实例 无砟轨道无缝线路施工技术 张玉军 （中铁十五局集团有限公司，河南洛阳４７１０１３） 摘要－Ｏｒ绍了无砟轨道无缝线路施工中钢轨焊接的施工工艺，以及施工中大量使用的新材料、新设备和新技 术，对无砟道床无缝线路铺设技术进行了研究，为快速、高效完成京沪高速铁路铺轨工程发挥了作用。 关键词：无砟轨道；闪光焊接；无缝线路；工艺流程；放散锁定；温度应力 中图分类号：Ｕ２１３．９文献标识码：Ｂ文章编号：１６７２—３９５３（２０１１）Ｓ１—００４７—００４ ｌ 无砟轨道无缝线路施工介绍 提高施工质量的措施及方法能够有效布置实施，对可 能造成施工质量隐患或进度不利因素能快速处理。 目前国内铁路客运专线、高速铁路正在如火如 ２．２ 施工人员 荼地建设，无砟轨道无缝线路被广泛应用，无缝线路 正确操作使用施工设备，依照施工方法，执行施 施工质量直接影响高速列车运行的平稳性和安全 工工艺。产品质量控制都把握在一线施工人员手 性，质量缺陷将导致后期线路运行的维护困难。现 中，对无缝线路质量控制影响大的钢轨焊接、接头正 结合京沪高速铁路无砟轨道无缝线路施工，针对跨 火处理、接头精整、钢轨探伤、应力放散、钢轨拉伸、 区间无砟轨道无缝线路施工的关键工序及技术要点 线路锁定和质检工序的施工人员应重点培训；由于 做一简要介绍。 现场使用的设备及小型机具、检查工具多，对设备操 跨区间无砟轨道无缝线路施工的主要工序：单 作人员尽量选择有经验的、责任心强的人员培训使 元轨焊接、单元焊接接头复查、联合接头焊接、应力 用，施工前对特殊工况进行相应学习及演练，如坡 放散、单元轨节锁定、永久位移观测桩布设、现场标 道、弯道、合拢焊接等，提前掌握处理技能和经验。 识制作等。其关键工序为现场接头闪光焊接、正火、 ２．３ 施工设备 打磨、放散锁定、合拢轨焊接。 采用高效的施工设备和精准的检测设备是控制 ２ 施工准备 无缝线路施工质量和精度的关键，购买设备前对设 备的数量及型号和性能结合施工效率进行综合分 无砟轨道无缝线路施工过程繁杂、工序多、质量 析，对制约生产效率的应备用设备，无砟轨道无缝线 标准高、施工配合协调难度大。无缝线路施工是由 路施工重点控制的施工设备有拉轨器、焊机推瘤刀、 拆除扣件、垫放滚筒、除锈、对轨、焊接、粗磨、正火、 正火设备、轨温计、仿行打磨机、锯轨机、探伤仪、钢 矫直、接头精整、探伤、临时位移桩布设、拉伸量计 轨平直度检测设备、螺栓紧圃机等，施工前或施工过 算、单元轨应力放散锁定、永久位移观测桩布设、现 程中应进行校准或检定。目前焊接设备型号较多， 场标识制作、线路恢复等１０多个工序相互结合的一 为满足高速铁路施工质量要求，焊接设备需具备保 个综合施工过程，为保证无缝线路施工质量，施工前 压推瘤性能，钢轨平直度精磨检测采用电子平直尺， 需做好相应的准备工作。 为确保轨头端面质量，锯轨机须采用质量可靠产品。 ２．１ 组织管理 现场组织机构应包括施工技术、质量、进度、人 ３ 无缝线路关键施正技术 员、设备、物料、后勤、试验（可快速反映质量变化）管 ３．１ 钢轨焊接施工工艺流程 理组，并设置总技术负责人和协调人，及时对现场进 工地现场焊接工艺流程如图１所示。 行技术指导和监督，高效处理现场各项质量问题，对 跨区间无缝线路钢轨移动闪光焊接施工，是在 ５００ ｍ长轨铺设施工完毕后，利用线路行车空闲时 收稿日期：２０１１－０５－１２ 间使用移动式闪光焊机将长轨接头焊接。施工时焊 作者简介：张玉军（１９６８一），男，高级工程师 轨机组压住已焊接的长轨条，轨道车采用顶进的方 国防交通工程与技术 囫 ２０ｌ１增刊 ·实例分析· 无砟轨道无缝线路施工技术 张玉军 因为外观质量不达标后期返工处理成本极高。 （１）焊前检查：焊接前首先要检查钢轨外观质量 有无硬弯、扭曲、裂纹、折叠、划痕、压痕、碰伤等缺 陷，不合格的钢轨要求锯掉，不允许焊接。其次是使 用钢轨量具及样板尺，检查钢轨各型式尺寸是否满 足３５０ ｋｍ／ｈ客运专线６０ ｋｇ／ｍ钢轨暂行技术条 件；进行平直度检测时钢轨温度应低于５Ｏ℃，测量 长度为２ ｍ；用直角拐尺测量钢轨端面斜度，端面斜 度要控制在０．６ ｍｍ以下；遇不合格的钢轨端头应 顺向量测钢轨其余部位，确定不合格钢轨外形长度， 将该长度锯切后，作为焊接位置。 （２）预拱度控制：待焊钢轨在拆除扣件后垫放好 滚筒，在各项检查完成后，进行焊接对位，焊接对位 直接控制钢轨焊接施工质量。钢轨预拱度调整，焊 前钢轨预拱度控制在２．９～３．１ ｍｍ／ｍ，待焊钢轨分 固定端和活动端。固定端调整为：设３个固定支点， 图１ 钢轨焊接施工工艺流程图 支点位置位于距轨端第２个承轨槽、第５个承轨槽、 第８个承轨槽上，调整高度依次为３ ｃｍ、１ ｃｍ、２ ｃｍ，由于固定端钢轨在焊接机组下压后会上翘；活 式。焊轨作业机组编组如下：从焊接作业点开始依 次分别为移动闪光焊机、Ｎ１７平板车、轨道车。根据 不同的焊轨方向，焊轨机组提前在站内编组完毕后， 动端调整为：设２个固定支点，第１个支点位于距轨 端第３～５个承轨槽上，第２个支点位于距轨端ｌ８ ～利用长轨运输车推进后的空闲时间随之推进焊轨机 组，进入计划施工地点进行焊轨施工，长轨运输车从 前方返回之时，焊轨机组要提前退出区间。 ３．１．１ 钢轨焊接高、低接头控制 焊接在完成型式检验后，现场接头外观质量是 控制钢轨焊接的重要指标，现场控制合格率必须达 到１００ ，如未到达设计要求，及时锯断重焊，否则 固定端 ２１个承轨槽上，调整高度分别为４ ｃｍ、９ ｃｍ，由于 第１支点和第２支点之间的间距较大，钢轨在重力 作用下轨端会上翘（以上数据为现场焊接经验值）， 现场调整通过移动活动端支点将钢轨拱度调整好， 具体如图２所示。 ～ ＼ 活动端 ＼ △涕３～５承轨 轨槽 轨槽 ３０ ｎ１ｍ ４０ ｎｌｍ △第１８￣２１承轨槽 ９０ ＩＴｌｎｌ ２０ ｒｎｎｌ １０ ｎｌｌＴｌ 第３支点第２支点第１支点 第１支点 第２支点 图２钢轨焊前预拱度调整 钢轨拱度调整好后进行焊机对位，车轮距轨端 第一轮对提前标上记号，以３～５ ｋｍ／ｈ的速度推进 偏差不应大于１ ｍｍ。焊机电极表面应平整、光洁， 无油、水、铁渣等污染物，左右股轨节接头相错量不 移动焊轨机初定位，载有移动焊机的轨道车第一个 轮对距焊接位置３ ｍ左右，对位完成后应迅速装好 止轮器，保证车辆不会发生溜车现象。对位之后应 放下液压支腿，顶升起焊轨作业车。在焊接接头对 轨过程中，必须以轨顶面和工作面为基准，轨顶面和 工作面错位偏差不应大于０．２ ｍｍ，轨底边缘错位 能超过１００ ｍｍ。曲线上钢轨焊接，由于高速铁路、 客运专线曲线半径较大，现场拨道调整量不大，为确 保钢轨在焊接过程中横向相差量满足要求，在待焊 钢轨下放好滚筒后，将钢轨向曲线内侧拨动，在接头 ２Ｏ ｍ范围拨成直线，现场通过拉弦线检查。 （３）错边量控制：在未经打磨处理的情况下检查 国防交通工程与技术＿囵２０ｌ１增刊 ·实例分析· 无砟轨道无缝线路施工技术 张玉军 接头错边量，接头顶面不大于０．２ ｍｍ，轨头侧面工 作边不大于０．２ ｍｍ，轨脚边缘水平方向不大于２ ｍｍ，在焊机对位装夹后必须由经验丰富的焊接人 度也增大。在ＴＢ／Ｔ１６３２．：２—２Ｏ０５中要求软化区 宽度不大于２０ ｍｍ。 正火存在的问题：正火前的硬度高于钢轨母材， 员检查，如焊前发现错边量超标，焊接前加工好和电 极配套的薄铜片，分别为０．１ ｍｍ、０．２ ｍｍ、０．３ ｍｍ、０．４ ｍｍ、０．５ ｍｍ，在焊接时焊机装夹完毕后检 低硬度区很窄，不到１０ ｍｍ，Ｕ７１Ｍｎ焊头正火后轨 顶面纵向出现约８０ ｍｍ宽度低硬度区，对高速列车 运行是不利的。影响正火效果的因素有：氧气、乙炔 气体的质量；加热器的火孔喷火状态及火焰强度；加 热器摆动量和摆动频率；加热时间等。火焰正火时 应调节火焰强度为弱碳化焰，缓慢加热。氧化焰会 使钢轨焊头外部温度高而心郎温度低，出现温度不均 查钢轨是否对正，以钢轨顶面、工作边为准。如发现 钢轨相错量超标，松开焊机夹具，根据现场实际相错 量，在反向电极位置加入对应厚度的铜片，调整满足 要求后方可焊接。 ３．１．２ 接头正火处理及调直 钢轨焊接后要对接头进行正火处理，焊头采用 匀和正火不透。根据现场实际轨温情况，由于正火后 接头预拱度会下降，高温时控制钢轨拱度为３．１ ｍｍ／ ｍ，在接头两侧第２、４、６轨枕位置安装锁轨装置，锁 的是火焰正火方式，以细化钢轨内部组织，提高钢轨 接头强度。加热前焊接接头温度应低于５Ｏ℃（轨头 表面），热处理操作按以下步骤进行：①将正火机架 放置在钢轨上，火焰加热器放置在正火机架的导杠 上，调整加热器与钢轨表面间隙，使得间隙均匀、对 轨装置能固定在道床板上，在接头加热前将钢轨预 拱度调整好，将锁轨装置安装好，并在接头两侧将 ３０ ｍ范围内的扣件按锁定：要求全部拧紧方可进行 钢轨接头热处理（由于钢轨轨温变化内部产生的应 力会造成接头上拱或拉细）。接头横向调整采用弯 称之后锁定。调节加热器的位置，使焊头处于加热 器摆动中心，摆动幅度不小于４５ ｍｍ。②启动冷却 水泵，调节乙炔瓶输出压力为Ｏ．１５ ＭＰａ，调节氧气 瓶输出压力为０．６ ＭＰａ，调节控制箱乙炔流量为４．０ ／ｈ，氧气流量为３．８ ｍ。／ｈ，使火焰为弱碳化焰。 ③将氧气流量下调爆鸣点火，点火后氧气流量恢复 轨机，高铁、客运专线要求高，施工选用弯轨机作业 力点在轨腰位置，弯轨时将反向位置－１ ｍ范围内的 全部轨距挡块拆除，同时弯轨时保压时间控制在１Ｏ Ｓ以上，防止钢轨回弹。 ３．１．３ 钢轨现场打磨 规定格数，摇火摆动频率控制在６Ｏ次／ｍｉｎ左右。 ④正火加热起始阶段轨头表面中心线温度应低于 ４００℃，加热焊缝轨顶表面的温度不得大于９５０℃， 焊缝轨脚处的温度不得低于８５０℃。不同牌号钢轨 钢轨现场接头打磨分两个阶段，第一阶段平直 度控制在０．４～Ｏ．５ ｍｍ／ｍ．．第二阶段平直度控制在 ０．２ ｍ／ｍ内；由于钢轨在未锁定前，钢轨温度变化、 工程车辆碾压、扣件扣压力变化等因素造成接头平 直度变化在０．１ ｍ／ｍ内，为确保打磨不大亏，给锁 定后预留一定的打磨余量，故钢轨打磨分两个阶段。 的焊接接头，最佳正火温度不完全相同。最佳正火 温度是强度和韧性的良好配合，是一个温度范围。 正火与线路低接头的关系：国外的钢轨焊接接 头不正火，焊接热影响区（ＨＡＺ）宽度窄，约３５～４０ 精磨部位主要是以焊缝为中心轨顶、工作边两侧各 ４５ ｃｍ以内范围，精磨后检查磨痕的粗细，钢轨表面 不得呈蓝色或明显划痕。精磨后应保持轨头轮廓形 ｍｍ（见图３），软化区宽度更窄。在运行线路上就不 会出现低接头。正火后热影响区宽度加宽，图４是 同一牌号钢轨焊头未正火和正火后的影响区宽度对 状，不应使焊接接头或钢轨产生任何机械损伤或热 损伤。 ． ‘ 比，后者比前者的宽度增加了１倍，从而软化区宽 母材打磨深度不应超过０．５ ｍｍ（不包括推凸 余量）。精磨后接头平直度应满足：以焊缝为 中心１ ｉｎ范围内，钢轨顶面的平直竟为６＋（Ｏ～Ｏ．２ ｍｍ）； 图３不正火焊接热 影响区 ● 轨头侧面工作边的平直度为０．２ ｍｍ（凹进）。 为沉 降量，应根据长轨模拟焊接试验确定。精磨后接头 表面不平度应满足焊缝中心线两侧各１００ ｍｍ范围 内表面不平度不大于０．２ Ｉｌｌｍ。 ３．２ 放散锁定 图４ 未正火和正火后的热影响 区宽度对比 国防交通工程与技术＿囝２０１１增刊 ·实倒分析· 无砟轨道无缝线路施工技术 张玉军 高速铁路及客运专线无缝线路锁定是控制线路 钢轨发生碎弯、温度应力对道床破坏、接头受拉断裂 的有效措施。根据钢轨温度力计算：Ｐ ：ＥＡａＡｔ。 式中，Ｅ为钢轨弹性模量，Ａ为钢轨截面面积，ａ为钢 轨线膨胀系数，取值０．０１１８；Ａｔ为现场轨温变化。 故钢轨温度变化与产生的温度力成正比关系，Ｐ６０ 钢轨温度变化１℃产生的温度力是１９．２ ｋＮ，当钢轨 产生温度力时钢轨会自由伸缩，根据公式△Ｌ＝ａ· Ｌ 。式中，ａ为钢轨线膨胀系数，取值０．Ｏ１１ ８；Ｌ为 钢轨长度；Ａｔ为钢轨温度变化量。对跨区间无缝线 圈Ｓ合拢拔弯焊接示意圈 原钢轨 为确保无缝线路后期维护管理方便，且便于施 工过程中存在缺陷及时查找整改方便，现场焊接接 头应按照《钢轨焊接接头标识规则》（运基线路 ［２００８１２１３号文）设置标识装置。现场主要标识及 制作方法如下： 路来说，整个区间形成无缝线路后，Ｌ值大，而高 速、客运专线设计为无砟道床，钢轨产生的温度力对 下部结构的稳定性及钢轨纵向产生爬行（造成断轨 的主要因素）等因素，直接影响线路的稳定性、安全 性。钢轨拉伸法放散施工步骤：①在线路应力放散 前，依据设计文件及建设单位要求设置位移观测桩， 并进行编号。②按施工计划，将滚筒用轨道车运至 现场，并以每１２．５ １ＴＩ放置一个滚筒按双股进行布 （１）观测标尺设置。位移观测标尺采用不锈钢 材质制作，厚度１～２ ｍｍ，数字及刻度线刻画在标 尺上，并用红漆描红，标尺采用强力胶可靠粘贴在靠 近观测点一侧轨腰上。 （２）单元轨节编号。单元轨节按列车运行方向 顺序编号，编号方法为“Ｘ—Ｙ”，其中“Ｘ”为区间编 号、“Ｙ”为单元轨节在区间内的顺序号。编号以阿 拉伯数字标注。 （３）位移观测桩按列车运行方向顺序编号，位移 观测桩编号方法为“Ｘ—Ｙ—ｚ—Ａ”，其中“Ｘ”为区间 编号、“Ｙ”为该区间内每段单元轨节的顺序号，“Ｚ” 为每段单元轨节内位移观测桩的桩号，“Ａ”为该观 测桩的初始位移量。编号均以阿拉伯数字标注。 （４）无缝线路的主要技术数据应写在单元轨节 起终点钢轨轨腰上，要求内容准确真实，字迹工整、 规范，符合标准。 置。③拆下扣件，垫上滚筒，用拉轨器拉长钢轨使得 待放散长钢轨与上一放散结束的长钢轨间口子不大 于３０ ｍｍ，进行锁定接头焊接，接头经检测满足要 求。④应力放散，必须做到匀、准、够。⑤线路应力 放散前应掌握当地轨温变化情况，根据轨温变化规 律，合理选定施工时间及计划锁定轨温，单元轨节锁 定前应按设计要求设置好位移观测桩。⑥应力放散 时滚筒间隔宜在１２～１５ ｍ。每隔１００ ｍ设一个位移 观测点，观测放散时的钢轨位移量，应力放散应均匀。 ３．３ 合拢轨焊接 ４ 结束语 京沪高速铁路区段长３１０ ｋｍ无缝线路钢轨焊 接施工中，由于严格执行了上述钢轨焊接的施工工 无缝线路施工，现场存在最终合拢或插入轨焊 接的施工工况，现场合拢焊接可采用拨弯焊接。拨 弯焊接施工步骤如下：①将焊机前端待焊钢轨５０ ｍ 内扣件松开，１０ ｍ垫放１对滚筒，在设计锁定温度 下锯除多余钢轨。②锯轨时根据焊接消耗余量预留 出相应的钢轨量，如焊机消耗２７ ｍｍ，预留２８～２９ ｍｍ。③拆除接头前端２Ｏ～４Ｏ ｍ范围内全部轨距 挡块，进行拨弯，使合拢口满足焊接要求，焊接前做 艺，得到了铁科院金化所、京沪公司、监理等单位的 认可和赞同，并在先导段联调联试过程中实现了 ４８６．１ ｋｍ／ｈ的最高运营时速。 参考文献 ［１］中华人民共和国铁道部．ＴＢ１００８２－－２００５铁路轨道设计 规范Ｉｓ］．北京；中国铁道出版社，２００６ Ｅ２］中铁一局集团有限公司．ＴＺ２１１－－２００５客运专线铁路轨 道施工技术指南［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００５ ［３］中铁八局集团有限公司．客运专线无砟轨道铁路工程施 工质量验收暂行标准［ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００７ 好各项施工准备，进行焊接，完成后进行接头外观、 探伤检测。④根据焊接消耗量，如消耗量小于预留量 １ ｍｍ，焊机退出，拆除接头两侧各１００ １ＴＩ内扣件，重 新放散；如消耗量小于预留量２ ｍｍ，拆除接头两侧各 ２００ Ｉｎ内扣件重新放散。拨弯如图５所示。 ３．４ 线路标识 国防交通工程与技术 囫 ２０ｌ１增干ＩＪ