。通過搗固作業，消除空吊板、三角坑等病害，保證線路平順且受力均勻。尤其要防范接頭處搗固不均的問題，因為如果接頭處一根枕木搗的過高、過實，而相鄰的另外一根枕木忘記搗固，甚至出現空吊，就會出現鋼軌受力不均的情況，很容易造成斷軌。

（4）對線路道砟情況進行全面調查，及時做好道砟均勻補充工作，防止線路因缺砟而降低穩定性。

（5）及時更換混凝土枕線路軌底大膠墊，保持線路彈性均勻。尤其要避免鋼軌直接壓在水泥枕受力作業面上的情況，因為鋼軌與軌枕之間直接剛性接觸會加速鋼軌的傷損。

5.6 不斷提高探傷能力

鋼軌探傷工作是防止鐵路斷軌的一道重要防線。要完善管理制度，使鋼軌探傷工作更加規范化、科學化［9］，嚴格按照探傷周期進行探傷作業，對事故多發地段、咽喉區域增加探傷頻次。同時，開展科技攻關，把升級探傷設備、完善探傷工藝和強化科學管理有機結合起來，不斷提高鋼軌傷損檢出能力。

6 結語

鋼軌是鐵路運輸的生命線，防止鋼軌斷裂是鐵路工務部門的重要日常工作之一，不僅要加大力度做好鋼軌的日常養護工作，還要做好鋼軌傷損的預防工作以及斷軌的緊急處置工作。唯有通過加強現場點檢，仔細排查故障隱患，做到早發現、早處理，并同時加強線路養護作業，不斷提高線路設施的質量，才能更好地保障鐵路運輸的安全和暢通。