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高速铁路轨道的安全管理

发表时间：2015-01-15 22:31 作者：admin 来源：未知浏览：

高速铁路的轨道结构要求具有高平顺性。为使轨道结构的平顺性持久、稳定，需要在设计、施工、管理各个环节进行严格控制。国外高速铁路的运营经验表明，轨道的安全管理在实现高速行车时，起着巨大的技术保障作用。笔者在分析高速铁路轨道结构的平顺性特征基础上，讨论了轨道不平顺管理、列车振动加速度管理、钢轨路面及伤损管理、无缝线路管理等方面的问题，并提出了改进新思路，即应建立异常情况下的处理机制。
1 前言
　　交通运输是人类生存和社会发展的重要条件之一。交通运输方式的进步主要休现在提高运输速率上。1964年，世界上第一条高速铁路在日本诞生，开创了铁路高速行车实用化的历史。至今世界已形成近5000km的高速铁路网。预计高速铁路在21世纪必将有更大、更快的发展。
　　我国高速铁路已起步，开工建设的秦沈客运专线实际上就是一条高速铁路，它的最高速度超过250km/h，部分地段可达300km/h。2020年正在规划、建设的有京沪、津秦、沈哈、京广等段高速铁路。
　　高速铁路不仅体现了桥路轨道、机车车辆、牵引供电、通信信号、运输指挥、运营管理等专业技术的最高水平，同时对其安全性提出更高的要求^[1]。而作为高速铁路行车基础——轨道结构，其管理水平和目标起着关键性的作用。日本东海道新干线花费的运营开支最少却能实现大量高速列车安全运行的秘密，关键在于建立了较科学的轨道不平顺管理系统。法国TGV高度铁路的成功经验也证明，若提高和保持轨道结构的平顺性便可以满足300km/h高速行车对线路的要求。因此，笔者根据高速铁路轨道结构特点，分析轨道安全管理所需检测方法、管理内容及手段，并提出一种改进思路，即应建立在各种异常情况下的处理机制。
　　2 高速铁路轨道结构的平顺性特征
　　2．1 高速铁路轨道必须具有高平顺性^[2]
　　轨道不平顺是引起轮轨作用力增大的主要原因。焊缝不平顺，轨面剥离、擦伤、波形磨耗等原因，造成短波不平顺幅值虽然很小，但是，在高速行车条件下，就可引起很大的轮轨作用力和冲击振动。例如：一个0.2mm的微小焊缝迎轮台阶形不平顺，当车速高达300km/h时，所引起的高频动作用力可达722kN，低频轮轨力可达321kN，使道碴破碎、道床路基产生不均沉陷，从而形成较大的中长波不平顺，并能引起很大的噪音，严重情况时，还可能引发钢轨、轮、轴断裂，导致恶性脱轨事故。
　　2．2 严格控制钢轨的平直性和焊缝的平顺性
　　要求轨道结构具有高平顺性，对钢轨而言，其主要尺寸公差、平直度指标和焊接接头的平直度是钢轨重点关注的指标。无论是钢轨主要尺寸公差，还是钢轨焊接接头的几何尺寸公差，从表1和表2中可以看出，我国目前的标准与运行高速铁路国家的标准相比都有较大的差距^[3]。
　　表1 钢轨主要尺寸公差（mm）
　　见表
　　TGV－法国，JISE－中国；EN－欧盟；GB－中国
　　表2 钢轨焊接接头几何尺寸公差
　　见表
　　2．3 一次铺成跨区间无缝线路
　　一次铺成跨区间无缝线路，是提高轨道结构连续性、均匀性的重要措施，可最大限度减少钢轨接缝引起的轮轨冲击作用和由此引发的一些接头病害；还可控制初始不平顺，提高轨道平顺性，减少维修工作量，降低运营成本，且效果显著。
　　2．4 高精度的轨道铺设及维修标准^[4]
　　要保持轨道的高平顺性，首先要求铺设的精度要高，其次日常要保证高标准、高质量的维修及管理。高速铁路轨道铺设精度及维修标准如表3所示。
　　表3 有碴轨道平顺度铺设精度及维修标准
　　见表
　　设计时采用高标准，施工时严格控制质量，在投入运营后应随时监测掌握不平顺发展变化情况，进行轨道的安全管理，发现超限的处所需立即处理。
　　3 高速铁路轨道的安全管理
　　3．1 建立安全确认车检查制度
　　高速铁路是客运专线，采用白天行车、晚上固定“天窗”养护作业方式。在每天早晨开行第一趟列车之前，无论法国还是日本都利用安全确认车进行线路检查，其目的是检查线路是否在夜间遭到破坏，或者夜间施工有无机具遗漏在线路上，侵入限界，影响行车安全。其检测技术是通过在司机室内设置的摄像机拍摄前方图像，通过计算机对图像进行处理，检查扣件有无松动，道床的路肩宽度有无变化，提供对保障行车安全有用的数据资料。
　　3．2 轨道不平顺管理
　　轨道的几何形位在列车运行过程中，发生各种各样的变化。为保障行车安全，对轨道几何形位进行控制，超出某一限值时进行养护维修。由于轨道动态检测更能反映轨道几何形位实际变化情况，世界各国都采用轨检车进行检测（见表4）。
　　表4 世界主要国家轨道检测车概况
　　见表
　　高速铁路维修管理目标分5个层次：
　　（1）作业验收质量目标管理，即维修作业或施工后，按照作业验收标准进行的目标管理。
　　（2）经常保养目标管理，即按照保养标准对线路进行日常养护，保持线路质量均衡所进行的目标管理。
　　（3）预防性计划维修管理（平衡舒适度目标管理），即按管理区段轨道质量指数标准，在轨道状态恶化之前进行预防性维修。
　　（4）临时补修管理，即当时轨道局部不平顺达到或超过临时补修管理标准时，在规定的时间内安排临时补修计划，并予以消除。
　　（5）限速管理，即当轨道局部不平顺达到或超过限速管理标准时，必须降低列车运行速度，并立即予以消除。
　　我国秦沈客运专线的轨道不平顺管理标准如表5所示。
　　表5 轨道检查车动态检测不平顺管理值^[5]
　　见表
　　3．3 列车振动加速度管理
　　根据国际振动环境标准ISO2631的规定，振动频率为1~2Hz，累计持续时间为4H的车体振动环境，保持舒适度不减退的允许加速度：横向为0.17m/s²，垂向为034~0.49m/s²。列车振动加速度利用晃车仪等设备检测，发现异常情况，通过沿线的电缆传输到中央调度台的工务调度及相关养护部门，由调度向养护部门下达调查和处置命令，对于超出一定限值的列车采用限速措施，表6是日本东海道新干线振动加速度管理值及其处理措施。
　　表6 日本东海道新干线振动加速度管理值及处理^[6]
　　见表
　　3．4 钢轨踏面及伤损管理
　　钢轨的伤损主要包括轨头磨耗（垂直磨耗、侧面磨耗、波磨）、表面凹凸不平顺、焊缝不平顺、表面擦伤、剥离及内部的核伤和裂缝。对钢轨状态管理分为踏面及伤损管理。
　　3．4．1 钢轨踏面管理
　　对于钢轨踏面的检测需利用先进的激光技术、计算机技术、图像技术、进行快速、无接触的检测。经过图像处理后，比较钢轨标准截面和实际截面的形状，可得到钢轨表面状态。
　　在高速铁路上，实行钢轨踏面管理，其目的有二：一是为降低噪声和振动，减少轮重的变化；二是防止钢轨表面伤损纵向方向的发展。对钢轨踏面管理的方法：开通前用磨轨列车打磨钢轨；运行过程中进行周期性打磨。
　　打磨钢轨，去除钢轨在轧制和运行过程中造成的不平顺，进一步提高焊头的平顺性，已被国外的高速铁路的实践证明是一项技术经济效益显著的成功经验。
　　3．4．2 钢轨探伤管理
　　钢轨内部的核伤和裂纹可用探伤车来检测；探伤的种类有如下两种：
　　（1）周期性探伤。根据探伤作业计划，每隔一定周期，在“天窗”时间内，钢轨探车以30~40km/h的速度边向钢轨洒水，边向钢轨发射2500Hz、2MHz的超声波，根据各种反射波来判断钢轨内部的伤损。超声波探头单侧装有4个，发射角度分别为0°和37°各一个，70°的有两个。探伤结果有多种表示方法。
　　（2）精密探伤。使用钢轨探伤车对全线进行探伤，找出伤损钢轨的处所和部位，再由探伤工使用各种小型精密探伤仪，逐处进行精密探伤，对照伤损判别标准，确定伤损等级，采取相应措施。
　　3．5 无缝线路管理
　　无缝线路最致命的事故是“胀轨跑道”和“钢轨折断”。产生该事故的原因主要是钢轨内部的温度力，而钢轨最小抗弯强度与钢轨横向刚度、道床横向阻力、轨排弯曲刚度有关。
　　因此，在无缝线路管理时应做到：
　　（1）正确设定钢轨锁定轨温并严格检测；
　　（2）严格按章作业，确保道床横向阻力；
　　（3）控制钢轨的异常伸缩、爬行；
　　（4）异常高温时，增加巡道班次，观察线路方向，必要时采取慢行措施。
　　4 异常情况下的处理对策
　　异常情况是指列车运行时，遇到不可抗拒的自然灾害或突发事件，其管理体制标准优先级别最高。
　　4．1 降暴雨时处理对策
　　在高速铁路沿线布置雨量计，收集沿线降雨情况，并将相关数据传输到管理室。当雨量超过限值时，一方面加强线路巡视，启动相应的救援体系，另一方面对列车进行限速。当降雨结束后，解除限速，逐级提速，恢复原有行车速度。
　　4．2 振动超限时处理对策
　　当司机报告有振动超限时，通过该区段的列车采取慢行措施，进行现场调查，以决定是否能解除慢行。此外，对轨道不平顺中高低、方向超限时，也采取慢行措施。
　　4．3 地震、强风、大雨雪时处理对策
　　高速铁路线路走向不同，地质状况不同，采取措施也有不同。东海道新干线沿海而建，地震频繁，而在东北新干线，降雨雪对行车的影响也需考虑。因此，都制定了相应处理标准和对策。
　　5 结语
　　高速铁路的轨道管理是实现舒适、安全运营的重要基础。笔者对高速铁路轨道管理相关的3个问题进行了研究：
　　（1）加强对高速铁路检测、养护维修技术、养护维修体制的研究，特别是钢轨平直度和钢轨内部高速探伤研究；
　　（2）开展高速铁路工务信息系统的研究；
　　（3）研究自然灾害预警系统、侵入物监视系统、事故现场快速反应及事故系统。
　　解决上述问题，有利于高速铁路轨道运营的舒适与安全。
　　（收稿：2002年3月；作者地址：北京市西外上园村；北京交通大学土建学院选线教研室；邮编：100044）