CRTS雙塊式無砟軌道一體化底座模板系統(tǒng)和自動(dòng)整平設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用

高貴 趙永強(qiáng)

1.武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司，武漢430212；2.天津天一軌道交通設(shè)備有限公司，天津301700

傳統(tǒng)CRTS雙塊式無砟軌道底座板施工采用人工整平或簡易整平方式時(shí)存在的主要問題有：①人為操作導(dǎo)致振搗不足，標(biāo)高、反坡角度的誤差大；②攤鋪、布料、刮平、抹面、提漿等工序需要工人20名左右，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低；③施工工藝落后，機(jī)械化程度低；④施工未實(shí)現(xiàn)信息化，過程數(shù)據(jù)缺乏，質(zhì)量波動(dòng)大［1-2］且不可追溯；⑤相鄰底座板單元間錯(cuò)臺(tái)較大，凹槽四角易產(chǎn)生裂紋等病害［3-4］。為此，研發(fā)了一體化底座模板系統(tǒng)和自動(dòng)整平設(shè)備。本文對其進(jìn)行介紹，并在工程現(xiàn)場驗(yàn)證其效果。

1 一體化底座模板系統(tǒng)

CRTS雙塊式無砟軌道底座板為C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。長度L≥150 m路基地段底座板單元間設(shè)置20 mm寬伸縮縫，伸縮縫采用聚苯乙烯泡沫塑料板填充；L＜150 m路基地段和橋梁底座板采用單元分塊式結(jié)構(gòu)，設(shè)置100 mm寬的板縫。底座板對應(yīng)每塊道床板設(shè)置2個(gè)上表面尺寸為1 022 mm（長）×700 mm（寬）的限位凹槽。

一體化底座模板系統(tǒng)以32 m簡支梁長度為單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，見圖1。底座板模板為鋼制定型模板，由縱向模板、支撐系統(tǒng)、伸縮縫模板、凹槽模板和軌道組成。

圖1 一體化底座模板系統(tǒng)

1.1 縱向模板及支撐系統(tǒng)

縱向模板由長3.0 m標(biāo)準(zhǔn)模板和兩端各1塊調(diào)整模板組成，安裝時(shí)以32 m或24 m簡支梁長度為控制單元。縱向模板為底座板自動(dòng)整平設(shè)備提供軌道固定基礎(chǔ)，通過縱向模板支撐系統(tǒng)和軌道調(diào)節(jié)座調(diào)整軌道頂面的標(biāo)高。

每塊標(biāo)準(zhǔn)模板在模板中間和距離模板兩端法蘭200 mm處設(shè)置支撐系統(tǒng)?？v向調(diào)整模板的支撐位置和數(shù)量視模板的長度而定。其支撐系統(tǒng)由絲桿支撐（平撐、斜撐絲桿各1根）、1個(gè)軌道調(diào)節(jié)座和1根地錨組成，如圖2所示。平撐絲桿用于調(diào)整縱向模板底部位置，斜撐絲桿用于調(diào)整縱向模板的垂直度。絲桿、地錨和模板孔形成一個(gè)三角形，確保縱向模板穩(wěn)固，調(diào)整方便。

圖2 底座模板的支撐系統(tǒng)

1.2 伸縮縫模板

伸縮縫寬20 mm時(shí)伸縮縫模板采用聚乙烯泡沫塑料板，其頂面低于設(shè)計(jì)底座板頂面5 mm。

伸縮縫寬100 mm時(shí)伸縮縫模板采用定型鋼模與泡沫板組合結(jié)構(gòu)。定型鋼模與泡沫板厚度均為100 mm，鋼模高210 mm。伸縮縫模板通過4個(gè)豎向螺栓和5個(gè)U形鋼筋卡固定，兩端橫向托架處的調(diào)節(jié)螺栓用于托架安裝和移位。伸縮縫模板縱向間隙內(nèi)填充泡沫膠。

采用以上兩種伸縮縫模板均便于底座板自動(dòng)整平設(shè)備通過伸縮縫，見圖3。

圖3 伸縮縫模板（單位：mm）

1.3 凹槽模板

凹槽模板由1個(gè)凹槽、1塊底板、4個(gè)壓板、4個(gè)調(diào)節(jié)螺母、4個(gè)反壓螺栓和4個(gè)預(yù)埋螺桿組成，底面四周設(shè)有壓板和反壓螺栓，如圖4所示。其中：凹槽沖壓成型，四角設(shè)置R100 mm圓弧，底部設(shè)置4個(gè)安裝孔；底板放置在凹槽下方中間部位；調(diào)節(jié)螺母安裝在預(yù)埋螺桿上，用于支撐和調(diào)節(jié)凹槽標(biāo)高；反壓螺栓可有效固定凹槽模板；預(yù)埋螺桿固定在簡支梁梁面上。

圖4 凹槽模板（單位：mm）

1.4 軌道

軌道采用9 m長24 kg/m鋼軌，安裝在縱向模板外側(cè)軌道調(diào)節(jié)座上。

2 底座板自動(dòng)整平設(shè)備的研究與應(yīng)用

2.1 底座板自動(dòng)整平設(shè)備現(xiàn)狀及技術(shù)要點(diǎn)

目前國內(nèi)底座板整平設(shè)備在板式無砟軌道中應(yīng)用較多，其整平功能僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，施工過程須專業(yè)測量人員和工人配合，對模板參數(shù)和軌道標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整。為此，課題組借鑒無砟軌道精調(diào)技術(shù)，開展了底座板自動(dòng)整平設(shè)備的研究。技術(shù)要點(diǎn)有：①其主要應(yīng)用于混凝土澆筑后的攤鋪和成型；②整平機(jī)構(gòu)由模板組件、軌道和整平設(shè)備組成；③施工時(shí)通過現(xiàn)場CPⅢ點(diǎn)全站儀完成自由設(shè)站，全站儀測量數(shù)據(jù)經(jīng)無線藍(lán)牙模塊［5］傳輸給整平設(shè)備；④整平設(shè)備根據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)的線路設(shè)計(jì)值，分析全站儀測量數(shù)據(jù)，自動(dòng)追蹤、指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行軌跡，實(shí)現(xiàn)底座板混凝土頂面的自動(dòng)整平［6-7］。

2.2 底座板自動(dòng)整平設(shè)備的組成及功能

為解決傳統(tǒng)底座板施工存在的問題，研發(fā)了三種單雙線底座板自動(dòng)整平設(shè)備。其中，單線有調(diào)軌自動(dòng)整平設(shè)備（以下簡稱調(diào)軌設(shè)備）和梁軌自動(dòng)整平設(shè)備（以下簡稱梁軌設(shè)備）兩種，雙線底座板自動(dòng)整平設(shè)備僅一種，簡稱雙線設(shè)備。

三種設(shè)備的走行方式為：①施工時(shí)調(diào)軌設(shè)備可直接走行在底座板縱向模板的頂部軌道，不需測量標(biāo)高。②梁軌設(shè)備行走在梁面軌道，雙線設(shè)備行走在防護(hù)墻外側(cè)。施工時(shí)這兩種設(shè)備均可通過全站儀測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整行走標(biāo)高。

三種設(shè)備均可遙控操作，具備推平布料、振搗密實(shí)、提漿、整平塑型等功能，可實(shí)現(xiàn)底座板標(biāo)高、兩側(cè)排水坡一次成型，自動(dòng)振搗、自動(dòng)抹平。其強(qiáng)力振動(dòng)器的振動(dòng)頻率達(dá)3 000次/min，確?；炷琳駬v密實(shí)、均質(zhì)。

2.2.1 調(diào)軌設(shè)備

調(diào)軌設(shè)備（圖5）由機(jī)架、發(fā)電機(jī)組、控制柜和行走系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、前部推平機(jī)構(gòu)、整平系統(tǒng)、高壓清洗機(jī)等組成。其中：前部推平機(jī)構(gòu)設(shè)置有推平板和附著式振動(dòng)器，用于澆筑混凝土初平和振動(dòng)提漿；整平系統(tǒng)對混凝土表面予以整形并控制頂面標(biāo)高。

圖5 調(diào)軌設(shè)備（單位：mm）

前部推平機(jī)構(gòu)和整平系統(tǒng)是調(diào)軌設(shè)備的核心，具有螺旋扒料、振動(dòng)抹平、圓輥壓光等功能，可部分或全部替代人工布料、扒料、提漿、抹平、壓光操作。一次成型的寬度可根據(jù)路基或橋梁底座板寬度調(diào)整，適用于直線、曲線不同段落，做到一機(jī)多用。

2.2.2 梁軌設(shè)備

梁軌設(shè)備（圖6）主要由行走、整平（螺旋扒料、振動(dòng)抹平、圓輥壓光）、升降、測量、控制和無線傳輸?shù)认到y(tǒng)構(gòu)成。利用測量系統(tǒng)［8-9］、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)底座板頂面標(biāo)高調(diào)整，及混凝土的扒料整平、自動(dòng)振搗、自動(dòng)抹面成型和自動(dòng)復(fù)測。

圖6 梁軌設(shè)備（單位：mm）

測量、控制系統(tǒng)主要工作流程如圖7所示。具體內(nèi)容為：①施工前將線路的平面參數(shù)、縱坡參數(shù)、超高參數(shù)、控制樁坐標(biāo)等數(shù)據(jù)輸入全站儀和整平設(shè)備手簿軟件中，手簿軟件進(jìn)行線路模擬分析。②通過現(xiàn)場CPⅢ點(diǎn)全站儀完成自由設(shè)站后，設(shè)為自動(dòng)測量模式。③全站儀測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)追蹤測量整平設(shè)備上棱鏡的位置，通過無線傳輸系統(tǒng)將實(shí)測值發(fā)送給手簿。④對比設(shè)計(jì)值和實(shí)測值后，手簿將偏差發(fā)送給可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。⑤PLC接受到信號(hào)后，向手簿發(fā)送接收成功信號(hào)。PLC將接受到的數(shù)值和時(shí)間顯示在人機(jī)交互界面（Human Machine Interface，HMI）上，同時(shí)將所接收到的信息經(jīng)過運(yùn)算和處理，通過交換機(jī)將指令下發(fā)給行走、螺旋扒料、振動(dòng)抹平和圓輥壓光各系統(tǒng)。⑥各系統(tǒng)通過伺服驅(qū)動(dòng)器、行走變頻器、調(diào)節(jié)變頻器、螺旋布料變頻器、振動(dòng)變頻器等驅(qū)動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行，完成混凝土布料后的頂面標(biāo)高控制、自動(dòng)扒料整平、自動(dòng)振搗提漿、自動(dòng)抹面成型等工作。⑦各系統(tǒng)將當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)再反饋給PLC。PLC將設(shè)備的各種信息和當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)顯示在HMI上，便于使用者觀察施工和設(shè)備運(yùn)行情況。⑧開始下一個(gè)工作循環(huán)。

圖7 測量、控制系統(tǒng)主要工作流程

2.2.3 雙線設(shè)備

雙線設(shè)備（圖8）主要由橫向移動(dòng)系統(tǒng)、縱向行走系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組、整平機(jī)芯（整平系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和無線傳輸設(shè)備）等構(gòu)成。利用測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)底座板頂面標(biāo)高調(diào)整，混凝土自動(dòng)扒料、自動(dòng)振搗。

圖8 雙線設(shè)備

部件組成：①橫向移動(dòng)系統(tǒng)主要由鋼架、行走輪、導(dǎo)向輪、回轉(zhuǎn)支撐、行走驅(qū)動(dòng)裝置、電器控制設(shè)備等組成。根據(jù)施工線路進(jìn)行橫向變線，也可根據(jù)施工方向（上行、下行）進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)。②縱向行走系統(tǒng)采用橫跨雙線的龍門架結(jié)構(gòu)，可共用龍門吊走行軌。其主要由龍門架、吊裝架、行走輪、發(fā)電機(jī)組、行走驅(qū)動(dòng)裝置、定位裝置、電器控制設(shè)備等組成。底座板混凝土施工時(shí)，縱向行走系統(tǒng)可根據(jù)信息指令前后自動(dòng)行走。③整平機(jī)芯與橫向移動(dòng)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)支撐連接，主要由整平系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、無線傳輸設(shè)備等組成，如圖9所示。

圖9 整平機(jī)芯

工作步驟：①通過橫向移動(dòng)系統(tǒng)選擇施工線路和方向。②通過全站儀測量棱鏡位置，手薄軟件計(jì)算處理后，通過無線通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)。③控制系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，控制升降系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)高調(diào)整；同時(shí)控制整平系統(tǒng)中的螺旋扒料、振動(dòng)抹平和圓輥壓光子系統(tǒng)啟動(dòng)。④控制行走系統(tǒng)前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)混凝土的扒料、振搗、整平和壓光。

通過控制行走速度、螺旋轉(zhuǎn)速、激振頻率，實(shí)現(xiàn)對底座板混凝土標(biāo)高、平整度和密實(shí)度的有效調(diào)控，滿足施工要求。

三種設(shè)備完成測量、信號(hào)及數(shù)據(jù)傳輸、指令下達(dá)、設(shè)備運(yùn)行、結(jié)果反饋等一個(gè)閉合流程僅需10～20 s，施工過程中布料速度可通過遙控器或觸摸屏調(diào)整。

3 工程應(yīng)用

一體化底座模板系統(tǒng)和自動(dòng)整平設(shè)備2017年研制完成后，2018年5月至2019年9月在鄭州—萬州高速鐵路湖北段應(yīng)用，并持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化，已陸續(xù)在鄭萬（重慶段）、安九（湖北段）、贛深（廣東、江西段）等高速鐵路上推廣應(yīng)用。

現(xiàn)隨機(jī)選取鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-1標(biāo)白水河、朱集雙線特大橋和ZWZQ-4標(biāo)漢江雙線特大橋，對比采用一體化底座模板系統(tǒng)和自動(dòng)整平設(shè)備與傳統(tǒng)人工或簡易整平方式施工的工效、經(jīng)濟(jì)效益，見表1。其中：設(shè)備費(fèi)和人工成本以ZWZQ-4標(biāo)漢江雙線特大橋（全橋長28.384 km）為例計(jì)算。采用一體化底座模板系統(tǒng)和調(diào)軌設(shè)備施工時(shí)設(shè)備費(fèi)和人工成本為：0.63×28 384/260+18/3=74.78萬元。采用其他設(shè)備施工時(shí)計(jì)算方法類同。

表1 白水河、朱集、漢江三座雙線特大橋采用一體化底座模板系統(tǒng)和自動(dòng)整平設(shè)備與傳統(tǒng)人工或簡易整平方式工效、經(jīng)濟(jì)效益對比

由表1可知，采用一體化底座模板系統(tǒng)和自動(dòng)整平設(shè)備施工人員減少10～15人，單孔32 m簡支梁用時(shí)減少10～25 min，每工作日多施工40～170 m，經(jīng)濟(jì)效益增加111.33萬～130.08萬元。傳統(tǒng)人工或簡易整平施工受人為因素影響誤差大，采用一體化底座模板系統(tǒng)和自動(dòng)整平設(shè)備施工平整度誤差±1.5 mm，高程誤差±3 mm，密實(shí)度提高30%，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范［10］要求；作業(yè)人員減少36%～54%，勞動(dòng)強(qiáng)度降低，施工效率提高2倍。

與傳統(tǒng)人工或簡易整平施工相比，該模板安拆簡便，剛性好，重量輕；凹槽定位準(zhǔn)確、伸縮縫可自由調(diào)節(jié)；通過全站儀測量數(shù)據(jù)控制自動(dòng)整平設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)平整度、標(biāo)高、兩側(cè)排水坡一次施工到位；施工效率大幅提升，精度高，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)雙塊式無砟軌道底座板施工設(shè)備落后，施工過程數(shù)據(jù)不可控、質(zhì)量波動(dòng)大和不可追溯，底座板凹槽四角易產(chǎn)生裂紋等病害，本文依托鄭萬高速鐵路湖北段橋梁上無砟軌道底座板施工，研發(fā)了一體化底座模板系統(tǒng)和自動(dòng)整平設(shè)備，大幅提高了施工效率和精度，實(shí)現(xiàn)了底座板施工過程的智能化、信息化和質(zhì)量可追溯。該一體化底座模板系統(tǒng)和自動(dòng)整平設(shè)備可通用于路基、橋梁直曲線段各種工況無砟軌道底座板施工，值得推廣。