長鋼軌低溫焊接和鎖定施工工法(一)
長鋼軌低溫焊接和鎖定施工工法
六公司京滬鋪架項目部 李杰
一、施工概況
京滬高速鐵路棗莊至蚌段軌道工程，我項目鋪設正線鋼軌里程DK626＋294.079～DK846＋100間309km無縫線路，鋼軌采用500m長軌條（U71MnK、60kg/m）。宿州東站(DK765+400)、蚌南站（DK844+358）2個車站站線，到發線為無縫線路，鋼軌采用100米定尺軌（U71Mn、60kg/m），保養點為有縫線路，鋼軌采用25米標準軌（U71Mn，50 kg/m）。正線設計速度目標值：350km/h；最小曲線半徑：7000m；最大坡度： 15‰；正線線間距：5.0m。
，采用CRTSⅡ型板式無砟軌道結構，是我國第一條設計時速350km高速鐵路。由于施工工期緊、任務重，該段2010年12月1日必須進行聯調聯試，無縫線路的焊接、鎖定由于施工節點安排，大部分作業時軌溫會處于鎖定溫度以下進行。先導段無縫線路鎖定任務，采用本工法，該施工工法可適用于低于鎖定溫最大35℃的應力放散及鎖定施工，截止目前我項目已完成鎖定施工任務24km。
工法特點
采用拉伸法方式及移動焊軌車焊接鋼軌接頭；施工方法簡便，可操作性強，施工質量穩定，滿足350km/h高速鐵路施工技術要求；可在低于鎖定溫最大35℃溫差條件下，快速進行區間無縫線路焊接和鎖定施工。
適用范圍
本工法適用于低于設計鎖定軌溫最大35℃溫差條件下進行長鋼軌應力放散鎖定和焊接施工。
工藝原理
1、長鋼軌低溫鎖定工藝理論分析
按長鋼軌的力學理論，當實際軌溫低于設計鎖定軌溫ΔT時，長鋼軌的溫度力、鋼軌線膨脹系數、拉力、拉伸伸長量換算關系如下：
1.1拉伸法使長鋼軌均勻伸長，拉伸伸長量ΔL與⑴述溫度伸長量相當時，長鋼軌狀態達到設計鎖定軌溫狀態，拉伸力F=（彈性模量E×鋼軌伸長率ΔL/L）×鋼軌橫斷面積A，即鋼軌伸長量ΔL=（拉伸力T/鋼軌橫斷面積A）/彈性模量×鋼軌長度L，彈性模量E=210GPa，鋼軌橫斷面積A=77.45cm2
1.2每組鋼軌扣件可提供縱向阻力9KN。
不同長度長鋼軌在不同溫差條件下換算關系計算如下表：
ΔT=ΔL/（α×L） 鋼軌質量：0.61KN/m
拉力F=（彈性模量E×鋼軌伸長率ΔL/L）×鋼軌橫斷面積A；
鋼軌伸長量ΔL(mm)=溫度變化值ΔT×鋼軌線膨脹系數α×鋼軌長度L(m)。
鋼軌橫斷面積A=77.45cm2；鋼軌彈性模量E=210GPa
鋼軌與軸的摩擦系數μ=0.16；鋼軌線膨脹系數α=11.8×10-6/℃
每組鋼軌扣件的縱向阻力按9KN計。
計算結果如下：
溫差℃ 鋼軌長度m 拉伸量mm 拉伸率 拉應力MPa 拉伸力KN 摩擦力KN 總拉力KN
35 2000 826 0.000413 86.73 671.72 195.2 866.92
35 1500 620 0.000413 86.73 671.72 146.4 818.12
35 1000 413 0.000413 86.73 671.72 97.6 769.32
30 2000 708 0.000354 74.34 575.76 195.2 770.96
30 1500 531 0.000354 74.34 575.76 146.4 722.16
30 1000 354 0.000354 74.34 575.76 97.6 673.36
25 2000 590 0.000295 61.95 479.80 195.2 675.00
25 1500 443 0.000295 61.95 479.80 146.4 626.20
25 1000 295 0.000295 61.95 479.80 97.6 577.40
20 2000 472 0.000236 49.56 383.84 195.2 579.04
20 1500 354 0.000236 49.56 383.84 146.4 530.24
20 1000 236 0.000236 49.56 383.84 97.6 481.44
15 2000 354 0.000177 37.17 287.88 195.2 483.08
15 1500 266 0.000177 37.17 287.88 146.4 434.28165
15 1000 177 0.000177 37.17 287.88 97.6 385.48165
經計算，90噸級液壓拉伸機可完全滿足實際軌溫最大低于設計鎖定軌溫35℃時2000m及以下長度單元軌的放散鎖定施工。
2施工工藝原理
2.1使用移動焊機采用接觸焊焊接長鋼軌，焊接質量穩定可靠。
2.2采用拉伸法使長鋼軌伸長，使低溫條件下長鋼軌達到鎖定軌溫時所需要的長鋼軌長度。
施工工藝流程及操作要點
1 施工工藝流程
移動焊機工地焊接長鋼軌施工工藝流程
施工準備→軌端打磨→焊機對位→鋼軌焊接→焊縫正火→鋼軌打磨→焊縫探傷→線路整理
350km/h 高速鐵路長鋼軌低溫鎖定施工工藝流程
施工準備→設置臨時位移觀測點→拆卸扣件→墊滾筒、放散應力→拉軌、撞軌、觀測位移量→軌溫測量→鋼軌落槽→鎖定 線路→設置位移觀測標志
2 操作要點
2.1 移動焊軌機工地焊接長鋼軌施工
2.1.1、準備工作
移動焊機對位，支撐支腿油缸，拆除焊機前15m左右和前端待焊500m長軌的扣件，并用滾輪支墊，使兩待焊軌端平齊。
2.1.2、軌端除銹
用手砂輪機對鋼軌端部600mm范圍內的軌腰和端面進行除銹至表面有金屬光澤。
鋼軌除銹
2.1.3、焊接
焊機對鋼軌進行夾持、焊接并進行保壓推瘤。
LR1200型移動焊軌機工地焊接長鋼軌
2.1.4、焊軌機前行
同線另一根鋼軌焊接完成后，拆除滾輪，按照1/3上線路扣件并擰緊。軌道車頂推焊軌機前行進行下一根鋼軌焊接。
2.1.5、正火
拆除焊縫兩段約15m左右的扣件，將鋼軌適當墊高，用氧炔焰對焊縫進行加熱至900±50℃，如外界溫度較低時，熄火后迅速利用專門制作保溫用具對焊頭進行覆蓋，防止低溫和自然風使鋼軌的冷卻速度過快而淬火。
2.1.6、鋼軌打磨
對焊頭軌底上角、下角進行打磨，應打磨圓順；用仿型打磨機將焊縫及焊縫兩側1m長度范圍內的軌頂面、軌頭側面進行精細打磨。
工地長鋼軌焊接接頭打磨
2.1.7、探傷
利用便攜式超聲波探傷儀對焊縫進行探傷，并噴焊接流水號。同時將拆除的線路進行恢復。
長鋼軌焊接接頭超聲波探傷
2.2 無縫線路長鋼軌低溫鎖定施工
2.2.1、施工準備
無縫線路長鋼軌低溫鎖定由區間一端向另一端施工。
（1）人工拆除起點處一對100m已鎖定軌和與其連接的2000m單元軌范圍內全部軌枕扣件和絕緣墊片，按10m間距支墊滾輪，使鋼軌處于“無阻力狀態”。
（2）在鋼軌軌腰上每間隔100m安裝軌溫器，查看軌溫。
（3） 在2000m鋼軌上按200～300m間距安裝撞軌器
（4）每隔100m根據拉伸長度要求設置一個鋼軌觀測點，以便確認鋼軌的均勻拉伸和鋼軌拉伸量。
（5）在拉伸鋼軌的同時，輔以撞軌器向鎖定施工前方方向撞擊，并配以鐵錘棉布包裹錘頭敲擊鋼軌軌腰，使鋼軌在拉伸時均勻伸長。
（6）觀測鋼軌拉伸過程中每個觀測點的位移量，當鋼軌拉伸量達到計算要求拉伸長度時，停止拉軌，立即拆除拉伸器，取出鋼軌下面的滾輪。
（7）上齊軌枕扣件和絕緣墊片，每隔100m利用一臺內燃扳手對鋼軌沿線的扣件進行緊固，扣壓力并擰至250N/m，完成2000m鋼軌的應力放散鎖定。
（8）拆除鋼軌拉伸機，并轉移同線另一單元鋼軌上進行應力放散和鎖定。
（9）設置位移觀測樁，粘貼位移標尺，清理線路。
（10）兩單元軌之間鋼軌焊接時，焊縫應設在兩承軌臺之間，離承軌臺的最小距離100mm，且左、右兩股鋼軌相錯量不得大于10cm。
長鋼軌低溫鎖定施工流程示意圖（拉伸法）
勞動力組織
移動焊軌機工地焊接長鋼軌勞動力組織表
序號 工序及崗位 單班 單班人員配置說明
1 焊軌隊長 1
2 軌道車司機 1 軌道車與移動焊軌車聯掛
3 焊軌車操作 3
4 除銹、鋸軌 2 鋼軌除銹
5 正火 3
6 打磨 2 手砂輪和仿型打磨機各1
7 探傷 2
8 質量檢查及噴號 1
9 防護 2 線路兩端
10 普工 48 拆卸扣件、安拆滾筒
11 值班電工及機修工 2 包括鋸軌等
12 調車人員 1
合 計 68
長鋼軌低溫條件下應力放散及鎖定勞動力組織表
序號 工序及崗位 單班 人員配置說明
1 指揮組 5 含隊長1、技術員2人、工班長2人
2 普工 120
3 施工防護 4
合 計 129
七． 材料與設備
無縫線路長鋼軌低溫鎖定材料及設備表
序號 設備名稱 規格型號 單位 數量
1 移動焊軌車 LR1200 臺 1
2 軌道車 金鷹 臺 1
3 內燃鋸軌機 臺 2
4 端面打磨機 臺 2
5 仿型打磨機 臺 2
6 氧炔焰正火設備 套 1
7 發電機 臺 4
8 內燃螺栓扳手 臺 30
9 超聲波探傷儀 臺 2
10 粗磨設備 套 2
11 滾輪 個 450
12 鋼軌檢測尺 1m 套 3
13 起道機 15t 臺 8
14 客車 臺 3
15 貨車 3噸 臺 2
八、 質量控制
1質量標準
1.1正線無縫線路最短焊接短軌不小于12m，單元軌接頭應置于兩承軌臺扣件節點中間。
1.2除道岔內外焊接接頭采用鋁熱焊外，鋼軌焊接接頭采用閃光接觸焊，鋼軌焊接按規定做焊接型式試驗和周期性檢驗，并由鐵道部科學研究院出具鋼軌焊接型式試驗報告。
1.3無砟軌道無縫線路淮河以北鎖定軌溫23±2℃，相鄰單元軌間的鎖定軌溫之差不大于5℃，同一區間單元軌間的最高與最低鎖定軌溫之差不大于10℃，左右股鋼軌鎖定軌溫之差不大于3℃。
1.4焊接接頭的表面平直度允許偏差：軌頂面+0.2、0mm，軌頭內側工作面+0.2、0mm，軌底（焊筋）+0.5、0mm。
2、 質量保證措施
2.1 對于鋼軌焊接、正火、探傷、行車、應力放散等作業人員進行技術培訓，增強員工的技能和安全意識。施工前進行詳細的技術交底，使所有一線參戰的施工人員熟悉施工工藝和作業流程。
2.2 鋼軌工地接觸焊接施工中，經過型式試驗確定的焊接參數，不得隨意改變，每個焊頭由焊機計算機全過程自動監控，識別焊頭的合格情況。并按規定每焊接500頭進行周期性生產檢驗。
2.3 鋼軌焊接前對焊縫兩端各1m范圍進行預熱，低溫情況下，正火后必須對焊接接頭進行保溫，以免焊頭因冷卻過快而淬火。并對焊接過程中的每一道工序質量實行自檢。
2.4 在無縫線路應力放散鎖定施工過程中，各工序施工人員按照技術交底要求和施工規范、技術標準，嚴把質量關。
3 采用技術標準
3.1客運專線250km/h和350km/h鋼軌檢驗及驗收暫行標準；
3.2 350km/h客運專線60kg/m鋼軌暫行技術條件；
3.3 TB/T 1632-2005鋼軌焊接接頭技術條件(通用技術條件/閃光焊接)；
3.4客運專線無砟軌道鐵路工程施工質量驗收暫行標準。
九、 安全措施
1加強行車安全管理，行車中嚴格控制車速，施工中應在施工前后端各500m距離處設置安全防護。
2焊接施工時，施工人員應避讓飛濺的火花；經常檢查正火設備氧氣乙炔管道的密封性能
3鋼軌應力放散鎖定施工中，撞軌和取放滾輪時用撬棍抬放鋼軌應齊心協力，安裝取出滾輪應迅速，以免引發安全事故。
十、環保措施
及時收集鋼軌焊接、打磨過程中產生的廢物、鐵屑和焊瘤和設備的廢油，并集中處理，防止對環境造成污染。
十一、 效益分析
1社會效益
京滬高速鐵路是我國第一條時速350km高速鐵路，備受國內外關注，本施工技術率先應用于我國第一條時速350km高速鐵路目前施工效果良好，推動了我國高速鐵路無砟軌道施工技術的發展。
采用本工法施工，保證了施工質量和工期，為京滬高速鐵路的先導段后期長軌應力放散及鎖定提供了技術保障。
2經濟效益
本工法的使用，經計算可在低于鎖定溫度35℃（淮河以北無砟軌道鎖定軌溫23±2℃）惡劣天氣條件下進行鎖定焊接，截止目前京滬高鐵先導段順利完成了24公里無縫線路長鋼軌鎖定施工，現可24小時進行放散鎖定，既一定程度上加快了工期，又避免了二次放散的費用。
移動焊機的保壓推瘤功能在焊軌過程中的使用，填補了國內區間無縫線路鎖定焊接的空白，具有深遠的應用前景。
十二、應用實例
京滬高速鐵路采用CRTSⅡ型板式無砟軌道結構，中鐵十五局六公司共鋪設需鎖定焊接無縫線路309km，京滬高鐵是我國第一條設計時速350km高速鐵路。我項目運用本技術可在低于鎖定溫度35℃（淮河以北無砟軌道鎖定軌溫23±2℃）的惡劣天氣條件下一次性完成單元無縫線路長鋼軌鎖定施工，避免了二次應力放散。
鐵道部鐵科院和監理單位、鐵路工務段對我項目目前無縫線路鎖定經軌溫檢測儀檢測的結果表明，施工質量滿足時速350km高速鐵路的技術要求。
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