地铁小半径曲线钢轨磨耗的防治措施

陆 云

（中铁上海设计院集团有限公司，200072，上海∥高级工程师）

小半径曲线地段钢轨磨耗伴随地铁的诞生和发展一直存在。与铁路不同，地铁穿越市中心，对环境保护的要求较高，因此轨道结构采用了大量的减振设计。随着减振型轨道结构在地铁线路上的广泛应用，钢轨出现了异常波磨。一线城市如北京、上海和广州等城市对钢轨磨耗特别是波磨作了大量的现场测试、统计分析和理论计算，采取了防治措施，收到了一定的效果。二、三线城市地铁建设方兴未艾，小半径曲线地段钢轨磨耗需引起重视。本文调研了国内主要城市在钢轨磨耗防治方面的先进经验和存在的问题，基于工程全寿命周期提出了地铁小半径曲线钢轨磨耗的前置性预防和后期治理建议。

1 小半径曲线线路钢轨伤损特点

1.1 钢轨侧磨明显

因受环境制约，较多地铁线路采用小半径曲线，且存在竖缓重叠、大坡道等复杂工况，加之运营过程中采用同类车辆、固定轴重、固定速度，这些因素导致小半径曲线钢轨磨耗较为严重。地铁钢轨损伤主要表现为接触疲劳裂纹、剥离掉块、曲线上股钢轨侧磨、曲线下股钢轨顶面波磨、轨头压溃等。对于小半径曲线线路，钢轨侧磨是决定钢轨寿命的主要因素，因为钢轨侧磨引起的换轨周期往往短于正常的换轨周期。根据有关资料，北京地铁因钢轨侧磨导致最短的换轨周期为4年，钢轨侧磨的最大速率为5.33 mm/月［1］；而极端情况如上海轨道交通1号线的汉中路站—上海火车站站区段，该区段线路的最小曲线半径为300 m，钢轨的使用寿命短的仅6个月左右［2］。

1.2 钢轨波磨异常

地铁线路轨道结构减振的要求日益提高，因此轨道结构采用了大量的减振设计。在减振轨道结构中，由于经济性、施工便利性和可维护性，减振型扣件得到了广泛应用。随着减振型扣件的大量使用，在铺设有减振型扣件的区段，产生了钢轨波磨异常。北京地铁4号线，全线采用多种形式的减振轨道结构，线路开通运营1个月，钢轨即出现异常波磨，钢轨异常波磨的波长在60 mm左右［3］。GB 50157—2013《地铁设计规范》明确提出：采取减振工程措施时，不应削弱轨道结构的强度、稳定性及平顺性［4］。

一线城市对地铁小半径曲线线路的钢轨磨耗，特别是异常波磨越来越重视，并从设计、施工和维护方面探寻防治措施，取得了明显效果。二、三线城市地铁建设正处于快速发展阶段，在工程实践中对于小半径曲线区段钢轨磨耗的重视程度显得不够。西南地区某地铁线路，于2016年下半年开通，8个月左右，即发现全线曲线半径R≤500 m的小半径曲线区段上股钢轨出现了裂纹，并且短期内钢轨损伤迅速扩大，发生了剥离掉块，轨面间断掉块最长300 mm、最深3 mm。华东地区某正在建设的地铁线路，R≤600 m的小半径曲线区段总长占正线总长达38%（该指标一般在25%左右），而且还设有大量小半径反向曲线，但个别区段反向曲线间夹直线长度短；小半径曲线普遍存在竖缓重叠或竖圆重叠，个别还位于大坡道上。其中，有2个小半径反向曲线的半径为300 m，夹直线为25 m，分别位于25‰和27‰的大坡道上，而且竖圆重叠，线型极为复杂，施工和运营期均较难保证轨道几何形位正确，其后期的钢轨磨耗问题令人堪忧。

2 小半径曲线线路钢轨磨耗的影响因素

钢轨磨耗成因复杂，涉及因素多，至今未能对其发生、发展机理取得共识［5］。影响钢轨磨耗的主要因素为线路条件、走行部构造、轮轨黏着系数及运营条件。

（1）线路条件。曲线半径、轨道刚度、轨道阻尼、轨道几何参数都影响钢轨磨耗。曲线半径越小，轮轨间滑动几率越大，钢轨磨耗加剧；降低轨道竖向和横向刚度，即增加轨道结构弹性，可减轻列车对轨道的冲击作用，减缓钢轨侧磨；而低阻尼轨道容易形成钢轨波磨；轨道几何参数如超高、轨距、轨底坡等对钢轨的侧磨和波磨的影响比较复杂，不能一概而论。

（2）走行部构造。轮对轴和一系弹簧的刚度、轮缘摩擦系数过小，及轴重过大等易促进波磨形成和发展。

（3）轮轨黏着系数降低，易促进波磨形成和发展。

（4）运营条件。不同的车型，其走行部性能差异较大，若混跑则波磨不易加剧，反之则钢轨易形成波磨。在曲线区段，通过某种速度的列车数量明显较多，则该区段（如车站附近、长大坡道、限速段）的钢轨易形成波磨。

3 钢轨磨耗的防治措施

地铁线路因小半径曲线多、线型复杂、车型和速度单一等，影响钢轨磨耗的4个因素普遍存在，钢轨磨耗无可避免，但采取一定的措施则可减缓钢轨磨耗。其防治措施可分为后期治理和前置性预防。在地铁发展初期对钢轨磨耗的后期治理给予了较多研究，近期则越来越重视钢轨磨耗的前置性预防。科技人员长期致力于防治小半径曲线线路钢轨磨耗的研究和测试，并在主要方面取得共识。

3.1 钢轨磨耗的治理措施

3.1.1 钢轨涂油

钢轨涂油已广泛应用于地铁，其减磨效果得到业内普遍认可。上海城市轨道交通曾对13个曲线区段的钢轨涂油效果进行分析，钢轨涂油不仅可降低钢轨侧磨速率80%以上，对内股钢轨波磨和顶面剥离亦有抑制作用。北京地铁经验表明，在特定曲线区段，钢轨涂油可使钢轨侧磨速率由5.33 mm/月减缓为1.3 mm/季。广州地铁经验认为，钢轨涂油可大大降低钢轨波磨发展［6-7］，尤其适用于不依靠轮轨摩擦力作为牵引力的直线电机线路，钢轨涂油不会影响直线电机线路的运营安全。

钢轨涂油要注意以下事项。

（1）把控出油量。钢轨涂油的难点在于油量控制，油量过少，起不到减磨效果；油量过多，则影响列车制动和牵引。国外涂油技术较为成熟，美国和加拿大采用电子涂油器，油脂输出量可保持恒定。美国运输试验中心用简单的量规来检查钢轨内侧面和轨距角处的涂油状态，以控制涂油量。国内对涂油工艺还缺乏深入、系统的研究［8］，曾发生过因涂油过多而使列车无法制动的情况。对涂油量的控制应引起重视并作深入研究。

（2）在超声波探伤前应中止涂油或去除油脂。

（3）对于已出现裂纹的钢轨，如果涂油，则油脂可能通过裂纹进入钢轨根部，进而促进裂纹发展、加速剥离，故钢轨出现裂纹时应停止涂油，裂纹磨掉后方可恢复涂油。

3.1.2 合理选择轨道基本参数

就轨道基本参数对钢轨磨耗来说，轨距、超高和轨底坡是最主要的参数。不合理轨道参数值会使轨轮接触不良，加速钢轨磨耗。国内外有大量关于这方面的理论计算和分析，国内各城市的地铁运营管理部门做了较多现场测试和统计分析，各地取得的结论略有不同。上海的测试与理论比较吻合，比如，过高的超高和过大的轨距对钢轨侧磨不利。上海城市轨道交通建设早期，设计阶段考虑了一定的欠超高，也是基于现场测试分析结论。广州地铁5号线的测试分析却得出了相反的结论，即大量的过超高有利于减少钢轨侧磨。

轨道几何参数对钢轨磨耗的影响比较复杂，不能一概而论。小半经曲线区段轮轨受力复杂，如欲通过调整轨道基本参数而进行磨耗治理时，应以现场实测和统计分析数据为准。

3.2 钢轨磨耗的预防性措施

钢轨涂油和调整轨道参数，对钢轨磨耗治理确有效果，但治标不治本，优化线路和轨道设计、提高施工质量及精度、钢轨预打磨等才是防治钢轨磨耗的根本。前置性钢轨防磨措施虽然会增加轨道建设初期投入，但地铁乃百年工程，建成后如再整改，则所花费用可能是一次性投资的数倍，故对钢轨磨耗采取防患于未然的预防措施，从全寿命周期来看是合理的，也是具有良好的经济效益的。

3.2.1 线路设计的前置性预防

小半径、竖缓重叠、反向曲线、大坡道和夹直线过短等线路设计使轮轨受力复杂［9］，施工和养护期均难做到和保持轨道几何形位的正确，必然促使钢轨磨耗的产生和发展。轨道专业在设计阶段应及早介入线路设计，从预防钢轨磨耗和工程全寿命周期出发，尽量避免采用小半径曲线和复杂线型。

3.2.2 轨道设计方面的预防措施

3.2.2.1 轨道减振设计

为治理振动和噪声，采用了大量的减振型轨道结构，轨道减振从特殊措施已变为常用技术。如上海轨道交通14号线，减振型轨道占线路总长的86%。各类减振轨道均带来不同程度的钢轨波磨，其中尤以减振型扣件地段为甚。现场测试和理论分析表明，减振型扣件因刚度低，致使钢轨变形较大，引起钢轨异常波磨。据调查，各类减振型扣件均存在钢轨异常波磨问题［9］。减振型扣件能够引起钢轨异常波磨这一情况已得到高度重视：北京地铁相关标准规定减振产品设计“应慎用扣件类减振措施”；上海地铁在R＜800 m的曲线区段和道岔区不采用剪切型减振器；乌鲁木齐地铁全线均不采用扣件减振。《地铁设计规范》对减振轨道明确规定：采取减振工程措施，不应削弱轨道结构的强度、稳定性及平顺性［10］。

减振型扣件因投资较低、有一定减振性，目前仍然被大量用于地铁线路中等减振地段。减振扣件需综合考虑减振、防磨和经济因素，减振型扣件应合理确定其弹性和阻尼，不能一味追求低刚度，应采取扣件间距加密等措施。

3.2.2.2 轨道优化和创新设计

20世纪90年代以来，国内轨道交通迅猛发展，从提高施工精度和减少养护维修出发，轨道技术人员对轨道结构设计进行了持续的优化和创新。

（1）选用长轨枕整体道床。在地铁建设早期，长枕式和短枕式整体道床在不同城市均有采用。长枕埋入式道床整体性好，轨道框架刚度大，施工精度易保证。经多年实践，短轨枕整体道床施工精度难以保证的缺点日益凸现，早期部分采用短轨枕整体道床的城市皆纷纷改用长轨枕整体道床。目前长轨枕整体道床已成主流。

（2）高铁预制板式轨道的吸收和创新。高铁轨道的新技术首先体现在板式轨道的设计上。上海率先在高铁CRTSⅢ型板的基础上研发了适用于地铁的预制板式轨道，轨道标准化设计和工厂预制化创新技术大大减少了现场施工作业量，为提高施工质量创造了条件。

3.2.3 施工工艺和精度控制方面的预防措施

（1）无缝线路钢轨焊接。上海城市轨道交通关于无缝线路钢轨焊接的经验教训值得关注。以2006年为分界点，之前均采用厂焊；之后，在4号线上首次采用现场焊，随即在8、9号线上推广使用。此后，现场焊成为国内地铁无缝线路主流焊接方法。上海申通地铁集团有限公司于2009对上海各条运营线作了调查分析。调查资料显示，从运营开始直至2009年，厂焊焊头均无伤损记录，现场焊则存在较多不足。目前，上海在有条件的前提下均优先采用基地焊接长钢轨，以控制焊接接头质量；而国内其他城市往往一概采用现场焊。上海轨道交通钢轨焊接从“现场焊”回归到“基地焊”之历程值得借鉴，施工应统筹考虑便利、经济和质量，在有条件的前提下应尽量采用基地焊，从源头上保证轨道原始平顺度。

（2）CPⅢ网和轨道精调。CPⅢ网是我国高铁一项成熟技术，将CPⅢ网高铁精密测量技术引入城市地铁建设与运营管理中，融合、改进和再创新传统的地铁测量方法与轨道施工工艺，可使轨道在建设阶段即达到高平顺性，实现减振、降噪、减少轮轨磨耗并延长设备使用寿命的目的。该项技术已在上海、北京等地开展工程实践。

3.2.4 钢轨打磨方面的预防措施

钢轨预打磨是指钢轨铺设后、线路正式开通运营前对新铺钢轨进行打磨。其作用是磨去钢轨轨面的脱碳层以及施工中造成的钢轨表面伤损，同时形成要求的打磨廓面，改善轮轨接触状态。

（1）防磨效果——1995年，北美已经完全推行了钢轨预防打磨。澳大利亚主要采用预防性打磨。1970年澳西铁路打磨公司采用外形打磨控制轮轨接触力，成功降低了侧磨，钢轨使用寿命提高了70%～80%［11］。广州地铁运营实践表明，未打磨钢轨其轮轨磨合期通常为4～5个月。广州地铁2号线开通前，对全线进行了打磨，打磨后的轨道，其磨合期仅为1～2周。钢轨打磨后，光带稳定，轨面均匀，磨合期大大缩短，延长了轮轨寿命。

（2）存在问题——我国钢轨打磨起步晚、技术落后，打磨设备主要依靠进口，技术上长期处于修正性打磨阶段，即出现钢轨损伤时才会采取打磨手段。随着高速铁路的发展，打磨技术已越来越受重视。目前，打磨已经是铁路一项基本的轨道维修技术，钢轨预打磨要求已列入施工验收规范。钢轨打磨与涂油相结合可以延长钢轨使用寿命50%～300%。虽然钢轨预打磨在防治钢轨磨耗方面效果明显，但是地铁领域对钢轨预打磨的重视程度却远远不够。地铁相关规范尚无钢轨预打磨要求。

（3）建议——设计时将钢轨打磨费用列入铺轨施工费用中；地铁运营部门从线网角度对打磨车进行配置，每200 km线路配置1台打磨车；线路开通前由铺轨单位委托运营单位或厂家进行钢轨预打磨。

3.3 钢轨防治措施经济性分析

小半径曲线线路钢轨磨耗是记忆性病害，一旦产生，之后采取涂油、打磨等措施花费巨大，且只能减缓而不能彻底消除［12］。我国一线城市对地铁小半径曲线线路钢轨磨耗的防治正从被动治理向前期预防转变。二、三线城市运营时间短，钢轨磨耗问题尚未完全暴露。一线城市在钢轨磨耗防治方面已取得一定经验。在设计阶段，应谨慎选择轨道部件，需综合考虑技术性和经济性；在施工阶段，则需研究采用新工艺和新机具以提高施工速度和精度，确保轨道原始平顺度。综合设计、施工、养护三方面，目前防止地铁小半径曲线线路钢轨减磨主要措施有：①前期预防。在设计阶段，如采用预制板板式轨道、减振型扣件，应注意刚度和阻尼协调设计；在施工阶段，无缝线路采用基地焊、CPⅢ网精测系统，线路开通前进行钢轨预打磨。②后期治理。钢轨涂油结合钢轨打磨、轨道参数调整。

经初步测算，设计、施工、运营阶段防治钢轨磨耗措施所增加的费用为：预制板板式轨道150万/km；基地焊6万/km；CPⅢ网精测系统3万/km；钢轨预打磨1.3万/km；大型打磨机8.5万/km（按1 700万元/台、每200 km配1台计算）。

以上所增总费用约为168.8万/km，按普通道床费用450万/km计算，则增加费用约37.5%。而根据相关文献资料，仅预打磨一项措施，钢轨寿命可提高达70%以上。我国钢轨预打磨技术对于延长钢轨使用寿命尚无统计资料，但是采用预制板、基地焊、CPⅢ网精测系统、轨道精调和钢轨预打磨等综合技术对于大大延长钢轨寿命是值得期待的。

4 结语

减小和延缓小半径曲线钢轨磨耗、延长钢轨使用寿命是地铁工作者长期关注的课题，不应该把钢轨的磨耗等问题放在运营阶段来解决，需要把管理关口前移，建立全寿命、立体化管理体系。在设计阶段，应从源头上规避小半径曲线及各种竖缓重叠、大坡道等恶劣条件；轨道减振设计中需注意刚度与阻尼的统筹。在施工阶段，应研究采用新技术、新工艺。在线路开通前，应及时进行钢轨预打磨，以提高轨道原始平顺度。在运营期间，根据实际磨耗情况，通过现场测试和统计分析等，可采用钢轨涂油和调整轨道基本参数等方法。

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