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