南京地铁运营有限责任公司南京/工程师210012
摘要:钢轨作为直接承载轨道交通列车运行的重要设施，直接影响着列车运行的安全和稳定。随着城市地铁网络化的发展，钢轨的里程数日益增加，及时对钢轨设备进行大中修是一件非常紧迫的事情，而中大修的模式分析、各个阶段周期所采取的模式、每种模式的可行性研究、综合比选则是钢轨中大修实施前的一项前瞻性重点工作。
关键词:地铁、钢轨、中大修、焊接
1．引言
钢轨作为直接承载轨道交通列车运行的重要设施，直接影响着列车运行的安全和稳定。随着城市地铁网络化的发展，钢轨的里程数日益增加，部分早期开通的线路钢轨在长期荷载作用下，已经出现了侧磨、垂磨、波磨以及内部伤损等一系列问题，且在一定周期后，钢轨的病害呈快速增长趋势，钢轨成段更换的需求日益凸显。所以及时对钢轨设备进行中大修是一件非常紧迫的工作，而中大修的模式分析、各个阶段周期所采用的模式、每种模式的可行性研究、综合比选则是钢轨中大修实施前的一项前瞻性重点工作。
2．钢轨更换的工艺流程及主要的风险隐患
2.1钢轨更换的工艺流程
地铁隧道内设备密布、作业空间狭小、作业条件恶劣，而换轨大修施工作业人员、机具、材料种类及数量繁多；同时存在作业时间集中，需多个作业面、相关专业同时实施，组织协调复杂等难点问题。整体上换轨施工可划分为三个阶段：1、前期准备阶段，此阶段主要以前期更换其他线路设备以及新钢轨下线为主；2、中期主体工程施工阶段，此阶段主要以长轨条焊接以及新钢轨换入线路为主；3、后期恢复线路阶段，此阶段主要以回收旧轨以及精调线路为主。整体施工的工艺流程如下：
其中，主要工艺流程需要完成的任务以及标准要求有：
1、新钢轨下线：将25m标准钢轨利用工程车提前运输至地铁隧道区间，通过工程车上的吊臂将新轨吊放至道床两侧的水沟中，用方木垫平以及做好固定；
2、更换辅助设备：施工前期对现场设备进行排查，对失效的零部件进行更换，为新轨换入提供良好的条件；
3、长轨条焊接：将25m的标准钢轨通过铝热焊接或者闪光接触焊技术焊接成一定长度的长轨条（一般情况下不少于100m）；
4、新轨换入：换入长轨条前，先计算好左、右股各需要换入的长轨条根数，由于长轨条长期放置在道床一侧存在安全隐患，故每焊接完成一根长轨条，即实施一次换轨作业。单股第一根长轨条换入采用铝热焊工艺合拢一端的新、旧钢轨，另一端采取钻孔上夹板的方式连接新、旧轨；单股中间位置的长轨条换入时先切断上次作业安装的接头夹板，再采用铝热焊工艺合拢此端的新、新钢轨，另一端依旧采取钻孔上夹板的方式连接新、旧轨；单股最后一根长轨更换入，通过两次焊接合拢两端的钢轨，恢复线路的无缝状态。
5、回收旧轨：换轨作业结束后，更换下线的旧轨条放置在两侧水沟处，用氧乙炔将旧轨条切割成数段25m长度的短轨，利用工程车运回车辆段内；
6、精调线路：换轨作业全部结束后，组织人员对线路的轨距、水平、高低、曲线正矢等指标进行精调。
2.2钢轨更换过程中的主要风险隐患
2.2.1换轨作业施工接口多、工作量大、时间紧张
地铁钢轨更换作业是一项需要多部门相互协调完成的工作，主要有运轨、布轨、线上与线下焊接、拨接、拆装扣件等多项流程，只有在地铁停运后才能开展相关的施工，每个夜间的作业时间只有3小时，时间非常紧张，每个环节都至关重要，任何一个问题都可能对次日的地铁运营带来影响。
2.2.2焊接质量难以把控
钢轨焊接在对轨要求、焊接节点把控、平直度掌握等方面的要求都非常高，而焊接作业人员的操作水平对焊接质量的影响较大，导致焊接接头的差异性较大。同时，在隧道内的焊接施工，受制于作业环境的约束，每个作业点焊接的接头数量有限，且质量难于把控。所以，随着成段更换钢轨数量越来越大，控制焊接接头的质量，也是整个换轨施工中的重要环节之一。目前地铁伤损钢轨更换焊接多采用铝热焊，铝热焊接接头与母材对比强度较低，焊接接头强度受多种因素影响，现场施工时易造成质量不统一，焊接后部分接头成为轨道新的薄弱点。
2.2.3焊接速度达不到要求
目前，地铁轨道的伤轨更换作业主要集中在夜间检修天窗内完成，而这个作业时间一般不超过3个小时。依靠既有的“人工+铝热焊接或小型气焊机”作业模式，平均每个检修天窗内每套焊接设备仅能完成3-5个焊点作业，难以适应快速增长的钢轨焊接作业需求，更无法满足大修周期的批量换轨焊接作业需求。
2.2.4现场施工存在安全隐患
目前地铁钢轨成段更换的施工工艺属于人员密集型施工，在焊接过程中，氧气、乙炔、明火等同时存在，危险系数高。由于各专业设备在隧道内密集布设，换轨施工中对其他专业设备安全存在一定隐患。此外，钢轨拨接作业中一旦发生钢轨侧翻、反弹等现象将影响到人身安全。
3．地铁钢轨中大修模式建立的必要性和可行性
3.1钢轨中大修模式建立的必要性
随着城市地铁的陆续建成以及线网规模的逐步形成，一方面早期开通线路的轨道设备已经到了大修期，为了保障运营线路的安全可靠性，钢轨、扣件等设施设备的更换需求日益迫切；另一方面后期陆续开通的线路，随着运营年限以及运量的增加，设备也将开始逐步进入大中修周期，在地铁运营到一定规模和周期后，轨道设备问题集中突发，维修需求紧迫且数量较大，以目前的施工工艺，难以适应快速增长的需求，未来更是无法完成大规模的线路大中修任务。
以南京地铁运营线路为例，地铁线路在运营5年后开始陆续出现钢轨更换的需求，运营8-10年，运营里程在200公里左右规模的周期时，钢轨更换需求凸显，预计年换轨需求在5-10公里。网络化运营后，钢轨更换量将成倍增加，运营15年以上，运营里程在400公里左右的周期时，预计年换轨的工作量将达到20公里以上。
所以制定每个周期的钢轨更换模式，提前引进成段更换钢轨的大型工艺设备以及建立线网运营后钢轨更换的标准化体系是非常有必要的前瞻性工作。
3.2钢轨中大修的可行性方案
目前，在地铁不停运的情况下，全面或成段更换钢轨大修一般采用以下几种方式：一种方式是现场人工+铝热焊接；一种方式是焊轨车现场焊接+分段上线；一种方式是基地焊接+集中上线。由于人工+铝热焊接存在效率低，焊接质量不稳定，管理难度高，现场施工条件恶劣等诸多问题，这里主要对后面两种方式进行介绍。
3.2.1焊轨车焊接+分段上线方案
焊接过程中采用流水线作业,采用移动式焊轨车进行现场焊接。需要经过前期准备(约60min)、闪光焊接(约8min/个焊头)、正火(约15min/个焊头)以及外形精整(约15min/个焊头)四个阶段。焊接完成后采用风冷,焊轨车前进到下一个作业点,后面的施工组依次对前面焊接完成的接头进行焊后处理,整个施工过程排列紧密,各工序之间影响较小。
焊接施工开天窗封锁线路,天窗时间内进行焊接及换轨作业。焊轨车到达后,吊下焊机机头,利用吊臂的伸缩和偏转调整焊机位置使焊机对准焊缝。张开焊机夹钳装置,落下焊机置于轨面上并夹住钢轨,调整预留缝和检查对轨情况良好后,吊机稍作提升,使钢轨稍离支垫,再次检查对轨情况良好后启动焊接。焊接程序完成后,张开夹钳装置释放钢轨,转至另一股钢轨继续焊接。两股钢轨的焊接完成后,将焊机头收上车放置平稳并转移到下一焊头进行焊接，依次推进。
焊机完成一个接头焊轨作业后,焊接后处理小组对焊接完的接头进行推瘤、正火、精磨处理。焊轨车完成单元轨焊接后，返回停靠基地。单元轨条焊接完成后，有计划地将单元轨分段上线，每根单元轨上线后先采用钻孔上夹板的方式连接新、旧轨，临近单元轨条上线后切除夹板区域钢轨，然后将两根单元轨条焊接为无缝线路，并依次推进，最后一根单元轨换入后，通过铝热焊作业合拢两端的钢轨，恢复线路的无缝状态。
3.2.1基地焊接+集中上线方案
采用基地焊接方案，是将标准25m长的新钢轨在维修基地内利用闪光接触焊设备将钢轨焊接成125m或其他定制长度的长轨条(长度主要依据长轨条运输车的运输能力确定)，通过长轨条运输车将焊好的长轨条运至现场进行更换，前后长轨条的焊接是采用铝热焊或者小型移动气压焊在现场焊接。
以往城市轨道交通中无缝线路所用的长钢轨由就近的铁路焊轨厂生产,然后用长轨运输列车由国铁转接城市轨道线路再运送至施工现场。其中还必须在换装场将长钢轨倒装到地铁专用的长轨运输列车上，再经过二次倒运至现场。有的城市地铁还未建成线路与国有铁路直接相连时，还需要修建临时便线，加上大部分工程现场距离焊轨厂路途遥远,需增加大量运输费用。因此为适应网络化地铁运营的换轨需求，应在线网发展到一定规模的时期，提前建立基地焊轨场，同时引进相关焊接、运输、换轨适用于地铁限界的集成化、一体化大型设备。
采取基地焊接，需要在地铁基地内建设焊轨场。焊轨场一般包括存轨台、堆料场、钢轨堆放场、焊机房、实验室及长度不小于300m的3条牵出股道，同时还需要购置以下工具设备:125m或定制长度的长轨运输车一台、接触焊焊接设备+打磨设备+精铣设备一套、5t龙门吊2台、3t龙门吊2台。焊轨场地建成后同步引入换轨的一体化工艺设备，一般编组为①轨道车+②运轨车+③换轨车+④轨道车+⑤收轨车（见下图），各城市地铁可以根据自身的作业条件自行组织编组。
5．结论
综上所述，首先，城市地铁钢轨大中修作业施工是一项接口多、工作量大、时间紧张、需求日益迫切的重要工程，传统的施工组织中存在较多的危险源，且质量难于把控，所以对各类钢轨中大修的模式进行分析比选，制定各个阶段周期所采取的模式，是一项前瞻性的重点工作；其次，随着城市地铁的快速发展，早期运营线路的设备折损与老化，以及运营里程的增加，网络化运营规模的形成，钢轨大中修的需求和紧迫性日益凸显，仅靠单一的组织模式很难适应发展的步伐；最后，制定每个阶段周期的钢轨中大修组织模式，建立线网运营后钢轨更换的标准化体系，不但可以提高生产效率，而且能够优质完成工作任务。
结合城轨交通行业的调研，从经济效益、技术要求、安全可靠性等方面综合考虑，得出在城市地铁开通运营初期，可以采用人工+铝热焊接的传统模式来满足少量的钢轨更换需求，其具有组织形式简单，成本投入低等特点；在运营中期，初步形成线网运营规模时，可以引进移动式焊轨车设备，采用焊轨车焊接+分段上线的模式来适应一定规模的换轨需求，其具备灵活强，焊缝质量较高，线网不通时能够有效覆盖等特点；在网络化运营体系形成后，建立大修基地，引进一体化施工的工艺设备，采用基地焊接+集中上线模式，同时形成钢轨更换的标准化体系来满足城市地铁的钢轨大修需求。
参考文献:
[1]王其昌.铁路线路大修工程[M].北京:中国铁道出版社,2000.
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[3]李小书.浅谈地铁隧道内换轨施工流程[J].应用科技，2014（2）.