略谈无缝线路的铺设养护技术要领
略谈无缝线路的铺设养护技术要领
宋兴龙
摘要：无缝线路被公认为是20世纪轨道结构最突出的改进与创新。但无缝钢轨从铺设施工到养护维修并非易事，其最大的技术难点是计算和控制四季、昼夜温差对钢轨、焊头、道岔的应力变化。
关键词：无缝线路；铺设；养护；技术要领
无缝线路（continuously welded rail track）是将许多根标准长度钢轨焊接成相当长的轨条并铺布在轨枕上的线路。无缝线路消除了大量钢轨接头，所以，行车更加趋于平稳，机车车辆及轨道维修费用大大降低，机车和轨道的使用寿命也相对加长，无缝线路是轨道结构的发展方向，铺设无缝线路是铁路轨道现代化的主要内容之一。要充分发挥无缝线路的优越性，必须同时满足强度和稳定性方面的设计和施工方面的要求。
1 无缝线路的主要特征
用长轨铺设的铁路线路,通常使用的标准钢轨长度为12.5m和25m两种。把10根或20根标准钢轨先在工厂焊接成125～250m的钢轨，再用特别编组的运轨车运到铺设工地，焊接成1000～2000米的长轨铺设在线路上，就成为无缝线路。
在普通轨道上，钢轨长度一般只有12.5 m或25 m，在接头处都留有轨缝，钢轨随轨温的变化可以伸缩。无缝线路上，钢轨长度在
1km 以上，这种轨道是被“锁定”着的，当轨温发生变化时，钢轨不能自由伸缩，在内部产生一种力，称为温度力。夏天轨温升高，钢轨欲伸长，但因受阻力影响而不能实现，从而转化为压应变，在钢轨内部产生压应力。冬季轨温降低，钢轨欲收缩，但因受阻力影响而不能实现，从而转化为拉应变，在钢轨内部产生拉应力。这是无缝线路区别于一般线路的根本特点。
由理论计算和运营实践表明：无缝线路内部的温度力的大小与轨温的变化幅度成正比关系，而与钢轨的长度无关，所以，在一定的温度变化条件下，只要轨道的强度与稳定能够得到保证，无缝线路的长度可以不受限制。但在实际应用中，考虑到自动闭塞区段绝缘接头的设置，桥梁、隧道、道叉的衔接及施工、维修的方便，无缝线路的长度一般为1～2km，两端还铺有短轨作为“缓冲区”，致使此种无缝线路中尚有10%左右的有缝线路。
2 无缝线路的发展进程
无缝线路是20世纪30年代开始出现的，但在50年代初期才真正得到发展。现在世界各国无缝线路已超过20万公里，约占世界铁路总长的20%。中国无缝线路是1958年开始铺设的，到1980年底铺设里程已达8000多公里，约占正式营业里程的16%。可以预见无缝线路这一新型轨道结构必将得到不断发展。
截至1992年底止，德国有92.3%的无缝轨道，西欧许多国家也得到了广泛的采用。中国1997年全路铺设的无缝线路已占正线里程的31%，并且铺设了几公里至上百公里的超长轨节无缝线路。
随着铁路事业的发展，列车轴重和列车运行速度都在增加，这就对轨道平顺性也提出了更高的要求。因此，建设无缝线路、延长无缝线路轨条的长度成为各国轨道发展的大趋势。近年，胶接绝缘接头技术日益成熟，桥上无缝线路及无缝道岔设计理论日臻完善，无缝线路施工方法与机具不断改进，无缝线路轨条得到持续的延长。长轨节无缝线路有区间无缝线路（从某个车站端部到另一个车站端部）和跨区间无缝线路（穿行车站、跨越桥隧、采用无缝道岔）。超长无缝线路采用了一系列的先进技术措施：如高强度胶接绝缘接头、无缝道岔、重型轨道结构等。目前，在秦沈客运专线、沪宁铁路等大批线路上铺设了跨区间无缝线路。
3 铺设无缝线路的主要参照项目、指标
3.1铺轨轨温、锁定轨温
最适宜于铺设焊接长钢轨的轨温称铺轨轨温。因为在铺轨过程中，轨温可能有波动，所以确定铺轨轨温时，容许有一个上下波动范围, 铺轨轨温范围定为T±5℃。无缝线路的施工，必须在这个轨温范围内完成铺设锁定工作，并把当时测量的轨温定为这一段无缝线路实际的锁定轨温。它是重要的技术资料，是计算轨温变化幅度的依据。
锁定轨温,也称无应力轨温或零应力轨温,是在长钢轨焊接铺设完毕，上紧扣件，装好防爬设备及接头夹板时的轨温。锁定轨温必须在铺轨轨温的容许波动范围内。锁定轨温一般应略高于当地最高轨温与最低轨温的平均值，防止酷暑季节钢轨温度压力过大，从而减少无缝线路胀轨跑道的潜在危险。当地最高轨温一般要高出最高气温20℃，而最低轨温则大致与最低气温相等。
选择锁定轨温的原则是以冬季钢轨不折断，夏季不发生胀轨跑道，并根据各个地区的轨温变化情况进行检算和调整，一般以高于本地区的中间轨温比较适宜。例如，中国北京地区最高轨温为62.6℃，最低轨温为-22. 8℃，中间轨温就是19. 9℃，而设计锁定轨温一般采用24℃。锁定轨温是计算轨温变化幅度的依据，必须详实记录，妥善保存，如因线路作业引起变化，应及时更正。
3.2 无缝线路的三种功能段
无缝线路内部的温度力，是由焊接长钢轨的自由伸缩受限制而产生的，而限制长钢轨自由伸缩的因素是阻力。在无缝线路焊接长钢轨的两端，限制其自由伸缩的阻力是接头阻力，在无缝线路的全长范围内，限制其自由伸缩的阻力是道床纵向阻力。
温度力沿钢轨长度的纵向分称为温度力分布，温度应力式无缝线路分为固定区、伸缩区和缓冲区。固定区是长钢轨不因轨温变化而伸缩的区段；伸缩区在长钢轨的两端，一般长约50～100m；缓冲区有2～4根标准长（12.5m或 25m）钢轨组成，以便于设置轨缝，放散应力和修理及更换绝缘接头和道岔。普通无缝线路的固定区及其两端伸缩区的总长，一般为1k～2km，如因其他设备或施工条件限制时，不短于300m。
长轨的一部分自由伸缩由于接头阻力及道床阻力的限制而不能实现，从而出现不同程度的限制伸缩，这一区域称为伸缩区。两端伸缩区以外的中间部分，全部自由伸缩被限制，因而处于完全固定的状态，这一区域称为固定区。由此可见，无缝线路上最大温度力出现在固定区，它仅与钢轨的最大轨温变化幅度有关。
3.3 无缝线路的强度和稳定性要求
为防止钢轨断裂，无缝线路应具有足够的强度。无缝线路强度要能够承受在列车动力作用下，焊接长钢轨所受的弯曲应力、温度应力及制动力的总和。
此外，无缝线路还必须满足稳定性要求。理论计算和实际操作表明，无缝线路在垂直面上臌曲的可能性几乎为零，胀轨跑道总是在水平面上的原始弯曲处发生。轨道臌曲的渐变阶段称为胀轨，突变阶段称为跑道。当轨温不高,温度压力不大时,轨道的臌曲变形极小；随着轨温及温度压力的继续增大,轨道变形将随之逐渐增加，但不会引起突然破坏；一旦温度压力升高到某一临界值后,如压力稍有增大或受外力干扰时，轨道变形就会突然急剧增加，并导致稳定性的完全丧失。
无缝线路的稳定和其他物理事物的稳定一样，均可视作是一个力学平衡问题。无缝线路的力学平衡因素中，温度压力和轨道原始弯曲为破坏稳定因素；而轨道框架刚度和道床横向阻力为稳定因素，无缝线路的稳定与否,就是双方消长变化的结果。保证无缝线路稳定的主要措施有：提高无缝线路的轨道框架刚度，即采用重型钢轨、混凝土轨枕及强力扣件；提高道床横向阻力；保持线路方向良好；消灭钢轨硬弯，力求焊缝平直；保证路基无翻浆下沉等缺陷。
4 无缝线路的铺设
无缝线路的铺设由钢轨焊接、装运与铺设三项作业组成。
4.1钢轨焊接
超长无缝线路的铺设是以单元轨条为一段依次分段焊连施工的。焊连时保证锁定轨温不超限是关键。因施工作业轨温和施工条件影响，一般有“连入法”和“插入法”两种施工方法。
4.1.1 连入法
采用连入法施工时，是在一个天窗时间内把要铺设的单元轨条始端用焊接法与前一天铺设的单元轨条终端焊连，铺设时同时焊接同时放散，做到一步到位。也就是说，在认为锁定轨温相符的条件下，新轨引进换轨车龙门之后，换轨车边前进边进行长轨条的始端焊接。这种施工组织难度较大，一般适用于封闭线路铺设和轨温变化不大，与锁定轨温相同的条件。
4.1.2 插入法
插入法是在一个天窗内，与铺设普通无缝线路一样，在两单元轨条之间设一根缓冲轨（长度不短于6m）。而在另一个天窗时间取出缓冲轨，插入经计算确定的轨长放散应力，然后进行最终焊接。第二次焊接作业，可以选在正在铺设新轨区间或相邻区间铺设新单元轨条时的同一个天窗内来进行。作业地点间隔以相互施工不发生影响，最好不小于三个单元轨条长。这种施工方法原则上可以任意轨温下铺设，施工难度较小，容易做到温度力均匀，符合设计中和轨温要求。
4.2长钢轨的装运
承轨台上存放的长钢轨，装运时应注意：
（1）每根长钢轨的起吊、横移、下落的操作要保持同步；
（2）下落就位要准确到位；
（3）每装好一层，要立即上好长钢轨间隔铁，同时紧固长钢轨锁定装置，严防列车运行中长钢轨横向移位或纵向串动；
（4）列车的押运人员，要作好监护，途中停车要进行检查，确保运行安全。
4.3长轨条的铺设
用Ⅰ型或Ⅱ型换轨车作业，从长轨条一端向另一端依次拨入新轨拨出旧轨，换轨车行进速度（即作业效率）每小时1～2km。Ⅱ型换轨车提高了走行的平稳性和作业效率，并克服了新轨拨入与旧轨拨出时的交叉干扰。施工领导人要准确记录长轨始、终端落槽时轨温，其平均值为锁定轨温，如锁定轨温不在设计锁定轨温范围内，铺后必须进行应力放散或调整，并重新锁定。低温铺设时，要配备钢轨拉伸器张拉钢轨，提高锁定轨温值，使之符合设计规定。终端落槽合拢时，严禁用氧乙炔焰切割钢轨或撞轨合拢。长轨条锁定后应立即做好位移观测标记。线路开通后应全面按标准复紧扣件、调整轨距、整正线路。
5 桥上无缝线路钢轨强度检算方法
桥上无缝线路是无缝线路的一种特殊形式。铺设无缝线路的桥梁，以中跨上承式简支梁桥居多。桥上无缝线路的特点是梁因温度变化而伸缩，并受列车荷载作用而挠曲，致使焊接长钢轨除承受因轨温变化而产生的温度力外，还承受由梁传来的伸缩附加力和挠曲附加力。同时，这两种附加力也反作用于梁并传递到支座和墩台上。在一般情况下，桥梁均位于无缝线路的固定区，且相邻桥梁的固定支座及活动支座位于同一桥墩上。为减小桥梁和焊接长钢轨之间的相互作用力，在无碴桥上通常可采用不同松紧的扣件布置系列，以降低桥上的扣件阻力。计算焊接长钢轨的伸缩附加力时，以一年内一日间可能出现的最大梁温度差作计算依据。因为伸缩附加力和挠曲附加力可以互相放散，计算时不需要进行叠加，只要选取其中最不利者作为焊接长钢轨的附加力，进行强度检算即可。
6 无缝线路的养护要领
无缝线路在养护维修方面，有其一定的特殊要求。首先，无缝线路必须按轨温进行线路作业。轨温超过或低于锁定轨温，严禁进行一切维修作业。作业过程中要做到不破坏或少破坏道床阻力。同时要根据无缝线路的特点，合理安排作业计划和顺序，确保线路稳定。无缝线路的断轨和胀轨跑道，对行车安全威胁极大，必须事前采取各种有效的预防措施，并在事故发生后，按规章进行及时的处理。
超长无缝线路的基本原理与普通无缝线路相同，因此，普通无缝线路的一切养护维修办法，都适用于超长无缝线路。但超长无缝线路因其轨条特长，也有一些不同于普通无缝线路的特点。
超长无缝线路一经锁定，其锁定状况，因其超长而不易改变。例如，锁定轨温不准、轴向力分布不均时，只能进行局部调整，几乎无法进行整体放散。依据理论分析和实际操作经验，我们得出如下几条注意事项。
6.1 跟踪监控
大修换轨时，工务段要派遣分管无缝线路的技术人员，对施工中锁定轨温的设置实行跟踪监控。施工单位确定的锁定轨温之依据是否可靠；新轨的入槽轨温和落槽轨温的测定是否准确适时；低温拉伸时，其拉伸温差和拉伸量的核定是否无误，拉伸是否均匀等等，都要认真监视、检查和记录。
6.2 严格验收
工程验交时，有关记录锁定轨温的资料，必须齐全，同时要一一查对核实。
6.3 最终复核
工程验交以后，工务段要对验交区段的轨长表顶进行一次取标测量，去掉可疑点，算出各分段的锁定轨温值。而后将跟踪监控、交验资料、取标测算三方面的情况进行一次最终核查，将查定的锁定轨温作为日后管理的依据。
6.4 日常监测
在日常管理中，要对爬行观测桩和轨长标定的设标点进行定期观测，并互相核对。如发现两观测桩之间有位移，则进一步对两观测桩之间的设标点进行取标测量，详查发生位移的实际段落所在。核定后进行局部应力调正，使之均匀。
参考文献[1]铁道第四勘察设计院.铁路无缝线路设计规范.北京：中国铁道出版社,2009。
[2]中华人民共和国铁道部. 无缝线路铺设及养护维修方法.北京铁道出版社,2008。
[3]陈岳源.铁路轨道.北京：中国铁道出版社,2004。
