高速鐵路40 m簡支箱梁提運架成套設備研制及應用

諶啟發(fā) 羅九林 王治斌 萬 鵬 梁志新 張寶恒李 青 邱 梓 班新林

（1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600；2.中鐵十一局集團有限公司 湖北武漢 430061；3.中鐵二十二局集團有限公司 北京 100043；4.中國鐵道科學研究院集團有限公司 北京 100081）

1 引言

2013年《鐵路主要技術政策》（原鐵道部第34號令）第三十八條要求“開展大跨度橋梁研究”［1］，這是我國高鐵大跨度簡支梁發(fā)展的政策依據(jù)和技術導向，也是高鐵橋梁的發(fā)展方向?；谝陨峡紤]，2016年5月，中國鐵道科學研究院集團有限公司承擔了國鐵集團2016年重大課題《高速鐵路大跨度簡支梁建造關鍵技術研究》（合同編號：2016G002-G）［2］。2016 年 7 月，該課題通過了國鐵集團的技術評審，9月28日在房山橋梁廠完成足尺試驗梁澆筑，2017年3月完成足尺靜載試驗。通過開展足尺試驗梁的設計、預制和試驗研究工作，對時速350 km高速鐵路40 m預應力簡支箱梁的設計技術、施工工藝、結構受力性能和設計狀態(tài)等進行了全面的試驗研究，確定了40 m箱梁的結構形式。2017年9月，40 m箱梁已經(jīng)正式?jīng)Q定在鄭濟線黃河特大橋、福廈線湄洲灣特大橋工程試點應用。中鐵五院參加該課題中的《高速鐵路大跨度簡支梁提運架設備方案研究》子項，主要任務是提出提運架設備的設計方案。鑒于國鐵集團將大力推廣高鐵40 m簡支箱梁，而目前已有的900 t提運架橋梁施工設備只適用于32 m及以下跨度的預制簡支梁，因此開展高速鐵路40 m預應力混凝土簡支箱梁運架成套施工設備研制，對我國推行大跨度簡支箱梁具有特別重要的意義。為全面掌握高速鐵路40 m預應力混凝土簡支箱梁的最新建造技術，包括提運架施工技術、設備的設計技術以及制造技術等，2018年中鐵五院承擔了北京市科技計劃課題（Z181100003918003）和中國鐵建股份有限公司2018年度科技重大專項《高速鐵路40 m預應力混凝土簡支箱梁運架成套施工設備研制》，研制的1 000 t級40 m簡支梁提運架設備，適用40 m及以下跨度簡支雙線箱梁的提運架需求。針對40 m簡支梁的特點，研究1 000 t/40 m提運架設備設計方案，滿足以下要求：

（1）滿足高鐵40 m及以下跨度雙線整孔箱梁提運架，額定起重量1 000 t。

（2）適應曲線半徑≥2 000 m、縱坡≤30‰線路，滿足隧道口架梁要求。

（3）對隧道斷面和梁體不做任何特殊要求即可運梁通過隧道。

（4）所有設備配備完善的智能安全監(jiān)控系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)，取得地方使用許可并納入國鐵集團施工信息化管理平臺。

2 高鐵箱梁運架設備現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀［3］

目前國外高速鐵路已經(jīng)有西班牙、日本、德國、法國、瑞典、英國、意大利、俄羅斯、土耳其、韓國、比利時、荷蘭、瑞士等16個國家和地區(qū)建成運營高速鐵路。國外高速鐵路建設較早，在施工實踐中研制了大量的各種型式、不同噸位的高鐵架橋機。目前針對40 m雙線整孔預應力箱型簡支混凝土梁的梁廠預制、架橋機架設的成套提運架施工設備在國外還屬于空白。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀［4-5］

高鐵40 m預應力混凝土簡支箱梁作為一種新跨度進入序列，將與32 m、24 m跨度梁長期共存，新的廠制梁要求配備運架能力更強的40 m箱梁運架設備。另外，據(jù)多方統(tǒng)計調(diào)查可知，目前我國已經(jīng)裝備的32 m跨、900 t運架設備有700多套，其中絕大多數(shù)不能正常通過隧道、不能洞口5 m以內(nèi)架梁，不能適應2 000 m的小半徑曲線。但由于40 m箱梁為新設計的預制梁型，較32 m箱梁跨度增加8 m、重量增加100 t，現(xiàn)有的32 m箱梁運架施工設備不具備改造價值，因此需研制與其配套的運架施工設備。

3 1000t/40m梁運架成套裝備研制

成套裝備主要包含“四機一系統(tǒng)”，“四機”指提梁機、搬梁機、運架一體機和分體式架橋機。“一系統(tǒng)”是指信息化管理系統(tǒng)?，F(xiàn)階段40 m梁逐漸推廣運用，既有32 m箱梁將一并存在，因此研制的運架設備除滿足1 000 t/40 m箱梁的運輸和架設外，還必須兼顧32 m及以下跨度梁的運架需要。主要指標如下：

額定起重量：1 000 t；

適應梁型：高鐵24～40 m跨度雙線整孔箱梁；

適應最小曲線：2 000 m；

適應最大坡度：30‰；

滿載行走速度：0～5 km/h（平坡）、0～3 km/h（3%縱坡）；

具有整機信息化系統(tǒng)及過隧道自動監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1 搬梁設備研制

研發(fā)的HLT1000輪胎式搬梁機由主梁、前后起重小車、支腿、車架及懸掛轉向走行系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、走臺欄桿、液壓和電氣系統(tǒng)組成。適用于時速350 km和時速250 km的高鐵、客運專線及城際鐵路制梁場20～40 m長度雙線整孔箱梁及單線梁的搬運轉移。具備提一過二功能，工作風力7級，非工作風力13級，主要技術參數(shù)見表1。通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)直行、斜行、橫行、半八字轉向、原地轉向等多種專項功能，滿足搬梁機便道與線路中心線不平行的轉向發(fā)梁要求。滿足福廈靈川梁場42°大角度轉向和原地轉向的要求。如圖1所示。

圖1 搬梁機搬梁

表1 搬梁機主要技術參數(shù)

3.2 提梁設備研制

MG500提梁機是一種為鐵路客運專線梁場專門設計的一種門式起重機。提梁機采用門式雙主梁雙支腿結構，兩臺配套使用，跨線提梁。主要由主梁、剛性支腿、柔性支腿、大車走行機構、起重小車、電控系統(tǒng)等組成。如圖2所示。

圖2 提梁機提梁

采用兩臺提梁機提梁，實現(xiàn)24～40 m箱梁30 m高度跨線提吊，滿足運架一體機的提吊和裝梁。工作風力7級，非工作風力13級。兩臺提梁機走行同步控制，卷揚走行同步控制等。技術參數(shù)見表2。

表2 提梁機主要技術參數(shù)

3.3 運梁車研制

在箱梁架設過程中，需利用運梁車進行箱梁的運輸進場。通過對比目前市場上使用的各種運梁車優(yōu)缺點，對40 m箱梁運梁車開展方案研究并制造樣機。

3.3.1 馱運式運梁車研究［6］

目前在用的分體式運梁車均采用馱運式運梁，根據(jù)使用環(huán)境的不同又可分為兩大類：即不過隧式運梁車和過隧式運梁車，也稱高位運梁車和低位運梁車。兩種運梁車結構基本相同：均采用一根車架主梁中置，主梁兩側縱向均布輪胎組，全液壓驅動。不同之處：高位運梁車采用大直徑輪胎，而低位運梁車采用小直徑輪胎。如圖3所示。

圖3 馱運式運梁車

考慮到所研制的運架設備需滿足運梁過隧的要求，因此將開展低位運梁車方案研究。結合40 m箱梁截面型式，低位運梁車采用雙邊主梁的結構形式，走行系統(tǒng)將采用多軸線雙胎并置小輪胎方式，如圖4所示。其優(yōu)勢在于運梁高度低，能馱運箱梁和架橋機過隧道，甚至可配合架橋機在隧道口負距離架梁。

圖4 馱運式運梁車馱梁過隧

3.3.2 吊運式運梁車研究

吊運式運梁車是通過在運梁車主梁設置吊點，提吊箱梁，并利用前后行走系統(tǒng)實現(xiàn)運梁車的走行。該結構形式受力合理，節(jié)省空間，可保證運梁過隧要求，但由于走行系統(tǒng)的限制，無法完成喂梁，因此目前只用在運架一體機方案中，分體式運架設備則無法采用提吊式運梁。

針對于上述問題，首次開展新型吊運式運梁車方案研究，如圖5所示。采用跨越式運梁車，待運梁車運送梁片到達待架橋跨橋頭時，將梁片放置到運梁臺車上，將運梁車前車通過架橋機上的吊裝系統(tǒng)起升，并通過與運梁車前端的過渡輪組配合，實現(xiàn)運梁車后撤，完成喂梁。

圖5 吊運式運梁車

在主梁的兩側設置縱向延伸的滑槽，并在前車左、右兩側走行輪組的內(nèi)側均設置向上延伸的滑柱，使得滑柱在起升油缸的帶動下沿滑槽上下滑動，完成前車的豎向升降。

在主梁前端將設置過渡輪組，由車架和走行系統(tǒng)等組成。過渡輪組在待架箱梁運送到待架橋位時，可輔助運梁車后移。

在運梁車過渡輪組和前車之間將設有整機起吊牛腿，通過架橋機上的吊梁小車配合，實現(xiàn)運梁車前端的起吊支撐。

3.3.3 運梁車樣機研制

從安全性、便捷性、高效性等多方面對比馱運式運梁車和吊運式運梁車兩種方案，并選取馱運式運梁車進行樣機研制。

TJ-YLS1000/40運梁車由車體結構、懸掛總成、馱梁臺車、馱梁臺座、支腿總成、轉向系統(tǒng)、司機室、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及制動系統(tǒng)等組成（見圖6）。

運梁車車體采取雙邊主梁結構；懸掛走行輪胎采用930 mm直徑小輪胎，懸掛系統(tǒng)通過回轉支承反裝在縱梁下端；馱梁機構中走行系統(tǒng)采用重型移運器，替代傳統(tǒng)鋼質(zhì)車輪，后車鏈條驅動，前車閉環(huán)鏈驅動，有效降低運梁空間。

車體采用雙邊主梁結構，可以有效降低運梁高度；采用小直徑輪胎，降低懸掛高度，達到降低整機高度的目的；馱梁臺車采用重型移運器替代傳統(tǒng)鋼質(zhì)車輪，有效降低喂梁高度，馱梁臺車喂梁時與主梁為滾動摩擦，運行阻力小，軌道磨損低；配套過隧道自動駕駛功能，自動對中駕駛，降低駕駛難度；安全配套技術完善。車體前后四角設置有面陣激光測距攝像頭，實時測量車輛與隧道內(nèi)壁距離，實現(xiàn)對位防撞和隧道內(nèi)自動駕駛功能，運梁過隧時啟動自動駕駛模式，當車體偏離隧道中線大于5 cm時，控制系統(tǒng)啟動轉向糾偏，偏離到8 cm時報警，偏離中線10 cm時停車，確保行車安全。運梁車主要技術參數(shù)見表3。

3.4 分體式架橋機研制

分體式架橋機采用一跨式結構，后支腿采用液壓均衡以降低喂梁高度并達到降低整機高度的目的；起重小車走行系統(tǒng)采用重型移運器替代傳統(tǒng)的鋼質(zhì)車輪或減摩板，以利于隧道口低位架梁；該架橋機可以配合低位及高位運梁車實現(xiàn)架橋作業(yè)。

一跨式架橋機由主梁、前支腿、輔助支腿、后支腿、起升系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及安全監(jiān)控系統(tǒng)等組成。低位運梁車配合架橋機架梁，可實現(xiàn)“3 m距離”架設隧道出口梁、“-40 m距離”架設隧道進口梁。如圖7所示。

1 000 t/40 m分體式運架設備由雙邊主梁運梁車和一跨式架橋機組成，可以滿足時速350 km和時速250 km的高速鐵路及客運專線24 m、32 m、40 m雙線整孔箱梁的隧道內(nèi)運輸，并滿足隧道出口3 m架梁、進口-40 m架梁。適應線路最大縱坡30‰、最小曲線R＝2 000 m。預留20～40 m非標梁架設能力。

功能特點：

前支腿由后托輪總成、前托輪總成、掛輪組、水平輪組、支腿結構、翻轉折疊機構、升降機構、橫移機構、加高節(jié)等組成。

前支腿可折轉調(diào)節(jié)高度，便于大坡度架梁；支腿可自行縱移變位，可承重并支撐架橋機縱移變位，可橫移，便于曲線架梁時架橋機就位，實現(xiàn)曲線架梁。

輔助支腿由支腿結構、伸縮油缸、翻轉機構等組成，主要作用是輔助架橋機過孔。架梁時，輔助支腿可翻轉收起，便于起重小車提梁通過。

后支腿為O型支腿，由馬鞍梁、上橫梁、加高節(jié)、下曲梁、走行及升降機構等組成，各部分可快速拆裝，滿足整機過隧的要求。

一跨式架橋機主要技術參數(shù)見表4。

表4 一跨式架橋機主要技術參數(shù)

3.5 運架一體式架橋機研發(fā)

3.5.1 上導梁運架一體機研發(fā)［7］

1 000 t/40 m運架一體機，又名昆侖號架橋機，由運架梁機和上懸臂導梁組成，主要包含主梁、前導梁、前車、后車、主支腿、中支腿以及整機起吊系統(tǒng)等部分。該機總重約997 t，額定起升重量為1 000 t，最大滿載運行速度為5 km/h。如圖8所示。

圖8 上導梁運架一體機整體示意

技術要求：

適用于時速350 km、250 km高速鐵路線路限界，滿足運梁過隧要求。

提升及運載能力為1 000 t，可以實現(xiàn)20～40 m多種跨度簡支箱梁的運輸和架設。

滿足隧道進出口0 m架梁，≤2 000 m曲線架梁，30‰大坡度架梁等施工要求。

施工荷載在20～40 m簡支梁及其他型式橋梁受力允許范圍之內(nèi)。

信息化系統(tǒng)滿足接入國家鐵路集團管理平臺要求。

起升鋼絲繩安全系數(shù)≥5，結構強度計算安全系數(shù)≥1.5，機構傳動零件安全系數(shù)≥1.5，整機任何可達到的狀態(tài)抗傾覆穩(wěn)定性≥1.5。

3.5.2 下導梁運架一體機研發(fā)［8］

1 000 t/40 m下導梁式運架一體機由運梁機、導梁機以及多功能臺車組成，如圖9所示。采用運梁機提吊運梁，導梁機輔助運梁機過孔架梁。導梁機留置在架梁工位，運梁機往返于梁場與架梁工位之間運架箱梁。運梁機和導梁機通過多功能臺車連接，運梁機前車上導梁機的多功能臺車，多功能臺車通過中位驅動器與運梁機后車共同作用，將梁片喂梁就位。喂梁就位后，運梁機將中支腿撐出，支撐平穩(wěn)后，運梁機前部通過吊架將導梁提住，并形成體系轉換，導梁機收起后支腿，中位驅動器帶動導梁機前行。

圖9 下導梁運架一體機整體示意

運梁機由主梁、前車、后車、中支腿、前后吊點、卷揚系統(tǒng)、動力系統(tǒng)及液壓電氣控制系統(tǒng)等主要部分組成，如圖10所示。導梁機由主梁、前支腿、中支腿、后支腿、液壓系統(tǒng)、動力系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等主要部分組成，如圖11所示。多功能臺車由中位驅動器、臺車、平臺、掛架等組成，如圖12所示。

圖10 運梁機整體示意

圖11 導梁機整體示意

圖12 多功能臺車示意

主要技術參數(shù)指標：

額定起重量：1 000 t；

適應跨度：24～40 m；

適應最大坡度：30‰；

適應最小曲線：2 000 m；

隧道進出口架梁距離：0 m；

限界尺寸：250 km/h隧道斷面；

結構安全：符合路、橋、墩臺等下部結構受力要求；

工作狀態(tài)最大風力：7級；

抗傾覆系數(shù)：≥1.5；

縱向吊點間距：38.1 m、30.1 m；

滿載行走速度：0～5 km/h（平坡），0～3 km/h（3%縱坡）；

空載行走速度：0～10 km/h；

過孔速度：0～3 m/min。

3.5.3 一體機樣機研制

針對以上兩種機型，為滿足成套裝備研制整體技術要求，開展上導梁運架一體機（昆侖號架橋機）樣機試制，該架橋機是一款多用途運架梁機，滿足高速鐵路40 m大跨度簡支箱梁及以下跨度簡支梁的架設要求?？赏ㄟ^拆除主梁可調(diào)節(jié)段，將40 m梁架橋機改裝成32 m簡支箱梁運架一體機，兼顧現(xiàn)有40 m梁及32 m梁長期共存的狀態(tài)。主要受力金屬構件采用GT785高強鋼材，這是在高速鐵路架橋機設計制造中，首次大量采用GT785高強鋼材，滿足千噸級簡支箱梁架設受力要求，提高了架橋機適用范圍。樣機如圖13所示。主要技術參數(shù)如表5所示。

圖13 上導梁運架一體機樣機現(xiàn)場應用

表5 上導梁運架一體機主要技術參數(shù)

同時研發(fā)了一種具有自主知識產(chǎn)權的子母套免維護大推力關節(jié)軸承，首次用于1 000 t/40 m上導梁運架一體機，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的球鉸，克服了傳統(tǒng)球鉸由于加工精度低、轉動不夠靈活、易磨損和銹蝕、需經(jīng)常維護的缺點。

3.6 信息化系統(tǒng)研制

研究設計的40 m簡支箱梁運架一體機信息化管理系統(tǒng)，通過對運架施工信息、運架一體機安全監(jiān)控信息的信息管理，填補了高速鐵路簡支箱梁運架過程中信息化技術應用的空白。實時掌握簡支箱梁運架施工及運架設備的施工狀態(tài)，達到高速鐵路簡支箱梁運架的精細化管理的同時，實現(xiàn)運架設備狀態(tài)的全壽命周期管理［9-10］。模塊設計如圖14所示。

圖14 運架設備信息化管理系統(tǒng)研究模塊設計示意

對運架梁設備及過程的各類信息進行統(tǒng)籌匯總管理，使用各類傳感器監(jiān)控運架工程進展程度，并監(jiān)測關鍵設備實時數(shù)據(jù)的變化以達到安全監(jiān)控的目的，當數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時需要及時預警并通知相關人員采取措施。利用導航系統(tǒng)實時定位運架設備位置，利用視頻遠程監(jiān)控現(xiàn)場情況，便于調(diào)度指揮［11-12］。系統(tǒng)總體框架如圖15所示。

圖15 信息化管理系統(tǒng)框架

4 成套設備應用情況

TJ-YT1 000 t/40 m上導梁運架一體機，即昆侖號架橋機于2019年6月開始加工制造，10月中旬開始廠內(nèi)組裝，2020年5月中旬廠內(nèi)組裝調(diào)試完成，2020年6月現(xiàn)場安裝調(diào)試完成，樣機已于2020年6月在中鐵十一局福州至廈門鐵路湄洲灣跨海大橋項目上使用。最快3孔/d，到目前為止順利完成100多孔箱梁架設。

1 000 t/40 m分體式架橋機于2019年10月至2020年6月完成生產(chǎn)制造及廠內(nèi)組裝調(diào)試、樣機現(xiàn)場組裝調(diào)試，樣機已于2020年6月在中鐵二十二局南沿江項目上使用。2020年6月16日首次使用研發(fā)的1 000 t/40 m分體機進行箱梁架設，至今架梁完成45孔，并完成了架橋機場內(nèi)首次調(diào)頭。完成一孔梁架設只需120 min，較傳統(tǒng)的32 m梁架橋機減小了160 min。

目前成套設備除在南沿江和福廈鐵路使用外，其他線路也將陸續(xù)投入使用，如新建南玉鐵路、杭衢鐵路、昌景黃鐵路、通州制梁場等。

5 結論

大跨簡支箱梁提運架成套裝備的成功研制為當前推廣的1 000 t/40 m預應力混凝土簡支箱梁提供安全高效的施工裝備，對于鐵路橋梁建設技術進步具有積極的推動作用。成套提運架設備可滿足40 m及以下跨度整孔箱梁的運架需求，徹底填補了40 m箱梁運架施工設備的空白，是高鐵大跨度簡支梁建造技術重大提升和突破，有利于40 m箱梁的后期推廣應用，可形成涵蓋24～40 m跨簡支箱梁橋建造技術體系，有助于完善我國具有獨立自主知識產(chǎn)權的高鐵橋梁建設技術體系，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效應。