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真的假的?火車行駛的「匡噹匡噹」聲,是防軌道熱脹冷縮的設計?

今年7月24日,中央氣象局台北觀測站測到攝氏39.7度的高溫,打破自1896年設站以來的最高溫紀錄。你知道嗎?高溫曝曬不只人受不了,火車軌道也會熱到變形。

溫差效應下,鐵軌變形幅度有多驚人?

根據台鐵每日監控數據,近來上午9點的軌道溫度常會飆到攝氏48度左右,正午時分甚至可能飆到近60度。

軌道會因高溫膨脹導致彎曲,被稱為「挫曲(buckling)」效應;遇冷則會收縮,嚴重的話還會造成鐵軌斷裂,所以鐵軌上都裝有軌溫監控系統。

由於鋼軌屬於金屬材質,比熱小,熱脹冷縮的效果會特別明顯。舉例來說,20公尺的鋼軌熱脹冷縮,溫度0到60度之間的長度變化量約13公釐;長焊鋼軌通常都會超過200公尺,於是200公尺未鋪設鋼軌會有13公分的長度變化量。愈長的鋼軌,變化量會愈大。

火車「匡噹」聲和熱漲冷縮有何關係?

坐火車時,總是會聽到「匡噹!匡噹!」的聲響,這也和預防軌道熱脹冷縮有關。會出現這個聲音的原因是,火車轉向架上有四個鋼輪,左右各一組,火車鋼輪經過軌道接縫時所發出規律的聲音;而這個「接縫」就是為了鐵軌熱脹冷縮時所預留,對軌道是非常重要的設計,當列車行駛速度愈快時,這樣的聲音會更明顯。

但軌道接縫是比較不平滑的地方,鋼輪長期碰撞接縫,會導致接縫磨損嚴重,加上火車本體很重,強大衝擊力對於接縫下方的路基容易造成損害,導致軌道變形,進而影響行車安全,因此當火車速度愈來愈快時,盡量減少接縫就成了行車安全的一大要務。

為什麼高鐵不會有「匡噹」聲?

既然接縫設計不適合讓火車高速行駛,也會降低搭乘的舒適性,因此,近年就出現「長焊鋼軌」設計來減少主線軌道上的接縫處。

目前台灣鐵路遍使用的「長焊鋼軌」軌道,簡單來說,就是將好幾根短鋼軌焊接在一起來減少接縫,這也是為什麼時速高達近300公里的高鐵就很少聽到這種聲音。

既然鋼軌長度會隨著溫度變化而產生更大的影響,那長焊鋼軌怎麼克服伸縮的問題?現代的軌道技術使用強力扣件,將軌道牢牢鎖在枕木上。而隨著枕木工程技術發達,也逐漸改採混凝土軌枕加大重量,抵抗鋼軌挫曲力量,台鐵大多是如此;而新建的軌道系統如捷運、高鐵,甚至使用「無道碴軌道」──將鋼軌、軌枕與道床等全部都合在一起──搭配扣件緊緊將軌道鎖死,鋼軌即使遇到熱脹冷縮也無法亂動。

鋪設軌道學問大,深夜施工需先加溫

因應軌道會熱脹冷縮,「鋪設溫度」是決定安全的非常重要因素之一,因此鋪設軌道時也要精確控制溫差、因時制宜。

以台鐵為例,為避免鋪軌時鋼軌溫度與未來鋼軌於太陽下曝曬時的「溫差」過大,對於長焊鋼軌的鋪設溫度都有嚴格規範,一般而言鋪設軌道時的溫度規範在攝氏25至50度之間,在這個範圍之內都是安全的。但問題來了,台鐵因路線關係,僅有深夜4到6小時的休班時間可以施工,入夜後氣溫降低,鐵軌溫度可能低於25度,這該怎麼辦?

這時就需要鋼軌增溫器,將鋼軌加熱,達到預設的鋪軌溫度後,再使用扣件牢牢鎖在軌枕上。萬一遭遇寒流或低溫,軌道溫度可能只有5度,加溫效果不明顯時,台鐵工務單位會先鋪設鐵軌,等到白天時溫度上升,軌道也因變熱膨脹後,再封路解開扣件,釋放膨脹後的力量,然後再把扣件扣上,確保不會發生挫曲或斷軌。

諮詢專家/台灣大學土木工程學系教授賴勇成

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