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長(zhǎng)鋼軌低溫焊接和鎖定施工工法(一)
長(zhǎng)鋼軌低溫焊接和鎖定施工工法
六公司京滬鋪架項(xiàng)目部 李杰
一、施工概況
京滬高速鐵路棗莊至蚌埠段軌道工程，我項(xiàng)目鋪設(shè)正線鋼軌里程DK626＋294.079～DK846＋100間309km無(wú)縫線路，鋼軌采用500m長(zhǎng)軌條（U71MnK、60kg/m）。宿州東站(DK765+400)、蚌埠南站（DK844+358）2個(gè)車(chē)站站線，到發(fā)線為無(wú)縫線路，鋼軌采用100米定尺軌（U71Mn、60kg/m），保養(yǎng)點(diǎn)為有縫線路，鋼軌采用25米標(biāo)準(zhǔn)軌（U71Mn，50 kg/m）。正線設(shè)計(jì)速度目標(biāo)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(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，是我國(guó)第一條設(shè)計(jì)時(shí)速350km高速鐵路。由于施工工期緊、任務(wù)重，該段2010年12月1日必須進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)試，無(wú)縫線路的焊接、鎖定由于施工節(jié)點(diǎn)安排，大部分作業(yè)時(shí)軌溫會(huì)處于鎖定溫度以下進(jìn)行。先導(dǎo)段無(wú)縫線路鎖定任務(wù)，采用本工法，該施工工法可適用于低于鎖定溫最大35℃的應(yīng)力放散及鎖定施工，截止目前我項(xiàng)目已完成鎖定施工任務(wù)24km。
工法特點(diǎn)
采用拉伸法方式及移動(dòng)焊軌車(chē)焊接鋼軌接頭；施工方法簡(jiǎn)便，可操作性強(qiáng)，施工質(zhì)量穩(wěn)定，滿(mǎn)足350km/h高速鐵路施工技術(shù)要求；可在低于鎖定溫最大35℃溫差條件下，快速進(jìn)行區(qū)間無(wú)縫線路焊接和鎖定施工。
適用范圍
本工法適用于低于設(shè)計(jì)鎖定軌溫最大35℃溫差條件下進(jìn)行長(zhǎng)鋼軌應(yīng)力放散鎖定和焊接施工。
工藝原理
1、長(zhǎng)鋼軌低溫鎖定工藝?yán)碚摲治?br />
按長(zhǎng)鋼軌的力學(xué)理論，當(dāng)實(shí)際軌溫低于設(shè)計(jì)鎖定軌溫ΔT時(shí)，長(zhǎng)鋼軌的溫度力、鋼軌線膨脹系數(shù)、拉力、拉伸伸長(zhǎng)量換算關(guān)系如下：
1.1拉伸法使長(zhǎng)鋼軌均勻伸長(zhǎng)，拉伸伸長(zhǎng)量ΔL與⑴述溫度伸長(zhǎng)量相當(dāng)時(shí)，長(zhǎng)鋼軌狀態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)鎖定軌溫狀態(tài)，拉伸力F=（彈性模量E×鋼軌伸長(zhǎng)率ΔL/L）×鋼軌橫斷面積A，即鋼軌伸長(zhǎng)量ΔL=（拉伸力T/鋼軌橫斷面積A）/彈性模量×鋼軌長(zhǎng)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(zhǎng)度長(zhǎng)鋼軌在不同溫差條件下?lián)Q算關(guān)系計(jì)算如下表：
ΔT=ΔL/（α×L） 鋼軌質(zhì)量：0.61KN/m
拉力F=（彈性模量E×鋼軌伸長(zhǎng)率ΔL/L）×鋼軌橫斷面積A；
鋼軌伸長(zhǎng)量ΔL(mm)=溫度變化值ΔT×鋼軌線膨脹系數(shù)α×鋼軌長(zhǎng)度L(m)�！�
鋼軌橫斷面積A=77.45cm2；鋼軌彈性模量E=210GPa
鋼軌與輥軸的摩擦系數(shù)μ=0.16；鋼軌線膨脹系數(shù)α=11.8×10-6/℃
每組鋼軌扣件的縱向阻力按9KN計(jì)。
計(jì)算結(jié)果如下：
溫差℃ 鋼軌長(zhǎng)度m 拉伸量mm 拉伸率 拉應(yīng)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(jīng)計(jì)算，90噸級(jí)液壓拉伸機(jī)可完全滿(mǎn)足實(shí)際軌溫最大低于設(shè)計(jì)鎖定軌溫35℃時(shí)2000m及以下長(zhǎng)度單元軌的放散鎖定施工。
2施工工藝原理
2.1使用移動(dòng)焊機(jī)采用接觸焊焊接長(zhǎng)鋼軌，焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
2.2采用拉伸法使長(zhǎng)鋼軌伸長(zhǎng)，使低溫條件下長(zhǎng)鋼軌達(dá)到鎖定軌溫時(shí)所需要的長(zhǎng)鋼軌長(zhǎng)度。
施工工藝流程及操作要點(diǎn)
1 施工工藝流程
移動(dòng)焊機(jī)工地焊接長(zhǎng)鋼軌施工工藝流程
施工準(zhǔn)備→軌端打磨→焊機(jī)對(duì)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(zhǎng)鋼軌低溫鎖定施工工藝流程
施工準(zhǔn)備→設(shè)置臨時(shí)位移觀測(cè)點(diǎn)→拆卸扣件→墊滾筒、放散應(yīng)力→拉軌、撞軌、觀測(cè)位移量→軌溫測(cè)量→鋼軌落槽→鎖定 線路→設(shè)置位移觀測(cè)標(biāo)志
2 操作要點(diǎn)
2.1 移動(dòng)焊軌機(jī)工地焊接長(zhǎng)鋼軌施工
2.1.1、準(zhǔn)備工作
移動(dòng)焊機(jī)對(duì)位，支撐支腿油缸，拆除焊機(jī)前15m左右和前端待焊500m長(zhǎng)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(jī)對(duì)鋼軌端部600mm范圍內(nèi)的軌腰和端面進(jìn)行除銹至表面有金屬光澤。
鋼軌除銹
2.1.3、焊接
焊機(jī)對(duì)鋼軌進(jìn)行夾持、焊接并進(jìn)行保壓推瘤。
LR1200型移動(dòng)焊軌機(jī)工地焊接長(zhǎng)鋼軌
2.1.4、焊軌機(jī)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(chē)頂推焊軌機(jī)前行進(jìn)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(dāng)墊高，用氧炔焰對(duì)焊縫進(jìn)行加熱至900±50℃，如外界溫度較低時(shí)，熄火后迅速利用專(zhuān)門(mén)制作保溫用具對(duì)焊頭進(jìn)行覆蓋，防止低溫和自然風(fēng)使鋼軌的冷卻速度過(guò)快而淬火。
2.1.6、鋼軌打磨
對(duì)焊頭軌底上角、下角進(jìn)行打磨，應(yīng)打磨圓順；用仿型打磨機(jī)將焊縫及焊縫兩側(cè)1m長(zhǎng)度范圍內(nèi)的軌頂面、軌頭側(cè)面進(jìn)行精細(xì)打磨。
工地長(zhǎng)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(duì)焊縫進(jìn)行探傷，并噴焊接流水號(hào)。同時(shí)將拆除的線路進(jìn)行恢復(fù)。
長(zhǎng)鋼軌焊接接頭超聲波探傷
2.2 無(wú)縫線路長(zhǎng)鋼軌低溫鎖定施工
2.2.1、施工準(zhǔn)備
無(wú)縫線路長(zhǎng)鋼軌低溫鎖定由區(qū)間一端向另一端施工。
（1）人工拆除起點(diǎn)處一對(duì)100m已鎖定軌和與其連接的2000m單元軌范圍內(nèi)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(wú)阻力狀態(tài)”。
（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(jù)拉伸長(zhǎng)度要求設(shè)置一個(gè)鋼軌觀測(cè)點(diǎn)，以便確認(rèn)鋼軌的均勻拉伸和鋼軌拉伸量。
（5）在拉伸鋼軌的同時(shí)，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(shí)均勻伸長(zhǎng)。
（6）觀測(cè)鋼軌拉伸過(guò)程中每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的位移量，當(dāng)鋼軌拉伸量達(dá)到計(jì)算要求拉伸長(zhǎng)度時(shí)，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(tái)內(nèi)燃扳手對(duì)鋼軌沿線的扣件進(jìn)行緊固，扣壓力并擰至250N/m，完成2000m鋼軌的應(yīng)力放散鎖定。
（8）拆除鋼軌拉伸機(jī)，并轉(zhuǎn)移同線另一單元鋼軌上進(jìn)行應(yīng)力放散和鎖定。
（9）設(shè)置位移觀測(cè)樁，粘貼位移標(biāo)尺，清理線路。
（10）兩單元軌之間鋼軌焊接時(shí)，焊縫應(yīng)設(shè)在兩承軌臺(tái)之間，離承軌臺(tái)的最小距離100mm，且左、右兩股鋼軌相錯(cuò)量不得大于10cm。
長(zhǎng)鋼軌低溫鎖定施工流程示意圖（拉伸法）
勞動(dòng)力組織
移動(dòng)焊軌機(jī)工地焊接長(zhǎng)鋼軌勞動(dòng)力組織表
序號(hào) 工序及崗位 單班 單班人員配置說(shuō)明
1 焊軌隊(duì)長(zhǎng) 1
2 軌道車(chē)司機(jī) 1 軌道車(chē)與移動(dòng)焊軌車(chē)聯(lián)掛
3 焊軌車(chē)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(jī)各1
7 探傷 2
8 質(zhì)量檢查及噴號(hào) 1
9 防護(hù) 2 線路兩端
10 普工 48 拆卸扣件、安拆滾筒
11 值班電工及機(jī)修工 2 包括鋸軌等
12 調(diào)車(chē)人員 1
合 計(jì) 68
長(zhǎng)鋼軌低溫條件下應(yīng)力放散及鎖定勞動(dòng)力組織表
序號(hào) 工序及崗位 單班 人員配置說(shuō)明
1 指揮組 5 含隊(duì)長(zhǎng)1、技術(shù)員2人、工班長(zhǎng)2人
2 普工 120
3 施工防護(hù) 4
合 計(jì) 129
七． 材料與設(shè)備
無(wú)縫線路長(zhǎng)鋼軌低溫鎖定材料及設(shè)備表
序號(hào) 設(shè)備名稱(chēng) 規(guī)格型號(hào) 單位 數(shù)量
1 移動(dòng)焊軌車(chē) LR1200 臺(tái) 1
2 軌道車(chē) 金鷹 臺(tái) 1
3 內(nèi)燃鋸軌機(jī) 臺(tái) 2
4 端面打磨機(jī) 臺(tái) 2
5 仿型打磨機(jī) 臺(tái) 2
6 氧炔焰正火設(shè)備 套 1
7 發(fā)電機(jī) 臺(tái) 4
8 內(nèi)燃螺栓扳手 臺(tái) 30
9 超聲波探傷儀 臺(tái) 2
10 粗磨設(shè)備 套 2
11 滾輪 個(gè) 450
12 鋼軌檢測(cè)尺 1m 套 3
13 起道機(jī) 15t 臺(tái) 8
14 客車(chē) 臺(tái) 3
15 貨車(chē) 3噸 臺(tái) 2
八、 質(zhì)量控制
1質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
1.1正線無(wú)縫線路最短焊接短軌不小于12m，單元軌接頭應(yīng)置于兩承軌臺(tái)扣件節(jié)點(diǎn)中間。
1.2除道岔內(nèi)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(guī)定做焊接型式試驗(yàn)和周期性檢驗(yàn)，并由鐵道部科學(xué)研究院出具鋼軌焊接型式試驗(yàn)報(bào)告。
1.3無(wú)砟軌道無(wú)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(qū)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(nèi)側(cè)工作面+0.2、0mm，軌底（焊筋）+0.5、0mm。
2、 質(zhì)量保證措施
2.1 對(duì)于鋼軌焊接、正火、探傷、行車(chē)、應(yīng)力放散等作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，增強(qiáng)員工的技能和安全意識(shí)。施工前進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)交底，使所有一線參戰(zhàn)的施工人員熟悉施工工藝和作業(yè)流程。
2.2 鋼軌工地接觸焊接施工中，經(jīng)過(guò)型式試驗(yàn)確定的焊接參數(shù)，不得隨意改變，每個(gè)焊頭由焊機(jī)計(jì)算機(jī)全過(guò)程自動(dòng)監(jiān)控，識(shí)別焊頭的合格情況。并按規(guī)定每焊接500頭進(jìn)行周期性生產(chǎn)檢驗(yàn)。
2.3 鋼軌焊接前對(duì)焊縫兩端各1m范圍進(jìn)行預(yù)熱，低溫情況下，正火后必須對(duì)焊接接頭進(jìn)行保溫，以免焊頭因冷卻過(guò)快而淬火。并對(duì)焊接過(guò)程中的每一道工序質(zhì)量實(shí)行自檢。
2.4 在無(wú)縫線路應(yīng)力放散鎖定施工過(guò)程中，各工序施工人員按照技術(shù)交底要求和施工規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。
3 采用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
3.1客運(yùn)專(zhuān)線250km/h和350km/h鋼軌檢驗(yàn)及驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)；
3.2 350km/h客運(yùn)專(zhuān)線60kg/m鋼軌暫行技術(shù)條件；
3.3 TB/T 1632-2005鋼軌焊接接頭技術(shù)條件(通用技術(shù)條件/閃光焊接)；
3.4客運(yùn)專(zhuān)線無(wú)砟軌道鐵路工程施工質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)。
九、 安全措施
1加強(qiáng)行車(chē)安全管理，行車(chē)中嚴(yán)格控制車(chē)速，施工中應(yīng)在施工前后端各500m距離處設(shè)置安全防護(hù)。
2焊接施工時(shí)，施工人員應(yīng)避讓飛濺的火花；經(jīng)常檢查正火設(shè)備氧氣乙炔管道的密封性能
3鋼軌應(yīng)力放散鎖定施工中，撞軌和取放滾輪時(shí)用撬棍抬放鋼軌應(yīng)齊心協(xié)力，安裝取出滾輪應(yīng)迅速，以免引發(fā)安全事故。
十、環(huán)保措施
及時(shí)收集鋼軌焊接、打磨過(guò)程中產(chǎn)生的廢物、鐵屑和焊瘤和設(shè)備的廢油，并集中處理，防止對(duì)環(huán)境造成污染。
十一、 效益分析
1社會(huì)效益
京滬高速鐵路是我國(guó)第一條時(shí)速350km高速鐵路，備受?chē)?guó)內(nèi)外關(guān)注，本施工技術(shù)率先應(yīng)用于我國(guó)第一條時(shí)速350km高速鐵路目前施工效果良好，推動(dòng)了我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道施工技術(shù)的發(fā)展。
采用本工法施工，保證了施工質(zhì)量和工期，為京滬高速鐵路的先導(dǎo)段后期長(zhǎng)軌應(yīng)力放散及鎖定提供了技術(shù)保障。
2經(jīng)濟(jì)效益
本工法的使用，經(jīng)計(jì)算可在低于鎖定溫度35℃（淮河以北無(wú)砟軌道鎖定軌溫23±2℃）惡劣天氣條件下進(jìn)行鎖定焊接，截止目前京滬高鐵先導(dǎo)段順利完成了24公里無(wú)縫線路長(zhǎng)鋼軌鎖定施工，現(xiàn)可24小時(shí)進(jìn)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(fèi)用。
移動(dòng)焊機(jī)的保壓推瘤功能在焊軌過(guò)程中的使用，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)區(qū)間無(wú)縫線路鎖定焊接的空白，具有深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。
十二、應(yīng)用實(shí)例
京滬高速鐵路采用CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，中鐵十五局六公司共鋪設(shè)需鎖定焊接無(wú)縫線路309km，京滬高鐵是我國(guó)第一條設(shè)計(jì)時(shí)速350km高速鐵路。我項(xiàng)目運(yùn)用本技術(shù)可在低于鎖定溫度35℃（淮河以北無(wú)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(wú)縫線路長(zhǎng)鋼軌鎖定施工，避免了二次應(yīng)力放散。
鐵道部鐵科院和監(jiān)理單位、鐵路工務(wù)段對(duì)我項(xiàng)目目前無(wú)縫線路鎖定經(jīng)軌溫檢測(cè)儀檢測(cè)的結(jié)果表明，施工質(zhì)量滿(mǎn)足時(shí)速350km高速鐵路的技術(shù)要求。
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