CRTS雙塊式無(wú)砟軌道軌排粗鋪智能化施工技術(shù)

高 貴

(武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000)

1 工程概況

新建鐵路鄭萬(wàn)高鐵四標(biāo)線路起點(diǎn)DK398+357.929，線路終點(diǎn)DK426+741.787，正線長(zhǎng)度28.384 km。主要結(jié)構(gòu)物——漢江雙線特大橋，全橋長(zhǎng)28.384 km，全橋鋪設(shè)CRTS雙塊式無(wú)砟軌道，一次鋪設(shè)區(qū)間無(wú)縫線路。

全線道床板采用C40鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑而成，寬2 800 mm，厚260 mm。道床板分塊構(gòu)筑，頂面根據(jù)具體情況設(shè)置一定的橫向排水坡。每塊道床板設(shè)2個(gè)凸向底座方向的限位凸臺(tái)，限位凸臺(tái)在高度方向成四棱臺(tái)形，傾角為1∶10(R10 mm圓弧過(guò)渡)，上下表面的尺寸(含彈性緩沖墊層和土工布厚度)分別為1 022 mm×700 mm、1 000 mm×678 mm,高度為110 mm。

2 無(wú)砟軌道軌排粗鋪工藝改進(jìn)的必要性

以往的高速鐵路修建中，軌排鋪設(shè)依靠人工進(jìn)行，整個(gè)過(guò)程需要耗費(fèi)巨大的人力物力。在傳統(tǒng)工藝中，首先要在軌排組裝區(qū)通過(guò)龍門吊將軌枕分散開(kāi)，通過(guò)卷尺測(cè)量的方法來(lái)確定軌枕間距；然后再通過(guò)龍門吊安裝軌排進(jìn)行鎖定組裝；之后將組裝好的軌排吊裝到指定位置，到達(dá)指定位置后，依靠人工從軌排兩端吊鉛錘的辦法來(lái)控制軌排中線；最后通過(guò)卷尺從上往下返標(biāo)高的方法來(lái)控制軌排的整體高程。這樣的傳統(tǒng)軌排粗鋪[1]方式固然可行，但需要耗費(fèi)巨大的人力(最少需要5個(gè)人以上)、物力(需要用千斤頂來(lái)調(diào)整軌排位置)，而且在龍門吊吊裝過(guò)程中，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。最重要的是傳統(tǒng)工藝不能達(dá)到軌道精調(diào)[2]前所要求的軌排粗鋪的精度(卷尺量測(cè)的方法存在一定的誤差)，給后期軌道精調(diào)帶來(lái)不便，影響了整體工程的施工效率。

針對(duì)傳統(tǒng)施工工藝存在的精度低、調(diào)整費(fèi)事費(fèi)力、人工影響因素明顯等缺點(diǎn)，鄭萬(wàn)高鐵提出智能化施工的理念，以機(jī)械設(shè)備及電腦程序組合的智能化裝備代替人工進(jìn)行軌排粗鋪，使軌排粗鋪精度大幅提升，為此專門研發(fā)了粗鋪設(shè)備及其配套的新型嵌套式軌排進(jìn)行軌排智能化粗鋪施工。

3 新型嵌套式軌排的研發(fā)及應(yīng)用

新型嵌套式軌排[3]是在現(xiàn)有單梁式軌排的基礎(chǔ)上，根據(jù)自動(dòng)化鋪設(shè)工藝要求，結(jié)合CRTS雙塊式無(wú)砟軌道施工工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其主要由外托梁、內(nèi)托梁、高程調(diào)節(jié)裝置、中線調(diào)節(jié)裝置、內(nèi)外托梁鎖緊裝置、軌排支護(hù)系統(tǒng)等組成，具體見(jiàn)圖1。新型嵌套式軌排重量輕、剛性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，不需要專用支護(hù)調(diào)節(jié)固定，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化軌排調(diào)節(jié)。通過(guò)托梁內(nèi)外套滑動(dòng)的方式實(shí)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(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[4]軌排粗鋪系統(tǒng)的使用，有效的縮短了道床施工中的精調(diào)工序作業(yè)時(shí)間。其設(shè)備特點(diǎn)：

圖1 新型嵌套式軌排結(jié)構(gòu)

(1)高程調(diào)節(jié)采用高強(qiáng)度螺桿，并有地腳支撐座，調(diào)節(jié)省力。軌排中線調(diào)節(jié)采用高強(qiáng)度自鎖調(diào)節(jié)裝置，內(nèi)托梁精調(diào)后不能變動(dòng)。

(2)軌排設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)精巧，通過(guò)自動(dòng)初調(diào)系統(tǒng)、自動(dòng)精調(diào)系統(tǒng)具備自升降、左右調(diào)整功能，不需要借助之前舊工藝中支撐件力量。

(3)精調(diào)后防側(cè)移、防上浮、軌排自動(dòng)鎖死，無(wú)外部支撐件，減少對(duì)周邊施工的影響，極大的改善了線路施工環(huán)境，提高了線間物流通過(guò)能力。

(4)新型軌排強(qiáng)度高，緊固穩(wěn)定，外形尺寸小，現(xiàn)場(chǎng)管理作業(yè)面清晰、干凈。

(5)高程螺柱底部設(shè)有保護(hù)座，消除傳統(tǒng)軌排對(duì)混凝土面的損害。

4 智能化軌排粗鋪系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)及機(jī)械智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，在鄭萬(wàn)高鐵建設(shè)中，為了提高無(wú)砟軌道施工效率，越來(lái)越多的智能化工裝設(shè)備[5]被廣泛應(yīng)用。武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司牽頭組織研制了軌排粗鋪機(jī)，其具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 單線軌排粗鋪機(jī)

圖3 雙線軌排粗鋪機(jī)

4.1 粗鋪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軌排智能化粗鋪設(shè)備，是針對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道道床施工工藝設(shè)計(jì)的機(jī)械化專用設(shè)備[6]。設(shè)備采用電腦編程控制系統(tǒng)與全站儀測(cè)距技術(shù)，自動(dòng)追蹤敷設(shè)在設(shè)備上的棱鏡位置，通過(guò)專用測(cè)量軟件，計(jì)算出軌排坐標(biāo)位置，驅(qū)動(dòng)伺服動(dòng)力系統(tǒng)將軌排準(zhǔn)確定位鋪設(shè)。整個(gè)設(shè)備用于替代原來(lái)的人工吊運(yùn)、鋪設(shè)，具有軌排變頻運(yùn)輸和初鋪設(shè)功能，實(shí)現(xiàn)了軌排自動(dòng)抓取、自動(dòng)運(yùn)輸和自動(dòng)精確定位。軌排智能化粗鋪機(jī)系統(tǒng)主要由運(yùn)輸系統(tǒng)、初鋪設(shè)系統(tǒng)和控制軟件系統(tǒng)組成。

4.1.1 運(yùn)輸系統(tǒng)

運(yùn)輸系統(tǒng)采用鋼架焊接結(jié)構(gòu)，車體堅(jiān)固耐用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活，主要用于軌排運(yùn)輸。由焊接結(jié)構(gòu)鋼制車架、維修平臺(tái)、行走輪、行走驅(qū)動(dòng)裝置、定位裝置、電氣控制設(shè)備等組成。根據(jù)其行走方式可分為走行在梁面上的道床兩側(cè)軌道上和走行在橋面防護(hù)B墻上的龍門軌道上兩種形式。

(1)道床板兩側(cè)軌道式走行方式(見(jiàn)圖4)：在底座板兩側(cè)各設(shè)置一道24標(biāo)準(zhǔn)軌，只需將機(jī)器平穩(wěn)放到作業(yè)工作面上便可進(jìn)行施工作業(yè)，當(dāng)左右線轉(zhuǎn)換時(shí)，可采用龍門吊進(jìn)行吊裝轉(zhuǎn)換。

圖4 道床板兩側(cè)軌道式走行方式

(2)防護(hù)B墻上的龍門軌道走行方式(見(jiàn)圖5)：主機(jī)架采用龍門結(jié)構(gòu)，跨雙線設(shè)計(jì)。行走在防護(hù)B墻上的龍門軌道上，軌排粗鋪施工[7]時(shí)可以輕松的前后行走，方便在左、右線進(jìn)行施工轉(zhuǎn)換，減少梁面4道軌道的安拆作業(yè)，減少設(shè)備挪線、重新調(diào)整的時(shí)間，可連續(xù)作業(yè)，使工序減少，工作強(qiáng)度減少；機(jī)架前后裝有2套機(jī)械臂抓舉裝置，可進(jìn)行龍門軌道拆卸轉(zhuǎn)運(yùn)工作，龍門占用率降低，時(shí)間的利用率提高，節(jié)省人工成本20%以上。

圖5 防護(hù)B墻上的龍門軌道走行方式

4.1.2 初鋪設(shè)系統(tǒng)

初鋪設(shè)系統(tǒng)主要由焊接結(jié)構(gòu)鋼制里程調(diào)整車架、中線調(diào)整車架、提升導(dǎo)向架、抓放手臂、行走輪、導(dǎo)向輪組、液壓油缸、液壓站、測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。主體采用鋼架焊接結(jié)構(gòu)，車體堅(jiān)固耐用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈活，主要用于軌排鋪設(shè)。

(1)里程調(diào)整車架主要用于軌排里程方向的位置調(diào)整，由兩個(gè)獨(dú)立的車架組成，可單獨(dú)調(diào)整軌排抓取位置，又可以整體調(diào)整軌排位置。行程100 mm,定位精度5 mm。

(2)中線調(diào)整車架主要用于軌排中心線位置的調(diào)整，由兩個(gè)獨(dú)立的車架組成，可單獨(dú)調(diào)整軌排與線路中線的角度偏移位置，又可以整體調(diào)整軌排與中線偏移位置。行程100 mm,定位精度3 mm。

(3)提升導(dǎo)向架主要用于軌排抓取、提升、高程調(diào)整，行程800 mm,定位精度3 mm。

(4)抓放手臂主要用于軌排抓取、抱緊和放置，行程50 mm。

4.1.3 控制軟件系統(tǒng)

軌排粗鋪機(jī)與全站儀通過(guò)藍(lán)牙連接，外接手簿一個(gè)。通過(guò)手簿或機(jī)載電腦接受全站儀發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，再反饋給軌排粗鋪機(jī)，指導(dǎo)軌排粗鋪機(jī)進(jìn)行軌排高精度粗鋪調(diào)整。

工作原理：①提前將線路道床板軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)錄入進(jìn)電腦軟件里，工作時(shí)通過(guò)全站儀測(cè)量掃描軌排粗鋪機(jī)上的棱鏡得到里程、高程及偏距數(shù)據(jù)。②反饋至手簿或者機(jī)載電腦進(jìn)行計(jì)算比對(duì)，得到相對(duì)應(yīng)的偏差值。③電腦發(fā)出命令驅(qū)動(dòng)設(shè)備行走到指定位置進(jìn)行軌排鋪設(shè)?？刂栖浖到y(tǒng)工作過(guò)程見(jiàn)圖6。

圖6 測(cè)量鋪設(shè)系統(tǒng)組成

4.2 軌排粗鋪施工工藝

軌排粗鋪機(jī)行走到達(dá)軌排預(yù)存放位置后，通過(guò)行走定位裝置使抓放手臂在軌排的設(shè)定位置上方手臂張開(kāi)，系統(tǒng)控制提升裝置下降，位置感應(yīng)器感應(yīng)到鋼軌位置后抓放手臂關(guān)閉抱緊鋼軌，提升裝置上升將軌排吊起鎖定，行走車前行到達(dá)軌排鋪設(shè)位置后定位停止，等待軌排鋪設(shè)動(dòng)作啟動(dòng)。工藝流程見(jiàn)圖7。

圖7 軌排粗鋪流程

工作步驟：①全站儀依次掃描完4個(gè)棱鏡后，得到棱鏡的位置數(shù)據(jù)；通過(guò)數(shù)據(jù)電臺(tái)將4個(gè)棱鏡點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)傳回作業(yè)平板電腦。②電腦上的軟件計(jì)算出當(dāng)前軌排的控制點(diǎn)位置。③機(jī)載電腦將當(dāng)前控制點(diǎn)位置與目標(biāo)位置進(jìn)行比較，可得出軌排初鋪時(shí)橫向、縱向、高程的偏移量。④機(jī)載電腦將偏移量數(shù)據(jù)發(fā)送到與之連接的工業(yè)PLC，PLC將驅(qū)動(dòng)各個(gè)伺服調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行偏移量修正。⑤修正后，全站儀進(jìn)行復(fù)測(cè)，并將復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)傳回平板電腦繼續(xù)進(jìn)行比較，如果比較后偏移量為0或接近控制范圍，則認(rèn)為調(diào)整到位，本次調(diào)整結(jié)束。否則重復(fù)進(jìn)行以上步驟，直至調(diào)整結(jié)束。

實(shí)際運(yùn)用中，軌排粗鋪機(jī)目前鋪設(shè)精度高程偏差0.5～9.3 mm，中線偏差0.0～2.6 mm。精度控制較好，可明顯減少精調(diào)作業(yè)時(shí)間，滿足施工要求。

4.3 智能化粗鋪機(jī)優(yōu)點(diǎn)

(1)施工成本減少。應(yīng)用智能化軌排粗鋪機(jī)，在無(wú)砟軌道施工中軌排粗鋪所需要的人力相比于傳統(tǒng)工藝大大減少，一臺(tái)軌排粗鋪車只需要一名人員就可以實(shí)現(xiàn)全部操作，減少了人員配置。由于軌排粗鋪機(jī)自帶抓取功能和運(yùn)輸功能，從自動(dòng)散枕開(kāi)始到軌排定位結(jié)束，可以舍棄龍門吊，減少不必要的物力,從而節(jié)約了施工成本。

(2)安全系數(shù)提升。由于不再使用龍門吊以及操作人員的減少，整個(gè)軌排粗鋪過(guò)程中的安全系數(shù)大大增強(qiáng)。

(3)時(shí)間縮短，效率提高。智能化軌排粗鋪機(jī)大大縮短了軌排粗鋪的時(shí)間，相比于傳統(tǒng)工藝，現(xiàn)如今平均組裝6孔梁軌排所需要的時(shí)間與之前傳統(tǒng)工藝組裝5孔梁軌排所需時(shí)間相同，大大提高了整體工程的施工效率。

(4)粗鋪精度高。相比于傳統(tǒng)工藝吊鉛錘拉卷尺控制軌排粗鋪精度的方法，智能化軌排粗鋪機(jī)可以在全自動(dòng)模式下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整軌排平面、高程等。通過(guò)里程調(diào)整架，可以實(shí)現(xiàn)將平面偏差控制在3 mm以內(nèi)；通過(guò)抓取架，可以實(shí)現(xiàn)將高程偏差控制在 3 mm以內(nèi)，軌排粗鋪精度的提高為后續(xù)的軌道精調(diào)創(chuàng)造了有利條件，提高了施工效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

相比于傳統(tǒng)施工工藝，智能化軌排粗鋪機(jī)具有對(duì)高程、中線、里程精準(zhǔn)控制的優(yōu)點(diǎn)，軌排粗鋪工序質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)省人工，提高了工作效率。這一技術(shù)對(duì)其他類似鐵路項(xiàng)目施工有借鑒意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。