京張高鐵官廳水庫特大橋工程智能建造及智能運維技術應用方案

卓 越

（京張城際鐵路有限公司 工程管理部，北京 100070）

北京—張家口高速鐵路（簡稱：京張高鐵）是北京冬奧會的重要配套工程，中國國家鐵路集團有限公司高度重視并提出全力打造京張高鐵“精品工程、智能京張”的建設目標，要求參建各方高舉新時代中國特色社會主義偉大旗幟，實施科技強國、質量強國、交通強國、制造強國的戰(zhàn)略，創(chuàng)建新時期中國高鐵綠色設計、智能建造、精益管理的建設管理新模式，將京張高鐵建設成推動我國高鐵技術新一輪創(chuàng)新的標志性工程[1-5]。京張線既見證了中國鐵路的發(fā)展，也見證了中國綜合國力的飛躍[6]。

官廳水庫特大橋作為京張高鐵“一橋兩隧”中的“一橋”，是全線重點工程。該橋跨越北京市備用水源地、一級水源保護區(qū)—官廳水庫，環(huán)保要求嚴、設計速度高[7]。該橋的智能建造、智能監(jiān)測及智能運營維護（簡稱：運維）技術的成功應用，是確保工程施工及高鐵運營安全的關鍵，也是京張高鐵智能化的重要一環(huán)。京張城際鐵路有限公司組織相關參建單位依托官廳水庫特大橋項目開展了諸多專題研究與專項設計，形成了建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）設計、BIM橋梁裝配式一體化管理、數(shù)字化與智能化養(yǎng)護、自動化智能化數(shù)控加工制造等諸多研究成果與應用經驗。本文就智能建造技術及主橋智能運維體系2個方面對官廳水庫特大橋工程作深入介紹。

1 工程概況

京張高鐵官廳水庫特大橋主橋采用簡支變高曲弦桁式結構，多孔布置，總體布置如圖1所示。鋼桁梁支點跨度108 m，單跨梁長109.7 m，桁高11～19 m，桁寬13.8 m，節(jié)間長10.8 m。橋面系采用正交異性鋼橋面板，鋼橋面板上鋪設20 cm厚混凝土板，其上鋪設CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，道床板和底座均采用C40 鋼筋混凝土現(xiàn)場澆筑，等長、等寬分塊設計（在主桁架節(jié)點處斷開）。主橋道床板長度主要有5 300 mm、4 100 mm 等多種類型（根據(jù)梁端進行調整），寬度為2 800 mm、厚度為260 mm，2塊道床板間設100 mm 寬的道床縫，底座厚度為311 mm，底座通過橋面預埋鋼筋方式與橋梁連接成整體。對應每塊道床板范圍，底座設2個限位凹槽，凹槽側面設彈性緩沖墊層。整體橋面采用2列排水設計[7]。

圖1 官廳水庫特大橋主橋總體布置

官廳水庫特大橋軌道在施工圖設計階段為有砟軌道，主橋鋼桁梁計算梁端轉角為1.7 ‰，變更為無砟軌道后，為降低梁端轉角造成的不利影響，在梁端局部采用抗上拔力扣件提高抵抗上拔能力，并設置過渡板，過渡板兩側設限位板。過渡板與限位板之間安裝彈性限位裝置，限制過渡板的橫向變位。過渡板支座主體結構采用全不銹鋼結構以延長支座壽命，并通過優(yōu)化支座布置以便于檢查、更換。

2 官廳水庫特大橋智能建造技術

2.1 承臺大體積混凝土智能化溫控技術

大體積混凝土的水泥水化熱釋放比較集中、內部升溫比較快，混凝土內外溫差較大時，會使混凝土產生溫度裂縫，影響結構安全和正常使用[8]。針對官廳水庫特大橋承臺大體積混凝土施工，采用智能化溫控技術，在承臺內部相應位置埋設溫度檢測元件并安裝冷卻循環(huán)水管，通過智能硬件設備、無線網絡傳輸、云平臺算法預設、智能自動調動和平臺共享展現(xiàn)的動態(tài)循環(huán)，使整個溫控過程中各項數(shù)據(jù)均能滿足規(guī)范要求。在確保工程質量的同時，還可實現(xiàn)多環(huán)節(jié)自動化、智能化，并能降低設備成本、減少人力成本。

2.2 主橋BIM應用技術

官廳水庫特大橋主橋鋼桁梁施工應用BIM技術體現(xiàn)在以下方面。

（1）利用計算機對結構進行分析計算，獲取鋼梁及支架變形等相關參數(shù)，指導拼裝過程中的線形控制；

（2）通過建立BIM 模擬鋼梁拼裝過程，提前發(fā)現(xiàn)桿件之間的沖突，確?，F(xiàn)場拼裝順利無干涉；

（3）利用計算機對頂推過程進行分析計算，實現(xiàn)施工過程的提前預演，確保結構理論安全；

（4）頂推中采用數(shù)顯的計算機同步控制系統(tǒng)，保證施工過程主體和臨時結構安全可控。

利用BIM技術模擬鋼梁拼裝架設如圖2所示，可實現(xiàn)可視化交底、鋼梁桿件自動排版套料以提高零件切割下料率、材料追溯及物料追蹤等功能。該技術在鋼梁拼裝階段通過桿件虛擬拼裝，解決了大型鋼結構長線拼裝體積大、時間久的問題，同時節(jié)省了試拼場地，提高了鋼桁梁制作、安裝精度。

圖2 BIM模擬鋼梁拼裝架設

2.3 鋼梁智能焊接技術

在鋼梁U形肋加工中，因鋼板變形和振動，易造成坡口加工精度差，難以確保加工質量。官廳水庫特大橋鋼桁梁采用自動焊接成套施工技術和設備，很好地解決了上述問題，全面提升了U形肋的加工質量，提高了生產效率。

新型U形肋自動組裝機床集自動行走、打磨、除塵、定位、壓緊和定位焊于一體，極大地提高了組裝效率和定位焊質量。U形肋板單元自動化焊接技術采用機器人配合反變形翻轉胎焊接U形肋板單元，如圖3所示。該技術焊縫質量好，焊接效率高，開創(chuàng)了橋梁鋼結構焊接的新模式，提高了鋼橋的耐久性。

圖3 機器人自動焊接

2.4 鋼梁智能頂推技術

官廳水庫特大橋主橋鋼桁梁采用頂推法架設，為保證大噸位、長距離鋼梁架設安全和架設精度，采用了鋼桁梁智能控制多點同步頂推控制及自動監(jiān)測技術[9-10]，同步頂推控制點布置如圖4所示。

圖4 同步頂推控制點布置

針對不同的墩身結構與抗水平力的能力，在鋼梁相應桿件、臨時連接桿件、支架及滑塊等重點部位安裝監(jiān)測元件，通過自動靜態(tài)網絡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對鋼梁拼裝、鋼梁頂推、鋼梁落梁全過程中各關鍵構件和部位進行應力測試和即時計算，在達到報警前就發(fā)展趨勢進行預測、報警。同時，通過計算機同步頂推控制技術，對鋼絞線連接墩頂布置的連續(xù)千斤頂和導梁反力座、鋼梁反力座、鋼梁后錨點形成的多套頂推作業(yè)油泵采用相適應的壓力閥值，實現(xiàn)了頂推水平力多墩身共同承受，保證了頂推時主體結構雙肢高墩的結構安全。

3 官廳水庫特大橋智能運維體系

3.1 主橋全生命周期智能監(jiān)測

官廳水庫特大橋主橋鋼桁梁全部鋼桁架采用工廠制造、施工現(xiàn)場支架拼裝、拼裝后頂推施工的方案，其制造加工精度要求高且結構拼裝、頂推過程受力復雜。進入運營期后，相關人員需要及時把握主橋鋼桁梁結構在運營階段的工作狀態(tài)，識別結構的安全性、可靠性與耐久性，及時獲取橋梁在運營階段的重要監(jiān)測數(shù)據(jù)，為鐵路運營維護部門后期巡檢、維修、調度協(xié)作等工作提供重要的數(shù)據(jù)支撐。為保證橋梁結構安全，建設單位組織第三方監(jiān)測單位針對建設期、聯(lián)調聯(lián)試期、運營期3個階段開展了全生命周期智能監(jiān)測。

（1）建設期：在鋼梁焊接拼裝過程中，對鋼梁主要桿件開展變形監(jiān)測；在鋼梁頂推就位過程中，對導梁及滑道的位移開展測量與監(jiān)測、對主要桿件的應力應變開展測量與監(jiān)測、對頂推力開展監(jiān)測。

（2）聯(lián)調聯(lián)試期：①開展以列車速度5 km/h的準靜態(tài)及列車不同輪位作用下鋼梁主要桿件的成橋靜載試驗，判斷橋梁實際承載能力是否滿足設計及使用要求；②開展以高速列車不同運行速度條件下鋼梁主要桿件的成橋動載試驗，判斷其總體結構剛度和內在力學特性，分析該橋結構的自振特性，為評定該橋的動力特性提供依據(jù)。

（3）運營期：在完成建設期與聯(lián)調聯(lián)試期監(jiān)測任務后，利用前2個階段既有監(jiān)測傳感器系統(tǒng)組件建立了官廳水庫特大橋主橋鋼桁梁結構健康智能監(jiān)測系統(tǒng)，如圖5所示。后續(xù)設計單位可對監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)進行深度分析，有利于發(fā)現(xiàn)橋梁健康衰退病變的相關共性規(guī)律。

圖5 主橋鋼桁梁結構健康智能監(jiān)測

3.2 主橋智能檢修車設備

官廳水庫特大橋檢修車是為解決主橋曲弦鋼桁梁橋的檢查維修而研發(fā)配備的專用智能化設備，包括上弦檢修車及下弦檢修車。

（1）上弦檢修車：可在最大坡度46°的曲弦上行走自如，實現(xiàn)鋼桁梁全橋長、全斷面檢查維修工作。該車具備無線遙控操作與無線視頻監(jiān)控功能，可在減輕檢修人員工作強度、提高安全性的同時監(jiān)控橋梁設備與結構狀態(tài)。在需要進行橋梁維護作業(yè)時，該車能通過對接組成整體作業(yè)平臺，并通過升降吊籃幫助檢修人員到達橋梁上部待檢部位；非檢修期可自主裝卸至軌道平板車回庫貯存保養(yǎng)。

（2）下弦檢修車：可伸縮變形并從橋墩上橫梁上方通過，實現(xiàn)一套檢修車檢查多孔的目的。

4 應用成效

4.1 智能建造成果

京張城際鐵路有限公司會同相關參建單位在數(shù)字化、智能化建造與監(jiān)測技術的基礎上, 對官廳水庫特大橋項目開展了智能建造、智能監(jiān)測與智能運維相結合的探索與實踐。官廳水庫特大橋建造過程中應用的大體積混凝土智能化溫控技術、鋼梁智能焊接技術、鋼桁梁BIM應用技術、鋼梁智能頂推技術不僅有效保證了工程質量，還實現(xiàn)了多環(huán)節(jié)自動化、智能化，降低了設備成本和人力成本。這些探索與實踐形成的關鍵技術及智能建造體系，可供其他類似項目予以參考借鑒。

4.2 智能運維體系成效

為使主橋官廳水庫特大橋主橋鋼梁處于良好狀態(tài)，確保京張高鐵平穩(wěn)安全運行，本文采用主橋智能檢修車對主橋運營健康狀態(tài)進行實時監(jiān)測，智能檢修車定期進行無（有）人巡檢；此外，橋梁設計單位定期評估橋梁健康狀態(tài)。由橋梁大中修周期、設計單位的評估結論或建議，以及智能檢修車，組成大橋養(yǎng)護維修的全天候、全方位智能運維體系，橋梁設備維修管理單位可在提高橋梁設備維護能力與專業(yè)化的同時，大幅減少人員的投入并減輕人員工作強度。

5 結束語

本文依托京張高鐵官廳水庫特大橋工程，分別從智能建造、智能裝備、智能監(jiān)測和智能運維等方面，對在現(xiàn)場應用的相關智能建造方案進行了介紹。通過對官廳水庫特大橋智能化技術應用情況的總結，實現(xiàn)了一套可復制、可推廣的智能化技術建設方案，對未來鐵路智能化建設與運維管理深層次發(fā)展、以及后續(xù)智慧鐵路的建設具有借鑒意義。