0 引言
我国高速铁路开通运营里程位居世界首位，通过10余年的运营实践，积累了丰富的养护维修经验。随着高速铁路线路设备服役时间的延长，受复杂运营条件、气候环境及地质条件等多种因素影响，部分地段出现了线路设备损伤问题，影响结构耐久性和使用寿命，严重时甚至影响行车平稳性和结构稳定性。
近年来，针对高铁线路养护维修，开展了线路设备伤损检测、原因分析、等级评定及整治维护技术对策等方面的研究，提出了相关养护维修技术要求。吕宋等针对国内外高速铁路线路设备大修管理机制、实施技术方案及应用等开展了调研分析，总结了高速铁路线路设备大修现状，并对大修技术发展进行了展望。刘丰收通过对多条高速铁路钢轨磨耗情况的长期跟踪观测，发现直线段钢轨的垂直磨耗量及磨耗速度均较小，而小半径曲线地段钢轨的侧面磨耗严重，影响钢轨的使用寿命。张杰等以沪宁城际铁路长轨更换施工为例，分析阐述了运营条件下高速铁路无砟轨道长轨更换施工技术。王璞对转辙器区特征断面尖轨和基本轨的型面及磨耗情况进行了长期跟踪测试，探究了高速道岔钢轨磨耗的分布和发展规律。宋国亮以京沪高速铁路扬州线路所2号道岔直尖轨现场更换为例，分析阐述了吊装、运输和更换施工技术。徐其瑞等提出了一种适合于高速铁路道岔大部件快速更换的作业方法，即本线纵移快速置换法，能够实现高速铁路道岔大部件的快速更换。郄录朝等进行了道床脏污率对道床渗透性能的影响研究，提出了基于渗透性能的有砟轨道道床脏污评估标准，按照渗透性能分成4个等级。姜子清[11]结合修规和工程实践经验，给出了无砟道床伤损等级判定标准的优化建议，将无砟道床伤损等级划分由三级调整成为两级。刘浩等研究分析了高速铁路有砟道床状态评价指标间的关联关系，建议工务运营维护中重点关注道床密实度的均匀性与稳定性，确保有砟道床保持良好的服役状态。但目前，高铁线路设备大修经验缺乏，大修关键技术研究较少，且尚未形成较成熟的高铁线路大修评判指标，高铁线路设备大修的科学性和合理性难以保证。
结合近年来我国已开通的高铁线路运营养护维修经验，深入研究高速铁路钢轨、扣件、道岔、有砟道床及轨枕等关键设备的大修周期管理技术。在此基础上，提出针对高铁线路设备的大修周期建议值，进一步丰富和完善我国高速铁路线路维护技术体系。
1 钢轨大修周期
1.1 周期指标
高速铁路钢轨垂磨轻伤限值为8 mm，但在换轨施工相关调查中发现，新、旧轨高差不超过5 mm，更易打磨顺接和焊接。综合磨耗和钢轨打磨，繁忙线路钢轨垂磨速率约为0.2 mm/a，运量较低的线路钢轨垂磨速率约为0.15 mm/a。以5 mm作为钢轨垂磨限值，繁忙线路钢轨达到垂磨5 mm时，对应钢轨服役年限为25 a，考虑到个别区段年运量超40 Mt，因此按年运量30～40 Mt计算，累计通过总质量约750～1 000 Mt；运量较低线路钢轨达到垂磨5 mm时，对应钢轨服役年限为30 a，按年运量15 Mt计算，累计通过总质量450 Mt。
综上可知，运量较高的繁忙线路可按累计通过总质量控制钢轨大修周期，运量较低的线路可按钢轨服役年限控制钢轨大修周期，初步给出高速铁路钢轨大修周期建议为累计通过总质量不超过1 000 Mt或服役时间不超过30 a。
1.2 状态指标
对于累计通过总质量和服役时间未到大修周期但出现严重伤损的钢轨，也需要制定大修换轨的判断依据。
1.2.1 轨面伤损
目前高速铁路钢轨整体状态良好，通过调研大修换轨区段，分析出现大范围轨面伤损区段钢轨伤损密度，总结可知，已换轨或即将换轨区段钢轨伤损密度最小为2.29处/km，可暂定状态指标之一为伤损达到2处/km。
1.2.2 严重锈蚀
从海南、广州、武汉、上海等潮湿地区的钢轨服役情况看，钢轨锈蚀程度较轻，仅在个别隧道积水地段存在中度锈蚀，钢轨服役10余年，最大锈蚀深度仅0.5 mm，钢轨主要几何尺寸无明显变化，并未影响钢轨正常使用。
目前因严重锈蚀而更换钢轨的主要在我国南部某高铁隧道内，累计通过总质量约230 Mt，钢轨服役时间8 a。该隧道湿度常年超过50%，盐度高达20 kg/m3，在我国现有铁路轨旁环境中属于较为恶劣的情况，导致提前更换下道。
1.2.3 曲线钢轨侧磨
从目前掌握的高速铁路曲线钢轨磨耗情况看，侧磨是制约钢轨寿命的关键因素。综合考虑中国铁路北京局、上海局、广州局等集团公司曲线换轨时的钢轨磨耗情况和既有高速铁路大修换轨效率，一般在侧磨或总磨耗达到轻伤时更换钢轨。
综上所述，从既有换轨案例看，当钢轨重伤达到2处/km、出现严重轨面伤损和严重锈蚀伤损、曲线钢轨侧磨达到轻伤时应及时更换钢轨。
1.3 钢轨大修周期建议
(1）高速铁路钢轨大修周期原则上按通过总质量不超过1 000 Mt或服役时间不超过30 a确定。
(2）对未达到大修周期，出现以下情况应评估钢轨状态、及时更换钢轨：(1)重伤达到2处/km;(2)曲线钢轨磨耗达到轻伤；(3)严重锈蚀、达到重伤且难以打磨整治的轨面伤损及其他可能影响钢轨使用安全的情况。
2 扣件弹条大修更换周期
2.1 弹条失效限值确定
弹条的失效限值主要参照扣压力的失效限值来确定。考虑在现场可以简单快捷地进行检测，将弹程作为判定弹条是否失效的指标。根据弹程和扣压力的线性关系，可根据扣压力的限值来确定弹程的限值，此外还要考虑弹条安装及部件变形等因素。
依据TG/GW 115—2023《高速铁路线路维修规则》规定：WJ-7型扣件、WJ-8型扣件和弹条Ⅴ型扣件的弹条养护标准均为：弹条中部前端下颚与绝缘块不宜接触，两者间隙不得大于1 mm，即弹条离缝不得大于1 mm。但经现场调研发现，弹条现场安装中肢离缝最大值有2 mm的情况存在。故考虑现场的养护维修及弹条的松弛等情况，有螺栓扣件W1型弹条和W2型弹条确定弹条离缝最大值为2 mm，无螺栓扣件C4型弹条安装考虑弹性垫板的压缩变形量为1 mm。
综合考虑钢轨倾翻量、扣压力及考虑弹条安装的一些因素，取最不利的限值，最终确定弹条弹程的失效限值见表1。
2.2 弹条弹程变化规律
长期跟踪某高速铁路试验段弹条弹程随着服役时间的变化规律（见图1），实测数据和拟合结果可以看出，弹条弹程在初期衰减较快，前49个月中约衰减了1.65 mm，而在后期衰减速度明显减缓，呈现出趋于平稳的状态，从49个月到143个月衰减仅为0.21 mm。这种衰减趋势表明，弹条性能稳定，达到建议失效限值的时间较长，具有较长的使用寿命。
对无砟轨道有螺栓扣件W1型弹条和有砟轨道有螺栓扣件W2型弹条进行疲劳试验，由室内试验得出的W1型和W2型弹条弹程与荷载循环次数关系见图2。
根据试验结果可看出，疲劳试验的荷载循环从0～500万次时，弹条弹程有一定程度衰减，W1型弹条衰减约为0.16 mm,W2型弹条衰减约为0.18 mm，但是从500万次之后，弹条弹程的变化就趋于平缓，衰减约为0.01 mm。由此可见，室内试验弹条弹程的变化规律与试验段长期跟踪的变化规律基本吻合。
2.3 弹条的大修更换周期
根据弹条的抽测结果可知（见图3），现场抽测弹程的数据较离散，无法通过曲线拟合的方法进行预测分析。根据现场长期跟踪及室内疲劳试验得出结论，W1型弹条弹程无法衰减到确定的弹程失效限值9 mm，考虑到现场养护维修的便利性和可操作性，可将W1型弹条的大修更换周期与其同区段的钢轨大修周期保持一致。
W2型和C4型弹条弹程的变化规律与W1型弹条基本一致，且现场抽测的结果也较离散（见图4、图5）。故W2型和C4型弹条使用寿命参照W1型弹条，与其同区段的钢轨使用寿命保持一致。但由于钢轨波磨或异常荷载引起的弹条微裂纹或由于隧道内潮湿等环境造成的弹条锈蚀等情况，弹条处于非正常服役状态，会造成弹条使用寿命的降低，其大修周期要结合现场的服役情况而定，可适时根据现场评估弹条裂纹和折断情况以及弹条的锈蚀情况，最终确定弹条的大修更换区段。
3 道岔大修周期
高速铁路道岔直股钢轨件与侧股钢轨件使用寿命明显不同，且不同钢轨件之间组装、配合关系复杂，建议分工况设置大修周期。由磨耗规律理论分析可得高速铁路道岔钢轨维修更换磨耗限值见表2。
对于顺向通过的道岔，可单独更换曲尖轨，第2次更换曲尖轨时通常要同步更换曲尖轨与导曲线外股钢轨，可动心轨辙叉宜通过调整导轨、现场打磨翼轨消除错牙，至翼轨侧磨、曲尖轨磨耗也接近更换限值，可与曲尖轨同步更换或延长1个曲尖轨使用周期。因此，至该道岔第3根曲尖轨或辙叉趾端磨耗到限时，应设置1个侧股钢轨件大修周期（见图6）。
对于逆向通过的道岔，通常会在翼轨趾端达到侧磨限值之前更换1根曲尖轨，当翼轨趾端达到侧磨限值时，应根据曲尖轨的实际磨耗状态确定，当既有曲尖轨侧磨超过3 mm时，应同步更换曲尖轨。当侧股翼轨趾端磨耗到限时，直股钢轨件垂磨约为2～3 mm，因此直基本轨应与曲尖轨同步更换，逆向通过的道岔侧股钢轨件大修周期示意见图7。
综上分析，高速道岔钢轨件大修周期建议值见表3，同时考虑线路整体状态、方便现场施工组织，高速道岔钢轨件整组更换大修周期最长应不超过线路钢轨大修周期。
4 有砟道床大修周期
4.1 通过总质量与高铁道床脏污率的关系
根据高速铁路有砟道床脏污特征标定试验方法，调研部分线路脏污试验结果见表4。从现场表观试验结果来看，目前大部分线路道床状态良好。
由于高铁的运量及运营条件基本相当，单位通过总条件下所产生脏污率也不会存在较大差异。相较而言，线路开通时的初始脏污率则可能存在较大的差异，且从脏污成分的室内试验研究结果进行分析，基本可确定是由建设初期道床初始的脏污所导致。故取测试结果中单位通过总质量产生的脏污率最小实测值作为统计结果，则以线路3数据进行分析，则初始脏污率10%条件下，由捣固所产生的脏污约为7.38%，计算得到的平均单位通过总质量产生的脏污率约为1.49%/100 Mt。
此外需要说明的是，我国高铁有砟线路大部分采用特级级配，由于特级级配的最小粒径为22.4 mm（一级级配为16 mm），其所构成道床的初始孔隙率大于一级级配有砟道床，脏污率超过35%是道床孔隙基本被填满从而脏污严重的合理判定标准。因此，对于特级级配的高速铁路有砟道床大修评判标准见表5，建议取脏污率达到35%作为高铁道床大修的判定标准。
4.2 高铁有砟轨道捣固周期
线路养护维修部门对线路并非按照里程从前到后逐步进行捣固维修，因此很难统计准确的道床捣固周期，按每年捣固里程对道床的捣固周期进行推算（见表6）。从部分线路区段的统计结果看，在线路开通的前2～3 a，线路捣固周期较短，约为1.1～1.7 a，在开通后的4 a，由于道床状态逐渐稳定，捣固周期约在2.3～4.9 a，则按照中位数2.6 a进行计算。
4.3 有砟道床合理大修周期确定
基于我国高铁有砟轨道综合调研表观试验结果，同时考虑道床初始脏污率、列车通过总质量导致的道砟破碎脏污、捣固作业导致的道床破碎脏污3方面主要影响因素，提出我国高铁脏污率发展规律预测公式为：
$$F=crx+\frac{t}{w}x+f, \qquad（式1）$$
式中：F为道床的脏污率预测值；x为被评估线路的运营时间，a;c为被分析线路的实际年平均通过总质量，Mt/a;r为单位通过总质量导致的脏污率增量，0.014 9%/Mt;t为运营期单次捣固所引起的道床脏污率增量，1.6%;w为我国高铁有砟轨道的平均捣固周期，2.6 a;f为线路初始脏污率。设某线路需要清筛时的通过总质量为m，则有：
m=xc (式2)
将式（1）带入式（2）可得：
$$m=\frac{F-f}{r+\frac{t}{wc}}\qquad（式3）$$
需要特别说明的是，不同有砟轨道的服役状态及道砟使用寿命会受到道砟材质、初期建设质量、线路运营条件及下部基础形式等多重因素的影响，导致道床的脏污率发展趋势与运营时间及通过总质量不一定呈线性正相关，且不同线路之间的差异也较大，因此高铁有砟道床的大修决策需要秉承“状态修”理念，以检测、评估、分析为主，通过总质量及运营周期为辅。基于统计结果，将所提出的清筛周期进行阶段划分（见表7）。当高铁有砟轨道通过总质量ma≤0.5 m时，在不存在基础病害的情况下道床服役状态基本良好；当高铁有砟轨道在累积通过总质量0.5 m<ma≤0.75 m时，道床服役状态呈现出多样化的特征，并主要受到道床初始脏污情况、运营周期、捣固作业模式等因素的综合影响，在该通过总质量区间内需要进行状态评估，并依据评估结果决定是否需要清筛；当高铁有砟轨道通过总质量0.75 m<ma≤m道床状态已经相对较为脏污，建议列入清筛计划；当m<ma时由于长期运营及捣固等影响，建议优先进行清筛。
5 有砟轨道轨枕大修周期
以我国目前高速铁路中用量较大的Ⅲc型轨枕作为研究分析对象，利用统计数据计算出轨枕的可靠度及失效概率，得到Ⅲc型轨枕设计基准期内失效概率与通过总质量关系见图8。
根据轨枕疲劳寿命的计算分析结果可知，按轨枕总失效概率不超过5%控制，则轨枕的计算大修周期为累积通过总质量2 500 Mt，若按繁忙干线年通过总质量50 Mt考虑，则轨枕的理论大修周期约为50 a。结合现场实际考虑，一方面，轨枕大修工作难度大、维修效率有限，无法短时间内更换大量轨枕；另一方面，轨枕的实际疲劳使用寿命还与线路状态、车辆状态及累积通过总质量等多种因素有关，当线路状态好、车辆状态、线路行车密度不大、每年列车的通过总质量不高时，轨枕失效概率将会降低，同时轨枕的大修周期也可以适当延长。因此，建议当线路中的轨枕累积通过总质量达到2 000 Mt或使用年限达到40 a时，对线路中的轨枕开展全面的状态检查和评估，从而确定轨枕的实际使用状态，方便结合线路的钢轨和道床大修工作，提前安排轨枕大修任务。
6 结论
(1）初步建议高速铁路钢轨大修周期原则上按通过总质量不超过1 000 Mt或服役时间不超过30 a确定；对于未达到大修周期，重伤达到2处/km，曲线钢轨磨耗达到轻伤，出现严重锈蚀、达到重伤且难以打磨整治的轨面伤损及其他可能影响钢轨使用安全的情况时，应评估钢轨状态、及时更换钢轨。
(2）由于安装状态及安装扭矩等因素的影响，各类型弹条弹程数据较为离散，基本随服役时间呈缓慢下降的趋势，但后期弹程衰减较慢，达到建议弹程失效限值时间较长，建议弹条大修更换周期与同区段钢轨大修更换周期保持一致。
(3）建议大修周期以曲上股导轨、辙叉侧股翼轨趾端侧磨情况决策；成组更换道岔钢轨件大修，建议大修周期以直尖轨、直股导轨垂磨情况决策，直侧向运量相当的道岔应结合转辙器轨件维修更换情况决策，大修周期建议为通过总质量490～680 Mt，整组更换钢轨件周期最长不超过本线钢轨大修周期。
(4）高铁有砟道床的大修决策需要秉承“状态修”理念，以检测、评估、分析为主，通过总质量及运营周期为辅，建议高铁有砟轨道在累积通过总质量0.5 m≤ma≤0.75 m需要进行状态评估，并作为道床大修决策的依据。
(5）建议当线路中的轨枕累积通过总质量达到2 000 Mt或使用年限达到40 a时，对线路中的轨枕开展全面的状态检查和评估，从而确定轨枕的实际使用状态，方便结合线路的钢轨和道床大修工作，提前安排轨枕大修任务。
文章来源：
原文名称：高速铁路线路设备大修周期管理技术研究
作者信息：支洋（中国国家铁路集团有限公司工电部）
期刊信息：中国铁路 . 2024 (09)
