雙塊式無砟軌道設(shè)計(jì)建造一體化技術(shù)研究

孫春雷

(中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司 遼寧遼陽 111000)

1 概述

雙塊式無砟軌道是我國高速鐵路中主要的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式之一[1-2]。雙塊式無砟軌道經(jīng)過多年的鐵路建設(shè)，施工工藝已經(jīng)較為成熟，然而目前的建造模式還存在數(shù)字化信息化程度不高、軌道工程部分關(guān)鍵指標(biāo)不易控制、過程數(shù)據(jù)易丟失、施工信息難以追溯、前后工序精度誤差難以消除等問題。

與此同時，我國高速鐵路正向智能化、智慧化方向轉(zhuǎn)型升級，我國鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃中提出“大力促進(jìn)數(shù)字化、信息化、智能化鐵路建設(shè)”[3-4]。為保證雙塊式無砟軌道的設(shè)計(jì)建造精度，設(shè)計(jì)施工一體化技術(shù)是保證工程建設(shè)質(zhì)量、提升精細(xì)化管理水平的關(guān)鍵核心所在。

黃黃高鐵順應(yīng)行業(yè)發(fā)展趨勢，構(gòu)建雙塊式無砟軌道設(shè)計(jì)施工一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了軌道設(shè)計(jì)施工全過程的數(shù)據(jù)共享、過程可視及進(jìn)度和質(zhì)量實(shí)時管控，對提升黃黃高鐵雙塊式無砟軌道建造效率和質(zhì)量，提升建設(shè)管理信息化水平具有重要意義。

2 黃黃鐵路軌道工程概況

新建黃岡至黃梅鐵路線路全長125.162 km，設(shè)計(jì)時速350 km，橋隧比80.79%。軌道結(jié)構(gòu)自上而下分別由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板、底座/支承層等組成[5-6]。長路基地段采用縱連式雙塊式無砟軌道，短路基地段以及橋梁、隧道采用分塊單元式結(jié)構(gòu)。黃黃鐵路雙塊式無砟軌道建造主要面臨以下難題:

(1)專業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)難度大。黃黃鐵路軌道工程跨越不同線下基礎(chǔ)，線站路橋隧等專業(yè)設(shè)計(jì)和施工信息實(shí)時變化，難以快速精準(zhǔn)計(jì)算軌道段落布置和對應(yīng)鋪設(shè)坐標(biāo)。

(2)大跨度橋梁無砟軌道線形控制難度大。黃黃鐵路巴河特大橋?yàn)橹鳂蜃畲罂缍?00 m的矮塔斜拉橋，受橋梁徐變、溫度變形、橋上荷載以及風(fēng)速等多種因素影響，導(dǎo)致無砟軌道線形難以控制。

(3)隧道變形縫處軌道施工動態(tài)化管控難度大。雙塊式無砟軌道需在隧道變形縫處斷開設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的藍(lán)圖施工無法根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際變形縫位置實(shí)現(xiàn)軌道施工過程的動態(tài)化管控。

為了解決以上難題，本文從黃黃鐵路雙塊式無砟軌道數(shù)字化設(shè)計(jì)、一體化施工、信息化管控三方面進(jìn)行研究，構(gòu)建設(shè)計(jì)建造一體化系統(tǒng)，從而為黃黃鐵路提質(zhì)增效提供技術(shù)支撐。

3 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)研究

基于線路平縱斷面、路隧橋結(jié)構(gòu)布置、軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)等，形成雙塊式無砟軌道數(shù)字化設(shè)計(jì)成果，如圖1所示，主要包含底座板/支承層的角點(diǎn)坐標(biāo)、軌枕分布間距、道床板的邊線控制坐標(biāo)、道床板頂面高程等。

圖1 數(shù)字化設(shè)計(jì)成果組成

由于實(shí)際施工時橋梁的梁縫、梁長，路、橋、隧等分界里程與設(shè)計(jì)存在一定的出入，為保證軌道施工質(zhì)量，需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的梁長、梁縫等數(shù)據(jù)信息完成施工數(shù)字化設(shè)計(jì)成果的動態(tài)更新，如圖2所示。施工動態(tài)設(shè)計(jì)可解決梁端扣件間距超標(biāo)、底座板懸出控制、無砟軌道幾何尺寸精準(zhǔn)控制的問題。通過打通與全站儀、軌檢小車的數(shù)據(jù)接口，可指導(dǎo)雙塊式無砟軌道的底座、道床、鋼軌鋪設(shè)等施工。實(shí)現(xiàn)軌道工程數(shù)字化、動態(tài)化、可視化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一體化協(xié)同，為軌道一體化建造提供基礎(chǔ)。

圖2 無砟軌道施工動態(tài)控制

4 設(shè)計(jì)施工一體化實(shí)現(xiàn)方法

4.1 底座/支承層一體化施工應(yīng)用

如圖3所示，基于CPⅢ控制網(wǎng)和數(shù)字化設(shè)計(jì)成果，完成全站儀設(shè)站。設(shè)計(jì)理論坐標(biāo)控制全站儀[7-8]，實(shí)現(xiàn)底座板放樣自動化測量，獲取路基面、梁面等線下基礎(chǔ)的高程實(shí)測數(shù)據(jù)；與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)時對比獲得標(biāo)高偏差，在底座施工前確定梁面標(biāo)高影響，確定底座厚度調(diào)整方案；自動生成底座板立模高度，實(shí)現(xiàn)底座平面位置、標(biāo)高、厚度精準(zhǔn)控制。

圖3 底座/支承層一體化施工流程

4.2 軌排粗鋪一體化應(yīng)用

軌排粗鋪之前，在底座板/支承層敷設(shè)的土工布表面進(jìn)行放線控制。利用數(shù)字化設(shè)計(jì)成果中的軌排粗鋪數(shù)據(jù)，控制全站儀指導(dǎo)軌排粗鋪放樣，并實(shí)時傳輸至信息化管控平臺。主要采集軌排粗鋪線的平面位置、底座板/支承層標(biāo)高信息，分析平面控制及高程偏差，與此同時結(jié)合基礎(chǔ)高程偏差即可推算出底座板/支承層的厚度偏差值。在粗鋪的同時進(jìn)行道床板立模高度控制，實(shí)現(xiàn)道床厚度的精準(zhǔn)把控。

4.3 軌排精調(diào)一體化應(yīng)用

研發(fā)了軌檢小車信息化裝備，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)軌道幾何形位數(shù)據(jù)(軌距、水平、高低等)的實(shí)時采集，通過實(shí)測鋼軌頂面高程信息，結(jié)合底座板/支承層高程數(shù)據(jù)，實(shí)時分析道床板厚度分布；利用數(shù)字化設(shè)計(jì)成果，對比分析軌道幾何形位與設(shè)計(jì)值的偏差，實(shí)現(xiàn)軌排精調(diào)數(shù)據(jù)、澆筑后復(fù)測數(shù)據(jù)、鋼軌精調(diào)數(shù)據(jù)等同比分析，為獲取軌排施工偏差變化規(guī)律，提高施工控制工藝提供支撐，也為后續(xù)的鋼軌精調(diào)奠定基礎(chǔ)。

圖4 軌排精調(diào)一體化應(yīng)用

4.4 巴河特大橋無砟軌道一體化施工

以巴河特大橋無砟軌道線形控制為例，實(shí)測主梁線形變化，與線形理論計(jì)算對比，動態(tài)修正無砟軌道布板數(shù)據(jù)；采用軌道結(jié)構(gòu)多層分級鋪設(shè)調(diào)控技術(shù)，與信息化施工裝備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，指導(dǎo)無砟軌道的智能建造。

(1)主梁合龍后預(yù)加載，獲得橋面荷載與索力及設(shè)計(jì)信息(主梁線形)的精確對應(yīng)關(guān)系。對主梁線形進(jìn)行系統(tǒng)性調(diào)整，實(shí)時修正軌道數(shù)字化設(shè)計(jì)成果。

(2)根據(jù)軌道數(shù)字化設(shè)計(jì)成果，指揮全站儀對底座的4個邊角點(diǎn)進(jìn)行自動放樣定位，并實(shí)測梁面高程，利用底座可調(diào)厚度，消除主梁局部線形誤差。確定底座立模高度后，采用信息化施工裝備進(jìn)行模板順鋪和頂面標(biāo)高控制。

(3)軌排粗鋪前，再次實(shí)測主梁線形與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對比，修正軌道設(shè)計(jì)成果，指導(dǎo)軌排粗鋪。

(4)通過采集軌道幾何形位數(shù)據(jù)，計(jì)算實(shí)測數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)成果(鋼軌精調(diào)數(shù)據(jù))的偏差，利用扣件對鋼軌線形進(jìn)行調(diào)整。

采用同樣技術(shù)可解決隧道變形縫處軌道建造動態(tài)化管控的難題。

5 信息化管控平臺

融合數(shù)據(jù)倉庫、云計(jì)算等信息技術(shù)[9-10]，構(gòu)建設(shè)計(jì)建造智能管控云平臺，打通軌道設(shè)計(jì)建造的信息接口，通過與軌道施工相關(guān)裝備進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)軌道工程建造全過程數(shù)據(jù)實(shí)時交互，構(gòu)建設(shè)計(jì)建造全過程數(shù)據(jù)倉庫[11]。平臺遵循SOA(Service-Oriented Architecture)架構(gòu)理念[12]，基于黃黃高鐵雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工工藝，緊密圍繞組織管理、施工進(jìn)度管理、施工質(zhì)量管理、預(yù)警預(yù)報和輔助決策、檢驗(yàn)批審批等業(yè)務(wù)，打造黃黃鐵路雙塊式無砟軌道設(shè)計(jì)建造管控平臺。平臺總體框架自下而上分為用戶層、數(shù)據(jù)感知層、業(yè)務(wù)處理層、應(yīng)用表達(dá)層等，如圖5所示。

圖5 信息化平臺架構(gòu)

圖6為黃黃鐵路無砟軌道信息化管控平臺施工精度管控界面。平臺主要功能如下:

圖6 黃黃鐵路無砟軌道信息化管控平臺

(1)組織機(jī)構(gòu)管理:根據(jù)不同的單位、部門、職責(zé)，為建設(shè)單位、監(jiān)理單位、施工單位的管理人員分配賬號。

(2)施工精度管控:線下基礎(chǔ)面高程偏差、底座板/支承層平面線形、標(biāo)高和厚度控制、道床板混凝土厚度及標(biāo)高控制、軌排精調(diào)和長鋼軌鋪設(shè)精度控制等。

(3)軌道進(jìn)度管理:結(jié)合黃黃軌道施工狀態(tài)實(shí)現(xiàn)形象化進(jìn)度管理。

(4)報表統(tǒng)計(jì)管理:自動生成進(jìn)度報表、精度質(zhì)量報表。

(5)預(yù)警預(yù)報:限差管理、預(yù)警值設(shè)置，出現(xiàn)施工偏差自動預(yù)警等。

(6)混凝土、鋼筋、檢測等檢驗(yàn)批在線審批與管理。

6 結(jié)束語

黃黃高速鐵路是我國“八縱八橫”高速鐵路主通道之一“京港(臺)通道”的重要組成部分，是武漢-杭州客運(yùn)通道的組成部分，軌道工程建造標(biāo)準(zhǔn)和鋪設(shè)精度要求高。針對該情況，利用高精度測量設(shè)備和信息化工裝，結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)，構(gòu)建雙塊式無砟軌道設(shè)計(jì)建造一體化系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了雙塊式無砟軌道的數(shù)字化設(shè)計(jì)，提出了“設(shè)計(jì)施工一體化”軌道工程建造實(shí)施路徑，實(shí)現(xiàn)了全線尤其是隧道變形縫處和大跨度橋梁無砟軌道建造質(zhì)量動態(tài)化控制；構(gòu)建了“黃黃鐵路軌道建造信息化管控平臺”，實(shí)現(xiàn)了建造全過程的信息化管控。通過對軌道設(shè)計(jì)和施工數(shù)據(jù)的采集、挖掘和分析，實(shí)現(xiàn)了無砟軌道建造全過程的數(shù)據(jù)共享、關(guān)鍵工序進(jìn)度及質(zhì)量實(shí)時盯控等，對提升黃黃高鐵雙塊式無砟軌道建造效率和質(zhì)量，提升建設(shè)管理信息化水平具有重要意義。