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為13公釐；長焊鋼軌通常都會超過200公尺，等於是200公尺會有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，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，重力加速度對於接縫下方的路基造成損害，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？現代的軌道技術就發展出使用強力扣件，將軌道牢牢鎖在枕木上。而隨著枕木工程技術發達，現在也會使用混凝土枕木加強固定力道，台鐵大多是如此；捷運與高鐵大部分路段，甚至使用「版式軌道」──即枕木與地基全部都合在一起──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。
但即使將軌道鎖死仍有極限，因此在氣溫變化比較極端的國家，軌道得先預先切斷一小部分，讓長軌道有預留膨脹的空間。
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，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枕木上。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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August 24, 2020 at 11:15AM
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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？ - 報導者The Reporter
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