CRTSⅢ型板式無砟軌道智能化鋪設關鍵技術研究

耿冬梅

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

我國無砟軌道技術的發展大致經歷了普速鐵路無砟軌道探索及實踐、高速鐵路無砟軌道研究與試驗、高速鐵路無砟軌道規模應用及創新三個階段[1]。自2008年我國首條設計時速350 km的京津城際開通以來，我國高速鐵路進入快速發展期。截止到2020年底，我國高速鐵路開通運營里程近3.79萬km，正線主要采用無砟軌道，累計應用里程超過2.3萬km[2－3]。我國無砟軌道型式主要有CRTS型雙塊、CRTSⅠ型板、CRTSⅡ型板、CRTSⅢ型板等結構型式，其中CRTSⅢ型板式無砟軌道是在引進、消化吸收國外無砟軌道技術基礎上自主研發的無砟軌道型式。CRTSⅢ型板式無砟軌道相對于其他板式無砟軌道結構形式，具備更低的建設成本和建造難度，更加具備推廣性，自2009年成灌快速鐵路應用以來，逐漸成為我國高速鐵路的主要軌道形式之一[4]。目前，CRTSⅢ型板式無砟軌道已在鄭徐客專、昌贛客專、商合杭客專、京張高鐵、贛深高鐵等全國范圍內大規模推廣建造。隨著該板式無砟軌道施工技術日趨成熟，CRTSⅢ型板式無砟軌道必將成為國內高速鐵路無砟軌道的主流技術[5－6]。

2 CRTSⅢ型板式無砟軌道施工技術現狀

(1)底座施工方面

當前無砟軌道底座的布料整平工序勞動強度較大，自動化水平不高，且因不同操作人員造成的人為干擾因素較大，施工過程中的數據不可控。傳統無砟軌道底座施工主要采用人工整平或簡易整平方式，在施工過程中由于人為因素導致振搗不足、標高控制不準、凹槽四角易產生裂紋等病害。

(2)軌道板施工方面

CRTSⅢ板式無砟軌道施工精調方法是“精調爪＋全站儀＋測量標架＋精調工具＋人工精調”法，調節過程要經過多次測量、多次調節，典型的全人工作業模式，工序繁雜、人力投入多、工作量大、精調效率低，且精調爪精調的精度受人工影響因素較大，精度得不到有效控制。自動化、智能化施工精調技術在國內外CRTSⅢ板式無砟軌道施工項目中尚未形成一套完整的、成熟的施工方法。

(3)自密實混凝土施工方面

自密實混凝土在運輸過程中會因溫度變化、運輸距離等因素產生性能的變化，從而影響混凝土灌注質量。隨著智能化時代的到來，智能制造成為混凝土行業改革升級的熱點問題之一。自密實混凝土工作性能是反映新拌混凝土質量的重要指標，如何能夠通過智能化的監測手段實現混凝土指標的快速、有效的評判，是混凝土生產行業正在面臨的難題[7－8]。

(4)鋼軌精調方面

一方面，承軌臺復測是施工質量控制的必要工序，目前主要依靠人工進行，由于人工承軌臺數據采集、分析不夠，導致后續標準調整墊板大量更換，造成材料、人工成本與時間浪費。另一方面，我國已在CRTSⅢ型板式無砟軌道鋼軌精調相關的加工精度檢測、鋼軌精調技術、鋼軌平順性計算和控制技術等環節開展了卓有成效的研究，為了提升鋼軌精調效率，第三代鋼軌精調技術國產化的問題亟待解決。

3 CRTSⅢ型板式無砟軌道智能化施工關鍵技術解決方案

隨著鐵路智能建造概念的提出，CRTSⅢ型板式無砟軌道的智能化施工技術升級成為我國鐵路施工技術人員的努力方向，結合智能化建造技術和智慧鐵路的設計及施工特點，制定合理的設計方案，形成可控的技術參數和指標。相關工程技術利用三維建模軟件進行結構設計，大型計算機分析軟件進行結構計算，采用云服務器進行數據存儲，對部分新技術采用試驗驗證，全面體現自動化、智能化、信息化及安全監控技術。

CRTSⅢ型板式無砟軌道智能化鋪設通過采用底座一體化自動整平設備、軌道板智能化精調設備及精調軟件、自密實混凝土灌注質量監測技術、鋼軌預精調、鋼軌精調和精調信息化技術，形成智能化無砟軌道施工物流組織模式和流水作業法施工技術，提高施工作業效率，實現數據可控，實時上傳，通過點云復測及鋼軌精調提高無砟軌道精度，減少鋼軌精調次數，提高精調效率，實現信息化、智能化施工的目的[9]。

基于傳感器設計，底座一體化自動整平設備可實現底座高程、反坡的自動成型，實現自動尋跡施工。基于浮動坐標系建模法、5G技術，實現智能精調，軌道板智能化精調設備可實現測量數據自動讀取與運算，精調數據自動傳輸，通過多點聯動實現實時調整，滿足高效施工。自密實混凝土灌注質量監測提出了一種裝備有自密實混凝土工作性能實時監測調節系統的罐車，通過數據采集實時監測運輸過程的自密實混凝土質量，保證自密實混凝土灌注性能。基于快速獲取的高精度三維激光掃描點云，利用無控制表面匹配技術和穩健估計方法完成軌道板每個承軌臺空間位置和姿態測量，開展了鋼軌預精調研究，指導扣件選型，減少精調次數。基于鋼軌精調和精調信息化提出了附有多種約束條件的軌道自動化精調算法，研發了新一代精調小車，并完成了鋼軌精調信息系統，解決了精調施工過程中精測方法、精調算法和精調工藝不統一的問題，完成了控制精度、提高效率、降低成本的研究目標。

4 CRTSⅢ型板式無砟軌道智能化施工關鍵技術

開展了CRTSⅢ型板式無砟軌道智能化鋪設關鍵技術及裝備的研究工作，通過深化研究底座自動尋跡施工、軌道板智能化精調、自密實混凝土監測、鋼軌精調及精調信息化等施工工序的智能化升級，滿足現代化高速鐵路施工技術的發展需求，解決了施工單位在高鐵建造領域的痛點，進一步推動高速鐵路的智能化及產業化發展。

4.1 底座自動尋跡施工技術

底座自動尋跡施工通過底座一體化自動整平設備實現。在現有底座施工設備的基礎上，一體化自動整平機創新地配置了自動尋跡檢測系統，通過標線讀取傳感器控制底座標高，水平傾角傳感器通過線路超高值控制道床頂面傾斜角度控制道床超高，設備可邊走行邊施工，無需人工干預，自動完成直線段、曲線段底座斷面施工。基于數字化設計的底座一體化自動整平設備(見圖1)集自動振搗、自動抹平、自動尋跡施工等功能為一體，有效提高了底座的施工質量和精度、提高了施工效率、減少了作業人員的勞動強度和作業人員的投入，實現了混凝土澆筑工序作業的機械化與自動化。

圖1 底座一體化自動整平設備

4.2 軌道板智能化精調技術

每塊軌道板通過兩側吊裝孔處預埋螺栓安裝兩組精調托架，兩端通過高程螺桿支撐在底座上，托架上設置有內置式中線調節機構。軌道板智能化精調設備的六軸聯調機構分別與精調托架的調節螺桿連接。精調時，精調機上位機軟件讀取全站儀測量數據后傳輸給下位機控制系統，下位機軟件經過計算將執行數據傳輸給執行機構，即可實現自動進行軌道板幾何狀態參數的高精度、快速調整[10]。傳統精調手段耗時15 min/塊，而采用軌道板智能化精調技術單塊板的調整僅需5 min，調整精度也實現了0.1 mm級。信息化系統的設計實現了精調數據的自動傳輸與實時調整，并可實現數據追蹤與自動存儲[11](見圖2)。

圖2 軌道板智能化精調設備

4.3 自密實混凝土監測技術

研發了基于高頻微波的拌和站混凝土質量智能調控技術，在攪拌機中創新地使用了混凝土濕度傳感器進行混凝土性能參數監測。基于高頻微波，通過含有水分混凝土后的微波相移和衰減，測量攪拌機內混凝土的水分含量，自動計算并控制每盤的用水量，從而保證混凝土坍落度或坍落擴展度的一致性。經隨機測試可知，混凝土實測坍落度與濕度傳感器測試兩組數據有良好的相關性，相關系數達到0.97。混凝土質量智能調控技術可實現攪拌機中混凝土工作性能的有效監測，保證混凝土用水量的準確性，進一步提升了混凝土工作性能、力學性能和耐久性。混凝土工作性能監測示意見圖3。

圖3 混凝土工作性能監測示意

4.4 鋼軌精調及精調信息化

(1)鋼軌預精調

基于高精度三維激光掃描點云技術，利用相鄰CPⅢ控制點間多個測站完成軌道板點云采集與拼接，獲得統一局部坐標系點云。拼接軌道板點云完成工程坐標系轉化后，取出承軌臺區域點云，構建高精度承軌臺模型。對構建的承軌臺模型采用穩健高斯－牛頓坐標轉換算法，確定拼接后CRTSⅢ軌道板點云中每個承軌臺的空間位置和姿態，即可實現承軌臺的復測，承軌臺位置偏差小于0.2 mm，為精確匹配扣件提供參考[12]。

(2)長鋼軌精調及精調信息化

基于加速度計和陀螺儀的慣性測量信息，結合位移傳感器、傾角傳感器等的測量值及曲線、超高等線路信息，提出了附有多種約束條件的軌道自動化精調算法及軌道幾何參數采集設備，與人機交互方式相比，相鄰點變化率控制精度由±0.8 mm/m提升至±0.67 mm/m。研發了包含基礎、業務、管理和維護四個模塊的鋼軌精調信息系統，完成了控制精度、提高效率、降低成本的項目目標，為鐵路工程建設質量管理提供了規范化、標準化、系統化的綜合信息服務。軌道幾何參數采集設備產品照片見圖4。

圖4 軌道幾何參數采集設備

5 結束語

CRTSⅢ型板式無砟軌道的智能化鋪設關鍵技術，實現了軌道板的高精度、快速調整，解決了鋼軌精調次數多、扣件更換率高等技術難題，進一步完善了我國無砟軌道智能施工技術體系，包括:CRTSⅢ型底座自動尋跡施工技術、CRTSⅢ型軌道板智能化精調技術、自密實混凝土灌注質量監測技術、鋼軌精調和精調信息化施工技術等。該套技術取得了以下創新:

(1)基于現有底座成型施工技術，提出了自動尋跡的施工方法，實現了直線段/曲線段底座頂面標高及道床頂面超高的自動控制，完成高速鐵路無砟軌道底座混凝土的自動攤鋪和整形，提升了底座成型的施工效率和施工質量。

(2)基于迭代自學習理論，研制了CRTSⅢ型板式無砟軌道自動精調體系配套裝備，利用軌道板精調機對軌道板支撐體系空間位置的智能化控制，實現軌道板幾何狀態的智能化調整，形成軌道板智能化精調技術，軌道板精調效率提升了60%以上。

(3)首次在鐵路工程用攪拌機組中加入混凝土濕度傳感器進行混凝土坍落度監測，確保了混凝土單方用水量的一致性，實現了混凝土性能參數的實時采集與遠程控制。

(4)研制了集動靜結合的快速采集設備，提出了附有多種約束條件的軌道自動化精調算法，并基于Spring Boot、mybatis-plus等開發完成了鋼軌精調信息系統，解決了精調施工過程中精測方法、精調算法和精調工藝不統一的問題，實現了無砟軌道從設計、施工到養護維修全生命周期的信息化管理。

該套施工技術滿足350 km/h及以下高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道智能化鋪設需求，為我國板式無砟軌道施工技術智能化發展奠定了基礎。