|
鐵道部 經 理 |
楊漢生 |
鐵道部 顧 問 |
林再淡 |
鐵 道 部 專案工程師 |
耿則中 |
鐵道部 工程師 |
張正欣 |
摘 要
鋼軌接頭為軌道結構（道碴、軌枕、鋼軌及扣件等所組成）之最大弱點，該處受行駛中列車的激烈衝擊，頗易發生道床鬆弛、接頭下沉，造成軌道材料之損壞，且車輛的振動將使乘客產生不舒適感。現代化軌道為徹底改善鋼軌接頭之缺點，遂採取連續焊接之方式（註一）將鋼軌接頭予以取消，使其成為連續焊接鋼軌（Continuous Welded Rail），藉以減少軌道之維修工作，並可增加使用年限。
經理論與實驗證明，長焊鋼軌之伸縮僅發生於兩端各約100公尺範圍內，中間則為伸縮量幾乎無變化之不動區間，而不動區間因溫度上升使其鋼軌軸力增加，此時若道碴橫向阻力不足以抵抗鋼軌軸力，將產生軌道挫屈。為有效預防長焊鋼軌發生軌道挫屈，甚而因此造成列車出軌事故，於長焊鋼軌之設計、施工各階段與管理、養護等層面，皆須特別加以考量與注意。
註一：台鐵之長焊鋼軌係利用長度為5~25m間之短鋼軌或長度為25m之定尺鋼軌連續焊接而成。常見的鋼軌焊接方法計有閃電對頭焊接（電阻火花焊接，Flash Butt Welding）、瓦斯壓接法（Gas Pressure Welding）、熱劑焊接(Thermit Welding)及封閉式電弧焊接（Enclosed Arc Welding）等。各國大多先在焊軌工場用閃電對頭焊接機完成一定長度之焊接鋼軌後，再運往工地使用熱劑焊接或封閉式電弧焊接法焊連之。
一、前言
九十年七月十三日上午十時許，台鐵莒光號第四十一次列車行經竹南－造橋間之南港溪橋北橋台附近之東正線時，發生列車出軌事故。為釐清事故發生之真正原因，台鐵「行車保安委員會」立即邀集學者專家組成本事故之專案調查小組，初步排除事故發生原因為車輛等機械因素，而係因長焊鋼軌軌道挫屈肇致列車發生出軌事故，並決議針對橋軌互制行為、路基沉陷等可能產生軌道挫屈之因素，委請本工程司作一研究與分析，以探討事故路段產生軌道挫屈之真正原因，並提出如何防範與改善之建議方案，進而確保日後之行車安全。
本文係將前述研究案中有關長焊鋼軌設計、施工、養護等研析內容作一簡單之介紹；另針對部頒「1067 公厘軌距鐵路長焊鋼軌舖設及養護規範」修訂前後之條文加以比較說明。
二、名詞定義、基本理論與條件
（一）名詞定義
1. 長焊鋼軌(Continuous Welded Rail)：長度在二百公尺以上而能在中央產生不動區間之連續焊接鋼軌。
2. 一般區間長焊鋼軌：不包含舖設於隧道內及無道碴橋梁上之長焊鋼軌區間。
3. 隧道內長焊鋼軌：舖設於隧道內之長焊鋼軌。
4. 橋上長焊鋼軌：舖設於無道碴橋梁上之長焊鋼軌。
5. 無道碴橋梁：包含有道床之版式軌道與無道床之鋼直結軌道及橋枕軌道之橋梁。
6. 舖定溫度：舖定長焊鋼軌工作，自開始至扣緊連接扣件過程中之平均鋼軌溫度。
7. 重新舖定：鬆弛連接扣件後重新舖定長焊鋼軌。
8. 道碴橫向阻力：道碴中之軌框沿軌道直角方向作水平移動時，軌枕與道碴間所發生之阻力。
9. 伸縮區間：長焊鋼軌兩端隨溫度昇降而伸縮之區間。
10.長焊鋼軌不動區間：整根長焊鋼軌除兩端各約一百公尺伸縮區間外之中央段，為不隨溫度昇降而伸縮之區間。
11.伸縮接頭滑距：伸縮接頭之滑動距離。
12.緩衝軌：毗連長焊鋼軌端舖設之數根定尺鋼軌或標準長度以下之鋼軌。
（二）長軌伸縮理論公式與伸縮區間長度
1. 理論公式
(1) γ = γ0 (彈性抵抗時，圖一)
(2) γ = ky 及γ = γ0 (彈塑性抵抗時，圖二)
2. 伸縮區間長度
（三）長焊鋼軌舖設及養護之基本條件
1. 防止發生軌道挫屈。
2. 防止產生鋼軌過大之伸縮與爬行。
3. 防止材料局部損耗。
4. 扣件扣夾力
路堤段：需有足夠扣夾力以防止鋼軌爬行。
無道碴橋梁段：
Case1：採用與路堤段一致的扣夾力時，應檢討橋台或橋墩是否有足夠強度抵抗鋼軌軸力變化引致之額外應力。
Case2：採用橋上扣夾力為路堤段的一半或更低，以降低橋上鋼軌軸力之影響。
5. 鋼軌與枕木間之扣夾力大於縱向道床阻力時，長軌伸縮量將依鋼軌溫度及縱向阻力來決定。
6. 原則上道碴必需提供足夠的橫向阻力，以防止軌道挫屈。
三、長焊鋼軌之設計
為防止長焊鋼軌發生挫屈或產生異常之伸縮與爬行等情形，設計時需考量舖設路段之路線線形條件，並依其特性之不同（如土路基、橋梁或隧道）分別加以評估與分析。而無道碴橋梁之橋上長焊鋼軌需更進一步考量鋼軌扣夾力與鋼軌軸力間之相互影響，亦即研析橋軌互制行為。另橋梁支承配置、路基與橋梁銜接處之橋台基礎型式與路基土壤承載力、道碴軌道與無道碴軌道界面處理等，均為長焊鋼軌設計時必須考量之因素，茲將相關內容整理如下：
（一）路線線形條件
1. 平面：曲線半徑在300m 以下者不得舖設：反向曲線半徑在1000m以下者，不得連續舖設整根長焊鋼軌。
2. 縱面：變坡地段之豎曲線半徑在3000m (目前日本規定為豎曲線半徑2000m)以下者，不得舖設。
（二）一般路段
1. 一般區間長焊鋼軌係包括土路基、有道碴橋梁及長度為100m以下之短隧道。
2. 路基高填土有下沉之虞或路基不良地段，不得舖設。
3. 爬行劇烈之地段不得舖設。
（三）橋梁段
1. 道碴軌道
屬於道碴軌道之橋梁，鋼軌與梁間之作用力傳遞係經鋼軌扣件、PC枕木、200∼300mm厚度之道碴層，及道碴與橋面版接觸的摩擦力互相傳達(見圖三)。其中大部分的力量，包括列車行駛時引起的振動，都在道碴中被分散、緩和。因此，對道碴軌道之橋上長焊鋼軌之伸縮及軸力之計算，可依照一般土堤路基之長焊鋼軌處理，通常無須考慮與橋梁之互制影響。
2. 無道碴軌道
對無道碴軌道之橋梁，長焊鋼軌與橋梁間作用力之傳達路徑如圖三，在橋枕軌道、版式軌道及直結軌道時，鋼軌與梁間受溫度變化之軸力大小係依預先設計之鋼軌扣件之縱向阻力而決定，另一方面橋梁受溫度變化之伸縮則受支承束制之影響，因此長焊鋼軌與橋梁間之互制將增減鋼軌軸力，使軸力分佈複雜化。
因此，於既有無道碴之橋梁上舖設長焊鋼軌時，必須針對橋軌互制之影響實施計算，檢討是否適宜舖設長焊鋼軌，必要時應設置伸縮接頭；新設計之橋梁，則可利用跨距及支承之合宜佈設，使橋上能舖設長焊鋼軌。
參考圖四以單跨簡支梁為例說明，橋梁位於長焊鋼軌不動區間時，隨著溫度變化，梁會以固定支承端為不動點而發生伸縮，由於梁與鋼軌之溫度變化伸縮量相異，致鋼軌與梁之間會有軌道縱向力之作用。
(1) 分析計算使用之符號
分析計算時使用之符號如下：
E：鋼軌彈性係數
A：鋼軌斷面積
b：鋼軌鋼線膨脹係數
b’：梁之線膨脹係數
t：與舖定溫度之溫度差
g：橋梁區間道床縱向阻力
g0：一般區間道床縱向阻力
Pt＝EAbt：溫度差t時不動區間之鋼軌軸力
(2) 假設條件
分析計算時假設條件如下：
A. 長焊鋼軌舖定時之橋梁溫度與鋼軌溫度相同，而溫度上昇量、下降量亦相等。
B. 梁不被鋼軌拘束，隨溫度之變化自由伸縮。
C. 縱向阻力g及g0為定值。
D. 梁與鋼軌之相對變位是經由梁上之扣結裝置，對鋼軌施加單位長度均等之縱向阻力g所造成。
考慮長焊鋼軌之不動區間內有單跨之橋梁時，所定之溫度上昇量t時，梁之伸長量為圖四上方向右移動以Gy直線表示。此時鋼軌各點相對於舖定時之移動量以Ry曲線表示，於O點梁與鋼軌之移動量相等(Gy=Ry)，此時在AC及BD間因鋼軌向右側移動，故縱向阻力g0向右側作用，於OA間亦因鋼軌向右之移動量比梁大，致縱向阻力向左作用，另一方面OB間之梁向右移動較大因此縱向面阻力g向右作用。
如上述決定阻力方向，即對應之軸力分佈可得如圖四所示，求解未知數c1、c2、d。
(3) 分析計算流程
於前述假設之條件下，對梁上長焊鋼軌之軸力計算流程如下：
A. 假設鋼軌與梁之移動量之一致點O，繪製軸力分佈圖如圖四所示之情形，此時C、D為梁區間外鋼軌之不動點。
B. 以變位量相等與軸力之連續性，決定未知數之關係式。
又CO間之鋼軌伸長量與O點之梁之移動量為一致，S1為CO間之軸力圖所包含之面積，則CO間之變位可以下式表示
C. 式1∼式3式聯立求解可得c1、c2、d。以此計算雖然亦可適用二跨度以上之橋梁，但隨著跨數增加，變數亦增加，難解度亦提高。
D. 如解答不適當須重新假設一致點再計算，若其他梁一致點超過梁範圍，表示假設一致點為不適當，必須改變一致點重新再計算。
E. 繪製軸力分佈圖，可得最大鋼軌軸力及鋼軌端伸縮量。
上述之計算係針對橋梁位於長軌之不動區間。
3. 跨距及支承配置對鋼軌應力之影響
長焊鋼軌在活動端有軸力累積現象，在梁長較大之活動端亦有較大軸力，參考圖五(a)、(b)，不同支承配置（FM及FF、MM）之橋上長軌軸力計算例中，可以比較發現；FF、MM支承配置之橋梁鋼軌軸力較均一，不易累積軸力，而FM支承配置之橋上長軌軸力雖然中央附近軸力較小，但活動端橋台卻有軸力累積現象，顯然，橋長、跨距及支承配置對橋上長軌之軸力有顯著影響。
圖五(c)、(d)為當最大鋼軌軸力達到100tf時，其梁跨數與總長關係圖。
4. 伸縮接頭之配置
舖設或設計橋上長焊鋼軌時必須針對橋長、跨距、橋台及橋墩之強度、支承配置、鋼軌扣件之爬行阻力、伸縮接頭之配置等項目，在構造物和軌道兩方面做充份檢討。
為此，日本國鐵對於橋上舖設長焊鋼軌特別規定如下：
(1) 構造物之設計若未進行橋上長軌之軸力檢討，應考慮長焊鋼軌之縱向載重為1tf/m/股道。
(2) 對應鋼軌扣件之爬行阻力應小於5kgf/cm/每支鋼軌。
(3) 舖設長焊鋼軌橋梁之支承配置方式與設置伸縮接頭之位置相關規定如表1。
（四）隧道段
隧道長度在100m以上時，宜單獨舖設長焊鋼軌；而隧道外之長焊鋼軌亦應儘量避免舖設入隧道內。
（五）無道碴軌道與道碴軌道界面處理
1. 橋梁與路堤連接之過渡段，由於結構勁度突然變化，容易造成應力集中、差異沉陷、軌道不整、乘車舒適度降低，為改善此問題而採用骨材與水泥拌合之低坍度，貧級配混凝土回填成進橋混凝土塊(approach block)，使結構勁度驟變轉換為平滑漸變過程。另外為避免橋台背填土之壓密沉陷問題，可以在橋台背填土之原地表面下進行高壓灌漿改良地盤。（圖六）
2. 為減緩因軌道構造不同所造成之沉陷及列車衝擊力，可以將道碴軌道自橋台處向橋跨方向延伸5.0m以上，並舖設2根緩衝木枕後銜接無道碴軌道。（圖六）
3. 無道碴軌道與道碴軌道銜接處之界面路段，道碴橫向阻力應達到600kg/m以上。
四、長焊鋼軌之施工
長焊鋼軌之縱向軸力將隨外在溫度昇降而產生變化，因此軌道結構（鋼軌、接頭、軌枕及道碴）與舖定溫度等舖設條件於施工時須特別加以注意，以避免因此導致軌道挫屈。
（一）鋼軌條件
每公尺50公斤以上或同等鋼軌，無塑性變形，並經超音波探傷器等檢查合格者。
（二）接頭構造條件
1. 一般區間，以使用伸縮接頭(EJ)為原則，但溫度變化小且幾乎不發生爬行之區間，得以緩衝軌代替之。
2. 採用緩衝軌時，應使用經過熱處理之魚尾螺栓，如有絕緣接頭時，其結合應特別注意。
3. 介曲線及豎曲線中不得舖設EJ。
（三）軌枕條件
1. 一根軌枕之橫向阻力F = aW+bγGe+cγGs
橫向阻力g=F/S/2
其中W = 枕木上重量(kgf)
γ = 道碴單位體積重量(kgf/cm3)
Ge =枕木端面對上緣之斷面一次矩(cm3)
Gs =枕木側面對上緣之斷面一次矩(cm3)
S = 枕木間距
a,b,c=係數，如下表
|
係數 軌道結構 |
a |
b |
c |
|
PC枕、碎石 |
0.75 |
2 |
1.8 |
|
木枕、碎石 |
0.75 |
29 |
1.3 |
2. 軌枕以使用PC軌枕為原則，其配置以達到道碴橫向阻力400kg/m，縱向阻力600kg/m以上為準。
3. 溫度變化較小之隧道內及橋上長焊鋼軌(軌枕直接扣於梁上者)、平交道、道岔範圍內得使用木枕。
一般長焊鋼軌區間之軌枕配置標準表
|
鋼軌重量 |
枕木數目 |
|
40公斤 |
36根/25m |
|
50公斤以上 |
38根/25m |
4. 曲線區間、隧道內及橋上長焊鋼軌區間之軌枕配置應依「軌道橋隧檢查養護規範」之相關規定辦理。
（四）道碴條件
1. 道碴橫向阻力定義
將軌枕拉出位移達2mm時之道碴阻力測定值。
2. 道碴道床應具有400kg/m以上之道碴橫向阻力，舖設前應先作抽樣試驗（表2、表3、表4、表5、表6）。
1. 指舖定長焊鋼軌工作，自開始至扣緊連接扣件過程中之平均鋼軌溫度。
2. 不得低於預期最高鋼軌溫度35℃(若道碴橫向阻力確保為500kg/m以上則可放大至40℃)。
3. 不得高於預期最低鋼軌溫度50℃。
4. 台鐵之舖定溫度已修訂為25~50℃。
五、長焊鋼軌之養護與管理
為確保長焊鋼軌之軌道構造處於安全之狀態，必須針對鋼軌、接頭、道碴等軌道結構定期保養，另亦需針對路線、鋼軌軸力與道碴橫向阻力等進行必要之監測與管理，相關內容說明如下：
（一）基本原則
舖設長焊鋼軌地段之養護作業，應依養護作業限制表（規範附件四）辦理。
1. 防止發生挫屈。
2. 防止過度伸縮及爬行。
3. 防止材料局部損耗。
（二）鋼軌扣件之養護
1. 所有螺栓、螺帽、螺旋道釘及鉤頭道釘均應保持規定之擰緊度。
2. 彈簧扣件產生滑動、變動方向或墊片移動時，應予重新擰緊。
3.長焊鋼軌兩端約 25m 範圍內之連結裝置，應增加重擰次數。
（三）接頭構造之養護
1. 伸縮接頭(EJ)
(1 ) EJ鋼軌踏面應圓滑平順。
(2) 酷暑、酷寒時對接頭之滑距狀態應詳細檢查。
(3) 連接配件應予擰緊。
(4) 尖軌與受軌重疊部位之軌枕下面道碴應予砸實。
(5) 檢測軌距及方向尺寸時應參照設計圖，就其要點施行。
(6) 設在圓曲線上之EJ (日本新幹線R≧800m，在來線採60kg鋼軌時R≧600m方得舖設EJ)應隨時實施檢測，予以矯正。
(7) EJ與CWR間之接頭處應防止接頭沉落及發生鋼軌破端。
2. 緩衝軌
(1) 具有處理CWR理論伸縮量之適當縫寬。
(2) 接頭螺栓應保持5000kg-cm之扭矩，並依預期溫度上昇或下降時之縫寬表（規範附件五）予以設置。
(3) 鋼軌絕緣配件之保養與維護。
(4) 防止毗連之CWR產生不一致之爬行。
(5) 防止接頭沉落。
（四）道碴形狀之整備
1. 肩寬與厚度依規定尺寸隨時補充。
2. 道床肩部之道碴加寬與加高。
3. 軌枕下砸實，軌枕底以上夯實。
4. 砸道養護作業後，其上層道碴應加以夯實。
5. 橋梁、平交道前後及凸形變坡地段，應特別注意道碴阻力。
（五）噴泥及浮枕之處理
若產生噴泥或浮枕情況時，將導致道碴阻力減少，應立即實施置換道碴及砸道工作。
（六）溫度影響注意事項
1. 酷暑期間，非不得已，不得進行道碴之擾動作業，以確保其橫向阻力（表8、圖八、表9）。
2. 軌溫未超過舖定溫度15℃前，必須完成道碴上層夯實作業，以達其阻力標準。
3. 軌溫超過或低於舖定溫度20℃時，應嚴禁一切維修作業。
（七）長焊鋼軌之重新舖定
1. 不能在適宜之溫度範圍內舖定時。
2. 發生過大之爬行或伸縮時。
3. 挫屈之鋼軌撥正復舊時。
4. 發生不規則之軸力時。
5. 發生毀損實施修復時。
6. 養護作業撥道超過30mm或起道超過50mm時。
7. 取消伸縮接頭或緩衝軌時。
1. 伸縮狀況。
2. 爬行狀況。
3. 道碴狀況。
4. 扣件狀況。
（九）軌道構造監測系統
1. 爬行基準樁。
2. 鋼軌軸力測定器(圖十)。
3. 道碴橫向阻力測定器(圖十一)。
4. 道沉陷量測定器。
6. 鋼軌溫度測定器(圖十四)。
六、部頒規範修訂前後之比較
有鑑於鐵路行車速度日益提高，行車密度日趨增大，原「1067公厘軌距鐵路長焊鋼軌舖設及養護規範」（民國75年頒佈）已有部份不合時宜。因此，台灣鐵路管理局乃參考國外養護規章和依據累積之養護經驗，並以鐵路行車安全及實務需要為考量，邀集學者專家將該規範加以修訂，報部後，於民國91年11月頒佈實施。茲將規範修訂前後較為重要之條文對照比較列如表11。
七、結語
長焊鋼軌之優點甚多，但由於溫度變化等因素易使長焊鋼軌產生過大軸力而引發軌道挫屈，造成列車出軌事故，在國外也時有發生，故相關改善措施不斷更新。有關長焊鋼軌之舖設與養護，交通部於民國75年2月27日交技(75)字第04489號頒佈「1067公厘軌距鐵路長焊鋼軌舖設及養護規範」，現基於環境及設施之變遷，交通部委請專家學者針對前述規範進行審議與修訂完成，並已於民國91年11月13日交技字第0910011237號頒佈，同時廢止原規範。
長焊鋼軌設計時，必須對舖設路段之地質情況深入瞭解，並特別考量路線線形之佈設條件，再依一般路段、橋梁段、隧道段等不同特性分別加以研析，尤其無道碴軌道橋梁設計時更需考量橋上長焊鋼軌之橋軌互制行為；另亦需加強相關單位、人員對長焊鋼軌舖設與養護之知識及訓練，以確保日後之行車安全。
傳統道碴式軌道遭受列車衝擊後不斷發生劣化，須經常投入大量人力、物力來維修，由於軌道維修屬高危險之重勞動工作，軌道維修工費佔鐵路營運成本甚大比例，故應積極研採安全、堅固、耐久且經濟之無道碴軌道。
然無道碴軌道種類繁多，且大部分版式軌道型式之噪音振動問題都較道碴軌道嚴重，為解決通過都會區之無道碴軌道之噪音振動問題，並考慮施工、維修之便利性，在南港專案軌道工程建議採用防振PC軌枕直結軌道（如圖十五），相關介紹將於未來撰文說明。
參考文獻
(1) 1067公厘軌距鐵路長焊鋼軌舖設及養護規範－交通部交技(75)字第04489號頒佈；民國91年11月13日
交技字第0910011237號修訂
(2) 鐵路工程學－黃民仁編
(3) 長鋼軌實務－蘇應森編
(4) 長焊鋼軌(講義)－陳世昌
(5) 線路-軌道設計．管理－宮本俊光、渡邊偕年編
(6) 線路工學－佐藤吉彦、梅原利之編
(7) 新線路－須田征男等四人編
(8) 長焊鋼軌作業－伊地知堅著
(9) 保線大學講座．長焊鋼軌－日本保線協會誌1983.10∼1984.4
(10) 軌道挫屈事故之防止－日本保線協會誌1984.3
(11) 介在一般區間長焊鋼軌中之無道碴橋梁－日本保線協會誌1985.9~10
(12) 長焊鋼軌區間之軌道構造－日本保線協會誌1999.3
(13) 長焊鋼軌整備標準(案)及解說－日本保線協會誌1983.1
(14) 橋上長焊鋼軌區間之EJ配置－(日本)構造物設計資料NO.54
(15) 舖設長焊鋼軌橋梁之支承配置－(日本)構造物設計資料NO.51
(16) 關於軌道挫屈之理論解析－日本保線協會誌1984.12
(17) 軌道挫屈之防止對策-夏期作業之規制－日本保線協會誌1996.6
(18) 日本株式會社KANEKO CORPORATION之總合型錄
< < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < 回目錄< < < < < < < < < < < < < < < < < < < < <
