高貴 趙永強

1.武九鐵路客運專線湖北有限責任公司，武漢430212；2.天津天一軌道交通設(shè)備有限公司，天津301700

傳統(tǒng)CRTS雙塊式無砟軌道底座板施工采用人工整平或簡易整平方式時存在的主要問題有：①人為操作導致振搗不足，標高、反坡角度的誤差大；②攤鋪、布料、刮平、抹面、提漿等工序需要工人20名左右，勞動強度大，效率低；③施工工藝落后，機械化程度低；④施工未實現(xiàn)信息化，過程數(shù)據(jù)缺乏，質(zhì)量波動大［1-2］且不可追溯；⑤相鄰底座板單元間錯臺較大，凹槽四角易產(chǎn)生裂紋等病害［3-4］。為此，研發(fā)了一體化底座模板系統(tǒng)和自動整平設(shè)備。本文對其進行介紹，并在工程現(xiàn)場驗證其效果。

1 一體化底座模板系統(tǒng)

CRTS雙塊式無砟軌道底座板為C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。長度L≥150 m路基地段底座板單元間設(shè)置20 mm寬伸縮縫，伸縮縫采用聚苯乙烯泡沫塑料板填充；L＜150 m路基地段和橋梁底座板采用單元分塊式結(jié)構(gòu)，設(shè)置100 mm寬的板縫。底座板對應(yīng)每塊道床板設(shè)置2個上表面尺寸為1 022 mm（長）×700 mm（寬）的限位凹槽。

一體化底座模板系統(tǒng)以32 m簡支梁長度為單元進行設(shè)計，見圖1。底座板模板為鋼制定型模板，由縱向模板、支撐系統(tǒng)、伸縮縫模板、凹槽模板和軌道組成。

圖1 一體化底座模板系統(tǒng)

1.1 縱向模板及支撐系統(tǒng)

縱向模板由長3.0 m標準模板和兩端各1塊調(diào)整模板組成，安裝時以32 m或24 m簡支梁長度為控制單元?？v向模板為底座板自動整平設(shè)備提供軌道固定基礎(chǔ)，通過縱向模板支撐系統(tǒng)和軌道調(diào)節(jié)座調(diào)整軌道頂面的標高。

每塊標準模板在模板中間和距離模板兩端法蘭200 mm處設(shè)置支撐系統(tǒng)?？v向調(diào)整模板的支撐位置和數(shù)量視模板的長度而定。其支撐系統(tǒng)由絲桿支撐（平撐、斜撐絲桿各1根）、1個軌道調(diào)節(jié)座和1根地錨組成，如圖2所示。平撐絲桿用于調(diào)整縱向模板底部位置，斜撐絲桿用于調(diào)整縱向模板的垂直度。絲桿、地錨和模板孔形成一個三角形，確?？v向模板穩(wěn)固，調(diào)整方便。

圖2 底座模板的支撐系統(tǒng)

1.2 伸縮縫模板

伸縮縫寬20 mm時伸縮縫模板采用聚乙烯泡沫塑料板，其頂面低于設(shè)計底座板頂面5 mm。

伸縮縫寬100 mm時伸縮縫模板采用定型鋼模與泡沫板組合結(jié)構(gòu)。定型鋼模與泡沫板厚度均為100 mm，鋼模高210 mm。伸縮縫模板通過4個豎向螺栓和5個U形鋼筋卡固定，兩端橫向托架處的調(diào)節(jié)螺栓用于托架安裝和移位。伸縮縫模板縱向間隙內(nèi)填充泡沫膠。

采用以上兩種伸縮縫模板均便于底座板自動整平設(shè)備通過伸縮縫，見圖3。

圖3 伸縮縫模板（單位：mm）

1.3 凹槽模板

凹槽模板由1個凹槽、1塊底板、4個壓板、4個調(diào)節(jié)螺母、4個反壓螺栓和4個預(yù)埋螺桿組成，底面四周設(shè)有壓板和反壓螺栓，如圖4所示。其中：凹槽沖壓成型，四角設(shè)置R100 mm圓弧，底部設(shè)置4個安裝孔；底板放置在凹槽下方中間部位；調(diào)節(jié)螺母安裝在預(yù)埋螺桿上，用于支撐和調(diào)節(jié)凹槽標高；反壓螺栓可有效固定凹槽模板；預(yù)埋螺桿固定在簡支梁梁面上。

圖4 凹槽模板（單位：mm）

1.4 軌道

軌道采用9 m長24 kg/m鋼軌，安裝在縱向模板外側(cè)軌道調(diào)節(jié)座上。

2 底座板自動整平設(shè)備的研究與應(yīng)用

2.1 底座板自動整平設(shè)備現(xiàn)狀及技術(shù)要點

目前國內(nèi)底座板整平設(shè)備在板式無砟軌道中應(yīng)用較多，其整平功能僅實現(xiàn)了機械化，施工過程須專業(yè)測量人員和工人配合，對模板參數(shù)和軌道標高進行調(diào)整。為此，課題組借鑒無砟軌道精調(diào)技術(shù)，開展了底座板自動整平設(shè)備的研究。技術(shù)要點有：①其主要應(yīng)用于混凝土澆筑后的攤鋪和成型；②整平機構(gòu)由模板組件、軌道和整平設(shè)備組成；③施工時通過現(xiàn)場CPⅢ點全站儀完成自由設(shè)站，全站儀測量數(shù)據(jù)經(jīng)無線藍牙模塊［5］傳輸給整平設(shè)備；④整平設(shè)備根據(jù)預(yù)先存儲的線路設(shè)計值，分析全站儀測量數(shù)據(jù)，自動追蹤、指導設(shè)備運行軌跡，實現(xiàn)底座板混凝土頂面的自動整平［6-7］。

2.2 底座板自動整平設(shè)備的組成及功能

為解決傳統(tǒng)底座板施工存在的問題，研發(fā)了三種單雙線底座板自動整平設(shè)備。其中，單線有調(diào)軌自動整平設(shè)備（以下簡稱調(diào)軌設(shè)備）和梁軌自動整平設(shè)備（以下簡稱梁軌設(shè)備）兩種，雙線底座板自動整平設(shè)備僅一種，簡稱雙線設(shè)備。

三種設(shè)備的走行方式為：①施工時調(diào)軌設(shè)備可直接走行在底座板縱向模板的頂部軌道，不需測量標高。②梁軌設(shè)備行走在梁面軌道，雙線設(shè)備行走在防護墻外側(cè)。施工時這兩種設(shè)備均可通過全站儀測量數(shù)據(jù)實時調(diào)整行走標高。

三種設(shè)備均可遙控操作，具備推平布料、振搗密實、提漿、整平塑型等功能，可實現(xiàn)底座板標高、兩側(cè)排水坡一次成型，自動振搗、自動抹平。其強力振動器的振動頻率達3 000次/min，確?；炷琳駬v密實、均質(zhì)。

2.2.1 調(diào)軌設(shè)備

調(diào)軌設(shè)備（圖5）由機架、發(fā)電機組、控制柜和行走系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、前部推平機構(gòu)、整平系統(tǒng)、高壓清洗機等組成。其中：前部推平機構(gòu)設(shè)置有推平板和附著式振動器，用于澆筑混凝土初平和振動提漿；整平系統(tǒng)對混凝土表面予以整形并控制頂面標高。

圖5 調(diào)軌設(shè)備（單位：mm）

前部推平機構(gòu)和整平系統(tǒng)是調(diào)軌設(shè)備的核心，具有螺旋扒料、振動抹平、圓輥壓光等功能，可部分或全部替代人工布料、扒料、提漿、抹平、壓光操作。一次成型的寬度可根據(jù)路基或橋梁底座板寬度調(diào)整，適用于直線、曲線不同段落，做到一機多用。

2.2.2 梁軌設(shè)備

梁軌設(shè)備（圖6）主要由行走、整平（螺旋扒料、振動抹平、圓輥壓光）、升降、測量、控制和無線傳輸?shù)认到y(tǒng)構(gòu)成。利用測量系統(tǒng)［8-9］、控制系統(tǒng)實現(xiàn)底座板頂面標高調(diào)整，及混凝土的扒料整平、自動振搗、自動抹面成型和自動復測。

圖6 梁軌設(shè)備（單位：mm）

測量、控制系統(tǒng)主要工作流程如圖7所示。具體內(nèi)容為：①施工前將線路的平面參數(shù)、縱坡參數(shù)、超高參數(shù)、控制樁坐標等數(shù)據(jù)輸入全站儀和整平設(shè)備手簿軟件中，手簿軟件進行線路模擬分析。②通過現(xiàn)場CPⅢ點全站儀完成自由設(shè)站后，設(shè)為自動測量模式。③全站儀測量系統(tǒng)實時追蹤測量整平設(shè)備上棱鏡的位置，通過無線傳輸系統(tǒng)將實測值發(fā)送給手簿。④對比設(shè)計值和實測值后，手簿將偏差發(fā)送給可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。⑤PLC接受到信號后，向手簿發(fā)送接收成功信號。PLC將接受到的數(shù)值和時間顯示在人機交互界面（Human Machine Interface，HMI）上，同時將所接收到的信息經(jīng)過運算和處理，通過交換機將指令下發(fā)給行走、螺旋扒料、振動抹平和圓輥壓光各系統(tǒng)。⑥各系統(tǒng)通過伺服驅(qū)動器、行走變頻器、調(diào)節(jié)變頻器、螺旋布料變頻器、振動變頻器等驅(qū)動設(shè)備的運行，完成混凝土布料后的頂面標高控制、自動扒料整平、自動振搗提漿、自動抹面成型等工作。⑦各系統(tǒng)將當前運行狀態(tài)和參數(shù)再反饋給PLC。PLC將設(shè)備的各種信息和當前的運行狀態(tài)顯示在HMI上，便于使用者觀察施工和設(shè)備運行情況。⑧開始下一個工作循環(huán)。

圖7 測量、控制系統(tǒng)主要工作流程

2.2.3 雙線設(shè)備

雙線設(shè)備（圖8）主要由橫向移動系統(tǒng)、縱向行走系統(tǒng)、發(fā)電機組、整平機芯（整平系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和無線傳輸設(shè)備）等構(gòu)成。利用測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)實現(xiàn)底座板頂面標高調(diào)整，混凝土自動扒料、自動振搗。

圖8 雙線設(shè)備

部件組成：①橫向移動系統(tǒng)主要由鋼架、行走輪、導向輪、回轉(zhuǎn)支撐、行走驅(qū)動裝置、電器控制設(shè)備等組成。根據(jù)施工線路進行橫向變線，也可根據(jù)施工方向（上行、下行）進行180°旋轉(zhuǎn)。②縱向行走系統(tǒng)采用橫跨雙線的龍門架結(jié)構(gòu)，可共用龍門吊走行軌。其主要由龍門架、吊裝架、行走輪、發(fā)電機組、行走驅(qū)動裝置、定位裝置、電器控制設(shè)備等組成。底座板混凝土施工時，縱向行走系統(tǒng)可根據(jù)信息指令前后自動行走。③整平機芯與橫向移動系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)支撐連接，主要由整平系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、無線傳輸設(shè)備等組成，如圖9所示。

圖9 整平機芯

工作步驟：①通過橫向移動系統(tǒng)選擇施工線路和方向。②通過全站儀測量棱鏡位置，手薄軟件計算處理后，通過無線通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)。③控制系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，控制升降系統(tǒng)進行標高調(diào)整；同時控制整平系統(tǒng)中的螺旋扒料、振動抹平和圓輥壓光子系統(tǒng)啟動。④控制行走系統(tǒng)前進，實現(xiàn)混凝土的扒料、振搗、整平和壓光。

通過控制行走速度、螺旋轉(zhuǎn)速、激振頻率，實現(xiàn)對底座板混凝土標高、平整度和密實度的有效調(diào)控，滿足施工要求。

三種設(shè)備完成測量、信號及數(shù)據(jù)傳輸、指令下達、設(shè)備運行、結(jié)果反饋等一個閉合流程僅需10～20 s，施工過程中布料速度可通過遙控器或觸摸屏調(diào)整。

3 工程應(yīng)用

一體化底座模板系統(tǒng)和自動整平設(shè)備2017年研制完成后，2018年5月至2019年9月在鄭州—萬州高速鐵路湖北段應(yīng)用，并持續(xù)改進和優(yōu)化，已陸續(xù)在鄭萬（重慶段）、安九（湖北段）、贛深（廣東、江西段）等高速鐵路上推廣應(yīng)用。

現(xiàn)隨機選取鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-1標白水河、朱集雙線特大橋和ZWZQ-4標漢江雙線特大橋，對比采用一體化底座模板系統(tǒng)和自動整平設(shè)備與傳統(tǒng)人工或簡易整平方式施工的工效、經(jīng)濟效益，見表1。其中：設(shè)備費和人工成本以ZWZQ-4標漢江雙線特大橋（全橋長28.384 km）為例計算。采用一體化底座模板系統(tǒng)和調(diào)軌設(shè)備施工時設(shè)備費和人工成本為：0.63×28 384/260+18/3=74.78萬元。采用其他設(shè)備施工時計算方法類同。

表1 白水河、朱集、漢江三座雙線特大橋采用一體化底座模板系統(tǒng)和自動整平設(shè)備與傳統(tǒng)人工或簡易整平方式工效、經(jīng)濟效益對比

由表1可知，采用一體化底座模板系統(tǒng)和自動整平設(shè)備施工人員減少10～15人，單孔32 m簡支梁用時減少10～25 min，每工作日多施工40～170 m，經(jīng)濟效益增加111.33萬～130.08萬元。傳統(tǒng)人工或簡易整平施工受人為因素影響誤差大，采用一體化底座模板系統(tǒng)和自動整平設(shè)備施工平整度誤差±1.5 mm，高程誤差±3 mm，密實度提高30%，各項指標均滿足規(guī)范［10］要求；作業(yè)人員減少36%～54%，勞動強度降低，施工效率提高2倍。

與傳統(tǒng)人工或簡易整平施工相比，該模板安拆簡便，剛性好，重量輕；凹槽定位準確、伸縮縫可自由調(diào)節(jié)；通過全站儀測量數(shù)據(jù)控制自動整平設(shè)備，可實現(xiàn)平整度、標高、兩側(cè)排水坡一次施工到位；施工效率大幅提升，精度高，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟效益顯著。

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)雙塊式無砟軌道底座板施工設(shè)備落后，施工過程數(shù)據(jù)不可控、質(zhì)量波動大和不可追溯，底座板凹槽四角易產(chǎn)生裂紋等病害，本文依托鄭萬高速鐵路湖北段橋梁上無砟軌道底座板施工，研發(fā)了一體化底座模板系統(tǒng)和自動整平設(shè)備，大幅提高了施工效率和精度，實現(xiàn)了底座板施工過程的智能化、信息化和質(zhì)量可追溯。該一體化底座模板系統(tǒng)和自動整平設(shè)備可通用于路基、橋梁直曲線段各種工況無砟軌道底座板施工，值得推廣。