淺析鐵路軌道施工技術進展及智能建造技術研究難點

崔成

中國鐵路工程的建設經歷了從數(shù)量、規(guī)模到質量、效益的發(fā)展轉變，且當前施工技術正在從傳統(tǒng)施工方式向智能建造方式轉變。隨著自動化、智能化技術在各領域的推廣應用，智能建造技術在鐵路軌道工程領域的應用也開始了相關研究并取得了階段性成果，但是其深入研究和全面推廣仍有很多技術難點需要突破?；诖?，本文簡要介紹了國內軌枕、軌道板預制和有砟、無砟軌道鐵路鋪軌方面智能建造技術的研究和應用現(xiàn)狀，根據(jù)現(xiàn)場反饋的信息和對智能化建造技術的認知，就鐵路軌道智能建造技術研究的技術路線、技術難點、應用前景等提出了一定的建議，以期推動鐵路智能建造技術的發(fā)展。

智能建造;鐵路軌道;軌枕、軌道板預制;有砟、無砟軌道;鐵路鋪軌、技術難點

鐵路是我國交通的大動脈，其規(guī)模和技術體現(xiàn)了國家經濟的實力和科技的水平。我國現(xiàn)已成為世界上高鐵運營里程最多、運行時速最高、在建項目最多的國家。中國高鐵已成為一張亮麗的名片，充分體現(xiàn)了習近平總書記“推動中國制造向中國創(chuàng)造轉變、中國速度向中國質量轉變、中國產品向中國品牌轉變”的重要指示精神，同時為推動鐵路技術轉向升級，打造中國品牌指明了方向。中國鐵路建造技術已經從原始的人工方式發(fā)展為機械化、自動化施工，并正在向自動化、智能化技術邁進。

我國早期的鐵路軌道施工技術落后，以人力為主，輔以少量的小型機具設備。鐵路鋪軌時需要人工抬擺枕木、鋼軌，人工釘?shù)阑虬惭b扣件，部分道砟也需要人力補充，因此勞動強度大、安全風險高、施工進度慢。七十年代，開始應用鋪軌機，實現(xiàn)了鐵路鋪軌施工的半機械化作業(yè)，但軌排生產、上砟養(yǎng)路等環(huán)節(jié)仍以人工為主，機械化程度低;大范圍應用預應力鋼筋混凝土軌枕及配套的定型鋼軌扣配件，軌枕在工廠內預制生產，隸屬于鐵路局管理，通過鐵路運輸，（如圖1-3）。

八十年代至九十年代，鐵路鋪軌普遍使用，還研發(fā)了集T梁架設和鋪軌功能的鋪架機，鐵路鋪軌施工的綜合進度指標明顯提升，應用往復式軌排生產線使軌排生產的勞動強度進一步降低，線路采用K車補砟、人工小型內燃搗鼓機作業(yè)，人員勞動強度得到降低，除了道岔及特殊工況外，鐵路鋪軌作業(yè)基本實現(xiàn)了初步的機械化。軌枕仍在軌枕廠生產，鐵路運輸為主，軌枕定型產品種類少，生產工藝有所改進，（如圖4-6）。

新線建設中無砟軌道和無縫線路很少應用，相應的施工技術仍處于空白狀態(tài)。

進入二十一世紀，以秦沈客運專線為標志，我國的鐵路軌道施工技術進入新階段。秦沈客專首次采用新線一次性鋪設無縫線路新技術并按設計時速開通，徹底顛覆了以往先鋪設有縫線路，開通運營臨管運輸，工程交驗正式運營、線路穩(wěn)定后既有線換鋪無縫線路等傳統(tǒng)的軌道施工觀念。引進了當時世界上先進的單枕連續(xù)法鋪軌機組、大型機械化養(yǎng)路機組，建設了工地焊軌廠，首次鋪設大號碼高速鐵路道岔，試鋪了長枕埋入式和單元板式無砟軌道，采用緊密流水法施工工藝，順利實現(xiàn)了按設計時速開通的目標，為中國鐵路建設樹立了新標桿，（如圖7-9）

我國真正意義上的高速鐵路建設是以有砟軌道為主的石太客專、無砟軌道為代表的京津城際為開端，鐵路軌道施工技術在秦沈客專基礎上得到新的提升。武廣客專、鄭西客專、京滬高鐵等先后建設，軌道結構形式也從單一的有砟軌道拓展到多種形式的無砟軌道，高速鐵路軌道施工技術也從引進成套技術與設備，經過消化吸收和科技創(chuàng)新，逐步形成了軌道結構種類最多、環(huán)境適應性最廣、建造技術配套最全、施工成本相對最低的中國特色建造技術。

有砟軌道施工以換鋪法和單枕法為主，在國外單枕法鋪軌設備的基礎上，為適應我國500m長鋼軌的技術標準，自主研發(fā)了CPG500型鋪軌機組，搗固車、穩(wěn)定車、配砟車、道岔搗固車等大型養(yǎng)路機械以及移動式焊軌機實現(xiàn)了國產化并有砟軌道施工中普遍應用，高鐵有砟軌道精調整理中普遍使用新一代的DWL（搗固與穩(wěn)定聯(lián)合作業(yè)）機組，線路軌道在開通前使用鋼軌打磨列車實現(xiàn)了預打磨，有砟軌道線路施工技術與裝備水平達到了世界先進水平，（如圖10-13）。

有砟軌道的道岔仍采取原位鋪設為主的工藝，道岔精調以人工調整為主，個別鐵路局曾引進國外的道岔換鋪設備，但是受既有線施工場地條件和要點施工限制，沒有得到推廣。國內道岔施工技術總體上機械化、自動化、智能化程度低，較國外先進技術相比仍相對落后（如圖14）。

國內鐵路無砟軌道結構形式主要有CRTSⅠ型雙塊式、板式，CRTSⅡ型雙塊式、板式，CRTSⅢ型板式等，無砟道岔主要有軌枕埋入式、板式等。不同的軌道結構形式適應不同的運營條件和施工條件，采用相對應的成套工裝工藝進行施工。相對而言，CRTSⅡ型雙塊式無砟軌道施工的機械化、自動化程度最高。目前國內無砟軌道采用最多的是CRTSⅠ型雙塊式和CRTSⅢ型板式兩種無砟軌道結構形式，道岔以軌枕埋入式為主，（如圖15-17）。

為了適應大規(guī)模的鐵路建設需要，軌枕的預制已不再局限于鐵路局的生產廠供應，通過在現(xiàn)場新建軌枕廠、軌道板廠等大臨設施，軌枕、軌道板預制實現(xiàn)了工廠化生產，機械化程度和信息化水平持續(xù)提升，正在向智能工廠邁進，（如圖18-21）。

根據(jù)鐵路中長期發(fā)展規(guī)劃，國內鐵路建設將繼續(xù)維持在一定的規(guī)模，市域鐵路、城際鐵路近期將爆發(fā)式增長，高速鐵路向中西部地區(qū)延伸，鐵路之間的聯(lián)絡線、鐵水聯(lián)運鐵路等提上日程，路網(wǎng)結構日臻完善，以川藏鐵路為代表的高難度鐵路開工建設，伴隨著人口老齡化和人工成本的快速增長，能保證施工安全、作業(yè)高效、工程優(yōu)質的鐵路智能建造技術的研究應用和施工技術再創(chuàng)新已刻不容緩，國內部分相關的科研院所、施工企業(yè)、裝備制造廠商已開展相關工作。

鐵路軌道施工技術的總體發(fā)展趨勢有以下幾個方面：

（5）鐵路軌道施工管理標準化、智能化提升。當前國內鐵路施工項目的管理基本實現(xiàn)了信息化，但各種管理軟件平臺五花八門，各種管理方面的信息和施工過程中的數(shù)據(jù)無法完全貫通，因此需要整合現(xiàn)有管理軟件平臺或開發(fā)適應于模塊化管理的專業(yè)軟件平臺。

軌枕預制國內早已實現(xiàn)了工廠化，其以環(huán)形流水生產線為主。以中鐵三局為例，在智能化軌枕廠的發(fā)展歷程中，通過對原有軌枕生產工藝、裝備的多次升級改造，打造了黃黃鐵路蘄春智能化軌枕生產車間，達到了國內領先水平。蘄春軌枕廠采用流水機組法生產，軌枕養(yǎng)護改進為坑式養(yǎng)護窯分倉智能養(yǎng)護，12道主要生產工序全部機械化、自動化，螺旋筋套管安裝、桁架箍筋安裝、混凝土精準布料、軌枕出入窯、軌枕外形與幾何尺寸檢測、注油蓋、軌枕緩存等工序應用了視覺識別、激光掃描、算法分析等智能控制技術。生產管理中，在建設單位要求的管理平臺基礎上，引進了MES、SCADA、PHM等先進的管理系統(tǒng)。

目前軌枕預制智能建造技術研究的難點在于部分智能設備工作的穩(wěn)定性、技術參數(shù)的可靠性有待進一步改善，噴砂工藝清模能耗過大需要改進，軌枕緩存沒有分倉養(yǎng)護，軌枕的物流智能管理水平低。軌枕裂紋檢測單純依靠視覺識別技術，對裂紋判別的可信度偏低，應研究基于超聲波探測技術的專用檢測設備，（如圖22）。

當前軌道板預制正在逐步推廣流水機組法。采用流水機組法后部分工序實現(xiàn)了智能化，如CRTSⅢ型板生產中，脫模、清模、套管螺旋筋安裝、預應力鋼筋預緊和張拉、鋼筋絕緣檢測、蒸養(yǎng)等智能化水平已較高，混凝土精準布料和振搗工位有待提升。但鋼筋籠綁扎工序仍以人工為主，實現(xiàn)機械化、自動化還很難，（如圖23）。

有砟軌道智能建造技術長期以來發(fā)展緩慢，主要原因是軌道結構形式、扣件類型固化，機械鋪軌時自下而上、自始至終的順序施工方式，決定了其施工工藝很難有大的突破。只能在鋪軌機械設備、線路大機整道等方面做一些減少作業(yè)人員、提高作業(yè)精度、保證工程質量的改進。目前國內有些施工單位正在聯(lián)合相關科研院所、設備廠商做相關研究，難度較大的課題有：

1. 有砟、無砟通用智能牽引車，解決山區(qū)鐵路隧道外有砟、隧道內無砟相互交替的工況下作業(yè)精度和效率問題。研究中存在的問題是設備擬附加自主巡航走行、鋼軌自動抓取、自動投放與回收滾輪等功能，設備結構尺寸較大、自重較大，與現(xiàn)場的作業(yè)條件要求有差距，實際效果有待驗證。該項研究雖然可以提升智能化水平，但是造價較高，性價比較差，（如圖24-25）。

目前國內無砟軌道智能建造技術的研究以雙塊式、CRTSⅢ型板式無砟軌道為主攻方向，兼顧無砟道岔智能精調等技術的研究。

1. 雙塊式無砟軌道。在以往雙塊式無砟軌道軌排框架法、軌排架法的基礎上，重點在成套的施工技術裝備，在機械化、自動化及智能化等方面做提升。在軌排組裝、軌排運輸、軌排粗鋪、軌排智能精調、混凝土智能澆筑振搗、自動找平抹面、工地智能養(yǎng)護等方面，以中國中鐵為代表的建筑央企聯(lián)合相關院所、廠商做了系統(tǒng)的研究與開發(fā)，研制了成套的施工裝備，在高鐵項目進行了試用和驗證。部分功能還需要完善，如軌排智能精調、混凝土智能澆筑振搗等環(huán)節(jié)，在精度、效率、質量等方面未達到預期目標。在有效工期短，進度要求高，作業(yè)環(huán)境差異大的情況下，現(xiàn)有的智能建造技術還不能很好的適應，相關單位仍在繼續(xù)探索。

1. 鋼軌焊接。鐵路項目的500m長鋼軌焊接在國鐵集團的焊軌基地完成，各焊軌基地一直在不斷地進行技術改造與升級。施工單位完成現(xiàn)場的鋼軌焊接，道岔內采用鋁熱焊工藝，焊頭數(shù)量較少，對智能化升級沒有強勁的需求。線路采用移動焊軌機閃光接觸焊工藝，配套使用工地上打磨、矯直、正火、探傷等設備。目前國內各單位在信息化方面做了許多研究工作，但需要在鋼軌焊接、鋼軌正火、自動打磨、焊頭探傷與檢測等方面繼續(xù)深化智能化技術的研究。

市域、城際鐵路的施工條件苛刻，部分城市在軌道施工期間仍不具備與既有線接軌的條件，必須采用在現(xiàn)場設小型焊軌基地，將短定尺軌焊接成非標準長度長軌的方式解決。對現(xiàn)場小型焊軌基地建設及小型焊軌生產線生產技術與裝備的適應性改造升級將是下一步研究工作的重點。

中鐵大橋院秦順全院士提出的“無應力狀態(tài)法”在橋梁設計與施工監(jiān)控中發(fā)揮了重要作用，借鑒“無應力狀態(tài)法”的理念，結合鐵科院研發(fā)的應力放散鎖定監(jiān)控系統(tǒng)的應用，采用智能化的長度測量、鋼軌長度標定、鋼軌應力應變測量、鋼軌位移監(jiān)測等儀器設備和先進的監(jiān)控手段，研究500m長鋼軌直接放散鎖定的施工工藝和作業(yè)標準，完全有可能達到原來放散鎖定工藝要求的“無縫線路的實際鎖定軌溫準確、均勻”的技術要求。

縱覽國內鐵路軌道施工技術的發(fā)展歷程，分析鐵路軌道智能建造技術的現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)，智能建造技術的研究、應用任重道遠、勢在必行。

1. 做好頂層設計，科學整合資源，加強統(tǒng)籌協(xié)調，主攻關鍵技術。國內鐵路軌道智能建造技術的研究中，國鐵集團、鐵路科研院所、設計院、施工企業(yè)、裝備制造廠商及高等院校等均有參與，但是頂層設計缺失，研究路線模糊，研究團隊各自為戰(zhàn)力量分散，研究方向及內容雷同或低端重復，核心技術缺失，知識產權界定不清，研究成果或新的施工技術與裝備缺乏應用驗證。

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The construction of railway projects in China has undergone development and transformation from quantity， scale to quality and efficiency， and the current construction technology is changing from traditional construction methods to intelligent construction methods. With the promotion and application of automation and intelligent technology in various fields， the application of intelligent construction technology in the field of railway track engineering has also begun relevant research and achieved phased results， but its in-depth research and comprehensive promotion still have many technical difficulties that need to be broken through. . Based on this， this article briefly introduces the research and application status of intelligent construction technology in domestic sleepers， prefabricated track slabs and track laying of ballasted and non-ballasted railways. The technical route， technical difficulties， and application prospects of intelligent construction technology research put forward certain suggestions in order to promote the development of railway intelligent construction technology.

Intelligent construction; Railway track; Prefabrication of sleeper and track plate; Ballastless and Ballastless track; Railway track laying， technical difficulties