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长钢轨低温焊接和锁定施工工法(一)
长钢轨低温焊接和锁定施工工法
六公司京沪铺架项目部 李杰
一、施工概况
京沪高速铁路枣庄至蚌埠段轨道工程，我项目铺设正线钢轨里程DK626＋294.079～DK846＋100间309km无缝线路，钢轨采用500m长轨条（U71MnK、60kg/m）。宿州东站(DK765+400)、蚌埠南站（DK844+358）2个车站站线，到发线为无缝线路，钢轨采用100米定尺轨（U71Mn、60kg/m），保养点为有缝线路，钢轨采用25米标准轨（U71Mn，50 kg/m）。正线设计速度目标值：350km/h；最小曲线半径：7000m；最大坡度： 15‰；正线线间距：5.0m。
，采用CRTSⅡ型板式无砟轨道结构，是我国第一条设计时速350km高速铁路。由于施工工期紧、任务重，该段2010年12月1日必须进行联调联试，无缝线路的焊接、锁定由于施工节点安排，大部分作业时轨温会处于锁定温度以下进行。先导段无缝线路锁定任务，采用本工法，该施工工法可适用于低于锁定温最大35℃的应力放散及锁定施工，截止目前我项目已完成锁定施工任务24km。
工法特点
采用拉伸法方式及移动焊轨车焊接钢轨接头；施工方法简便，可操作性强，施工质量稳定，满足350km/h高速铁路施工技术要求；可在低于锁定温最大35℃温差条件下，快速进行区间无缝线路焊接和锁定施工。
适用范围
本工法适用于低于设计锁定轨温最大35℃温差条件下进行长钢轨应力放散锁定和焊接施工。
工艺原理
1、长钢轨低温锁定工艺理论分析
按长钢轨的力学理论，当实际轨温低于设计锁定轨温ΔT时，长钢轨的温度力、钢轨线膨胀系数、拉力、拉伸伸长量换算关系如下：
1.1拉伸法使长钢轨均匀伸长，拉伸伸长量ΔL与⑴述温度伸长量相当时，长钢轨状态达到设计锁定轨温状态，拉伸力F=（弹性模量E×钢轨伸长率ΔL/L）×钢轨横断面积A，即钢轨伸长量ΔL=（拉伸力T/钢轨横断面积A）/弹性模量×钢轨长度L，弹性模量E=210GPa，钢轨横断面积A=77.45cm2
1.2每组钢轨扣件可提供纵向阻力9KN。
不同长度长钢轨在不同温差条件下换算关系计算如下表：
ΔT=ΔL/（α×L） 钢轨质量：0.61KN/m
拉力F=（弹性模量E×钢轨伸长率ΔL/L）×钢轨横断面积A；
钢轨伸长量ΔL(mm)=温度变化值ΔT×钢轨线膨胀系数α×钢轨长度L(m)。
钢轨横断面积A=77.45cm2；钢轨弹性模量E=210GPa
钢轨与辊轴的摩擦系数μ=0.16；钢轨线膨胀系数α=11.8×10-6/℃
每组钢轨扣件的纵向阻力按9KN计。
计算结果如下：
温差℃ 钢轨长度m 拉伸量mm 拉伸率 拉应力MPa 拉伸力KN 摩擦力KN 总拉力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
经计算，90吨级液压拉伸机可完全满足实际轨温最大低于设计锁定轨温35℃时2000m及以下长度单元轨的放散锁定施工。
2施工工艺原理
2.1使用移动焊机采用接触焊焊接长钢轨，焊接质量稳定可靠。
2.2采用拉伸法使长钢轨伸长，使低温条件下长钢轨达到锁定轨温时所需要的长钢轨长度。
施工工艺流程及操作要点
1 施工工艺流程
移动焊机工地焊接长钢轨施工工艺流程
施工准备→轨端打磨→焊机对位→钢轨焊接→焊缝正火→钢轨打磨→焊缝探伤→线路整理
350km/h 高速铁路长钢轨低温锁定施工工艺流程
施工准备→设置临时位移观测点→拆卸扣件→垫滚筒、放散应力→拉轨、撞轨、观测位移量→轨温测量→钢轨落槽→锁定 线路→设置位移观测标志
2 操作要点
2.1 移动焊轨机工地焊接长钢轨施工
2.1.1、准备工作
移动焊机对位，支撑支腿油缸，拆除焊机前15m左右和前端待焊500m长轨的扣件，并用滚轮支垫，使两待焊轨端平齐。
2.1.2、轨端除锈
用手砂轮机对钢轨端部600mm范围内的轨腰和端面进行除锈至表面有金属光泽。
钢轨除锈
2.1.3、焊接
焊机对钢轨进行夹持、焊接并进行保压推瘤。
LR1200型移动焊轨机工地焊接长钢轨
2.1.4、焊轨机前行
同线另一根钢轨焊接完成后，拆除滚轮，按照1/3上线路扣件并拧紧。轨道车顶推焊轨机前行进行下一根钢轨焊接。
2.1.5、正火
拆除焊缝两段约15m左右的扣件，将钢轨适当垫高，用氧炔焰对焊缝进行加热至900±50℃，如外界温度较低时，熄火后迅速利用专门制作保温用具对焊头进行覆盖，防止低温和自然风使钢轨的冷却速度过快而淬火。
2.1.6、钢轨打磨
对焊头轨底上角、下角进行打磨，应打磨圆顺；用仿型打磨机将焊缝及焊缝两侧1m长度范围内的轨顶面、轨头侧面进行精细打磨。
工地长钢轨焊接接头打磨
2.1.7、探伤
利用便携式超声波探伤仪对焊缝进行探伤，并喷焊接流水号。同时将拆除的线路进行恢复。
长钢轨焊接接头超声波探伤
2.2 无缝线路长钢轨低温锁定施工
2.2.1、施工准备
无缝线路长钢轨低温锁定由区间一端向另一端施工。
（1）人工拆除起点处一对100m已锁定轨和与其连接的2000m单元轨范围内全部轨枕扣件和绝缘垫片，按10m间距支垫滚轮，使钢轨处于“无阻力状态”。
（2）在钢轨轨腰上每间隔100m安装轨温器，查看轨温。
（3） 在2000m钢轨上按200～300m间距安装撞轨器
（4）每隔100m根据拉伸长度要求设置一个钢轨观测点，以便确认钢轨的均匀拉伸和钢轨拉伸量。
（5）在拉伸钢轨的同时，辅以撞轨器向锁定施工前方方向撞击，并配以铁锤棉布包裹锤头敲击钢轨轨腰，使钢轨在拉伸时均匀伸长。
（6）观测钢轨拉伸过程中每个观测点的位移量，当钢轨拉伸量达到计算要求拉伸长度时，停止拉轨，立即拆除拉伸器，取出钢轨下面的滚轮。
（7）上齐轨枕扣件和绝缘垫片，每隔100m利用一台内燃扳手对钢轨沿线的扣件进行紧固，扣压力并拧至250N/m，完成2000m钢轨的应力放散锁定。
（8）拆除钢轨拉伸机，并转移同线另一单元钢轨上进行应力放散和锁定。
（9）设置位移观测桩，粘贴位移标尺，清理线路。
（10）两单元轨之间钢轨焊接时，焊缝应设在两承轨台之间，离承轨台的最小距离100mm，且左、右两股钢轨相错量不得大于10cm。
长钢轨低温锁定施工流程示意图（拉伸法）
劳动力组织
移动焊轨机工地焊接长钢轨劳动力组织表
序号 工序及岗位 单班 单班人员配置说明
1 焊轨队长 1
2 轨道车司机 1 轨道车与移动焊轨车联挂
3 焊轨车操作 3
4 除锈、锯轨 2 钢轨除锈
5 正火 3
6 打磨 2 手砂轮和仿型打磨机各1
7 探伤 2
8 质量检查及喷号 1
9 防护 2 线路两端
10 普工 48 拆卸扣件、安拆滚筒
11 值班电工及机修工 2 包括锯轨等
12 调车人员 1
合 计 68
长钢轨低温条件下应力放散及锁定劳动力组织表
序号 工序及岗位 单班 人员配置说明
1 指挥组 5 含队长1、技术员2人、工班长2人
2 普工 120
3 施工防护 4
合 计 129
七． 材料与设备
无缝线路长钢轨低温锁定材料及设备表
序号 设备名称 规格型号 单位 数量
1 移动焊轨车 LR1200 台 1
2 轨道车 金鹰 台 1
3 内燃锯轨机 台 2
4 端面打磨机 台 2
5 仿型打磨机 台 2
6 氧炔焰正火设备 套 1
7 发电机 台 4
8 内燃螺栓扳手 台 30
9 超声波探伤仪 台 2
10 粗磨设备 套 2
11 滚轮 个 450
12 钢轨检测尺 1m 套 3
13 起道机 15t 台 8
14 客车 台 3
15 货车 3吨 台 2
八、 质量控制
1质量标准
1.1正线无缝线路最短焊接短轨不小于12m，单元轨接头应置于两承轨台扣件节点中间。
1.2除道岔内外焊接接头采用铝热焊外，钢轨焊接接头采用闪光接触焊，钢轨焊接按规定做焊接型式试验和周期性检验，并由铁道部科学研究院出具钢轨焊接型式试验报告。
1.3无砟轨道无缝线路淮河以北锁定轨温23±2℃，相邻单元轨间的锁定轨温之差不大于5℃，同一区间单元轨间的最高与最低锁定轨温之差不大于10℃，左右股钢轨锁定轨温之差不大于3℃。
1.4焊接接头的表面平直度允许偏差：轨顶面+0.2、0mm，轨头内侧工作面+0.2、0mm，轨底（焊筋）+0.5、0mm。
2、 质量保证措施
2.1 对于钢轨焊接、正火、探伤、行车、应力放散等作业人员进行技术培训，增强员工的技能和安全意识。施工前进行详细的技术交底，使所有一线参战的施工人员熟悉施工工艺和作业流程。
2.2 钢轨工地接触焊接施工中，经过型式试验确定的焊接参数，不得随意改变，每个焊头由焊机计算机全过程自动监控，识别焊头的合格情况。并按规定每焊接500头进行周期性生产检验。
2.3 钢轨焊接前对焊缝两端各1m范围进行预热，低温情况下，正火后必须对焊接接头进行保温，以免焊头因冷却过快而淬火。并对焊接过程中的每一道工序质量实行自检。
2.4 在无缝线路应力放散锁定施工过程中，各工序施工人员按照技术交底要求和施工规范、技术标准，严把质量关。
3 采用技术标准
3.1客运专线250km/h和350km/h钢轨检验及验收暂行标准；
3.2 350km/h客运专线60kg/m钢轨暂行技术条件；
3.3 TB/T 1632-2005钢轨焊接接头技术条件(通用技术条件/闪光焊接)；
3.4客运专线无砟轨道铁路工程施工质量验收暂行标准。
九、 安全措施
1加强行车安全管理，行车中严格控制车速，施工中应在施工前后端各500m距离处设置安全防护。
2焊接施工时，施工人员应避让飞溅的火花；经常检查正火设备氧气乙炔管道的密封性能
3钢轨应力放散锁定施工中，撞轨和取放滚轮时用撬棍抬放钢轨应齐心协力，安装取出滚轮应迅速，以免引发安全事故。
十、环保措施
及时收集钢轨焊接、打磨过程中产生的废物、铁屑和焊瘤和设备的废油，并集中处理，防止对环境造成污染。
十一、 效益分析
1社会效益
京沪高速铁路是我国第一条时速350km高速铁路，备受国内外关注，本施工技术率先应用于我国第一条时速350km高速铁路目前施工效果良好，推动了我国高速铁路无砟轨道施工技术的发展。
采用本工法施工，保证了施工质量和工期，为京沪高速铁路的先导段后期长轨应力放散及锁定提供了技术保障。
2经济效益
本工法的使用，经计算可在低于锁定温度35℃（淮河以北无砟轨道锁定轨温23±2℃）恶劣天气条件下进行锁定焊接，截止目前京沪高铁先导段顺利完成了24公里无缝线路长钢轨锁定施工，现可24小时进行放散锁定，既一定程度上加快了工期，又避免了二次放散的费用。
移动焊机的保压推瘤功能在焊轨过程中的使用，填补了国内区间无缝线路锁定焊接的空白，具有深远的应用前景。
十二、应用实例
京沪高速铁路采用CRTSⅡ型板式无砟轨道结构，中铁十五局六公司共铺设需锁定焊接无缝线路309km，京沪高铁是我国第一条设计时速350km高速铁路。我项目运用本技术可在低于锁定温度35℃（淮河以北无砟轨道锁定轨温23±2℃）的恶劣天气条件下一次性完成单元无缝线路长钢轨锁定施工，避免了二次应力放散。
铁道部铁科院和监理单位、铁路工务段对我项目目前无缝线路锁定经轨温检测仪检测的结果表明，施工质量满足时速350km高速铁路的技术要求。
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