CRTS雙塊式無砟軌道軌排粗鋪智能化施工技術

高 貴

(武九鐵路客運專線湖北有限責任公司，湖北 武漢 430000)

1 工程概況

新建鐵路鄭萬高鐵四標線路起點DK398+357.929，線路終點DK426+741.787，正線長度28.384 km。主要結構物——漢江雙線特大橋，全橋長28.384 km，全橋鋪設CRTS雙塊式無砟軌道，一次鋪設區間無縫線路。

全線道床板采用C40鋼筋混凝土現場澆筑而成，寬2 800 mm，厚260 mm。道床板分塊構筑，頂面根據具體情況設置一定的橫向排水坡。每塊道床板設2個凸向底座方向的限位凸臺，限位凸臺在高度方向成四棱臺形，傾角為1∶10(R10 mm圓弧過渡)，上下表面的尺寸(含彈性緩沖墊層和土工布厚度)分別為1 022 mm×700 mm、1 000 mm×678 mm,高度為110 mm。

2 無砟軌道軌排粗鋪工藝改進的必要性

以往的高速鐵路修建中，軌排鋪設依靠人工進行，整個過程需要耗費巨大的人力物力。在傳統工藝中，首先要在軌排組裝區通過龍門吊將軌枕分散開，通過卷尺測量的方法來確定軌枕間距；然后再通過龍門吊安裝軌排進行鎖定組裝；之后將組裝好的軌排吊裝到指定位置，到達指定位置后，依靠人工從軌排兩端吊鉛錘的辦法來控制軌排中線；最后通過卷尺從上往下返標高的方法來控制軌排的整體高程。這樣的傳統軌排粗鋪[1]方式固然可行，但需要耗費巨大的人力(最少需要5個人以上)、物力(需要用千斤頂來調整軌排位置)，而且在龍門吊吊裝過程中，存在一定的安全風險。最重要的是傳統工藝不能達到軌道精調[2]前所要求的軌排粗鋪的精度(卷尺量測的方法存在一定的誤差)，給后期軌道精調帶來不便，影響了整體工程的施工效率。

針對傳統施工工藝存在的精度低、調整費事費力、人工影響因素明顯等缺點，鄭萬高鐵提出智能化施工的理念，以機械設備及電腦程序組合的智能化裝備代替人工進行軌排粗鋪，使軌排粗鋪精度大幅提升，為此專門研發了粗鋪設備及其配套的新型嵌套式軌排進行軌排智能化粗鋪施工。

3 新型嵌套式軌排的研發及應用

新型嵌套式軌排[3]是在現有單梁式軌排的基礎上，根據自動化鋪設工藝要求，結合CRTS雙塊式無砟軌道施工工藝創新設計，其主要由外托梁、內托梁、高程調節裝置、中線調節裝置、內外托梁鎖緊裝置、軌排支護系統等組成，具體見圖1。新型嵌套式軌排重量輕、剛性強、結構簡潔，不需要專用支護調節固定，可以實現自動化軌排調節。通過托梁內外套滑動的方式實現軌向調整，徹底顛覆此前軌道幾何形位調整的固有思維，將軌向與高程獨立調節，實現軌向與高程的調節互不干涉。配合智能化[4]軌排粗鋪系統的使用，有效的縮短了道床施工中的精調工序作業時間。其設備特點：

圖1 新型嵌套式軌排結構

(1)高程調節采用高強度螺桿，并有地腳支撐座，調節省力。軌排中線調節采用高強度自鎖調節裝置，內托梁精調后不能變動。

(2)軌排設計結構精巧，通過自動初調系統、自動精調系統具備自升降、左右調整功能，不需要借助之前舊工藝中支撐件力量。

(3)精調后防側移、防上浮、軌排自動鎖死，無外部支撐件，減少對周邊施工的影響，極大的改善了線路施工環境，提高了線間物流通過能力。

(4)新型軌排強度高，緊固穩定，外形尺寸小，現場管理作業面清晰、干凈。

(5)高程螺柱底部設有保護座，消除傳統軌排對混凝土面的損害。

4 智能化軌排粗鋪系統研發與應用

隨著科學技術及機械智能化技術的不斷發展，在鄭萬高鐵建設中，為了提高無砟軌道施工效率，越來越多的智能化工裝設備[5]被廣泛應用。武九鐵路客運專線湖北有限責任公司牽頭組織研制了軌排粗鋪機，其具體結構見圖2和圖3。

圖2 單線軌排粗鋪機

圖3 雙線軌排粗鋪機

4.1 粗鋪機系統設計

軌排智能化粗鋪設備，是針對雙塊式無砟軌道道床施工工藝設計的機械化專用設備[6]。設備采用電腦編程控制系統與全站儀測距技術，自動追蹤敷設在設備上的棱鏡位置，通過專用測量軟件，計算出軌排坐標位置，驅動伺服動力系統將軌排準確定位鋪設。整個設備用于替代原來的人工吊運、鋪設，具有軌排變頻運輸和初鋪設功能，實現了軌排自動抓取、自動運輸和自動精確定位。軌排智能化粗鋪機系統主要由運輸系統、初鋪設系統和控制軟件系統組成。

4.1.1 運輸系統

運輸系統采用鋼架焊接結構，車體堅固耐用、結構簡單、操作靈活，主要用于軌排運輸。由焊接結構鋼制車架、維修平臺、行走輪、行走驅動裝置、定位裝置、電氣控制設備等組成。根據其行走方式可分為走行在梁面上的道床兩側軌道上和走行在橋面防護B墻上的龍門軌道上兩種形式。

(1)道床板兩側軌道式走行方式(見圖4)：在底座板兩側各設置一道24標準軌，只需將機器平穩放到作業工作面上便可進行施工作業，當左右線轉換時，可采用龍門吊進行吊裝轉換。

圖4 道床板兩側軌道式走行方式

(2)防護B墻上的龍門軌道走行方式(見圖5)：主機架采用龍門結構，跨雙線設計。行走在防護B墻上的龍門軌道上，軌排粗鋪施工[7]時可以輕松的前后行走，方便在左、右線進行施工轉換，減少梁面4道軌道的安拆作業，減少設備挪線、重新調整的時間，可連續作業，使工序減少，工作強度減少；機架前后裝有2套機械臂抓舉裝置，可進行龍門軌道拆卸轉運工作，龍門占用率降低，時間的利用率提高，節省人工成本20%以上。

圖5 防護B墻上的龍門軌道走行方式

4.1.2 初鋪設系統

初鋪設系統主要由焊接結構鋼制里程調整車架、中線調整車架、提升導向架、抓放手臂、行走輪、導向輪組、液壓油缸、液壓站、測量系統、控制系統等組成。主體采用鋼架焊接結構，車體堅固耐用、結構簡單、動作靈活，主要用于軌排鋪設。

(1)里程調整車架主要用于軌排里程方向的位置調整，由兩個獨立的車架組成，可單獨調整軌排抓取位置，又可以整體調整軌排位置。行程100 mm,定位精度5 mm。

(2)中線調整車架主要用于軌排中心線位置的調整，由兩個獨立的車架組成，可單獨調整軌排與線路中線的角度偏移位置，又可以整體調整軌排與中線偏移位置。行程100 mm,定位精度3 mm。

(3)提升導向架主要用于軌排抓取、提升、高程調整，行程800 mm,定位精度3 mm。

(4)抓放手臂主要用于軌排抓取、抱緊和放置，行程50 mm。

4.1.3 控制軟件系統

軌排粗鋪機與全站儀通過藍牙連接，外接手簿一個。通過手簿或機載電腦接受全站儀發送過來的數據，再反饋給軌排粗鋪機，指導軌排粗鋪機進行軌排高精度粗鋪調整。

工作原理：①提前將線路道床板軌道設計數據錄入進電腦軟件里，工作時通過全站儀測量掃描軌排粗鋪機上的棱鏡得到里程、高程及偏距數據。②反饋至手簿或者機載電腦進行計算比對，得到相對應的偏差值。③電腦發出命令驅動設備行走到指定位置進行軌排鋪設。控制軟件系統工作過程見圖6。

圖6 測量鋪設系統組成

4.2 軌排粗鋪施工工藝

軌排粗鋪機行走到達軌排預存放位置后，通過行走定位裝置使抓放手臂在軌排的設定位置上方手臂張開，系統控制提升裝置下降，位置感應器感應到鋼軌位置后抓放手臂關閉抱緊鋼軌，提升裝置上升將軌排吊起鎖定，行走車前行到達軌排鋪設位置后定位停止，等待軌排鋪設動作啟動。工藝流程見圖7。

圖7 軌排粗鋪流程

工作步驟：①全站儀依次掃描完4個棱鏡后，得到棱鏡的位置數據；通過數據電臺將4個棱鏡點的位置數據傳回作業平板電腦。②電腦上的軟件計算出當前軌排的控制點位置。③機載電腦將當前控制點位置與目標位置進行比較，可得出軌排初鋪時橫向、縱向、高程的偏移量。④機載電腦將偏移量數據發送到與之連接的工業PLC，PLC將驅動各個伺服調節機構進行偏移量修正。⑤修正后，全站儀進行復測，并將復測數據傳回平板電腦繼續進行比較，如果比較后偏移量為0或接近控制范圍，則認為調整到位，本次調整結束。否則重復進行以上步驟，直至調整結束。

實際運用中，軌排粗鋪機目前鋪設精度高程偏差0.5～9.3 mm，中線偏差0.0～2.6 mm。精度控制較好，可明顯減少精調作業時間，滿足施工要求。

4.3 智能化粗鋪機優點

(1)施工成本減少。應用智能化軌排粗鋪機，在無砟軌道施工中軌排粗鋪所需要的人力相比于傳統工藝大大減少，一臺軌排粗鋪車只需要一名人員就可以實現全部操作，減少了人員配置。由于軌排粗鋪機自帶抓取功能和運輸功能，從自動散枕開始到軌排定位結束，可以舍棄龍門吊，減少不必要的物力,從而節約了施工成本。

(2)安全系數提升。由于不再使用龍門吊以及操作人員的減少，整個軌排粗鋪過程中的安全系數大大增強。

(3)時間縮短，效率提高。智能化軌排粗鋪機大大縮短了軌排粗鋪的時間，相比于傳統工藝，現如今平均組裝6孔梁軌排所需要的時間與之前傳統工藝組裝5孔梁軌排所需時間相同，大大提高了整體工程的施工效率。

(4)粗鋪精度高。相比于傳統工藝吊鉛錘拉卷尺控制軌排粗鋪精度的方法，智能化軌排粗鋪機可以在全自動模式下實現自動調整軌排平面、高程等。通過里程調整架，可以實現將平面偏差控制在3 mm以內；通過抓取架，可以實現將高程偏差控制在 3 mm以內，軌排粗鋪精度的提高為后續的軌道精調創造了有利條件，提高了施工效率。

5 結束語

相比于傳統施工工藝，智能化軌排粗鋪機具有對高程、中線、里程精準控制的優點，軌排粗鋪工序質量穩定、節省人工，提高了工作效率。這一技術對其他類似鐵路項目施工有借鑒意義和推廣應用價值。