高速鐵路雙塊式無砟軌道智能建造技術(shù)研究與應(yīng)用

王明慧 張 橋 曹義華 蔣樹平

(渝萬鐵路有限責(zé)任公司 重慶 400014)

1 引言

我國高速鐵路無砟軌道通過多年的實踐經(jīng)驗逐步形成了7種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無砟軌道結(jié)構(gòu)型式。其中，CRTS-Ⅰ型雙塊式無砟軌道因其特有的技術(shù)特點成為我國高速鐵路主流的無砟軌道型式，尤其是在山區(qū)建設(shè)高速鐵路，CRTS-Ⅰ型雙塊式無砟軌道已成為設(shè)計首選的軌道結(jié)構(gòu)形式[1-3]。縱觀雙塊式無砟軌道發(fā)展歷程，CRTS-Ⅰ型雙塊式無砟軌道建造技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段，第一階段主要是以武廣、鄭西客專為代表的采用德國雷達(dá)2000(CRTS-Ⅰ型)和德國旭普林(CRTS-Ⅰ型)雙塊式無砟軌道引進(jìn)消化吸收階段，其施工裝備主要采用引進(jìn)國外配套設(shè)備，價格昂貴，且施工工序較為復(fù)雜；第二階段是充分與我國鐵路工程建設(shè)實際結(jié)合，創(chuàng)造性提出軌排框架法建造技術(shù)，以蘭新、大西、貴廣高鐵為代表的組合式軌道排架法建造技術(shù)；第三階段是以鄭萬高鐵為代表的引領(lǐng)雙塊式無砟軌道建造技術(shù)的智能化升級發(fā)展階段。

通過對前兩個階段的總結(jié)，在鄭萬高鐵建設(shè)中，經(jīng)過經(jīng)驗拓展和技術(shù)創(chuàng)新，創(chuàng)建了新的雙塊式無砟軌道智能建造技術(shù)，開發(fā)制造完成了與之匹配的先進(jìn)工裝，解決了雙塊式無砟軌道施工中人工干擾大，數(shù)據(jù)不可控等重大技術(shù)難題，形成了我國雙塊式無砟軌道智能建造技術(shù)體系[4]。

2 雙塊式無砟軌道簡介

雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、彈性扣件、雙塊式軌枕、道床板、底座/支承層等組成[5-6]，見圖1。

圖1 CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)

3 雙塊式無砟軌道施工發(fā)展現(xiàn)狀

雙塊式無砟軌道建造技術(shù)經(jīng)過消化吸收再創(chuàng)新，經(jīng)歷了十余年的實踐，其施工工法一直未有顯著發(fā)展，現(xiàn)階段主要采用流水工具軌法和傳統(tǒng)軌排框架法。盡管傳統(tǒng)工具軌法和軌排框架法施工工藝已經(jīng)較為成熟，但由于整體施工流程對人工依賴程度較高，無法體現(xiàn)機(jī)械化和智能化控制的先進(jìn)技術(shù)對施工工效和系統(tǒng)精度控制的效果，所以施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量控制不穩(wěn)定、關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)不易控制、施工效率低、施工工序和標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行不嚴(yán)等現(xiàn)象，尤其突出的是軌枕定位人工作業(yè)偶然誤差所引起的質(zhì)量隱患，其導(dǎo)致的質(zhì)量缺陷嚴(yán)重影響了后續(xù)軌道鋪裝質(zhì)量。

3.1 人工因素影響大，質(zhì)量控制不穩(wěn)定

傳統(tǒng)軌排法施工需要借助大量人力進(jìn)行人工作業(yè)。由于作業(yè)崗位為非常規(guī)職業(yè)培訓(xùn)崗位，熟練的作業(yè)技能不易短期掌握，導(dǎo)致作業(yè)人員作業(yè)技能參差不齊，勞務(wù)作業(yè)人員難以掌握工藝要點，因此作業(yè)過程中很容易產(chǎn)生不規(guī)范操作，稍有疏忽即造成工程質(zhì)量問題。例如，雙塊式無砟軌道軌排精調(diào)是一項精度要求很高的技術(shù)工作，一般高程偏差控制在±5 mm范圍內(nèi)，需要測量人員和精調(diào)人員緊密配合才能完成，而勞務(wù)作業(yè)人員的普通技能通常情況下難以準(zhǔn)確配合完成精調(diào)工序。同時，軌排調(diào)整精度受人為因素影響很大，調(diào)節(jié)時間長，測量人員和操作人員勞動強(qiáng)度大，持續(xù)的高強(qiáng)度工作也使精調(diào)質(zhì)量難以保證始終如一。以每個工作面每天精調(diào)100 m為例，傳統(tǒng)精調(diào)時間約為 4.5 h，見圖 2。人工精調(diào)工序復(fù)雜、費時費力，且精調(diào)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，這些已經(jīng)成為雙塊式無砟軌道施工效率提升的制約瓶頸[7-10]。

圖2 傳統(tǒng)人工精調(diào)作業(yè)

3.2 關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)不易監(jiān)控

(1)人工分枕精度難把控，布枕質(zhì)量低，導(dǎo)致后期扣件損壞嚴(yán)重。

(2)軌道精調(diào)質(zhì)量參數(shù)對道床板施工有重要的影響?；炷翝仓暗木{(diào)數(shù)據(jù)和混凝土澆筑后的復(fù)測數(shù)據(jù)對后期TQI指數(shù)影響較大[11]。

(3)道床板混凝土澆筑施工控制參數(shù)不易監(jiān)控?；炷翝仓r，要對混凝土坍落度、混凝土入模溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行及時跟蹤測量。同時，澆筑時，要防止現(xiàn)場施工裝備碰撞已經(jīng)精調(diào)完畢的軌排，以免影響精調(diào)參數(shù)。

3.3 工裝機(jī)械化水平低且操作流程復(fù)雜

(1)工裝機(jī)械化水平低

傳統(tǒng)軌排施工方法機(jī)械化水平低，采用大量人工來操作，且操作流程較復(fù)雜，造成施工配套裝備少、自動化程度低，從分枕到混凝土澆筑，幾乎所有工序都需要大量人工參與完成。例如，分枕作業(yè)時，需要借助現(xiàn)場龍門吊將軌枕逐個散布，再通過板尺測量＋人工撬棍方式調(diào)整軌枕間距。此方法不僅人工勞動強(qiáng)度大、工作效率低，且分枕不準(zhǔn)確、不平行，導(dǎo)致精調(diào)難度高。同時，人工分枕大都直接在隔離層上作業(yè)，對下部的土工布污損較嚴(yán)重，見圖3。

圖3 傳統(tǒng)人工分枕施工

(2)工裝操作流程復(fù)雜

目前，傳統(tǒng)無砟軌道施工工裝存在操作流程多、需要人工輔助工作量大等問題。無論是工具軌還是軌排框架法，所有調(diào)整體系均存在相同弊病，即軌向調(diào)整時會影響高程數(shù)據(jù)，高程調(diào)整時軌向需重新鎖定，這就需要操作人員反復(fù)進(jìn)行精調(diào)。并且，軌道系統(tǒng)各個排架間、排架的托梁間由于高程及軌向的同時調(diào)整導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力較大，最終導(dǎo)致精調(diào)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

3.4 施工工序和標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行過程難以有效控制

雙塊式無砟軌道施工工序雖然已經(jīng)被廣泛掌握，但在現(xiàn)場實際施工時，由于勞動強(qiáng)度大、延時長，且受露天作業(yè)環(huán)境影響，導(dǎo)致人工配合及工序管控繁復(fù)，易出現(xiàn)施工工序和標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行管控不到位等問題，從而造成嚴(yán)重的施工事故和經(jīng)濟(jì)損失。例如，某標(biāo)段施工標(biāo)準(zhǔn)落實不嚴(yán)格，混凝土澆筑時，對已調(diào)整好的軌排產(chǎn)生較大擾動導(dǎo)致軌排橫向位移。混凝土澆筑后沒有嚴(yán)格落實軌道復(fù)測工序，致使沒有及時發(fā)現(xiàn)異常軌道參數(shù)并加以處理。長軌鋪設(shè)后，靜態(tài)調(diào)整過程中發(fā)現(xiàn)平順性指標(biāo)嚴(yán)重超限，不得不將28 m的無砟軌道炸除并重新施工。

4 提升雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量措施

鄭萬高鐵全長818 km，設(shè)計時速350 km，是國家“八縱八橫”高鐵主通道，是重慶快速通達(dá)華北、華東、華中地區(qū)的主要客運高速通道。2020年4月21日，鄭萬高鐵重慶段施工某標(biāo)段采用嵌套式軌排、智能精調(diào)機(jī)和自動分枕平臺等先進(jìn)智能工裝，率先進(jìn)入雙塊式無砟軌道鋪設(shè)。通過“工裝保工藝、工藝保質(zhì)量”，使無砟軌道施工取得了顯著的質(zhì)量控制效果和工效提升效果，為2022年鄭萬高鐵全線通車奠定了基礎(chǔ)。

使用嵌套式軌排、智能精調(diào)機(jī)和自動分枕平臺等先進(jìn)智能工裝進(jìn)行雙塊式無砟軌道施工，是通過機(jī)械設(shè)備智能作業(yè)，按照軌枕布設(shè)要求，將軌枕和軌排預(yù)裝組合，通過智能化自動精調(diào)機(jī)調(diào)整軌排的高程和橫向位置，使雙塊式軌枕在施工作業(yè)成型后的道床結(jié)構(gòu)中的空間幾何位置達(dá)到設(shè)計和驗標(biāo)的精度要求。鄭萬高速鐵路無砟軌道施工時，在總結(jié)現(xiàn)有的建造技術(shù)基礎(chǔ)上，通過經(jīng)驗拓展和技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)研制了基于機(jī)械化軌枕預(yù)裝和精度智能化調(diào)控的軌排精調(diào)機(jī)等工裝用于雙塊式無砟軌道施工，基本解決了傳統(tǒng)軌排框架法施工中的不足，在鄭萬高速鐵路重慶段無砟軌道施工作業(yè)中，質(zhì)量控制和工效提升取得了顯著效果。

4.1 專業(yè)化無砟軌道施工成套裝備的應(yīng)用

為保證施工質(zhì)量滿足設(shè)計和驗標(biāo)要求，應(yīng)遵循“工裝保工藝、以工藝保質(zhì)量”的原則，采用專業(yè)化雙塊式無砟軌道施工成套裝備進(jìn)行施工作業(yè)，軌枕施工參數(shù)和精度由工裝嚴(yán)格把控，從而提高施工質(zhì)量[12]。

(1)采用新型嵌套式軌排精調(diào)數(shù)據(jù)來擬合設(shè)計線路數(shù)據(jù)

創(chuàng)新型嵌套式軌排通過托梁內(nèi)外套滑動的方式實現(xiàn)軌向調(diào)整，徹底顛覆此前軌道幾何形位調(diào)整的固有思維，將軌向與高程獨立調(diào)節(jié)，實現(xiàn)軌向與高程調(diào)節(jié)互不干涉。配合智能化精調(diào)機(jī)的使用，該新型嵌套式無砟軌道排架大大縮短了道床施工中精調(diào)工序時間，有利于縮短雙塊式無砟軌道施工工期。新型嵌套式軌排見圖4。

圖4 新型嵌套式軌排

(2)引入智能化精調(diào)機(jī)進(jìn)行精調(diào)作業(yè)，改變傳統(tǒng)人工精調(diào)方式

采用智能化精調(diào)機(jī)進(jìn)行精調(diào)作業(yè)，完全替代人工調(diào)整，只需要人工輔助對位即可，避免了人為因素對精調(diào)數(shù)據(jù)的影響，降低了精調(diào)人員的勞動強(qiáng)度，大大縮短了道床施工中的精調(diào)工序時間。智能化精調(diào)機(jī)見圖5。

(3)采用智能化自動分枕平臺進(jìn)行分枕和軌排組裝

圖5 軌排精調(diào)機(jī)

通過分枕小車的運動和限位實現(xiàn)自動分枕和控制枕距，避免人工直接在土工隔離層上分枕作業(yè)，解決了軌排組裝時軌枕橫向和縱向定位問題。整體軌枕間距誤差可控制在3 mm以內(nèi)，整機(jī)自動勻枕時間可在1 min之內(nèi)完成，平均30～40 min即可組裝完成一榀軌排，極大提高了軌排組裝效率。智能化自動分枕平臺見圖6。

圖6 智能化自動分枕平臺

(4)施工質(zhì)量指標(biāo)和功效指標(biāo)對比

以某施工標(biāo)段雙塊式無砟軌道施工實測質(zhì)量指標(biāo)TQI指數(shù)為例，具體見圖7。智能化自動分枕平臺和軌排精調(diào)機(jī)工效指標(biāo)對比見表1～表2。

圖7 軌道不平順質(zhì)量對比

表1 軌排組裝功效指標(biāo)對比

表2 軌道精調(diào)功效指標(biāo)對比

雙塊式無砟軌道工裝通過設(shè)備的機(jī)械化和自動化操作，改變了傳統(tǒng)的施工工藝，使施工工藝得到進(jìn)一步提升和改善，從而保證施工質(zhì)量和精度。

4.2 采用新技術(shù)對無砟軌道關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控管理

采用信息化、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)手段對無砟軌道關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控管理，相關(guān)施工數(shù)據(jù)需要進(jìn)行記錄、保存，以備后期運營時進(jìn)行維護(hù)。例如，軌排精調(diào)完成時采集的數(shù)據(jù)和混凝土初凝后復(fù)測數(shù)據(jù)需要進(jìn)行記錄和保存，并上傳相關(guān)管理平臺。采用承軌臺檢測機(jī)器人，提前對軌道質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行收集。

4.3 加強(qiáng)對作業(yè)人員的培訓(xùn)和管理

(1)持續(xù)做好專業(yè)培訓(xùn)管理工作。以往傳統(tǒng)式無砟軌道施工工裝機(jī)械化水平低，需要大量人力輔助，所以對勞動者專業(yè)素質(zhì)要求也不高。隨著一些新技術(shù)和新裝備在現(xiàn)場逐步應(yīng)用，對設(shè)備操作人員認(rèn)知能力和操作水平也隨之提高。施工單位應(yīng)組織設(shè)備供應(yīng)商對現(xiàn)場專業(yè)操作人員進(jìn)行專業(yè)化培訓(xùn)。

(2)施工管理人員應(yīng)切實提高現(xiàn)場把控力度。施工管理人員在整個施工工序中，應(yīng)做到現(xiàn)場隨機(jī)抽查，關(guān)鍵施工工序施工時，應(yīng)做到現(xiàn)場實時跟蹤。同時，對施工中物料等資源的配備應(yīng)做到胸中有數(shù)，這樣才能實現(xiàn)通過對人的管理來提高工程質(zhì)量目標(biāo)。

4.4 嚴(yán)格執(zhí)行施工工序和落實相關(guān)檢驗標(biāo)準(zhǔn)

雙塊式無砟軌道施工時，測量和精調(diào)是關(guān)鍵工序。針對無砟軌道測量，施工單位和監(jiān)理單位應(yīng)嚴(yán)格落實兩級檢查、一級驗收制度。雙塊式無砟軌道施工前，應(yīng)嚴(yán)格落實復(fù)測CPⅢ，必要時執(zhí)行全部換手測量，保證基礎(chǔ)測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。從第一步工序就把錯誤消滅在萌芽狀態(tài)，避免出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷或重大施工誤差。

5 未來發(fā)展展望

隨著中國制造2025計劃的推出，高速鐵路也開始邁向智能鐵路、智慧鐵路以及綠色鐵路，成為鐵路建設(shè)的重點方向，雙塊式無砟軌道建造技術(shù)在未來需要有更大的提升以匹配高速鐵路的發(fā)展。

(1)目前，我國社會人口老齡化凸顯，青壯年體力勞動資源匱乏，依靠大量人工現(xiàn)場作業(yè)完成建設(shè)工程的落后傳統(tǒng)方法會被逐漸擯棄，新技術(shù)新工裝體現(xiàn)先進(jìn)生產(chǎn)力是建設(shè)工程領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。高速鐵路建設(shè)需要逐步提升施工的機(jī)械化、自動化、智能化程度，以先進(jìn)技術(shù)體現(xiàn)先進(jìn)生產(chǎn)力水平，設(shè)計科研單位、施工企業(yè)和設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)聯(lián)合攻關(guān)，對無砟軌道施工工藝進(jìn)行再創(chuàng)新，在機(jī)械化、智能化水平上再上新臺階。

(2)現(xiàn)階段建造技術(shù)受制于工裝水平，其特點是將施工流程分割成單個施工工序，導(dǎo)致現(xiàn)場工序繁雜、施工效率低，精度誤差、綜合質(zhì)量控制目標(biāo)不理想。后期應(yīng)考慮通過智能工裝集成相關(guān)工序，使現(xiàn)場達(dá)到流水作業(yè)，進(jìn)一步降低人工作用，充分體現(xiàn)“工裝保工藝、工藝保質(zhì)量”的先進(jìn)技術(shù)水平。

(3)充分利用信息化、大數(shù)據(jù)的先進(jìn)手段監(jiān)控管理無砟軌道關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)，相關(guān)施工數(shù)據(jù)需要進(jìn)行記錄、保存，建立云數(shù)據(jù)庫，為后期運營維護(hù)備份。

(4)上述設(shè)備或技術(shù)均在一定程度上實現(xiàn)自動化、智能化施工，但對人工還存在一定依賴，后期測量和精調(diào)等工裝應(yīng)結(jié)合5 G、北斗導(dǎo)航和云計算等技術(shù)對整體施工工藝進(jìn)行進(jìn)一步提升，使智能化和信息化施工水平達(dá)至新高度。