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        高速鐵路雙塊式無砟軌道智能建造技術(shù)研究與應(yīng)用

        2020-12-26 02:54:40王明慧曹義華蔣樹平
        鐵道建筑技術(shù) 2020年10期
        關(guān)鍵詞:雙塊軌排精調(diào)

        王明慧 張 橋 曹義華 蔣樹平

        (渝萬鐵路有限責任公司 重慶 400014)

        1 引言

        我國高速鐵路無砟軌道通過多年的實踐經(jīng)驗逐步形成了7種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無砟軌道結(jié)構(gòu)型式。其中,CRTS-Ⅰ型雙塊式無砟軌道因其特有的技術(shù)特點成為我國高速鐵路主流的無砟軌道型式,尤其是在山區(qū)建設(shè)高速鐵路,CRTS-Ⅰ型雙塊式無砟軌道已成為設(shè)計首選的軌道結(jié)構(gòu)形式[1-3]??v觀雙塊式無砟軌道發(fā)展歷程,CRTS-Ⅰ型雙塊式無砟軌道建造技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段,第一階段主要是以武廣、鄭西客專為代表的采用德國雷達2000(CRTS-Ⅰ型)和德國旭普林(CRTS-Ⅰ型)雙塊式無砟軌道引進消化吸收階段,其施工裝備主要采用引進國外配套設(shè)備,價格昂貴,且施工工序較為復雜;第二階段是充分與我國鐵路工程建設(shè)實際結(jié)合,創(chuàng)造性提出軌排框架法建造技術(shù),以蘭新、大西、貴廣高鐵為代表的組合式軌道排架法建造技術(shù);第三階段是以鄭萬高鐵為代表的引領(lǐng)雙塊式無砟軌道建造技術(shù)的智能化升級發(fā)展階段。

        通過對前兩個階段的總結(jié),在鄭萬高鐵建設(shè)中,經(jīng)過經(jīng)驗拓展和技術(shù)創(chuàng)新,創(chuàng)建了新的雙塊式無砟軌道智能建造技術(shù),開發(fā)制造完成了與之匹配的先進工裝,解決了雙塊式無砟軌道施工中人工干擾大,數(shù)據(jù)不可控等重大技術(shù)難題,形成了我國雙塊式無砟軌道智能建造技術(shù)體系[4]。

        2 雙塊式無砟軌道簡介

        雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、彈性扣件、雙塊式軌枕、道床板、底座/支承層等組成[5-6],見圖1。

        圖1 CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)

        3 雙塊式無砟軌道施工發(fā)展現(xiàn)狀

        雙塊式無砟軌道建造技術(shù)經(jīng)過消化吸收再創(chuàng)新,經(jīng)歷了十余年的實踐,其施工工法一直未有顯著發(fā)展,現(xiàn)階段主要采用流水工具軌法和傳統(tǒng)軌排框架法。盡管傳統(tǒng)工具軌法和軌排框架法施工工藝已經(jīng)較為成熟,但由于整體施工流程對人工依賴程度較高,無法體現(xiàn)機械化和智能化控制的先進技術(shù)對施工工效和系統(tǒng)精度控制的效果,所以施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量控制不穩(wěn)定、關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)不易控制、施工效率低、施工工序和標準執(zhí)行不嚴等現(xiàn)象,尤其突出的是軌枕定位人工作業(yè)偶然誤差所引起的質(zhì)量隱患,其導致的質(zhì)量缺陷嚴重影響了后續(xù)軌道鋪裝質(zhì)量。

        3.1 人工因素影響大,質(zhì)量控制不穩(wěn)定

        傳統(tǒng)軌排法施工需要借助大量人力進行人工作業(yè)。由于作業(yè)崗位為非常規(guī)職業(yè)培訓崗位,熟練的作業(yè)技能不易短期掌握,導致作業(yè)人員作業(yè)技能參差不齊,勞務(wù)作業(yè)人員難以掌握工藝要點,因此作業(yè)過程中很容易產(chǎn)生不規(guī)范操作,稍有疏忽即造成工程質(zhì)量問題。例如,雙塊式無砟軌道軌排精調(diào)是一項精度要求很高的技術(shù)工作,一般高程偏差控制在±5 mm范圍內(nèi),需要測量人員和精調(diào)人員緊密配合才能完成,而勞務(wù)作業(yè)人員的普通技能通常情況下難以準確配合完成精調(diào)工序。同時,軌排調(diào)整精度受人為因素影響很大,調(diào)節(jié)時間長,測量人員和操作人員勞動強度大,持續(xù)的高強度工作也使精調(diào)質(zhì)量難以保證始終如一。以每個工作面每天精調(diào)100 m為例,傳統(tǒng)精調(diào)時間約為 4.5 h,見圖 2。人工精調(diào)工序復雜、費時費力,且精調(diào)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定,這些已經(jīng)成為雙塊式無砟軌道施工效率提升的制約瓶頸[7-10]。

        圖2 傳統(tǒng)人工精調(diào)作業(yè)

        3.2 關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)不易監(jiān)控

        (1)人工分枕精度難把控,布枕質(zhì)量低,導致后期扣件損壞嚴重。

        (2)軌道精調(diào)質(zhì)量參數(shù)對道床板施工有重要的影響?;炷翝仓暗木{(diào)數(shù)據(jù)和混凝土澆筑后的復測數(shù)據(jù)對后期TQI指數(shù)影響較大[11]。

        (3)道床板混凝土澆筑施工控制參數(shù)不易監(jiān)控?;炷翝仓r,要對混凝土坍落度、混凝土入模溫度等關(guān)鍵參數(shù)進行及時跟蹤測量。同時,澆筑時,要防止現(xiàn)場施工裝備碰撞已經(jīng)精調(diào)完畢的軌排,以免影響精調(diào)參數(shù)。

        3.3 工裝機械化水平低且操作流程復雜

        (1)工裝機械化水平低

        傳統(tǒng)軌排施工方法機械化水平低,采用大量人工來操作,且操作流程較復雜,造成施工配套裝備少、自動化程度低,從分枕到混凝土澆筑,幾乎所有工序都需要大量人工參與完成。例如,分枕作業(yè)時,需要借助現(xiàn)場龍門吊將軌枕逐個散布,再通過板尺測量+人工撬棍方式調(diào)整軌枕間距。此方法不僅人工勞動強度大、工作效率低,且分枕不準確、不平行,導致精調(diào)難度高。同時,人工分枕大都直接在隔離層上作業(yè),對下部的土工布污損較嚴重,見圖3。

        圖3 傳統(tǒng)人工分枕施工

        (2)工裝操作流程復雜

        目前,傳統(tǒng)無砟軌道施工工裝存在操作流程多、需要人工輔助工作量大等問題。無論是工具軌還是軌排框架法,所有調(diào)整體系均存在相同弊病,即軌向調(diào)整時會影響高程數(shù)據(jù),高程調(diào)整時軌向需重新鎖定,這就需要操作人員反復進行精調(diào)。并且,軌道系統(tǒng)各個排架間、排架的托梁間由于高程及軌向的同時調(diào)整導致內(nèi)部應(yīng)力較大,最終導致精調(diào)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

        3.4 施工工序和標準執(zhí)行過程難以有效控制

        雙塊式無砟軌道施工工序雖然已經(jīng)被廣泛掌握,但在現(xiàn)場實際施工時,由于勞動強度大、延時長,且受露天作業(yè)環(huán)境影響,導致人工配合及工序管控繁復,易出現(xiàn)施工工序和標準執(zhí)行管控不到位等問題,從而造成嚴重的施工事故和經(jīng)濟損失。例如,某標段施工標準落實不嚴格,混凝土澆筑時,對已調(diào)整好的軌排產(chǎn)生較大擾動導致軌排橫向位移?;炷翝仓鬀]有嚴格落實軌道復測工序,致使沒有及時發(fā)現(xiàn)異常軌道參數(shù)并加以處理。長軌鋪設(shè)后,靜態(tài)調(diào)整過程中發(fā)現(xiàn)平順性指標嚴重超限,不得不將28 m的無砟軌道炸除并重新施工。

        4 提升雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量措施

        鄭萬高鐵全長818 km,設(shè)計時速350 km,是國家“八縱八橫”高鐵主通道,是重慶快速通達華北、華東、華中地區(qū)的主要客運高速通道。2020年4月21日,鄭萬高鐵重慶段施工某標段采用嵌套式軌排、智能精調(diào)機和自動分枕平臺等先進智能工裝,率先進入雙塊式無砟軌道鋪設(shè)。通過“工裝保工藝、工藝保質(zhì)量”,使無砟軌道施工取得了顯著的質(zhì)量控制效果和工效提升效果,為2022年鄭萬高鐵全線通車奠定了基礎(chǔ)。

        使用嵌套式軌排、智能精調(diào)機和自動分枕平臺等先進智能工裝進行雙塊式無砟軌道施工,是通過機械設(shè)備智能作業(yè),按照軌枕布設(shè)要求,將軌枕和軌排預裝組合,通過智能化自動精調(diào)機調(diào)整軌排的高程和橫向位置,使雙塊式軌枕在施工作業(yè)成型后的道床結(jié)構(gòu)中的空間幾何位置達到設(shè)計和驗標的精度要求。鄭萬高速鐵路無砟軌道施工時,在總結(jié)現(xiàn)有的建造技術(shù)基礎(chǔ)上,通過經(jīng)驗拓展和技術(shù)創(chuàng)新,開發(fā)研制了基于機械化軌枕預裝和精度智能化調(diào)控的軌排精調(diào)機等工裝用于雙塊式無砟軌道施工,基本解決了傳統(tǒng)軌排框架法施工中的不足,在鄭萬高速鐵路重慶段無砟軌道施工作業(yè)中,質(zhì)量控制和工效提升取得了顯著效果。

        4.1 專業(yè)化無砟軌道施工成套裝備的應(yīng)用

        為保證施工質(zhì)量滿足設(shè)計和驗標要求,應(yīng)遵循“工裝保工藝、以工藝保質(zhì)量”的原則,采用專業(yè)化雙塊式無砟軌道施工成套裝備進行施工作業(yè),軌枕施工參數(shù)和精度由工裝嚴格把控,從而提高施工質(zhì)量[12]。

        (1)采用新型嵌套式軌排精調(diào)數(shù)據(jù)來擬合設(shè)計線路數(shù)據(jù)

        創(chuàng)新型嵌套式軌排通過托梁內(nèi)外套滑動的方式實現(xiàn)軌向調(diào)整,徹底顛覆此前軌道幾何形位調(diào)整的固有思維,將軌向與高程獨立調(diào)節(jié),實現(xiàn)軌向與高程調(diào)節(jié)互不干涉。配合智能化精調(diào)機的使用,該新型嵌套式無砟軌道排架大大縮短了道床施工中精調(diào)工序時間,有利于縮短雙塊式無砟軌道施工工期。新型嵌套式軌排見圖4。

        圖4 新型嵌套式軌排

        (2)引入智能化精調(diào)機進行精調(diào)作業(yè),改變傳統(tǒng)人工精調(diào)方式

        采用智能化精調(diào)機進行精調(diào)作業(yè),完全替代人工調(diào)整,只需要人工輔助對位即可,避免了人為因素對精調(diào)數(shù)據(jù)的影響,降低了精調(diào)人員的勞動強度,大大縮短了道床施工中的精調(diào)工序時間。智能化精調(diào)機見圖5。

        (3)采用智能化自動分枕平臺進行分枕和軌排組裝

        圖5 軌排精調(diào)機

        通過分枕小車的運動和限位實現(xiàn)自動分枕和控制枕距,避免人工直接在土工隔離層上分枕作業(yè),解決了軌排組裝時軌枕橫向和縱向定位問題。整體軌枕間距誤差可控制在3 mm以內(nèi),整機自動勻枕時間可在1 min之內(nèi)完成,平均30~40 min即可組裝完成一榀軌排,極大提高了軌排組裝效率。智能化自動分枕平臺見圖6。

        圖6 智能化自動分枕平臺

        (4)施工質(zhì)量指標和功效指標對比

        以某施工標段雙塊式無砟軌道施工實測質(zhì)量指標TQI指數(shù)為例,具體見圖7。智能化自動分枕平臺和軌排精調(diào)機工效指標對比見表1~表2。

        圖7 軌道不平順質(zhì)量對比

        表1 軌排組裝功效指標對比

        表2 軌道精調(diào)功效指標對比

        雙塊式無砟軌道工裝通過設(shè)備的機械化和自動化操作,改變了傳統(tǒng)的施工工藝,使施工工藝得到進一步提升和改善,從而保證施工質(zhì)量和精度。

        4.2 采用新技術(shù)對無砟軌道關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)進行監(jiān)控管理

        采用信息化、大數(shù)據(jù)等先進手段對無砟軌道關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)進行監(jiān)控管理,相關(guān)施工數(shù)據(jù)需要進行記錄、保存,以備后期運營時進行維護。例如,軌排精調(diào)完成時采集的數(shù)據(jù)和混凝土初凝后復測數(shù)據(jù)需要進行記錄和保存,并上傳相關(guān)管理平臺。采用承軌臺檢測機器人,提前對軌道質(zhì)量參數(shù)進行收集。

        4.3 加強對作業(yè)人員的培訓和管理

        (1)持續(xù)做好專業(yè)培訓管理工作。以往傳統(tǒng)式無砟軌道施工工裝機械化水平低,需要大量人力輔助,所以對勞動者專業(yè)素質(zhì)要求也不高。隨著一些新技術(shù)和新裝備在現(xiàn)場逐步應(yīng)用,對設(shè)備操作人員認知能力和操作水平也隨之提高。施工單位應(yīng)組織設(shè)備供應(yīng)商對現(xiàn)場專業(yè)操作人員進行專業(yè)化培訓。

        (2)施工管理人員應(yīng)切實提高現(xiàn)場把控力度。施工管理人員在整個施工工序中,應(yīng)做到現(xiàn)場隨機抽查,關(guān)鍵施工工序施工時,應(yīng)做到現(xiàn)場實時跟蹤。同時,對施工中物料等資源的配備應(yīng)做到胸中有數(shù),這樣才能實現(xiàn)通過對人的管理來提高工程質(zhì)量目標。

        4.4 嚴格執(zhí)行施工工序和落實相關(guān)檢驗標準

        雙塊式無砟軌道施工時,測量和精調(diào)是關(guān)鍵工序。針對無砟軌道測量,施工單位和監(jiān)理單位應(yīng)嚴格落實兩級檢查、一級驗收制度。雙塊式無砟軌道施工前,應(yīng)嚴格落實復測CPⅢ,必要時執(zhí)行全部換手測量,保證基礎(chǔ)測量數(shù)據(jù)的準確性。從第一步工序就把錯誤消滅在萌芽狀態(tài),避免出現(xiàn)嚴重缺陷或重大施工誤差。

        5 未來發(fā)展展望

        隨著中國制造2025計劃的推出,高速鐵路也開始邁向智能鐵路、智慧鐵路以及綠色鐵路,成為鐵路建設(shè)的重點方向,雙塊式無砟軌道建造技術(shù)在未來需要有更大的提升以匹配高速鐵路的發(fā)展。

        (1)目前,我國社會人口老齡化凸顯,青壯年體力勞動資源匱乏,依靠大量人工現(xiàn)場作業(yè)完成建設(shè)工程的落后傳統(tǒng)方法會被逐漸擯棄,新技術(shù)新工裝體現(xiàn)先進生產(chǎn)力是建設(shè)工程領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。高速鐵路建設(shè)需要逐步提升施工的機械化、自動化、智能化程度,以先進技術(shù)體現(xiàn)先進生產(chǎn)力水平,設(shè)計科研單位、施工企業(yè)和設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)聯(lián)合攻關(guān),對無砟軌道施工工藝進行再創(chuàng)新,在機械化、智能化水平上再上新臺階。

        (2)現(xiàn)階段建造技術(shù)受制于工裝水平,其特點是將施工流程分割成單個施工工序,導致現(xiàn)場工序繁雜、施工效率低,精度誤差、綜合質(zhì)量控制目標不理想。后期應(yīng)考慮通過智能工裝集成相關(guān)工序,使現(xiàn)場達到流水作業(yè),進一步降低人工作用,充分體現(xiàn)“工裝保工藝、工藝保質(zhì)量”的先進技術(shù)水平。

        (3)充分利用信息化、大數(shù)據(jù)的先進手段監(jiān)控管理無砟軌道關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù),相關(guān)施工數(shù)據(jù)需要進行記錄、保存,建立云數(shù)據(jù)庫,為后期運營維護備份。

        (4)上述設(shè)備或技術(shù)均在一定程度上實現(xiàn)自動化、智能化施工,但對人工還存在一定依賴,后期測量和精調(diào)等工裝應(yīng)結(jié)合5 G、北斗導航和云計算等技術(shù)對整體施工工藝進行進一步提升,使智能化和信息化施工水平達至新高度。

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