耿冬梅

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 引言

我國(guó)的雙塊式無(wú)砟軌道研究應(yīng)用已近20年，雙塊式無(wú)砟軌道以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為我國(guó)高速鐵路主要軌道型式之一。在我國(guó)高速鐵路發(fā)展過(guò)程中，CRTS雙塊式無(wú)砟軌道主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段，分別是以武廣和鄭西客專(zhuān)為代表的引進(jìn)消化國(guó)外高鐵技術(shù)的發(fā)展階段，以蘭新和大西高鐵為代表的再創(chuàng)新的發(fā)展階段。我國(guó)自雙塊式無(wú)砟軌道引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新以來(lái)，施工技術(shù)一直未得到大的發(fā)展。多年以來(lái)勞動(dòng)密集型、技術(shù)粗放型的施工模式造成了無(wú)砟軌道施工返工較多，底座板和道床板傳統(tǒng)施工方法造成的混凝土開(kāi)裂等病害并未得到有效解決，施工完成后扣件更換率居高不下，道床施工速度一直處于較低的狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)施工需要大量人力，施工環(huán)境差。

隨著中國(guó)制造2025計(jì)劃的推出，高速鐵路建造技術(shù)的發(fā)展，智能鐵路、智慧鐵路以及綠色鐵路成為鐵路建設(shè)的重點(diǎn)方向，這也對(duì)施工質(zhì)量的過(guò)程監(jiān)控和測(cè)量數(shù)據(jù)管理提出了更高的要求。

2 項(xiàng)目概況

鄭萬(wàn)高鐵是鄭渝高速鐵路（鄭州—重慶）的重要組成部分，起于鄭州東站，途徑湖北地區(qū)、終點(diǎn)為重慶市萬(wàn)州區(qū)，共設(shè)立車(chē)站20座，線路設(shè)計(jì)行車(chē)速度為350 km/h，運(yùn)營(yíng)速度300 km/h，全線建筑長(zhǎng)度818 km。鄭萬(wàn)高鐵按施工區(qū)間劃分包含河南段（鄭州東—南陽(yáng)市）、湖北段（襄陽(yáng)市—重慶市）以及重慶段（重慶市—萬(wàn)州）。

項(xiàng)目于2016年12月11日全線開(kāi)工，全線涉及路基、橋梁、隧道等施工線路。軌道型式采用雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，軌道正線線間距為4.6 m/5.0 m，最大超高175 mm，最大坡度20‰，最小曲線半徑9 000 m。除了河南段采用了傳統(tǒng)無(wú)砟軌道施工技術(shù)進(jìn)行施工外，其他施工區(qū)間均采用了該套智能化無(wú)砟軌道施工技術(shù)開(kāi)展了無(wú)砟軌道施工建設(shè)［1-4］。

3 鄭萬(wàn)高鐵無(wú)砟軌道智能化施工技術(shù)難點(diǎn)

為了全面響應(yīng)中國(guó)鐵路2025發(fā)展戰(zhàn)略，鄭萬(wàn)高鐵無(wú)砟軌道施工時(shí)，在一些關(guān)鍵工序的關(guān)鍵裝備上應(yīng)實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用，全面提升鄭萬(wàn)高鐵無(wú)砟軌道的技術(shù)水平。在底座板鋪裝、新軌排系統(tǒng)架設(shè)、智能化分枕、智能化精調(diào)等方面研究新技術(shù)、新裝備，在無(wú)砟軌道施工環(huán)節(jié)做好質(zhì)量控制與提升，提高無(wú)砟軌道施工效率。綜上，主要存在以下施工技術(shù)難點(diǎn)［5-9］。

（1）底座板自動(dòng)鋪裝技術(shù)

基于現(xiàn)有底座板成型施工技術(shù)，研究底座板自動(dòng)鋪裝施工方法，實(shí)現(xiàn)直線段/曲線段底座頂面標(biāo)高的自動(dòng)控制，完成高速鐵路無(wú)砟軌道底座板混凝土的自動(dòng)攤鋪與成形。

（2）新型嵌套式軌排法施工技術(shù)

研究新型嵌套式軌排，要求嵌套式軌排結(jié)構(gòu)及功能上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，利用自身嵌套式結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，借助軌排精調(diào)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)軌道幾何形位數(shù)據(jù)的調(diào)整，且滿足軌向與高程的完全獨(dú)立調(diào)節(jié)。嵌套式軌排兼有自鎖定功能，軌排達(dá)到精度要求后自動(dòng)完成鎖定［10-12］。

（3）基于數(shù)字化自動(dòng)分枕技術(shù)

對(duì)智能化自動(dòng)分枕技術(shù)及裝備進(jìn)行研究，智能化自動(dòng)分枕機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)分枕機(jī)的自動(dòng)勻枕作業(yè)，只需選擇軌排型號(hào)，即可完成不同軌排、不同間距多組軌枕的精確定位，形成基于數(shù)字化自動(dòng)分枕技術(shù)。

（4）智能化軌排精調(diào)技術(shù)

研究軌排自動(dòng)精調(diào)技術(shù)及施工配套裝備，智能化軌排精調(diào)機(jī)與嵌套式軌排配合使用，通過(guò)智能化軌排精調(diào)機(jī)的操作，能夠?qū)π滦蛙壟艑?shí)現(xiàn)軌道幾何參數(shù)的一鍵智能化調(diào)整。

4 鄭萬(wàn)高鐵無(wú)砟軌道智能化施工技術(shù)

4.1 施工方案

雙塊式無(wú)砟軌道智能化施工擬在全自動(dòng)底座板布料振搗抹平機(jī)、新型軌排系統(tǒng)、智能化自動(dòng)分枕機(jī)、全自動(dòng)軌排鋪裝機(jī)、智能化軌排精調(diào)車(chē)、混凝土布料振搗一體機(jī)等方面實(shí)現(xiàn)全面的信息化、智能化。其中全自動(dòng)底座板布料振搗抹平機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆筑、自動(dòng)振搗與抹平，提高底座板施工效率。新型軌排系統(tǒng)與傳統(tǒng)軌排相比，軌向調(diào)節(jié)方式改為單側(cè)向的軌向調(diào)節(jié)螺桿調(diào)整，軌向調(diào)節(jié)螺桿具有軌向鎖定功能，無(wú)需繼續(xù)鎖定，施工速度快，調(diào)節(jié)精度高。智能化自動(dòng)分枕機(jī)可根據(jù)不同軌枕間距自動(dòng)勻枕，提高勻枕效率。全自動(dòng)軌排鋪裝機(jī)用于吊取成榀軌排并運(yùn)輸至施工位置，能夠?qū)崿F(xiàn)軌排的平穩(wěn)準(zhǔn)確鋪裝，實(shí)現(xiàn)軌排粗鋪。智能化軌排精調(diào)車(chē)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)精調(diào)、數(shù)據(jù)追蹤、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)表查詢等功能，無(wú)人為因素干擾，增加了施工質(zhì)量數(shù)據(jù)的可追溯性。道床板混凝土布料機(jī)集布料與振搗于一體，可根據(jù)軌枕間距設(shè)定步進(jìn)操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)布料與振搗，提高施工效率。

施工時(shí)，利用線間布置的智能化自動(dòng)分枕機(jī)完成勻枕，將軌枕、鋼軌、嵌套式軌排等完成軌排組裝，通過(guò)全自動(dòng)軌排鋪裝機(jī)將成榀軌排吊運(yùn)至指定位置進(jìn)行鋪裝作業(yè)，利用智能化軌排精調(diào)車(chē)調(diào)好鋼軌的軌向、高低、中線等幾何參數(shù)，使其滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。支立道床模板體系，混凝土布料振搗一體機(jī)進(jìn)行布料、振搗作業(yè)，完成無(wú)砟軌道施工。

4.2 關(guān)鍵施工技術(shù)

（1）底座板自動(dòng)鋪裝

底座板斷面形式多樣，通過(guò)全自動(dòng)底座板布料振搗整平設(shè)備的研制，實(shí)現(xiàn)了底座板自動(dòng)鋪裝技術(shù)的創(chuàng)新，該項(xiàng)技術(shù)兼有自動(dòng)化布料、振搗、抹平等功能，能夠滿足線路直線段和曲線段底座板連續(xù)施工。底座板鋪裝時(shí)，振搗時(shí)間通過(guò)PLC編程控制，針對(duì)不同坍落度的混凝土制定合理的振搗參數(shù)，可有效避免傳統(tǒng)手持插入式振搗方式引起的混凝土振搗不足或過(guò)振現(xiàn)象，大大提高了混凝土的振搗質(zhì)量，并且能夠顯著提高底座板的外觀質(zhì)量和施工效率（見(jiàn)圖1）。

圖1 全自動(dòng)底座板自動(dòng)鋪裝

（2）新型嵌套式軌排法施工

創(chuàng)新地提出了新型嵌套式軌排（見(jiàn)圖2）施工法，通過(guò)托梁內(nèi)外套滑動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)軌向調(diào)整，打破了軌道幾何形位調(diào)整的固有思維，將軌向與高程獨(dú)立調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)軌向與高程的調(diào)節(jié)互不干涉。配合智能化精調(diào)機(jī)的使用，新型嵌套式無(wú)砟軌道排架大大縮短了道床施工中的精調(diào)工序施作時(shí)間，為高鐵無(wú)砟軌道施工智能化、信息化、自動(dòng)化提供了技術(shù)基礎(chǔ)，填補(bǔ)無(wú)砟軌道施工領(lǐng)域的技術(shù)空白。目前，新型嵌套式軌排施工技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)次工廠的優(yōu)化試制及施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用，取得了很好的施工效果，較傳統(tǒng)軌排施工可減少人工30%。

圖2 新型嵌套式軌排法施工

（3）基于數(shù)字化自動(dòng)分枕

智能化自動(dòng)分枕機(jī)是雙塊式無(wú)砟軌道施工軌排組裝工序的專(zhuān)用設(shè)備，它可替代傳統(tǒng)的簡(jiǎn)易分枕平臺(tái)，由原來(lái)的人工操作模式改變?yōu)樽詣?dòng)控制模式。在分枕操作時(shí)，選擇需要的軌排模式即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)布枕。該項(xiàng)自動(dòng)分枕技術(shù)適用于不同軌枕間距不同軌排長(zhǎng)度的一鍵式布枕作業(yè)，具有自動(dòng)收攏、自動(dòng)分枕、軌枕定位、軌排框架定位等特點(diǎn)，可自動(dòng)定位軌枕初始放落狀態(tài)下的前后、左右位置，實(shí)現(xiàn)任意不同位置軌枕的間距布置。該設(shè)備具有平穩(wěn)、準(zhǔn)確、高效、安全等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)軌排組裝自動(dòng)化、智能化?；跀?shù)字化自動(dòng)分枕的應(yīng)用，可節(jié)省大量勞動(dòng)力，有效提高了施工效率，是實(shí)現(xiàn)無(wú)砟軌道智能化施工必不可少的施工技術(shù)（見(jiàn)圖3）。

圖3 數(shù)字化自動(dòng)分枕

（4）智能化軌排精調(diào)

智能化精調(diào)機(jī)采用浮動(dòng)坐標(biāo)系建模法與最小二乘系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)讀取精調(diào)小車(chē)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同精調(diào)小車(chē)的匹配，精調(diào)程序計(jì)算，數(shù)據(jù)傳輸至伺服電機(jī)，精密減速機(jī)通過(guò)萬(wàn)向伸縮傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)遞精密轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整，完全替代人工調(diào)整，大大縮短了道床施工中的精調(diào)工序施作時(shí)間。該項(xiàng)技術(shù)所用設(shè)備為智能化精調(diào)機(jī)（見(jiàn)圖4），其調(diào)節(jié)精度可達(dá)0.1 mm，調(diào)整速度快，調(diào)整精度高，不受人為因素影響，原來(lái)人工調(diào)整需要4個(gè)工人配合1個(gè)測(cè)量人員，工人勞動(dòng)強(qiáng)度很大，實(shí)現(xiàn)軌排的智能化精調(diào)后只需2個(gè)工人配合1個(gè)測(cè)量人員，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。

5 應(yīng)用情況

該套施工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了施工過(guò)程的智能化、信息化，減少了人為干擾，實(shí)現(xiàn)了施工質(zhì)量的可追溯性，形成了一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能化雙塊式無(wú)砟軌道施工技術(shù)。該項(xiàng)科研成果相繼在鄭萬(wàn)高鐵（見(jiàn)圖5）、京張高鐵得到了深入推廣應(yīng)用，與參建該線路的其他智能建造技術(shù)共同實(shí)現(xiàn)了智能鄭萬(wàn)、智能京張的預(yù)期目標(biāo)。同時(shí)，該項(xiàng)科研成果的產(chǎn)業(yè)化給企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

圖5 鄭萬(wàn)高鐵無(wú)砟軌道完工區(qū)間

6 結(jié)束語(yǔ)

項(xiàng)目結(jié)合我國(guó)的智能高鐵發(fā)展戰(zhàn)略以及現(xiàn)存無(wú)砟軌道施工問(wèn)題，研究了適用于鄭萬(wàn)高鐵無(wú)砟軌道智能化施工技術(shù)，形成了CRTS雙塊式無(wú)砟軌道智能化成套施工技術(shù)，研制了CRTS雙塊式無(wú)砟軌道智能化成套施工裝備，建立了無(wú)砟軌道施工信息化管理協(xié)作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了施工數(shù)據(jù)可追溯。該項(xiàng)施工技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

（1）采用嵌套式托梁體施工，通過(guò)托梁內(nèi)外套滑動(dòng)的方式調(diào)整；軌向與高程完全獨(dú)立調(diào)節(jié)，軌向與高程的調(diào)節(jié)互不干涉；采用自鎖定結(jié)構(gòu)，軌排達(dá)到精度要求無(wú)需繼續(xù)鎖定，方便快捷。

（2）采用獨(dú)拖柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)分枕平臺(tái)自動(dòng)勻枕，且實(shí)現(xiàn)不同間距軌枕的精確定位；基于參數(shù)化自動(dòng)整平技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)底座板不同超高下的自動(dòng)成型；基于數(shù)字化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同坍落度的混凝土振搗參數(shù)控制，有效避免混凝土振搗不足或過(guò)振。

（3）基于浮動(dòng)坐標(biāo)系建模法與最小二乘系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)進(jìn)行智能精調(diào)，實(shí)現(xiàn)精調(diào)數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸和實(shí)時(shí)調(diào)整；基于模型預(yù)測(cè)控制及迭代自學(xué)習(xí)控制理論精調(diào)設(shè)備研制；采用云技術(shù)，實(shí)現(xiàn)幾何參數(shù)自動(dòng)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)精調(diào)參數(shù)的記錄、保存和上傳；采用多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)調(diào)整，滿足隨測(cè)隨調(diào)，無(wú)需反復(fù)調(diào)整，減少干擾，提高效率。

智能化雙塊式無(wú)砟軌道施工技術(shù)在鄭萬(wàn)高鐵得到了深入推廣與應(yīng)用，通過(guò)對(duì)建成區(qū)間軌道進(jìn)行的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，利用該項(xiàng)技術(shù)施工的軌道線路其TQI指標(biāo)明顯優(yōu)于其他線路，外觀質(zhì)量也得到明顯改善。實(shí)踐證明：該套施工技術(shù)的實(shí)施是成功的，給其他在建雙塊式無(wú)砟軌道線路施工以借鑒。