2024年5月30日发(作者：)
浅析地铁轨道工程 DI弹条断裂原因及
治理措施
摘 要地铁线路轨道扣件系统普遍采用了DI弹条，既有运营线DI弹条发生
断裂的情况比较多见，严重时将危及行车影响地铁运营安全。本文以成都地铁某
号线DZⅢ型扣件DI弹条断裂问题为实例进行分析和研究，经过现场调查发现：
发生弹条断裂地段存在运行列车噪音超标，钢轨波磨（短波波长20～30mm）病害
发展趋势明显的特征；通过采取对DI弹条断裂地段现场线路轨道几何尺寸检查、
弹条质量检测、成段更换扣件系统对比试验（聚酯垫板和橡胶垫板更换前后对
比）、噪音测试等方法或措施进行原因和结果验证分析，得出DI弹条断裂有效
治理措施确保运营安全。
关键词地铁 轨道工程 弹条断裂 治理
1 引言
城市地铁轨道已成为现代城市公共交通的一种重要形式，目前全国各大城市
都在大力发展城市轨道交通建设，随着地铁的建设规模不断扩大，线路运营设计
速度提升，不少城市的运营地铁线路出现了列车运行过程中噪音过大、钢轨波磨
病害发展速度过快、弹条断裂、铁垫板螺栓孔损伤严重等病害，这些病害不仅影
响乘车舒适性，严重时还会危及行车影响运营安全，上述病害中又以弹条断裂最
为常见。
本文以成都地铁某号线开通运营阶段出现的噪音超标、钢轨波磨及DI弹条
断裂病害为实例，通过对发生病害地段进行现场线路轨道几何尺寸检查、DI弹条
质量检测、成段更换扣件系统后进行对比试验（聚酯垫板和橡胶垫板更换前后对
比）、噪音测试等试验，通过理论建立力学模型分析和现场检测试验结果相互应
证，找到了发生病害的原因，制定出了有效病害治理措施，确保了运营安全，为
后续地铁线路的建设及养护提供借鉴。
2 工程概况
该线路采用8A编组，设计最高时速100km/h，线路正线铺轨长44.364km，
曲线长21.933km（曲线78条），曲线占比49.43％（其中R≤700m曲线33条，
占全线曲线长度的67.50％，浮置板道床10.71km，其中R≤700m浮置板地段曲
线长5.218km，占比48.7%。由以上情况来看，该工程的特点是曲线占比多，浮
置板与小曲线重合率高，曲线运行速度高，设计线路条件较差，工程线路示意图
详见图1。
扣件采用（《DZⅢ型扣件》QB/CDMC-104-KJ01-2016），从下至上主要由尼
龙套管、板下胶垫、铁垫板、锚固螺栓(含垫圈及调距扣板)、轨下胶垫、轨距块、
DI弹条（60Si2Mn热轧弹簧钢），其中扣件垫板（轨下及板下胶垫）均采用热塑
聚酯弹性体材质， DZⅢ型扣件组装图见图2。
3 现场调查情况
DI弹条断裂情况：该
地铁线路在试运营阶段初期
出现了钢轨磨耗和DI弹条
断裂情况，自2020年12月24至2021年2月25日共发现39颗DI弹条断裂，
其中21颗零星分布于7个区间、18颗集中分布于华兴至太平寺右线区间，全部
位于曲线地段（35个均位于曲线下股(内轨)钢轨外侧），扣件弹条断裂情况统计
详见表1。断裂的弹条1颗为双层非线性扣件弹条、38颗为DZⅢ型扣件DI弹条，
断裂位置全部位于DI弹条中趾根端，断裂位置详见图3。
表1：扣件弹条断裂情况统计表。
区间
位置
扣
曲
线半径
行
车速度
道数
否有
是
件
类
型
(m)
(km/h)
床
类
型
量
波磨
锦三
区间右线
曲线下股钢轨
外侧
D
ZⅢ
0
70
100
浮
置板
颗
5
是
2个曲线下股
锦三
区间左线
钢轨外侧
1个曲线下股
钢轨内侧
D
ZⅢ
0
70
100
浮
置板
颗
3
是
17个曲线下股
华太
区间右线
钢轨外侧
1个曲线下股
钢轨内侧
D
ZⅢ
0
60
95
浮
置板
1
8
颗
是
3个曲线下股
华太
区间左线
钢轨外侧
1个曲线下股
钢轨内侧
D
ZⅢ
0
60
95
浮
置板
颗
4
是
武机曲线下股钢轨D7099.浮1
是
区间右线
外侧
ZⅢ
0
56
置板
颗
簇武
区间左线
曲线下股钢轨
内侧
D
ZⅢ
0
70
100
普
通
颗
1
是
华簇
区间左线
曲线下股钢轨
外侧
D
ZⅢ
0
45
95
普
通
颗
2
是
曲线下股钢轨
外侧
成黄
区间右线
曲线下股钢轨
外侧
减
振扣
件
0
60
95
普
通
颗
1
是
D
ZⅢ
0
60
95
浮
置板
颗
4
是
弹条断裂位置
图3：断裂弹条示意图
4轨道系统核查
4.1轨道几何尺寸检查
轨道线路轨距、水平、轨向、高低、三角坑、轨距变化率、曲线超高等轨道
几何尺寸不符合要求，会导致列车运行时晃动加剧，进而出现噪音超标、钢轨
波形磨耗发展快速，严重时弹条出现断裂。针对轨道几何尺寸的原因，我们对全
线线路轨道几何尺寸进行了静态检测，经检测轨道几何尺寸满足设计规范要求，
同时由运营单位进行了轨道几何尺寸的动态检测，通过运营单位检测车多次检测
[2]
[1]
数据可知，动态几何轨道质量指数TQI趋势稳定，轨道质量稳定良好，全线公里
优良率达到100%。
4.2 扣件质量核查
扣件弹条、垫板及相关配件的公差匹配若出现问题，会导致致列车运行时晃
动加剧，进而出现噪音超标、钢轨波形磨耗发展快速以及弹条断裂的原因，为此
我们对现场扣件相关配件的公差进行测量，经测量扣件公差满足设计规范要求；
对关键配件弹条及垫板进行送第三方检测机构进行检测，检测结果满足设计规范
要求。
4.3 扣件系统匹配核查
对该城市线网相同扣件系统进行对比，发现扣件垫板由两种形式，一种采用
橡胶垫板，另外一种采用聚酯垫板。聚酯垫板硬度大，表面摩擦系数小，使用寿
命长；橡胶垫板硬度小，表面摩擦系数大，减振及吸收能量效果好。对比成都地
铁其它线网采用相同扣件的其他线路，发现该线路速度高（其他线路一般设计速
度80km/h，该线路100km/h）,曲线半径多且小。
根据钢轨波磨病害、噪音超标及弹条断裂现场规律分析，可能与聚酯垫板相
关，聚酯垫板的硬度大，表面摩擦系数小，在速度较高及线路苛刻地段，钢轨不
能很好的与垫板结合，钢轨振动加大，列车在钢轨振动加剧的情况下形成波磨，
波磨的加剧又导致振动加剧，噪音超标，严重时导致弹条断裂。
5 病害原因初步分析
从现场调查发生病害的地段和轨道系统核情况来看，发生DI弹条断裂地段
有以下特征：
（1）钢轨异常磨耗及噪音：在全线曲线上均发现不同程度的钢轨异常磨耗，
小半径地段波磨尤为严重且发展很快，波磨波长（短波）基本位于20～40mm之
间，波深0.01mm；在波磨严重地段一般噪音都超标，钢轨波磨情况详见“图4：
钢轨波磨现场照片”。
钢轨波磨
钢轨波磨
图4：钢轨波磨现场照片
（2）从弹条断裂的现场情况来看，主要有以下规律：
① 从道床类型分析，断裂弹条基本出现在浮置板地段；
② 从线路平面曲线分析，断裂弹条均为R≤700mm的曲线半径，内轨外侧居
多；弹条断裂位置：中肢小圆弧连接处；
③ 从行车速度分析，断裂弹条均处于区间中部，行车速度为90～100km/h
地段；
④ 从波磨状态分析，断裂弹条均处于有波磨地段。
根据上述现场调查情况来看，本次扣件弹条断裂地段与钢轨波磨及运行噪声
异常地段高度吻合，均处于区间中部、小半径地段，设置浮置板时更为严重，普
通道床地段稍好，双层非线性减振扣件地段无明显异常。通过对轨道几何尺寸、
扣配件质量、扣配件系统匹配检查，轨道系统的动、静态尺寸满足设计及规范要
求。结合笔者查阅相关资料，结合现场调查情况分析，造成轨道线路波磨、DI弹
条断裂等病害应该是轨道系统在运营车辆动载影响下共同发生的。
6理论分析
根据该线路设计资料，参考国内一些已发表的关于“钢轨波磨”理论分析的
相关论文，我们通过有限元软件建模分析，从理论分析角度寻找发生钢轨波磨
和弹条断裂的原因。
6.1 DI弹条的固有频率
通过现场测试，DZ-Ⅲ型扣件弹条固有频率：923Hz～1060Hz。
[3]
6.2 钢轨波磨段固有频率
通过现场测试，该线路发生钢轨波磨地段固有频率范围为：879Hz～1319Hz。
6.3 建模分析
根据以下线路设计信息（表1），通过ABAQUS软件建模分析，可知波磨地段
小曲线DZ-Ⅲ型扣件弹条运营状态固有频率激振叠加时，分析出曲线内轨内外侧
DI弹条弹程如图5，其弹条变形云图和应力云图如图6、7、8、9所示。
表1：轨道线路设计参数
项目
成都地铁某号线
最高时速
100km/h
欠超高
小半径曲线超
高状态
（R=600m，实际超高
120mm，理论超高178mm）
曲线段内轨波
磨状态
波长范围20mm～40mm，
波深0.012mm
879Hz～1319Hz
波磨激振频率
（DZ-Ⅲ型扣件弹条固有
频率923Hz～1060Hz）
通过有限元软件建模计算分析，我们可以知道，在小半径钢轨发生波磨地段，在
运营状态曲线内轨钢轨两侧弹条的弹程均大于10.5mm，钢轨内外侧弹条弹程不一
致，钢轨存在较为严重的翻趋势，如上图5所示弹条最大弹程发生在外侧，达到
17.5mm；通过参考相关已发表的学术论文可知“研究结果表明：弹程为10.5mm
时,弹条最大等效应力值为1400MPa，发生在弹条后拱小圆弧内侧,此区域为弹条
关键受力区。”
该线路采用的《DZⅢ型扣件》（QB/CDMC-104-KJ01-2016），DI弹条材质为
60Si2Mn热轧弹簧钢，其相关化学成份及力学性能如表2所示：
[4]
由上表2可知，当DI弹条弹程超过10.5mm时，弹条等效应力值已大于
60Si2Mn热轧弹簧钢屈服点，随着列车的反复通过，弹条容易在局部应力集中处
萌生裂纹，最终裂纹扩展导致弹条发生疲劳断裂，这就很好地从理论分析计算解
释了现场DI弹条断裂发生的部位和线路铺设地段位置。另外，当轨道系统在运
营列车动载作用下，产生的动能得不到扣配件系统及道床结构的有效吸收和传递，
动能量也就以声能方式进行小部分释放，导致列车经过噪音超标。
7试验分析
基于上述原因分析，我们将扣件匹配原因作为突破口进行试验分析，首先选
取同一区间左右线两个区段进行试验，两个区段设计工况条件相同，左线钢轨波
磨严重，右线对钢轨波磨进行了修复打磨。列车行荷载作用下，测试钢轨位移、
翻转变化、加速度，弹条的加速度、弹程变化、振动频率，浮置板的加速度、位
移以及噪音等项目，进行对比；其次将右线的聚酯垫板更换成橡胶垫板，再次测
试钢轨位移、翻转变化、加速度，弹条的加速度、弹程变化、振动频率，浮置板
的加速度、位移以及噪音等项目，通过对比得出结论。
7.1 试验测试
测试区段位于华太区间下行YDK46+000与上行ZDK46+000附近。测试位置位
于浮置板板端3.575m处。现场测试位置详见图10、测试项目详见图11。
7.2 试验结果分析
（1）左
右线垫板更
换前试验情
况分析：列
车荷载作用
下轨下垫板
压缩，弹程下降，左线波磨较为严重，钢轨存在较为严重的翻转，此时弹条在动
荷载作用下的弹程变化已经很小，如果波磨进一步发展，则可能出现弹条在列车
荷载作用下弹程增大（即图中位移朝向正方向）的现象，于弹条受力不利，详见
图12：左右线弹条弹程变化量示意图。
从时域结果看，左线
弹条的振动加速度急
剧增大，达到右线弹
条振动加速度的5倍
以上，左右线弹条振动加速度示意详见图13；从频域结果看，弹条振动加速度主
要峰值存在于900～1000Hz范围内，在波磨激振频率附近达到最大（925Hz），
第二大峰值出现于弹条的固有频率（964Hz）附近，同时左线由于钢轨波磨的存
在导致振动加速度激增，在900～1000Hz范围内的响应值远大于右线的幅值，左
右线弹条振动频率示意详见图14。
通过太华下行区间左右线更换垫板前的实验
测试表明，钢轨波磨影响弹条的振动频率，
钢轨波磨越严重，对弹条
的受力影响越不利，噪音
值也会增大，可通过钢轨
打磨缓解弹条断裂。
（2）右线更换垫板后
试验分析：右线更换橡胶
垫板后，弹条的弹程、轨头翻转角均有不同程度的降低，降幅不大，弹条垂向振
动加速度变化不大，横向加速度明显降低，因此橡胶垫板可以减弱弹条的横向振
动，橡胶与聚酯垫板的测试对比示意详见图15。
右线更换橡胶垫板后，
除弹条固有频率外，其
余频段弹条加速度幅值
均存在不同程度的降低，
避免在列车的动荷载作
用下与弹条的固有频率重合发生共振现象，在200Hz～2000Hz高频区段，使用橡
胶垫板后的钢轨振动幅值也低于TPEE垫板，橡胶与聚酯垫板的测试对比详见图
16，高频能量衰减较快，有利于扣件系统的正常使用。
通过测试发现，浮
置板的垂向位移、
振动加速度受垫板
的影响不大，更换
橡胶垫板后，浮置
板的横向位移增大明显，不同垫板浮置板道床的测试对比示意详见图17。由于聚
酯垫板与橡胶垫板材质不同，橡胶垫板摩擦系数较大，更换橡胶垫板后，钢轨、
弹条横向振动在更换橡胶垫板减小，钢轨上的横向力由橡胶垫板传递至铁垫板，
再通过锚固螺栓传递至浮置板道床板上，引起浮置板道床的参振，从而降低了钢
轨与弹条的横向振动，进而保护了扣件及钢轨。
（3）现场观察情况：
通过对华太区间
左右线通区段钢轨打
磨后，右线更换为橡
胶垫板、左线未更换
垫板，进行现场观察。
20天后，右线更换垫
板区段钢轨光带发展良好，更换垫板后钢轨轨面情况详见图18，左线未更换垫板
区段钢轨轨面波磨明显，左线未更换垫板区段钢轨轨面情况详见图19。由此说明
更换聚酯垫板为橡胶垫板对钢轨波磨有较好的延缓作用。
8结论及治理措施
本文以成都地铁某号线运营初期出现DI弹条断裂为依托，通过对线路几何
尺寸检查、弹条质量检测、理论建模分析、扣件系统对比试验、现场监测等手段，
进行了验证分析，得出了主要结论与治理措施：
（1）通过试验发现钢轨波磨、噪音超标及弹条断裂病害密切相关，在列车
的动荷载作用下钢轨横向振动是造成波磨、噪音超标病害的主要原因，弹条断裂
的主要原因是钢轨短波波磨导致弹条产生共振断裂，钢轨打磨可在一定时间段内
解决钢轨波磨、噪音超标及弹条断裂的病害，顺着时间的发展，这些病害又慢慢
出现。
（2）通过实验数据及现场踏勘分析，更换橡胶垫板后钢轨的横向位移及加
速度减小，弹条的振幅减小，可有效延缓或减少波磨病害的发展，降低噪音，避
免弹条产生共振，防止弹条断裂。由于聚酯垫板与橡胶垫板材质不同，橡胶垫板
摩擦系数较大，更换橡胶垫板后，钢轨、弹条横向振动在更换橡胶垫板减小，钢
轨上的横向力由橡胶垫板传递至铁垫板，再通过锚固螺栓传递至浮置板或普通道
床上，引起道床基础的参振，从而降低了钢轨与弹条的横向振动，进而保护了扣
件及钢轨。
参考文献：
1.
《地铁设计规范》 （GB／50157-2013）；
2.
《地下铁道工程施工质量验收标准》 （GB／T 50299-2018）；
3.
《地铁钢轨短波长波磨形成原因分析》（周志军，李伟，温泽峰，肖国放）；
4.
《地铁扣件DI弹条安装受力分析及工艺优化改进研究》（陈明明，卢俊，
余鸿，王平，赵才友）。
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