李路遙,譚社會,李傳勇

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063； 2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室,武漢 430063； 3.中國鐵路上海局集團有限公司,上海 200071)

1 概述

CRTSⅢ型板式無砟軌道采用單元分塊式結構，自上而下分別由鋼軌、扣件、預制軌道板、自密實混凝土、隔離層(土工布)和底座等組成[1-2]，是我國具有完全自主知識產權的新型無砟軌道，目前已成為我國300 km/h及以上高速鐵路主要軌道結構形式。

為保證CRTSⅢ型板式無砟軌道的設計建造精度，國內研究團隊先后提出了單元板式無砟軌道布板軟件、基于全站儀的軌道板精調系統(tǒng)[3]等，通過多個鐵路項目應用，取得了良好效果。隨著移動互聯(lián)網、物聯(lián)網、人工智能等新一代技術的突破和融合發(fā)展，鐵路信息化技術已成為保證工程建設質量、提升精細化管理水平的核心所在。

無砟軌道幾何形位控制是保障列車運營舒適性的關鍵。以CRTSⅢ型板式無砟軌道為載體，運用信息化手段從設計、制造、施工各環(huán)節(jié)開展軌道幾何形位控制方法研究，對于提升高速鐵路運營品質，實現高速鐵路全壽命周期管理具有重要意義。

2 設計階段CRTSⅢ型板式無砟道床軌道板布置研究

為保持結構一致性，利于線路維護，CRTSⅢ型板式無砟道床不允許同一個軌道結構單元跨越不同線下基礎，且在同一線下基礎關鍵部位，如橋梁梁縫、道岔前后進行單元分塊[3]。

為此，研發(fā)CRTSⅢ型板布設軟件，將線路平縱斷面、路橋隧分段表、軌道結構設計參數等組成無砟軌道基礎數據庫，運用分段設計原則，自動優(yōu)化軌道板型和板縫，實現布板方案智能生成。

2.1 CRTSⅢ型板縱向布設

布板軟件以梁縫、路橋、橋隧等處作為分塊控制性節(jié)點，通過合理設置板縫，配置不同長度軌道板。

(1)板型選配。標準長度軌道板共有P5600、P4925、P4856三種，以標準長度軌道結構單元為主，根據線下基礎類型、長度，軟件自動選擇適合板型，特殊情況下可采樣異型軌道結構單元。道岔前后采用標準軌道結構單元不能滿足布設要求時，自動配置雙塊式道床或延長岔區(qū)軌枕埋入式道床進行調整。

(2)板縫優(yōu)化。根據動變形，扣件間距要求控制在規(guī)范允許范圍以內，據此軌道板板縫取值一般為70～140 mm，個別地段可采用60 mm。在大梁縫地段(>150 mm)允許軌道板懸出梁端，并進行配筋加強。若出現軌道板縫超標或梁縫過大情況，布板軟件自動調整板縫并對超標地段進行預警。

2.2 CRTSⅢ型板平面布設

布板軟件根據曲線半徑、線間距等參數，計算左右線布板長度和三維鋪設坐標[4-5]。

(1)分線布板。由于線路左右線的長短鏈不同，曲線地段軌道中心線處梁縫不同，軌道板布設如不分線，會產生差異，因此，宜采用左右線分別布板的方式。

以圖1為例，左線曲線長度L1、半徑R1，右線曲線長度L2、半徑R2，偏角為α，則左右線線路長度(布板長度差)為

L2-L1=(R2-R1)×α

(1)

假設R1=7 000 m，L1=6 385 m，則

(2)

以5 m線間距為例，推出左右曲線長度差值為

L2-L1=(R2-R1)×α=5×0.91m=4.55 m

(3)

圖1 左右線布板設計示意

(2)曲線調整。當軌道板位于曲線尤其是緩和曲線地段時，需將直線板的承軌臺進行橫向或豎向調整，從而更加符合軌道幾何形位控制要求。

3 制造階段CRTSⅢ型板軌道幾何形位控制

依據軌道板生產流程，研發(fā)配套的模具、工裝、軟件，實施自動化測量、自動化評價。將實測的軌道板尺寸反饋至軌道板制造軟件[6-7]，通過對比設計文件與實測坐標的差值，獲取軌道板的一維和二維調整量，實時管控加工偏差，以信息化手段保障軌道板，尤其是小曲線半徑和緩和曲線的承軌臺控制精度。

3.1 平面調整

曲線地段軌道板矢距調整以板端第二組承軌槽固定，中間位置承軌槽根據矢距偏移量橫向移動來實現。

如圖2所示，當軌道板位于半徑為R的曲線時，若采用直線軌道鋪設，則每個承軌臺的矢距偏差可由以下公式計算得出。

當承軌臺的個數為奇數個時

(4)

當承軌臺的個數為偶數個時

(5)

式中，L為軌道板第一組與最后一組承軌臺中心距；d為扣件間距。

當軌道板的長度固定時，L和d為常數，以P4856、P4925、P5600板型為例，L與d取值如表1所示。

圖2 圓曲線地段軌道板矢距偏差示意(單位：mm)

表1 不同板型對應L、d值 mm

根據式(4)、式(5)，可得到Fn與R之間的關系曲線，如圖3所示。

由圖3可知，當R較小(<3 500 m)時，矢距影響較大，因此，在小半徑地段須調整軌道板承軌臺的橫向位置。

圖3 曲線半徑與矢距關系曲線

3.2 高程調整

圓曲線地段由于超高值固定，因此，軌道板高程調整量一致。在緩和曲線地段，按照遞減率h/L進行設置，其中，h為圓曲線設置的超高值，L為緩和曲線長度。

以P5600型軌道板為例，各承軌槽的橫向調整矢距如表2所示，其中V1～V9為軌道板每個承軌槽的橫向調整量。

表2 P5600軌道板各承軌槽調整矢距 mm

3.3 軌道板制造信息化管控

為保證軌道板制造過程的精度和質量，研發(fā)了軌道板模具調整、檢測及成品板驗收系統(tǒng)，實現了模板框架、預埋套管及承軌槽、成品板外形及質量的自動測量、異常識別和數據分析。

引入物聯(lián)網技術，在軌道板制造過程中植入RFID芯片(圖4)，實現生產全過程的信息化和標準化管控。根據軌道板制造全過程工藝流程，信息化管控主要通過“七掃、十一控”實現。

圖4 軌道板制造全過程信息化管控

“七掃”即7處可讀卡的階段，通過PDA和讀寫器對電子芯片進行讀取，確認“開卡時、入模后、脫模后、入水前、出水后、入庫時、出庫時”各階段軌道板基本信息。

“十一控”即為軌道板生產全過程11處控制點，通過在信息化系統(tǒng)中錄入各控制點施工記錄來完成全過程數據收集，實時錄入，實時共享。

4 施工階段CRTSⅢ型板式無砟軌道幾何形位控制

CRTSⅢ型板式無砟軌道施工過程線形控制主要包括：設計方案修正、無砟軌道結構分層控制及長鋼軌精調3個方面。

4.1 無砟道床設計方案修正

在線下基礎施工過程中，由于不確定因素影響，橋梁、隧道等線下構筑物的實際里程與設計里程會有一定偏差[8-9]，因此，需根據線下基礎實際情況進行動態(tài)優(yōu)化。

開發(fā)CRTSⅢ型板施工控制軟件，無砟道床施工前采集線下基礎高程、線路中線坐標、橋梁長度、梁縫、路橋隧分界點等原始數據。運用施工控制軟件，在線路縱向上，動態(tài)調整軌道板的布板長度和板縫大小，進而保證軌道板鋪設的適應性。在線路高程方面，如偏差量在驗標允許范圍內，則不進行調整；如偏差較大，則動態(tài)調整立模高度甚至設計高程，并采用擬合的方式進行線形修正，從而保證無砟軌道結構整體平順。

4.2 無砟道床結構分層控制

針對線下基礎、底座板、軌道板鋪設，分別進行高程、厚度和線形控制。

(1)線下高程控制?，F場采用激光掃描方式進行測量，通過內置GPS和陀螺儀[10-11]，結合CPⅢ控制網，可形成三維點云數據，解算測點數據后可還原現場實景。掃描測量精度可達±2 mm，測量速度可達5～10 km/h，效率高、數據量大，優(yōu)于傳統(tǒng)的全站儀結合CPⅢ控制網的測量方式，圖5所示為橋梁底座施工階段三維掃描點云圖。

圖5 線下基礎面三維掃描點云圖

按照頂面高程控制在±5 mm，底座厚度±10%等驗標要求，自動計算底座內外側厚度是否超限，根據需要及時進行線下基礎面處理，確保底座厚度和高程滿足要求。

(2)底座邊線放樣管控。研制放樣測量手簿，通過藍牙管理手簿與全站儀進行互聯(lián)[12-14]，測量數據返回至手簿終端，并自動上傳至服務器平臺(圖6)。服務器平臺實時對比上傳的實測數據與設計值差值，獲取放樣邊線偏差，若出現偏差過大，則進行預警，從而確保底座放樣精度。

圖6 底座板線形控制技術方案示意

(3)軌道板幾何形位控制。底座澆筑完成后，即可進行軌道板粗鋪。粗鋪時利用放樣測量手簿裝備，獲取軌道板、底座數據，進而實現自密實混凝土厚度計算及預警。

軌道板粗鋪完成后，為保證軌道板滿足驗標要求[15]，必須對軌道板鋪設位置進行精細化調整。精調時利用無線精調控制手簿，與全站儀實時交互，獲取軌道板鋪設過程中的實際姿態(tài)，與設計值實時對比，自動計算每個調整位置的三維調整量，然后通過調整工裝對其位置進行三維調整，如圖7所示。

圖7 軌道板鋪設線形控制

軌道板精調完成后，進行自密實混凝土灌注，在灌注過程中，軌道板由于受上浮力等因素影響，其絕對位置會發(fā)生變化[16]，因此，在灌注后需進行軌道板復測，數據同步上傳施工控制軟件。施工控制軟件根據驗標要求，對承軌臺復測信息進行統(tǒng)計分析，判斷出超限數據點。

4.3 鋼軌幾何形位控制

鋼軌幾何形位進行調整是實現軌道高平順性的重要途徑，長鋼軌鋪設完畢后，即可開展軌道精調。

(1)線形測量

采用絕對測量為主、相對測量為輔的方式進行線形測量，可有效消除長短波不平順。

(2)精調方案

針對實測數據，采用擬合線形而不是設計線形進行軌道精調，擬合線形是介于設計線形與實測線形之間的一種線形，其本質是調整不允許的偏差，保留允許偏差。擬合線形采用迭代試算法[17-20]，使之符合驗標中平順性指標要求。

(3)精調作業(yè)

長鋼軌精調時首先把一股鋼軌調整到位，然后另一股鋼軌按照軌距、水平進行相對控制，可有效消除平順性偏差。

5 結語

該方法先后應用于昌贛、商合杭、合安等高鐵建設，在無砟道床結構控制、精調平順指標控制等方面起到了決定性作用。尤其是在鋪設無砟軌道最大跨度的橋梁(裕溪河特大橋)軌道線形控制方面起到了良好作用?；谛畔⒒腃RTSⅢ型板式無砟軌道幾何形位控制技術，主要結論如下。

(1)設計階段將線路平縱斷面、路橋隧分段表、軌道結構設計參數等組成無砟軌道基礎數據庫，運用分段設計原則，自動優(yōu)化軌道板型和板縫，實現布板方案智能生成，并預留了與軌道板制造軟件、施工測量軟件的數字化接口，能夠運用設計成果指導制造與施工。

(2)制造階段依據軌道板生產流程，研發(fā)配套的模具、工裝、軟件，引入物聯(lián)網技術，在軌道板制造過程中植入RFID芯片，實現生產全過程的信息化和標準化管控?？蓪崟r管控加工偏差，以信息化手段保障軌道板尤其是小曲線半徑和緩和曲線的承軌臺控制精度。

(3)施工階段運用施工控制軟件及信息化裝備，實現了設計施工一體化施工。根據設計數字化接口與施工動態(tài)信息，可動態(tài)修正軌道板幾何形位、實現無砟道床分層控制，軌道精調階段采用線形擬合軟件，可有效消除平順性偏差。