鐵路雙塊式軌枕預(yù)制場建場設(shè)計技術(shù)研究

朱勇戰(zhàn)

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

1 概述

隨著我國高速鐵路的科學(xué)發(fā)展，無砟軌道結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于高速鐵路建設(shè)中，雙塊式軌枕作為無砟軌道結(jié)構(gòu)主要類型之一，具有列車運(yùn)行平穩(wěn)性好，線路維修較少，耐久性和可靠度高，經(jīng)濟(jì)社會效益明顯等優(yōu)勢，在我國的高速鐵路建設(shè)中被大量采用。雙塊式軌枕采用現(xiàn)場預(yù)制的方法制作，其預(yù)制場建設(shè)投資大，機(jī)械化程度高，工藝流程先進(jìn)，在鐵路大型臨時工程建設(shè)中尤為重要。結(jié)合國內(nèi)多條高速鐵路雙塊式軌枕預(yù)制場建設(shè)實例，對預(yù)制場建場關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜合論述。

2 雙塊式軌枕場規(guī)劃技術(shù)

在進(jìn)行軌枕預(yù)制場規(guī)劃之前，應(yīng)根據(jù)施工組織設(shè)計確定的總體工期安排和鋪枕計劃，結(jié)合氣候條件，擬定預(yù)制場的建設(shè)時間和預(yù)制軌枕的生產(chǎn)時間，確定軌枕預(yù)制場的生產(chǎn)任務(wù)、預(yù)制周期和生產(chǎn)速度等，在確定以上內(nèi)容后方可進(jìn)行軌枕預(yù)制場的規(guī)劃。

2.1 雙塊式軌枕預(yù)制場整體規(guī)劃

軌枕預(yù)制場整體規(guī)劃應(yīng)貫徹堅持因地制宜、合理布局、節(jié)約用地的原則。

軌枕預(yù)制場的整體規(guī)劃應(yīng)結(jié)合所在區(qū)域的工程經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、自然條件等進(jìn)行編制，應(yīng)滿足生產(chǎn)、運(yùn)輸、防洪、安全、衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能和職工生活設(shè)施的需要，根據(jù)本單位工程實際、主要機(jī)械裝備擁有狀況、工程經(jīng)驗等，充分吸收國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗進(jìn)行多方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，選擇經(jīng)濟(jì)可行、技術(shù)合理的最優(yōu)方案。軌枕預(yù)制場整體規(guī)劃步驟可按預(yù)制場生產(chǎn)軌枕數(shù)量與速度確定：預(yù)制場選址→預(yù)制場主要裝備選型→預(yù)制場關(guān)鍵參數(shù)確定(制枕模具數(shù)量、軌枕存放區(qū)占地面積等)→預(yù)制場平面布置進(jìn)行，在進(jìn)行分步規(guī)劃時，這些步驟需互相交叉進(jìn)行并及時調(diào)整內(nèi)容，使軌枕預(yù)制場整體規(guī)劃經(jīng)濟(jì)技術(shù)最優(yōu)。

2.2 雙塊式軌枕預(yù)制場選址

雙塊式軌枕預(yù)制場選址應(yīng)考慮以下主要因素。

(1)軌枕預(yù)制場的位置應(yīng)從全線角度結(jié)合全線施工組織設(shè)計要求考慮設(shè)置，統(tǒng)籌安排。

(2)軌枕預(yù)制場建設(shè)工期一般不超過6個月，生產(chǎn)和鋪設(shè)工期宜為8～12個月，生產(chǎn)工期和鋪設(shè)工期大約相等，相差時間一般不超過2個月，雙塊式軌枕預(yù)制場最優(yōu)供應(yīng)半徑為70～140 km。

(3)雙塊式軌枕預(yù)制場應(yīng)選在擬供應(yīng)軌枕線路范圍的中點附近，宜選擇平坦開闊的地段。

(4)根據(jù)永臨結(jié)合的原則，軌枕預(yù)制場盡可能利用廢棄廠礦、構(gòu)件預(yù)制場和鐵路永久用地區(qū)域，或?qū)④壵眍A(yù)制場設(shè)在當(dāng)?shù)匾?guī)劃區(qū)中的永久建設(shè)用地上，不宜占用耕地面積；軌枕預(yù)制場宜選擇在地質(zhì)狀況好、地基處理工程量小，并且拆遷和復(fù)墾量較少的區(qū)域。

(5)軌枕預(yù)制場位置宜交通物流資源方便，以利于大型設(shè)備和材料進(jìn)場，盡量與現(xiàn)有交通運(yùn)輸線路相連接。

(6)軌枕預(yù)制場選址應(yīng)考慮防洪、排澇和防凌要求，以確保施工安全。

軌枕預(yù)制場的選址應(yīng)結(jié)合制枕和鋪設(shè)工期相平衡，在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上進(jìn)行多種方案的比選，擇優(yōu)選擇合理位置。

3 雙塊式軌枕生產(chǎn)工藝以及平面布置

3.1 雙塊式軌枕生產(chǎn)工藝

雙塊式軌枕生產(chǎn)一般選用先進(jìn)的環(huán)形流水線生產(chǎn)工藝，其完整的工藝流程如圖1所示。

圖1 環(huán)形流水線生產(chǎn)工藝

通過特殊設(shè)計的可傾斜輥道，在縱向模具回送輥道上完成模具的清理、脫模劑的涂抹、鋼筋桁架以及套管安裝，由振動臺上的模具信號控制模具橫移小車，將準(zhǔn)備完畢的模具經(jīng)橫移小車運(yùn)輸至振動臺；然后由混凝土布料機(jī)進(jìn)行模具內(nèi)混凝土澆筑、振搗，振搗完畢后，通過車間內(nèi)天車系統(tǒng)，將模具吊放置蒸養(yǎng)小車上；借助頂推牽引系統(tǒng)，將載有模具的蒸養(yǎng)小車頂推到養(yǎng)護(hù)通道進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)；軌枕養(yǎng)護(hù)完成后，通過吊裝設(shè)備將模具從蒸養(yǎng)小車上轉(zhuǎn)移至六輥模具緩沖輥道，由橫向多功能運(yùn)輸小車將模具運(yùn)輸給脫模機(jī)，采用翻轉(zhuǎn)脫模機(jī)進(jìn)行軌枕的脫模操作；從模具中脫離的軌枕由多功能小車運(yùn)送至鏈條輸送機(jī)，構(gòu)件安裝完畢后，在出口區(qū)通過碼垛門吊進(jìn)行軌枕的吊裝碼垛，碼垛的軌枕經(jīng)運(yùn)輸叉車和門吊系統(tǒng)運(yùn)送至存軌區(qū)進(jìn)行存儲；多功能小車運(yùn)輸完軌枕后返回過程中將卸下的空模具運(yùn)送至模具回送輥道，進(jìn)行下一循環(huán)準(zhǔn)備。

3.2 雙塊式軌枕生產(chǎn)車間平面布置

軌枕生產(chǎn)車間主要由鋼筋加工生產(chǎn)線和軌枕環(huán)形生產(chǎn)線組成，鋼筋加工生產(chǎn)線宜選用廠家定制設(shè)備，采用自動流水線加工，生產(chǎn)線配備有冷軋帶肋鋼筋加工生產(chǎn)線設(shè)備、鋼筋桁架生產(chǎn)線設(shè)備、數(shù)控彎箍機(jī)等生產(chǎn)軌枕所需鋼筋。軌枕環(huán)形生產(chǎn)線按軌枕生產(chǎn)工藝要求(機(jī)組流水法)進(jìn)行設(shè)備配置和平面布置，組成部分包括鋼模型、模型輸送輥道、混凝土灌注設(shè)備、振動臺、養(yǎng)護(hù)通道、鋼模運(yùn)輸車、翻模機(jī)、軌枕傳送輥道、模型清理臺位、扣件安裝臺位、鏈?zhǔn)絺魉蜋C(jī)和天車。設(shè)計工藝流程采用環(huán)形運(yùn)轉(zhuǎn)連續(xù)工作，流水生產(chǎn)線采用PLC自動控制。鋼筋加工生產(chǎn)線和軌枕環(huán)形生產(chǎn)線宜平行布置，環(huán)形生產(chǎn)線的回模輥輪設(shè)在鋼筋加工車間內(nèi)，廠房縱向長度不宜超過120 m，廠房跨度宜為21 m或18 m，車間內(nèi)預(yù)留縱向通道寬度不宜小于3 m。以日產(chǎn)1 440根軌枕為例，雙塊式軌枕生產(chǎn)車間平面布置如圖2、圖3所示。

圖2 雙塊式軌枕生產(chǎn)車間平面布置(單位：m)

圖3 軌枕環(huán)形生產(chǎn)線平面布置(單位：m)

4 資源配置

4.1 制枕模具數(shù)量

軌枕預(yù)制場制枕模具數(shù)量應(yīng)滿足施工組織設(shè)計對制枕速度的要求，其與配套制枕裝備、工藝、周期及效率等諸多因素相關(guān)，在整體規(guī)劃中可按下式計算制枕模具數(shù)量

×k

式中：M為制枕模具數(shù)量，套；R為預(yù)制場設(shè)計供應(yīng)半徑，km；tg為每月實際工作天數(shù)，一般25 d；T為生產(chǎn)工期，月；Lj為雙塊式軌枕間距，m；n為單塊模具制枕數(shù)量，主要采用4×1的模；k為備用系數(shù)，可取1.1～1.2；其中1 000為km與m的轉(zhuǎn)換，2×2為雙線雙向，n×2為單塊模具每天生產(chǎn)軌枕數(shù)量，雙塊式軌枕生產(chǎn)模具每天可周轉(zhuǎn)2次。

模具的數(shù)量決定了軌枕廠的生產(chǎn)能力，但是根據(jù)雙塊式軌枕環(huán)形流水線的生產(chǎn)特點，每個操作流程具有相應(yīng)的控制時間，若以4 min作為軌枕環(huán)形流水線的生產(chǎn)節(jié)拍控制時間，采用4×1短模，模具每天周轉(zhuǎn)2次計算，單條生產(chǎn)線的日最大生產(chǎn)能力為1440根，因此模具的配置必須與生產(chǎn)能力進(jìn)行綜合考慮。

4.2 軌枕存放區(qū)面積

預(yù)制場軌枕存放區(qū)面積應(yīng)滿足施工組織設(shè)計對制枕速度、存枕數(shù)量和相關(guān)技術(shù)條件對軌枕存放的要求，軌枕的存放周期與軌枕的鋪設(shè)周期相對應(yīng)，軌枕的存放周期一般按2～3個月考慮，由于其他不可預(yù)料因素產(chǎn)生超出場內(nèi)存放能力時，可考慮利用沿線場地或者另辟其他場地臨時存放，在整體規(guī)劃中可按下式計算軌枕存放區(qū)面積

式中：As為軌枕存放區(qū)域占地面積，m2；Tc為存枕周期，月；N為預(yù)制場每日生產(chǎn)量，根；tg為每月實際工作天數(shù)；d為單組軌枕存放寬度，m，當(dāng)為一組5塊時可取2；L為單組軌枕存放長度，m，無資料時可取3；W為軌枕疊放層數(shù)，采用門式起重機(jī)疊放不宜超過12，采用叉車疊放不宜超過8；Z為一組的數(shù)量，無資料時可取5；k為備用系數(shù)。

4.3 混凝土拌和站

雙塊式軌枕預(yù)制場混凝土拌和站機(jī)械配置的規(guī)格、型號和數(shù)量應(yīng)滿足所生產(chǎn)軌枕混凝土的數(shù)量、質(zhì)量和進(jìn)度要求，攪拌機(jī)的配置應(yīng)根據(jù)單位時間混凝土的最大需求量進(jìn)行，以滿足單位時間最大生產(chǎn)量要求和混凝土生產(chǎn)總體進(jìn)度為原則，生產(chǎn)符合雙塊式軌枕所要求的合格混凝土。根據(jù)功能和位置的不同，混凝土拌和站可分為混凝土拌和區(qū)、骨料存放區(qū)等，骨料存放區(qū)的占地面積宜滿足存放15 d雙塊式軌枕連續(xù)預(yù)制混凝土生產(chǎn)量要求。拌和站骨料需求量及堆場占地面積可按下式計算。

(1)骨料的需求量

Qc=tn×Q×G×(1+α)/ρ

式中：tn為骨料儲存周期，當(dāng)采用公路運(yùn)輸時可取15；Q為混凝土日生產(chǎn)量，m3；G為每m3混凝土所需骨料的質(zhì)量，kg/m3；ρ為骨料密度，kg/m3；α為骨料的損耗系數(shù)，可取5%。

(2)骨料的堆場面積

Ag=Qc/(q×kc)

式中：Ag為堆場面積，m2；Qc為骨料的需求量m3；q為每平方米堆場面積骨料儲存定額，m3/m2，采用鏟車為堆料工具時，可取2.0～3.0；Kc為堆場面積利用系數(shù)，可取0.7。

4.4 生產(chǎn)設(shè)備和人員配置

從軌枕生產(chǎn)的整個工藝流程來看，軌枕生產(chǎn)的機(jī)械設(shè)備主要包含有混凝土生產(chǎn)設(shè)備、鋼筋自動生產(chǎn)設(shè)備、軌枕環(huán)形成套生產(chǎn)及養(yǎng)護(hù)設(shè)備、車間內(nèi)起重及運(yùn)輸設(shè)備、軌枕碼垛設(shè)備、場內(nèi)存儲運(yùn)輸設(shè)備以及相應(yīng)的實驗檢測設(shè)備。軌枕生產(chǎn)采用自動化流水線作業(yè)模式，每個環(huán)節(jié)緊密相扣，因此廠內(nèi)的機(jī)械及相關(guān)人員也必須進(jìn)行合理化配置，保證生產(chǎn)的同時也不造成資源浪費(fèi)。以日產(chǎn)1 440根和日產(chǎn)2 160根軌枕場為例，相應(yīng)的機(jī)械和人員配置如表1所示。

表1中所給出的為單班生產(chǎn)的主要機(jī)械和人員配置，軌枕的生產(chǎn)為24 h不間斷方式，生產(chǎn)人員采取輪班制，除實驗員、檢測員、管理員和后勤外，其他生產(chǎn)人員均應(yīng)按兩班進(jìn)行配置。其施工人員的辦公、生活配套設(shè)施均根據(jù)總體人數(shù)進(jìn)行 配置，其中辦公區(qū)按人均面積8～10 m2，職工宿舍人均面積不小于2.5 m2考慮。

5 典型雙塊式軌枕預(yù)制場平面布置

圖4為日產(chǎn)1 440根軌枕，存枕周期3個月的典型軌枕預(yù)制場平面布置圖。典型雙塊式軌枕預(yù)制場共包括軌枕預(yù)制生產(chǎn)區(qū)、成品軌枕存放區(qū)、保障系統(tǒng)、人員辦公區(qū)和生活區(qū)等，按照模塊化的設(shè)計理念對各功能

表1 雙塊式軌枕生產(chǎn)機(jī)械和人員配置

注：nz為變頻振動臺數(shù)量，nt為翻轉(zhuǎn)脫模機(jī)數(shù)量，nd為廠房天車數(shù)，nc為運(yùn)輸叉車數(shù)，nm為存儲運(yùn)輸門吊數(shù)。

圖4 典型軌枕預(yù)制場平面布置(單位：m)

區(qū)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計，整體平面布置應(yīng)以軌枕生產(chǎn)車間模塊為中心進(jìn)行綜合布置。

該預(yù)制場占地3.87 hm2(58畝)，預(yù)制場場內(nèi)通道凈寬6 m，最小轉(zhuǎn)彎半徑6 m。配備200套模具；配置實腹式鋼結(jié)構(gòu)排架廠房1座，跨度18 m+18 m，建筑面積3 780 m2，廠房內(nèi)配置鋼筋加工生產(chǎn)線和軌枕環(huán)線生產(chǎn)線各1套。配置HZS60混凝土拌和站1座，骨料堆放場面積為1 872 m2，可保證軌枕預(yù)制場連續(xù)15 d生產(chǎn)用料需求；配置1 260 kVA變壓器1臺，2.5 t鍋爐一套。按12個月生產(chǎn)工期計算，該軌枕預(yù)制場滿足雙向雙線半徑70 km線路軌枕需求。

6 結(jié)語

通過對國內(nèi)多條高速鐵路雙塊式軌枕預(yù)制場的調(diào)研，結(jié)合雙塊式軌枕的生產(chǎn)工藝，對軌枕預(yù)制場建場規(guī)劃、總體平面布置和資源配置等進(jìn)行了綜合研究，通過建場前的合理規(guī)劃，圍繞以軌枕生產(chǎn)車間為中心的總體平面布置方案，優(yōu)化合理的資源配置方式能夠?qū)崿F(xiàn)雙塊式軌枕預(yù)制場的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)要求，節(jié)約投資，充分提高生產(chǎn)效率。本文的研究成果已納入到鐵路大臨工程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計中，隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的發(fā)布，將有效地規(guī)范和指導(dǎo)我國鐵路工程雙塊式軌枕預(yù)制場的建設(shè)。

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