| □蕭炎泉／中華大學營建管理研究所 副教授 □黃志明／中華大學營建管理研究所 研究生 |
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一、前言 1964年10月1日世界上第一條高速鐵路；東京到大阪間515.4公里新幹線鐵路（東海道新幹線）開通，開創了高速鐵路新紀元。當時最高營運時速210公里的新幹線，憑著極佳的營運效率與安全，很快的便吸引了大批旅客乘坐。在第二年就開始獲利外，更在營運七年內便還清興建時所有費用與利息負擔之成就，震驚了全球的鐵路業界，扭轉了鐵路運輸走向夕陽產業之命運。於是其他先進國家也紛紛投入資金研究與興建高速鐵路系統，奠定了今日高速鐵路蓬勃發展的基礎。移植自日本新幹線的台灣高速鐵路即將於今(95)年開始商業運轉。長304公尺重503噸(不含載重)的高鐵700T型列車即將以時速三百公里的速度飛奔在高鐵軌道上。高鐵採用無接縫長焊鋼軌設計，具有下列優點[1]； 1. 軌道結構強度較佳。 2. 減少列車因經過接縫所產生的阻力約5%。 3. 減少列車因經過接縫所產生的磨損及振動，提高列車的穩定性與舒適性。 4. 減少因接縫而產生的軌道及車輛維修成本。 5. 提高行車速度。 6. 降低噪音的產生。 二、軌道系統介紹 台灣高鐵的軌道系統長度約345公里，包含；1. 日本版式軌道(J-Slab Track)：298.977公里，(佔86.6%)。 2. 德國版式軌道(Rheda Track)：主要配置於車站、橫渡線及道岔區，27.326公里，(佔7.9%)。 3. 道碴式軌道(Ballast Track)：位於高鐵最南端，3.265公里，(佔0.9%)。 4. 台北地下段低振動軌道(Low Vibration Track)：約16公里(佔4.6%)。 其中；日本版式軌道移植自日本新幹線是高鐵主線主要的軌道系統(圖1) [2]，主要是由路床(Roadbed)、防動塊(Projection)、瀝青水泥砂漿(CA-Mortar)、混凝土軌道版(J-Slab)、鋼軌(Rail)與扣件(Fasteners)等所組成的。與傳統道碴式軌道的比較，具有下列優勢[3]； 1. 較佳的軌道結構及穩定性。 2. 較佳的軌道彈性。 3. 較佳的耐久性。 4. 造價經濟合理。 5. 節省維修費用。 軌道設計採用JIS 60 (60.8 kg/m)規格斷面之鋼軌，截面積為7750mm2。採用國際標準軌距1.435公尺(台鐵軌距為1.067公尺)，上下行各一股道，由新幹線的8R扣件系統(8R Fasteners)固定於軌道版上。(圖2)
三、長焊鋼軌之焊接 高鐵之鋼軌採用焊接接合方式，使之成連續之無縫鋼軌。由日本進口之JIS 60鋼軌每支原始長度為25公尺，在第一次焊接後連接8支鋼軌成為200公尺，隨即進行舖軌工作。第二次焊接連接5支200公尺成為1000公尺，第三次焊接配合號誌系統安裝軌道絕緣接頭(IRJ- Isolated Rail Joint)並施加軌道預力。此三次焊接[4]採用之方式不同分述如后；(一) 第一次焊接 採用閃火對壓接焊接法(Flash-Butt Weld)，是利用高壓電流(410 Voltage)及壓力(400~420KN)(表1)將8支25公尺長鋼軌壓接在一起(照片1)，形成一支200公尺長之鋼軌，整個焊接過程所需數據資料全由電腦操控歷時約180秒(表1)。
採用瓦斯壓接焊接法(Gas Pressure Weld)(照片2、2a)，利用氧氣和乙炔混合燃燒火燄加熱於焊接處兩端鋼軌，使其預熱溫度達約1200℃~1300℃塑性狀態，再施加約17~19t之軸向壓力使兩鋼軌壓接在一起，整個焊接過程採半自動操作所需歷時約360~420秒(表2)。  表2 瓦斯壓接焊接法過程控制數據
四、軌道舖設溫度與應力 無束制可自由伸縮的鋼軌其伸縮量為ΔL = L * β * Δt ΔL=鋼軌伸縮長度(mm) L=鋼軌長度(mm) β=鋼軌線性膨脹係數=1.14*10-5 Δt=溫度差(℃) 但鋼軌因無縫隙而無法自由伸展，故轉化為拉(壓)力P(kg) P=E*A*β * Δt E=鋼軌的彈性模數(E=2.1*104 kg/mm2) A=鋼軌斷面積(7750mm2) 以台灣之氣候而言，在冬季舖設軌道，到夏季時造成鋼軌溫度差Δt最大可以達到60℃。此時鋼軌內部應力將高達1440 kg/cm2。故軌道舖設時的溫度如太低，當軌溫上升時鋼軌內部將承受巨大壓應力，反之則產生拉應力。而其溫度應力雖遠較鋼軌降伏強度為低，但鋼軌在壓應力側易產生挫屈破壞(Rail Buckling)。鋼軌挫屈的成因複雜，典型的鋼軌挫屈常由三項主要因素同時存在而引發[5]；(1)過大的軸壓應力。(2)軌道狀況不佳；如軌道線形不良、鋼軌磨損、扣件鬆動等造成側向抗力(Lateral Resistance)不足。(3)列車行進時的動態載重；如動態搖擺力(Dynamic Oscillation)、衝擊力等。 鋼軌軸壓應力除列車的輪軌摩擦與接觸應力外主要來自溫度效應。圖3[1]顯示軌溫與鋼軌橫向變位的關係。在軌溫上升初期，鋼軌之橫向變位量甚小且與軸壓力呈彈性關係，到達A點後鋼軌橫向變位量大增，至B點才達到穩定狀況。此種由A點突然大量變化到B點的現象即為軌道挫屈。為安全考量，一般取C點的溫度為軌道最低挫屈溫度，而其對應的壓應力Ｐt 為鋼軌最低挫屈強度。單一溫度效應雖不一定能直接造成鋼軌挫屈，但常是鋼軌挫屈的主要因素。曲線段處因線形不佳及列車行進時的離心力作用，在溫度效應的催化下鋼軌挫屈更容昜發生。
Tmax 為該地區量得之鋼軌最高溫度。 Tmin 為該地區量得之鋼軌最低溫度。 高鐵採用台灣地區之中間軌溫為34℃；舖設溫度範圍為31℃~37℃。 五、軌道預力施工 在第三次的鋁熱填充焊接後，全部的軌道將連接成一體。鋼軌因溫度效應產生的長度變化將轉換成內部應力。當自然軌溫超過中間軌溫(Tn)時，並無方法將鋼軌壓縮使其變短，或加軸向壓力於鋼軌上。故軌道溫度預力施工一定是在軌溫≦Tn時方可執行，其方法有；1. 自然軌溫法 當軌溫處於Tn±3℃時完成第三次焊接並鎖緊扣件。在自然軌溫超過中間軌溫時，也可以採用水冷卻法使自然軌溫降至中間軌溫範圍。 2. 加熱法[1] 加熱使鋼軌維持在Tn±3℃時完成第三次焊接並鎖緊扣件。 3. 預力法 使鋼軌預受拉力，並完成第三次焊接及鎖緊扣件。當軌溫升至Tn±3℃時，鋼軌應力為零。 高鐵的日式軌道系統採軌道預力(Rail Stressing)工法[8]。此法是利用一組軌道緊張器(Rail tensor)施拉。緊張器由夾具(Clamp)、連接桿(Rod)、油壓設備組成(照片4)。由兩端的夾具將鋼軌夾緊，再利用油壓千斤頂將兩端的鋼軌往緊張器的中間拉伸，使其受力。在其伸長量達到要求後，切斷夾具內之鋼軌安裝IRJ。IRJ [9]是一組由兩支以魚尾鈑緊密接合的鋼軌，在工廠內製作，長度為10公尺。中間為全斷面夾板經加溫、加壓固化而成。魚尾鈑接合處並以絕緣材料隔絕任何可能造成兩支鋼軌形成電路之接觸點(照片5)，其目的主要是形成號誌系統所需之軌道電路。緊張器之施工配置如圖4。    每一次的軌道預力施工之人力需求約為55~65人。需要的設備有底部滾輪，側向滾輪、手推車、手動扳手、螺絲栓緊設備、門型吊架、軌道切割鋸、軌道緊張器、軌道溫度計、木鎚、焊接設備等。 (二) 軌道預力施工配置 施預力長度之長度限制為緊張器至錨錠區遠側必須小於800公尺也就是M1 ≦800公尺 和 M2 ≦800公尺。施預力長度在緊張器兩側的長度總和不得超過1500M，也就是M1+M2 ≦1500公尺(圖5)。 (三) 準備工作 檢查(1)移除軌道上推車或其他不需要的設備。(2)軌道兩側是否有任何阻礙軌道移動的障物體。(3)軌道旁之永久設施是否需要保護。(4)移除任何連接軌道的電纜以免扯斷。 用軌道溫度計量測軌道溫度(注意!應避免日光直射)並記錄溫度，一般而言使用數位式溫度計在同一位置上量測不同的三個點。量測的位置應沒有銹蝕或其他物質接觸溫度計，溫度計應使用遮蔽物避免日光直射影響讀數。 至少有兩個量測點在每一個M1 & M2，量測結果採平均值。正常情況下一點在起始點另一端為距離400公尺。軌道預力施工在軌道低於中間軌溫時才可進行，施工時如軌溫超過中間軌溫則須立刻停止施工至溫度小於或等於中間軌溫。 (四) 施工流程 1. 安裝底部滾輪及側向滾輪 施預力時為防軌腳與基鈑接觸在軌道移動時造成預力損失，在軌腳下方必須安裝滾輪以減少磨擦力。安裝滾輪前先移除IRJ至施拉區間的軌道扣件，必須使用門型吊架將軌道吊離軌道基鈑，底部滾輪與軌道方向成垂直，間距為5公尺。一般正常情況下軌腳(Rail foot)距基鈑的頂面為12.5~21.5mm。在安裝所有的滾輪後移除門型吊架，基本上軌道基鈑和可調式墊片是不必移除的，如必須移除的話必須依序放置在相同的位置旁。在曲線段需安裝側向滾輪以防止軌道側翻，並保持良好的移動(照片6)。
 完成施拉區後，解除錨錠區扣件並檢查本區尾端伸長量，確認錨錠區伸長量達到後，將本區扣件鎖緊至所須扭力。在解除錨定區扣件後應檢查緊張器油壓表。如有拉力損失應再施拉至設計拉力。 4. 檢查施拉區並鎖緊扣件 在確認所有伸長量達到後，檢查所有軌道基鈑和可調式墊片。可調式墊片位在鋼軌墊片的下方，以高強度的樹脂(Resin)注入不織布袋中。主要是做為軌道高程最後微調的填充物(照片8)。對軌道線形有任何疑慮時應測量軌道位置，如有移動將其調整至正確位置。可調式墊片安裝完成後，固定扣件至軌道基鈑上，扣件扭力要求如表5。每一個扣件區有兩個彈簧壓片須鎖緊。檢查扣件是否有鎖至所需扭力可利用0.1mm薄片插入彈簧夾的縫隙，如無法穿過表示已鎖緊至定位。
A3=A1+A2 額外拉力P' = (r2*L'2+P*L*r)1/2 - r *L' P'：額外拉力(ton) L：緊張器夾具的長度 L'：未鎖緊長度(供安裝緊張器所須長度)L'=20m  6. IRJ焊接 完成預力施拉後，即進行IRJ焊接。在軌道切割前須要再確認(1)軌道溫度(2)IRJ位置(3)焊接位置、接縫、切割位置。注意焊接位置必須離最近的一個軌道基鈑邊緣100mm以上，以及應置於軌道版的正中間±50mm。基本上；如果IRJ的位置正確，焊接位置亦會正確，鋁熱焊所需的接縫為25mm±1mm。 7. 移除軌道緊張器 完成IRJ焊接後移除軌道緊張器，然後解除P'/r+L'區域的扣件此時L區域的扣件也尚未鎖緊。在P'/r +L'+L區域解鎖後安裝可調式墊片，基本上未安裝可調式墊片的預留長度是30公尺，完成後鎖緊此區的扣件(圖7)。  (五) 注意事項 
高架橋上設計使用長焊鋼軌必須面臨並克服大樑和鋼軌間在溫度變化時，因伸長率不同而產生相對位移之互制關係。在長跨距鋼橋處(跨距大於60公尺)必須先檢查鋼橋結構的伸縮縫以確認施工期間沒有未預期的移動發生。如鋼橋結構的移動量大於+/-5mm或是超過軌道移動量+/-20%就必須校正。如果沒有辦法克服差異伸長量的問題，就必須採用鋼軌伸縮接頭REJ (Rail Expansion Joint) (照片9)。隧道內因無陽光直接照射其溫度之變化甚小故無須施予應力，其範圍自隧道口起算80公尺以上為免施力區，因此短隧道(長度小於160公尺以下)仍視為溫度影響區。距離洞口80公尺外之隧道內鋼軌在開放區鋼軌施力前應先完成全部焊接並鎖定。此外；因考量隧道內外之溫度差異致連續長焊鋼軌之溫度力不同，於隧道段洞口內80公尺範圍之路盤混凝土則連續舖設剪力鋼筋，隧道內之其他範圍之路盤混凝土則僅於道版下舖設些許剪力鋼筋。於路工段與橋樑、隧道銜接處，則在路工段之路盤混凝土下設置橡膠支撐(Rubber Shoe)。 六、結論及建議 (一) 結論混凝土預力是利用混凝土之高抗壓性，使構材拉力區在未受荷重之前先預施壓力，在承受載重之後便可抵消一部分拉力，以發揮混凝土構材內鋼筋之抗拉能力。軌道溫度預力則是在鋼軌溫度低於中間軌溫時，預施鋼軌一定之拉力以抵消鋼軌因溫度升高而產生的內部壓力。其目的主要是防止長焊鋼軌拉斷或挫屈破壞，原理與混凝土預力觀念類似。另外；配合軌道預力施工，可以一併安裝鋼軌絕緣接頭IRJ(Isolated Rail Joint)。 IRJ為軌道號誌及電路之需要，大約每一公里需要一處。利用IRJ區隔開閉塞區間(Block)，由阻抗搭接器(Impedance Bond)、發射器、接收器組成軌道電路(Track Circuit)。主要目的為防止列車追撞，使前行列車與跟隨列車保持安全距離。並可測得列車相對位置經自動計算決定行車速限，透過發射器將速度碼傳至鐵軌上，並利用列車上之感應線圈接收此一訊號，做為行車速度控制之依據。當斷軌時因信號無法傳遞，也會被此系統偵測到而提供斷軌保護，這就是ATP自動列車保護系統(Auto-train Protection)。 在德式版式軌道系統係以自然軌溫法施作，不過其失敗率較高。原因為自然軌溫較受天候影響不易控制，在施工中如溫度超過允許範圍則需重作。而為配合溫度，有時進度也難以掌控。加熱法需有特別加熱設備，如紅外線或瓦斯鋼軌加熱器等，於軌溫低於中間軌溫時逐段加熱，達到無應力溫度後再進行後續施工。因不易控制及保持均勻溫度且可能使鋼材因高溫而變質，在高鐵的軌道工程專案並不採用。比較好的方式是採用施力法，雖然需要較多的人力及設備，但在施工過程中如遇溫度變化，可以隨時調整。高鐵全線的J-slab區域都採用此方式施工以掌握品質及進度。 (二) 建議 1. 軌道溫度預力施工控制方式應與混凝土預力相同，必須嚴格以伸長量作為控制基礎。而且施力軌道最長可達1500公尺，因此伸長量之均勻性非常重要。若部分伸長量未達到設計值即完成焊接及鎖緊扣件，可能會造成局部軌道內部應力集中。因此；在觀測伸長量的過程中應力求每一50公尺的觀測點均達到要求。 2. 理論上鋼軌焊接處應儘量減少，原因除接頭之強度考量外，另外；焊接處的軌道不平整現象，會加大動荷的衝擊力，因而加速軌道殘餘變形累積，使得軌道提早失效[4]，有可能危及行車安全。為裝設IRJ而多出的兩端鋁熱填充焊接，很顯然的是因為技術上無法在現場製作IRJ。若可研發在現場製作IRJ的技術則可省略兩端鋁熱填充焊接，不過前提是現場製作的品質與精度要與在工廠內相當，而且施工時間上也要受限於軌溫的變化。 3. 軌道預力施工時間與溫度息息相關，應儘可能縮短施工時間以避免溫度變化影響預力結果，一般以2小時為限。如施工時間超過2小時，工地工程師在軌道切割前應再檢查軌道溫度以確認是否須校正軌道預力。 4. 鋼軌的無應力區間設定在中間軌溫±3℃，計算基礎建議以高溫側為較佳。其理由除鋼材受壓時會有挫屈問題，溫度應力應儘量使其在拉力側外。另外；列車在車站進站區及橫渡線行進時因為加速或剎車作用，輪軌的磨擦作用，易使軌道升溫，加上自然的溫度效應，可能會使軌溫達80℃[7]。故在此區間之中間軌溫採用值，應予提高。以降低在此區間鋼軌挫區的可能性。 5. 中間軌溫是軌道安裝的最重要數值。其± 3℃的無應力溫度區間，是以測量鋼軌溫度後以公式求出，是否代表真正軌道內部溫度應力變化，在軌道完成安裝後建議以量測真正鋼軌內部應力的方式來驗證並調整。在夏季；應提高軌道監測的頻率，尤其是對剛完成舖軌不久後的路段。■ 參考文獻 1. 黃民仁，「鐵路工程學」，文笙書局，八十二年十月。2. http://www.thsrc.com.tw/main/construct/track/05.asp。 3. 陳主安、黃然，「台鐵無道軌道性能效益評估及比較研究」，海洋大學河海工程系九十一年碩士專班成果發表會。 4. 謝俊傑，「軌道焊接不平整性對高速鐵路之影響」，中華民國軌道工程學會九十四年學術研討會，九十四年五月。 5. Vople center“Track buckling research” 2005.8。 6. 馬明正，「跨區間無縫線路維修養護技術研究」，西南交通大學研究生學位論文，2002.11。 7. Dr. Bernhard Lichtberger，“Track Compendium”，Eurail Press，2005 8. 台灣高鐵，施工資料整理，2004~2005 9. 王其昌，「高速鐵路土木工程」，西南交通大學出版社，2001.4。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
