CRTS雙塊式無砟軌道一體化底座模板系統和自動整平設備研發與應用

高貴 趙永強

1.武九鐵路客運專線湖北有限責任公司，武漢430212；2.天津天一軌道交通設備有限公司，天津301700

傳統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存在的主要問題有：①人為操作導致振搗不足，標高、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，勞動強度大，效率低；③施工工藝落后，機械化程度低；④施工未實現信息化，過程數據缺乏，質量波動大［1-2］且不可追溯；⑤相鄰底座板單元間錯臺較大，凹槽四角易產生裂紋等病害［3-4］。為此，研發了一體化底座模板系統和自動整平設備。本文對其進行介紹，并在工程現場驗證其效果。

1 一體化底座模板系統

CRTS雙塊式無砟軌道底座板為C40鋼筋混凝土結構。長度L≥150 m路基地段底座板單元間設置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構，設置100 mm寬的板縫。底座板對應每塊道床板設置2個上表面尺寸為1 022 mm（長）×700 mm（寬）的限位凹槽。

一體化底座模板系統以32 m簡支梁長度為單元進行設計，見圖1。底座板模板為鋼制定型模板，由縱向模板、支撐系統、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

1.1 縱向模板及支撐系統

縱向模板由長3.0 m標準模板和兩端各1塊調整模板組成，安裝時以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整平設備提供軌道固定基礎，通過縱向模板支撐系統和軌道調節座調整軌道頂面的標高。

每塊標準模板在模板中間和距離模板兩端法蘭200 mm處設置支撐系統。縱向調整模板的支撐位置和數量視模板的長度而定。其支撐系統由絲桿支撐（平撐、斜撐絲桿各1根）、1個軌道調節座和1根地錨組成，如圖2所示。平撐絲桿用于調整縱向模板底部位置，斜撐絲桿用于調整縱向模板的垂直度。絲桿、地錨和模板孔形成一個三角形，確保縱向模板穩固，調整方便。

圖2 底座模板的支撐系統

1.2 伸縮縫模板

伸縮縫寬20 mm時伸縮縫模板采用聚乙烯泡沫塑料板，其頂面低于設計底座板頂面5 mm。

伸縮縫寬100 mm時伸縮縫模板采用定型鋼模與泡沫板組合結構。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個豎向螺栓和5個U形鋼筋卡固定，兩端橫向托架處的調節螺栓用于托架安裝和移位。伸縮縫模板縱向間隙內填充泡沫膠。

采用以上兩種伸縮縫模板均便于底座板自動整平設備通過伸縮縫，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個凹槽、1塊底板、4個壓板、4個調節螺母、4個反壓螺栓和4個預埋螺桿組成，底面四周設有壓板和反壓螺栓，如圖4所示。其中：凹槽沖壓成型，四角設置R100 mm圓弧，底部設置4個安裝孔；底板放置在凹槽下方中間部位；調節螺母安裝在預埋螺桿上，用于支撐和調節凹槽標高；反壓螺栓可有效固定凹槽模板；預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軌道調節座上。

2 底座板自動整平設備的研究與應用

2.1 底座板自動整平設備現狀及技術要點

目前國內底座板整平設備在板式無砟軌道中應用較多，其整平功能僅實現了機械化，施工過程須專業測量人員和工人配合，對模板參數和軌道標高進行調整。為此，課題組借鑒無砟軌道精調技術，開展了底座板自動整平設備的研究。技術要點有：①其主要應用于混凝土澆筑后的攤鋪和成型；②整平機構由模板組件、軌道和整平設備組成；③施工時通過現場CPⅢ點全站儀完成自由設站，全站儀測量數據經無線藍牙模塊［5］傳輸給整平設備；④整平設備根據預先存儲的線路設計值，分析全站儀測量數據，自動追蹤、指導設備運行軌跡，實現底座板混凝土頂面的自動整平［6-7］。

2.2 底座板自動整平設備的組成及功能

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

三種設備的走行方式為：①施工時調軌設備可直接走行在底座板縱向模板的頂部軌道，不需測量標高。②梁軌設備行走在梁面軌道，雙線設備行走在防護墻外側。施工時這兩種設備均可通過全站儀測量數據實時調整行走標高。

三種設備均可遙控操作，具備推平布料、振搗密實、提漿、整平塑型等功能，可實現底座板標高、兩側排水坡一次成型，自動振搗、自動抹平。其強力振動器的振動頻率達3 000次/min，確保混凝土振搗密實、均質。

2.2.1 調軌設備

調軌設備（圖5）由機架、發電機組、控制柜和行走系統、升降系統、前部推平機構、整平系統、高壓清洗機等組成。其中：前部推平機構設置有推平板和附著式振動器，用于澆筑混凝土初平和振動提漿；整平系統對混凝土表面予以整形并控制頂面標高。

圖5 調軌設備（單位：mm）

前部推平機構和整平系統是調軌設備的核心，具有螺旋扒料、振動抹平、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路基或橋梁底座板寬度調整，適用于直線、曲線不同段落，做到一機多用。

2.2.2 梁軌設備

梁軌設備（圖6）主要由行走、整平（螺旋扒料、振動抹平、圓輥壓光）、升降、測量、控制和無線傳輸等系統構成。利用測量系統［8-9］、控制系統實現底座板頂面標高調整，及混凝土的扒料整平、自動振搗、自動抹面成型和自動復測。

圖6 梁軌設備（單位：mm）

測量、控制系統主要工作流程如圖7所示。具體內容為：①施工前將線路的平面參數、縱坡參數、超高參數、控制樁坐標等數據輸入全站儀和整平設備手簿軟件中，手簿軟件進行線路模擬分析。②通過現場CPⅢ點全站儀完成自由設站后，設為自動測量模式。③全站儀測量系統實時追蹤測量整平設備上棱鏡的位置，通過無線傳輸系統將實測值發送給手簿。④對比設計值和實測值后，手簿將偏差發送給可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。⑤PLC接受到信號后，向手簿發送接收成功信號。PLC將接受到的數值和時間顯示在人機交互界面（Human Machine Interface，HMI）上，同時將所接收到的信息經過運算和處理，通過交換機將指令下發給行走、螺旋扒料、振動抹平和圓輥壓光各系統。⑥各系統通過伺服驅動器、行走變頻器、調節變頻器、螺旋布料變頻器、振動變頻器等驅動設備的運行，完成混凝土布料后的頂面標高控制、自動扒料整平、自動振搗提漿、自動抹面成型等工作。⑦各系統將當前運行狀態和參數再反饋給PLC。PLC將設備的各種信息和當前的運行狀態顯示在HMI上，便于使用者觀察施工和設備運行情況。⑧開始下一個工作循環。

圖7 測量、控制系統主要工作流程

2.2.3 雙線設備

雙線設備（圖8）主要由橫向移動系統、縱向行走系統、發電機組、整平機芯（整平系統、升降系統、測量系統、控制系統和無線傳輸設備）等構成。利用測量系統、控制系統實現底座板頂面標高調整，混凝土自動扒料、自動振搗。

圖8 雙線設備

部件組成：①橫向移動系統主要由鋼架、行走輪、導向輪、回轉支撐、行走驅動裝置、電器控制設備等組成。根據施工線路進行橫向變線，也可根據施工方向（上行、下行）進行180°旋轉。②縱向行走系統采用橫跨雙線的龍門架結構，可共用龍門吊走行軌。其主要由龍門架、吊裝架、行走輪、發電機組、行走驅動裝置、定位裝置、電器控制設備等組成。底座板混凝土施工時，縱向行走系統可根據信息指令前后自動行走。③整平機芯與橫向移動系統的回轉支撐連接，主要由整平系統、升降系統、測量系統、控制系統、無線傳輸設備等組成，如圖9所示。

圖9 整平機芯

工作步驟：①通過橫向移動系統選擇施工線路和方向。②通過全站儀測量棱鏡位置，手薄軟件計算處理后，通過無線通訊模塊將數據傳輸給控制系統。③控制系統接收到數據后，控制升降系統進行標高調整；同時控制整平系統中的螺旋扒料、振動抹平和圓輥壓光子系統啟動。④控制行走系統前進，實現混凝土的扒料、振搗、整平和壓光。

通過控制行走速度、螺旋轉速、激振頻率，實現對底座板混凝土標高、平整度和密實度的有效調控，滿足施工要求。

三種設備完成測量、信號及數據傳輸、指令下達、設備運行、結果反饋等一個閉合流程僅需10～20 s，施工過程中布料速度可通過遙控器或觸摸屏調整。

3 工程應用

一體化底座模板系統和自動整平設備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用，并持續改進和優化，已陸續在鄭萬（重慶段）、安九（湖北段）、贛深（廣東、江西段）等高速鐵路上推廣應用。

現隨機選取鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-1標白水河、朱集雙線特大橋和ZWZQ-4標漢江雙線特大橋，對比采用一體化底座模板系統和自動整平設備與傳統人工或簡易整平方式施工的工效、經濟效益，見表1。其中：設備費和人工成本以ZWZQ-4標漢江雙線特大橋（全橋長28.384 km）為例計算。采用一體化底座模板系統和調軌設備施工時設備費和人工成本為：0.63×28 384/260+18/3=74.78萬元。采用其他設備施工時計算方法類同。

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和自動整平設備與傳統人工或簡易整平方式工效、經濟效益對比

由表1可知，采用一體化底座模板系統和自動整平設備施工人員減少10～15人，單孔32 m簡支梁用時減少10～25 min，每工作日多施工40～170 m，經濟效益增加111.33萬～130.08萬元。傳統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和自動整平設備施工平整度誤差±1.5 mm，高程誤差±3 mm，密實度提高30%，各項指標均滿足規范［10］要求；作業人員減少36%～54%，勞動強度降低，施工效率提高2倍。

與傳統人工或簡易整平施工相比，該模板安拆簡便，剛性好，重量輕；凹槽定位準確、伸縮縫可自由調節；通過全站儀測量數據控制自動整平設備，可實現平整度、標高、兩側排水坡一次施工到位；施工效率大幅提升，精度高，質量穩定可靠，經濟效益顯著。

4 結語

針對傳統雙塊式無砟軌道底座板施工設備落后，施工過程數據不可控、質量波動大和不可追溯，底座板凹槽四角易產生裂紋等病害，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，研發了一體化底座模板系統和自動整平設備，大幅提高了施工效率和精度，實現了底座板施工過程的智能化、信息化和質量可追溯。該一體化底座模板系統和自動整平設備可通用于路基、橋梁直曲線段各種工況無砟軌道底座板施工，值得推廣。