鐵路病害整治設計階段風險管理研究

周 陽

1. 蘭州交通大學 甘肅 蘭州 730070

2. 中鐵二院工程集團有限責任公司工經(jīng)院 四川 成都 610031

高速鐵路系統(tǒng)中，道岔屬于列車轉(zhuǎn)線、停站的重要部位，也是鐵路路線中最薄弱的位置之一，因此道岔屬于高速鐵路病害整治項目中設計的重點，需要設計人員精心做好道岔的病害整治與養(yǎng)護維修，尤其是要針對道岔扣件系統(tǒng)的病害特點，設計針對性的整治方案，采取一定風險管理措施，降低道岔扣件系統(tǒng)發(fā)生病害的風險，維護高速鐵路正常運行。

1 高速鐵路道岔及扣件系統(tǒng)的病害特點

道岔屬于高速鐵路重要的連接設備，主要設置在鐵路線路的分支部位，組成方式有多組、單組等形式。高速鐵路在運行過程中，高速鐵路運輸量、運輸頻率直接會影響道岔的耐久性和穩(wěn)定性，道岔會因為較大的外部負荷發(fā)生各種病害[1]。在高速鐵路道岔病害的整治項目中，設計人員要根據(jù)高速鐵路運行的實際情況，結(jié)合現(xiàn)場檢查結(jié)果，準確評估道岔的病害情況，便于在項目設計中制定針對性的病害整治方案。在高速鐵路道岔的病害整治項目中，如果扣件系統(tǒng)出現(xiàn)病害，引起系統(tǒng)失效、零件固定不牢等情況，直接會引起道岔故障。如果道岔枕位置發(fā)生偏移，扣件系統(tǒng)直接會受到影響，設計人員要考慮導致道岔偏移的原因，如螺栓錯位。在病害整治設計中，如果不注重對道岔扣件系統(tǒng)的病害采取針對性養(yǎng)護和維修措施，可能會導致病害問題加劇，如螺栓在外部環(huán)境作用下會出現(xiàn)腐蝕，如果病害整治不到位，會導致螺栓無法發(fā)揮出相應作用，道岔扣件系統(tǒng)質(zhì)量直接會受到影響，給列車的正常運行帶來巨大安全隱患[2]。

2 高速鐵路道岔扣件系統(tǒng)的常見病害

2.1 岔枕螺栓病害

道岔扣件系統(tǒng)中，M30岔枕螺栓和預埋尼龍?zhí)坠苓B接在一起，受外部環(huán)境影響，高速鐵路在長期運營后，外部環(huán)境作用于螺栓和尼龍?zhí)坠埽赡馨l(fā)生銹死的問題，無法對螺栓或尼龍?zhí)坠苓M行拆卸；螺栓銹蝕后發(fā)生折斷的風險較高，尤其是在運輸量和運輸頻率增加后，這一風險會不斷延長；部分項目中岔枕內(nèi)的尼龍?zhí)坠軙l(fā)生失效的情況，M30無扣壓力扭力矩[3]，這可能引起道岔枕上鋼軌部件脫軌，導致空吊等幾何尺寸發(fā)生變化，使動態(tài)荷載加劇，巨大的外部荷載可能引起混凝土岔枕被壓斷，或者鐵墊板發(fā)生開裂的現(xiàn)象。

2.2 硫化墊板彈性衰弱

高速鐵路在運行過程中，道岔扣件系統(tǒng)如果長時間未得到有效維護，可能造成硫化墊板的保護層破壞，促使彈性墊板和鐵墊板發(fā)生分離情況，在列車行駛帶來的外部荷載影響下，鐵墊板可能發(fā)生折斷的風險。硫化墊板有一定使用壽命，在外部環(huán)境影響下硫化墊板老化，其會發(fā)生彈性衰弱的問題，這會導致硫化墊板作用受到限制；硫化墊板彈性衰弱容易引起保護層破損，最終引發(fā)鐵墊板斷裂。

2.3 軌下墊片壓潰

軌下調(diào)高墊片受列車行駛帶來的荷載影響，可能發(fā)生壓潰病害。墊片出現(xiàn)壓潰之后，膠墊的邊緣會逐漸超出鋼軌軌底邊緣位置，鋼軌軌底對墊片施加的壓力會不斷增加，直接會導致墊片與膠墊發(fā)生損壞，直接會影響扣件系統(tǒng)正常運行。

2.4 彈條病害

道岔扣件系統(tǒng)中，彈條是易發(fā)生病害的部件，如彈條折斷、缺損、位置偏移等問題，會給扣件系統(tǒng)正常運行造成不良影響，此類病害不易被察覺，因此在設計過程中，要將彈條病害問題作為風險管理的要點。

3 高速鐵路道岔扣件系統(tǒng)病害問題的成因及整治

3.1 岔枕螺栓病害成因及整治措施

3.1.1 成因

列車行駛過程中，車上留下的油漬污水落在道岔上，導致M30岔枕螺栓污損，加劇螺栓銹蝕；當列車在過岔的時候，道岔曲股為設置曲線超高，會有很高的離心力產(chǎn)生，這種外部作用力會使得原本銹蝕的螺栓頸部被剪斷。高速鐵路投入使用后，養(yǎng)護單位對M30岔枕螺栓的養(yǎng)護不及時，長時間不涂油，尼龍?zhí)坠軆?nèi)因為缺少一定的潤滑作用，螺栓與尼龍?zhí)坠芸赡軙l(fā)生銹死。在道岔設計中，國產(chǎn)道岔的中間連接結(jié)構(gòu)設計，一般選用鐵墊片，缺少混凝土擋肩設計，列車通過時車輪產(chǎn)生垂向和橫向的巨大荷載作用于鋼軌，鋼軌通過M30岔枕螺栓向岔枕傳遞荷載的過程中，在螺栓頸部下的一定位置會有一個較強的受力點，導致螺栓在該處折斷，從既往工程項目的現(xiàn)場勘察情況來看，多數(shù)螺栓折斷都在這個部位。維修過程中，在道岔的改道階段，維修人員使用大錘在敲擊鋼軌時，會直接對M30岔枕螺栓產(chǎn)生較大作用率，螺栓斷裂的風險會隨之增加。M30岔枕螺栓的扭力矩標準為300～350N·m[4]，如果未執(zhí)行這一標準，會因為過大扭力矩反復拆卸，導致尼龍?zhí)坠軆?nèi)的螺紋失效，加劇螺桿銹死的問題。高速鐵路施工中，新鋪設的道岔可能面臨M30岔枕螺栓未擰緊或復緊不及時的問題，安裝時扭力矩達不到設計標準，在后期列車行駛過程中受高頻振動的作用力影響，螺桿螺紋和尼龍?zhí)坠芙z扣在相互作用下會導致螺紋磨損。部分施工單位可能未考慮氣候條件，在氣溫較低的條件下施工，低溫條件下施工尼龍?zhí)坠馨l(fā)生收縮，M30岔枕螺栓在加熱后擰入時可能導致尼龍?zhí)坠芎吐菟òl(fā)生膠合，引起尼龍?zhí)坠軆?nèi)側(cè)螺紋失效。

3.1.2 整治措施

1、銹死

①M30岔枕螺栓的整治中，對螺桿銹死可以采用16磅大錘敲擊，震松后使用大扭力矩扳手拆卸。②使用加長力臂的呆頭扳手，3人同時用力進行拆卸；如果仍然無法拆卸，可以使用長手柄套筒扳手，1人負責固定螺栓，兩人同時用力進行拆卸。③如果M30岔枕螺栓和尼龍?zhí)坠茕P死，上述措施無法解決問題，可以先對尼龍?zhí)坠苓M行加熱，尼龍?zhí)坠苘浕笤龠M行拆卸。

2、折斷

①遺留部分高出岔枕面的，采用起吊方式抬起道岔鋼軌，卸下硫化墊板，平移至不影響正常作業(yè)的區(qū)域。使用高強度螺栓桿與預留在外面的螺栓進行焊接，焊接時對遺漏的螺桿進行加尼龍?zhí)坠苘浕蠹皶r采用扳手擰出折斷的螺栓。②對低于岔枕面的折斷，根據(jù)螺桿距離岔枕頂面的距離，選擇不同擰出方式。如螺桿較深，可以采用一根空心鐵管，鐵管外徑要略小于斷裂螺桿的外徑，內(nèi)徑要略粗于焊條直徑，外壁要保持一定能夠厚度。采用內(nèi)徑焊接方式將鐵管和短螺栓進行焊接，使用管鉗將鐵管按照逆時針旋出從而帶動斷螺桿旋出。

3、失效

如果尼龍?zhí)坠苁В梢圆捎秒娂訜岱ā@頭垂直向下拔錨方法等進行處理，保證將斷裂的螺桿從尼龍導管內(nèi)旋出，及時更換螺紋失效的尼龍?zhí)坠堋?/p>

3.2 硫化墊片彈性衰弱原因及整治措施

3.2.1 成因

高速鐵路施工中，施工單位未規(guī)范使用挖掘機等重型機械，在壓過鋼軌時巨大荷載直接作用于道岔硫化墊板，引起硫化墊板保護層壓壞。道岔扣件系統(tǒng)維護保養(yǎng)階段，施工人員使用倒垂敲擊墊板改道，或者對鋼軌病害進行整治時，可能導致鐵墊板的硫化保護層破壞。墊板硫化層容易老化，尤其是在與鐵墊板熔接的位置，容易因為老化發(fā)生破損。在鐵墊板上，通常會設置鐵座、錨固螺栓孔等，這會導致硫化層厚度不均勻，在較為薄弱的位置硫化層老化的速度更快[5]。在列車行駛的過程中，其在產(chǎn)生巨大后再后，如果M30岔枕螺栓扣出現(xiàn)壓力不足的情況，在沖擊時會使彈性墊板不斷變?nèi)酰瑥亩l(fā)空吊的問題；列車行駛產(chǎn)生的高頻振動，如果面臨彈性墊板彈性強度不足的情況，可能會促使下部的彈性墊板和上部鐵墊板發(fā)生分離，直接影響鐵墊板的使用壽命，嚴重時鐵墊板會發(fā)生折斷。硫化墊板扣壓鋼軌的方式存在差異，一般是在軌外側(cè)采用彈條扣件扣壓，基本軌道內(nèi)側(cè)使用滑床臺板、剛彈片扣壓，不同結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的扣壓力存在差異，基本軌、長心軌、尖軌等面臨的壓力不夠均衡，可能引起硫化墊板的損壞。

3.2.2 整治措施

高速鐵路道岔扣件系統(tǒng)整治項目中，如果發(fā)現(xiàn)鐵墊片失效、損壞，要及時更換鐵墊片，盡量采用原廠生產(chǎn)的鐵墊片；整組道岔可以考慮對某一部位的硫化墊片進行更換，如果在道岔的轉(zhuǎn)折位置，建議從尖軌的尖端開始更換。在更換硫化墊板前后，都要加強對硫化墊板的剛度檢測，每年可以在每組道岔抽取3塊硫化墊板送往專業(yè)檢測機構(gòu)進行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)硫化墊板彈性衰弱，要立即采取應對措施，必要時可以更換硫化墊片。

3.3 軌下墊板壓潰病害成因及整治措施

3.3.1 成因

軌下墊板直接會受到列車荷載的影響，鋼軌直接對墊板產(chǎn)生作用力，長此以往導致墊板厚度變小，引起墊板破損的風險。設計人員可以在現(xiàn)場觀察中，直接觀察鋼軌軌底邊緣，判斷是否發(fā)生軌下墊板壓潰。膠墊受上部荷載影響會不斷變寬，拆卸后可以部分膠墊中部存在壓穿的病害；道岔尖軌與長心軌位置的滑床臺板經(jīng)常要涂潤滑油，潤滑油下滲作用于翼軌、基本軌，會導致膠墊受到腐蝕，膠墊老化速度變化，引發(fā)壓潰病害的概率上升。膠墊和墊片設置的位置不合理。膠墊主要發(fā)揮防止鋼軌發(fā)生爬行的作用，設置在鋼墊下方，調(diào)高墊板是起到提高的作用，其必須設置在膠墊下部，調(diào)高墊板的安裝需要在膠墊拆除后進行，安裝呈現(xiàn)比較復雜，部分施工單位為追求施工效率，可能會將墊片設置在膠墊上，引起鋼軌爬行，引發(fā)墊片穿出的問題。

3.3.2 整治措施

軌下墊片因壓潰失效后，要及時更換墊片，對特殊位置如翼軌、基本軌等為部位的軌下墊片，可以選用耐油的高彈性焦點，通過這種方式提高線路的穩(wěn)定性。由于在更換膠墊時，需要連續(xù)松懈多套前后扣件才能抽出膠墊和插入新膠墊，再加上作業(yè)空間狹小、作業(yè)難度較大，膠墊的取出和插入有較高難度，因此每次在更換膠墊時都要做好質(zhì)量檢測工作，保證新膠墊的質(zhì)量，盡量延長膠墊的使用壽命，減少維修和更換的頻率。

3.4 彈條病害成因及整治措施

3.4.1 成因

每次對道岔扣件系統(tǒng)進行保養(yǎng)維護時，都需要拆卸扣件，在改道或者墊片維修期間，都要重復拆卸扣件彈條[6]。安裝彈條時，如果工作人員未按照規(guī)定扭力矩擰緊螺栓，導致扭力矩過大，彈條容易被振斷，如果扭力矩過小，彈條位置會發(fā)生偏移，設置會出現(xiàn)脫落。彈條受到鋼軌振動影響，列車行駛時高頻振動可能引起彈條診斷；道岔轉(zhuǎn)折位置，基本軌內(nèi)側(cè)鋼制高強度彈性夾扣壓，基本軌外側(cè)由彈條扣壓；撤叉心軌的翼軌內(nèi)存由滑床臺扣壓，外側(cè)由彈條扣壓，在二者口壓力不一致的情況下，可能導致彈條斷裂。

3.4.2 整治措施

扣件系統(tǒng)的整治項目中，設計人員嚴格檢查彈條的情況，如果發(fā)現(xiàn)彈條彈性不足，或者發(fā)生斷裂，要及時更換彈條。如果發(fā)現(xiàn)T型螺栓受力不均，需要同時更換螺栓、彈條、螺帽、防塵帽和平墊圈。

4 高速鐵路病害整治設計中風險管理策略

4.1 做好現(xiàn)場勘察，實時掌握扣件系統(tǒng)的情況

扣件系統(tǒng)病害整治項目設計中，風險管理要貫穿于設計的整個流程，尤其設計前需要嚴格做好現(xiàn)場勘察工作，全面了解高速鐵路道岔扣件系統(tǒng)的情況，嚴格落實對扣件系統(tǒng)的質(zhì)量檢查。設計人員在現(xiàn)場勘察過程中，要將扣件系統(tǒng)的M30岔枕螺栓、硫化墊片、軌下墊板、彈條等作為重點檢查對象，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，并在設計中制定針對性的整治方案，明確不同問題需要實施的具體整治措施，以全面且準確的現(xiàn)場勘察結(jié)果為依據(jù)，為扣件系統(tǒng)病害整治設計的風險管理提供可靠依據(jù)。

4.2 整體更換扣件，維持系統(tǒng)正常運行

設計人員在工作中一旦發(fā)現(xiàn)道岔扣件系統(tǒng)達到整體更換的要求，在更換時必須保證扣件系統(tǒng)各部分剛度的均勻性。在高速鐵路道岔扣件系統(tǒng)中，其結(jié)構(gòu)組成包括三個部分。第一個部分為基本軌起始端到基本軌末端；第二部分為撤叉心部位，從翼軌起始端到道岔尾部；第三部分為導曲部分，從尖軌末端到翼軌始端。設計人員要將扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中不同部分作為一個管理單元，在具體設計中如果要更換扣件系統(tǒng)，要同時將三個結(jié)構(gòu)部分作為把控重點，如果某一管理單元內(nèi)的扣件系統(tǒng)發(fā)生損壞，或者出現(xiàn)零部件損壞問題，可以制定單元整體更換策略，在對對應單元進行更換時，統(tǒng)籌考慮其他兩個單元的情況，避免因為某一單元零部件更換導致其他單元剛度失衡。

4.3 強化材料管理，延長使用壽命

材料問題容易引發(fā)扣件系統(tǒng)的各類病害，不利于高速鐵路運行的安全性。在扣件系統(tǒng)病害整治設計中，設計人員要將扣件系統(tǒng)的各類備用材料作為管理重點，注重對備用材料管理風險進行防范。在扣件系統(tǒng)備用材料管理中，設計人員首先要完善備用材料的庫房設計，按照不同材料保存的標準進行庫房建設。在庫房設計中，設計人員要根據(jù)不同備用材料保存的要求，做好庫房的防潮、通風、防腐等設計[7]。各類備用材料到場后，要按照相關(guān)標準進行分類，并及時將材料表面的水漬、油污擦拭干凈，及時將備用材料轉(zhuǎn)移至庫房。由于扣件系統(tǒng)對墊板等材料的使用年限由較高要求，設計人員要將備用材料中的墊板作為重點檢查對象。對橡膠制品等備用材料，由于此類材料從出廠后就進入不斷老化環(huán)節(jié)，長時間保存不利于其使用壽命，因此設計人員可以根據(jù)既往整治數(shù)據(jù)，結(jié)合高速公路實際情況按需設計材料采購標準，保證所采購橡膠材料能及時投入使用。

5 結(jié)語

綜上所述，高速鐵路道岔扣件系統(tǒng)在整個鐵路系統(tǒng)中扮演著重要決策，扣件系統(tǒng)發(fā)生病害，會增加高速鐵路運行的風險，因此在高速鐵路道岔扣件系統(tǒng)的病害整治設計中，要采取相應的風險管理措施，在保證扣件系統(tǒng)病害整治效果的同時，降低病害問題給高速鐵路造成的安全風險。