高鐵1 000 t/40 m梁過隧運架分體式架橋機對比研究

何建華

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

高鐵1 000 t/40 m預(yù)制簡支箱梁[1－2]，是我國最新研究設(shè)計的，目前國外還沒有這種梁型。為推廣應(yīng)用這種千噸級40 m高鐵簡支箱梁，國內(nèi)一些學(xué)者展開了相關(guān)研究。葉陽升等[3]梳理了我國高速鐵路簡支箱梁常用跨度的發(fā)展歷程，分析了發(fā)展40 m簡支箱梁的必要性、預(yù)制架設(shè)技術(shù)的可行性，與32 m簡支箱梁比有一定的經(jīng)濟優(yōu)勢；并得出開展高速鐵路40 m跨簡支箱梁技術(shù)可行，可形成成套設(shè)計、預(yù)制、架設(shè)等建造新技術(shù)。胡所亭等[4]闡述了我國高速鐵路標準梁的技術(shù)參數(shù)體系、建造技術(shù)，指出了標準梁設(shè)計優(yōu)化及建造、運維等發(fā)展方向。陳叔等人[5－6]總結(jié)了高速鐵路箱梁技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合鄭濟高鐵工程，開展了40 m/1000 t級制運架全套施工技術(shù)研究，其中運梁、架梁分別由運梁車與架橋機進行施作。諶啟發(fā)等[7]研制出了40 m/1 000 t級滿足高速鐵路隧道口架梁、≥R2000 m曲線架梁、≤30‰大坡度架梁的提、運、架成套施工設(shè)備，其中運架設(shè)備有運架分體機、運架一體機兩種。這些研究，在運架分體式架橋機方面，僅從設(shè)備自身方面展開了研究，沒有進行設(shè)備之間的橫向?qū)Ρ妊芯俊；诖耍疚膶δ壳耙压こ虘?yīng)用的高鐵1 000 t/40 m梁過隧運架分體式架橋機進行了橫向?qū)Ρ龋怨┩袇⒖肌?/p>

2 高鐵1 000 t/40 m梁過隧運架分體式架橋機研制及應(yīng)用現(xiàn)狀

運架分體式架橋機(簡稱“運架分體機”)，由運梁車、架橋機這兩種設(shè)備組成，其運梁、架梁功能分別由運梁車、架橋機完成。新研制的高鐵1 000 t/40 m簡支箱梁過隧運架分體式架橋機，滿足運輸20～40 m(含)簡支箱梁的過隧架梁、隧道口架梁，也可在縱坡≤30‰、曲線半徑≥2 000 m的線路上架梁，且配有智能信息化管理系統(tǒng)。各單位研制的運梁車與架橋機，是配套使用的，這樣才能充分發(fā)揮設(shè)備的性能，提高施工效率。

高鐵1 000 t/40 m簡支箱梁，由于國外沒有研制出這種梁型，相應(yīng)運架裝備僅國內(nèi)展開了研究。目前參與過隧運架分體式架橋機研制的單位，主要有5家，即中鐵十一局(中鐵十一局集團有限公司)聯(lián)合中鐵五院(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司)、中鐵二局(中鐵二局集團有限公司)聯(lián)合中鐵機械院(中鐵工程機械研究設(shè)計院有限公司)、通聯(lián)重工(秦皇島天業(yè)通聯(lián)重工股份有限公司)、鄭州新大方(鄭州新大方重工科技有限公司)、邯鄲中鐵(邯鄲中鐵橋梁機械有限公司)等。從高鐵1 000 t/40 m梁推廣應(yīng)用的鐵路項目上使用過隧運架分體式架橋機的數(shù)量來看，前兩家占絕大多數(shù)；另外，從公開發(fā)表的文獻看，后三家的也少見報道。因此，下面僅對前兩家的過隧運架分體式架橋機(見表1)進行對比研究。

表1 高鐵1 000 t/40 m梁過隧運架分體式架橋機統(tǒng)計

3 高鐵1 000 t/40 m梁過隧運架分體式架橋機對比

從第2章分析可知，目前高鐵1 000 t/40 m梁過隧運架分體式架橋機主要有2套，分別為“YLS1000運梁車 ＋JQS1000架橋機”、“TJ-YLS1000/40運梁車＋TJ-JQS1000 t/40 m架橋機”。下面從運梁車、架橋機的設(shè)備組成、主要技術(shù)參數(shù)、過隧設(shè)計措施、各套運架梁作業(yè)流程、實際運架梁效果等方面對這兩套過隧運架分體式架橋機進行對比分析。

3.1 運梁車(YLS1000、TJ-YLS1000/40)對比

3.1.1 設(shè)備組成

(1)YLS1000運梁車

YLS1000運梁車由車體、走行輪組、頂升裝置、馱梁臺車、液壓支腿、制動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、司機室等組成，如圖1所示[8]，它屬低位過隧運梁車。

圖1 YLS1000運梁車

(2)TJ-YLS1000/40運梁車

TJ-YLS1000/40運梁車由車架、懸掛總成、前后馱梁機構(gòu)、動力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成，如圖2所示[9]，它也屬低位過隧運梁車。

圖2 TJ-YLS1000/40運梁車

3.1.2 主要技術(shù)參數(shù)(見表2)

表2 運梁車主要技術(shù)參數(shù)對比

續(xù)表2

3.1.3 過隧設(shè)計措施

為實現(xiàn)馱運40 m箱梁通過高鐵350 km/h、斷面半徑R6650 mm的隧道，馱運高鐵32 m箱梁通過250 km/h、斷面半徑R6410 mm的隧道，兩運梁車都采取了相應(yīng)設(shè)計措施。

3.1.3.1 YLS1000運梁車過隧設(shè)計措施

(1)車體截面采用槽型結(jié)構(gòu)。從圖3[10]可以看出，槽型結(jié)構(gòu)與箱梁截面形狀貼合，充分利用箱梁截面兩側(cè)空間，有效降低運梁車高度。馱梁臺車支撐情況下，中位馱運箱梁時的高度僅有1 500 mm，比32 m低位運梁車1 700 mm還低200 mm。

圖3 YLS1000運梁車斷面(中位馱運)

(2)采用多軸、小輪胎設(shè)計方案。全車共31軸、248個輪胎；懸掛輪組采用雙胎并置和寬基小輪胎，不僅增大了軸線荷載，同時降低了懸掛高度，也有效降低了整機高度。

(3)采用板式馱梁臺車。如圖4所示，板式馱梁臺車由鏈條牽引，滑動走行；這與傳統(tǒng)的輪軌走行機構(gòu)比，也降低了運梁高度。

圖4 板式馱梁臺車

(4)為馱梁過隧，除上面這3點設(shè)計措施外，還要采取:第一是懸掛輪組從中位下降90 mm(從表2知其調(diào)節(jié)范圍為±210 mm)；第二是運梁時不用馱梁臺車支撐，改用墊箱支撐，使運梁車馱梁高度進一步降低，此時僅有1 246 mm高，滿足40 m高鐵箱梁過隧要求。

(5)該運梁車設(shè)有自動糾偏、激光測距防撞系統(tǒng)，讓其馱運40 m箱梁在隧道內(nèi)行駛時自動駕駛，確保箱梁快速、安全通過隧道。

3.1.3.2 TJ-YLS1000/40運梁車過隧設(shè)計措施

(1)車體截面采用U型結(jié)構(gòu)(見圖5)。U型結(jié)構(gòu)充分利用了箱梁截面兩側(cè)空間，有效降低運梁車高度。非臺車支撐時，中位馱運箱梁時的高度僅有1 300 mm。

圖5 TJ-YLS1000/40車體結(jié)構(gòu)橫截面示意

(2)采用多軸、小輪胎設(shè)計方案。全車共27軸、216個輪胎；懸掛輪組采用雙胎并置和寬基小輪胎(定制的，外徑920 mm)，不僅增大了軸線荷載，同時降低了懸掛高度，也有效降低了整機高度。

(3)采用低位重型移運器馱梁臺車。如圖6所示，移運器馱梁臺車由雙排滾子鏈條牽引，滾動走行；這與傳統(tǒng)的輪軌走行機構(gòu)相比，也降低了運梁高度。

圖6 移運器馱梁臺車示意

(4)設(shè)計的非臺車支撐中位運梁高度僅有1 300 mm，可以中位運梁過隧，但為安全考慮，懸掛輪組從中位再下降100 mm(從表2知其調(diào)節(jié)范圍為±250 mm)，使運梁車馱梁高度進一步降低，此時僅有1 200 mm高，滿足40 m高鐵箱梁過隧要求。

(5)該運梁車也設(shè)有自動糾偏、激光測距防撞系統(tǒng)，馱運40 m箱梁在隧道內(nèi)行駛時自動駕駛，確保安全通過隧道。

3.1.4 運梁車對比分析

根據(jù)前面 YLS1000運梁車、TJ-YLS1000/40運梁車各自的設(shè)備組成、主要技術(shù)參數(shù)、過隧設(shè)計措施來看，兩運梁車主要有如下的相似與不同。

3.1.4.1 兩運梁車主要相似點

(1)車體截面相似。兩運梁車采用槽型(或U型)結(jié)構(gòu)，這是利用預(yù)制箱梁截面兩側(cè)空間，降低運梁高度的核心措施。

(2)都采用雙胎并置和寬基小輪胎的懸掛輪組方案。

(3)都設(shè)有自動糾偏、激光測距防撞系統(tǒng)，有自動駕駛過隧功能。

(4)都有八字、半八字、斜行、直行等轉(zhuǎn)向模式，都是低位運梁車。

3.1.4.2 兩運梁車主要不同點

(1)馱梁臺車不同。YLS1000運梁車的馱梁臺車是板式馱梁臺車(見圖4)，是鏈條牽引、滑動走行；TJ-YLS1000/40運梁車的馱梁臺車是移運器馱梁臺車(見圖6)，是鏈條牽引、滾動走行。一個滑動，一個滾動，受到的摩擦阻力不一樣。

(2)外觀尺寸、輪胎個數(shù)、輪軸數(shù)、自重、最小轉(zhuǎn)彎半徑不一樣。YLS1000運梁車的長寬高為59.35 m×8.04 m ×4.2 m，248 個輪胎，31 輪軸，自重475 t，最小轉(zhuǎn)彎半徑為78 m；TJ-YLS1000/40運梁車的長寬高為51 m×9.1 m×3.6 m，216個輪胎，27輪軸，自重440 t，最小轉(zhuǎn)彎半徑為60 m；TJ-YLS1000/40運梁車短8 m多，輕35 t，當(dāng)然油耗少，最小轉(zhuǎn)彎半徑也小。

(3)整車配的柴油機額定功率不同，空、重載運行速度也不一樣。YLS1000運梁車的柴油機是2×447 kW，空、重載最大運行速度為8、4 km/h；TJYLS1000/40運梁車是2×522 kW，空、重載最大運行速度為10、5 km/h。功率大，運行速度快，運梁效率高。

3.2 架橋機(JQS1000、TJ-JQS1000 t/40 m)對比

3.2.1 設(shè)備組成

(1)JQS1000架橋機

JQS1000架橋機由前輔助支腿、前支腿、機臂、中支腿、前后起重小車、后支腿、后輔助支腿、司機室、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)等組成，如圖7所示[11]。該機為一跨步履式架橋機，采用雙主梁、5條支腿形式；后輔助支腿僅用于架橋機轉(zhuǎn)場，前、中、后及前輔助支腿協(xié)作完成架橋機過孔作業(yè)。

圖7 JQS1000架橋機

(2)TJ-JQS1000 t/40 m架橋機

TJ-JQS1000 t/40 m架橋機由主梁、前支腿、輔助支腿、后支腿、起升系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成，如圖8所示。該機也為一跨步履式架橋機，采用雙主梁、3條支腿形式，過孔通過前、后、輔助支腿完成。

圖8 TJ-JQS1000 t/40 m架橋機

3.2.2 主要技術(shù)參數(shù)(見表3)

表3 架橋機主要技術(shù)參數(shù)對比

續(xù)表3

3.2.3 過隧設(shè)計措施

為實現(xiàn)YLS1000運梁車馱運JQS1000架橋機、TJ-YLS1000/40運梁車馱運TJ-JQS1000 t/40 m架橋機通過時速250 km高鐵、斷面半徑R6410 mm的隧道(時速350 km高鐵的隧道斷面半徑R6650 mm)，兩架橋機都采取了相應(yīng)設(shè)計措施。

3.2.3.1 JQS1000架橋機過隧設(shè)計措施

(1)雙向折疊式中支腿的設(shè)計[13]。過隧前，起重小車把中支腿的下橫梁提吊在架橋機前方，翻折油缸將中支腿的聯(lián)系梁和立柱整體翻折90°，用電動葫蘆再翻折聯(lián)系梁與立柱成75°，這樣雙向翻折后的中支腿可通過隧道。

(2)通過設(shè)計的前支腿下柱體翻折及內(nèi)柱體伸縮，前輔助支腿三級大伸縮，后輔助支腿、后支腿翻折等，滿足過隧凈空要求。

(3)起重小車采用重型移運器走行，并采用卷揚機分列式布置設(shè)計，降低了起重小車的高度，有利于過隧。

(4)馱運支架設(shè)計成可升降式，來實現(xiàn)運梁車馱運架橋機通過隧道。

3.2.3.2 TJ-JQS1000 t/40 m架橋機過隧設(shè)計措施

(1)設(shè)計了雙向折疊式后支腿。過隧前，前起重小車把后支腿的底橫梁及走行機構(gòu)提吊在架橋機前方，通過翻轉(zhuǎn)折疊機構(gòu)對后支腿豎曲梁及上橫梁進行翻轉(zhuǎn)折疊，先翻轉(zhuǎn)下部，再水平折轉(zhuǎn)至與主梁平行，這樣雙向翻折后的后支腿可通過隧道。

(2)設(shè)計了可旋轉(zhuǎn)折疊的輔助支腿。在架橋機過隧道工況下，通過油缸使輔助支腿旋轉(zhuǎn)翻折至主梁平行，滿足過隧凈空要求。

(3)設(shè)計了可翻轉(zhuǎn)折疊三角形前支腿。前支腿下部結(jié)構(gòu)(底橫梁及斜撐桿下鋼銷)簡單拆解，翻轉(zhuǎn)折疊，即可滿足過隧要求。

(4)起重小車采用重型移運器走行，且卷揚機與起重小車分開布置設(shè)計，這有效降低了起重小車的高度，有利于過隧。

(5)馱運支架設(shè)計成可升降式，采用低位馱運來實現(xiàn)運梁車馱運架橋機通過隧道。

3.2.4 架橋機對比分析

根據(jù)前面JQS1000架橋機、TJ-JQS1000 t/40 m架橋機各自的設(shè)備組成、主要技術(shù)參數(shù)、過隧設(shè)計措施來看，兩架橋機主要有如下的相似與不同。

3.2.4.1 兩架橋機主要相似點

(1)皆采用雙主梁形式，都為一跨步履式架橋機，都能通過運梁車馱運過隧，都能架24、32、40 m雙線整孔箱梁及20～40 m非標梁。

(2)起重小車走行方式相同，都是采用重型移運器走行，這有利于降低整機高度，是過隧主要設(shè)計措施之一。

(3)斷面最寬的支腿(JQS1000架橋機是中支腿，TJ-JQS1000 t/40 m架橋機是后支腿)，都采用了雙向折疊設(shè)計，來滿足運梁車馱運架橋機過隧需要。

(4)都有安全監(jiān)控系統(tǒng)，確保架梁安全。

3.2.4.2 兩架橋機主要不同點

(1)支腿數(shù)量不同。JQS1000架橋機有5條支腿，架橋機過孔作業(yè)需要前、中、后及前輔助支腿(4條支腿)協(xié)作完成，后輔助支腿僅用于架橋機轉(zhuǎn)場；TJ-JQS1000 t/40 m架橋機有3條支腿，從構(gòu)造上少2條支腿，架橋機過孔作業(yè)需要前、后、輔助支腿(3條支腿)協(xié)作完成。

(2)起升卷揚機的布置位置不同。JQS1000架橋機的卷揚機和起重小車并在一起、分列式布置；TJ-JQS1000 t/40 m架橋機的卷揚機布置在雙主梁的最后端，不跟起重小車在一起。

(3)外觀尺寸、自重、整機功率不一樣。JQS1000架橋機的長寬高為90.5 m×18.5 m×10.2 m，自重650 t，整機功率200 kW；TJ-JQS1000 t/40 m架橋機的長寬高為90.5 m×18.5 m ×10.2 m，自重585 t，整機功率300 kW。TJ-JQS1000 t/40 m架橋機輕65 t，從前面知 TJ-YLS1000/40運梁車也輕35 t，那“TJ-YLS1000/40運梁車＋TJ-JQS1000 t/40 m架橋機”這套過隧運架分體式架橋機，比“YLS1000運梁車＋JQS1000架橋機”這套過隧運架分體式架橋機，總體重量輕了100 t。

3.3 運架梁作業(yè)流程對比

3.3.1 運架梁作業(yè)流程

為方便比對，下面僅敘述一般運架梁(高鐵1 000 t/40 m梁)工況下的作業(yè)流程[14]，分別見圖9、圖10。

圖9 “YLS1000運梁車+JQS1000架橋機”一般工況運架梁作業(yè)流程

圖10 “TJ-YLS1000/40運梁車+TJ-JQS1000 t/40 m架橋機”一般工況運架梁作業(yè)流程

3.3.2 作業(yè)流程對比分析

(1)運梁車喂梁次數(shù)不同

從圖10可看出，“TJ-YLS1000/40運梁車 ＋TJ-JQS1000 t/40 m架橋機”這套過隧運架分體式架橋機，運梁車到位后，前起重小車可直接從運梁車上取梁，和馱梁臺車一起喂梁，直至后起重小車吊起梁的尾端，運梁車僅喂梁1次。而“YLS1000運梁車＋JQS1000架橋機”這套過隧運架分體式架橋機，從圖9可知，運梁車要喂梁2次，多了運梁車上自身喂梁的第一次(即通過前后馱梁臺車，使梁在運梁車上前進，直至梁前端到達運梁車前端約800 mm，這樣架橋機的前起重小車才能取梁)。多一次喂梁，就多占一點施工時間，作業(yè)效率就低一點。

(2)架橋機過孔方式不同(見圖9、圖10)

JQS1000架橋機過孔作業(yè)需要前、中、后及前輔助支腿(4條支腿)協(xié)作完成，經(jīng)3次支撐體系轉(zhuǎn)換，一次過孔到位；TJ-JQS1000 t/40 m架橋機過孔作業(yè)需要前、后及輔助支腿(3條支腿)協(xié)作完成，經(jīng)2次支撐體系轉(zhuǎn)換，2次過孔到位。

另外，過孔時JQS1000架橋機前支腿還要與已架梁錨固，而TJ-JQS1000 t/40 m架橋機則不需要。

3.4 實際運架梁效果對比

創(chuàng)新設(shè)計的1 000 t/40 m高鐵簡支箱梁，首次工程應(yīng)用是在時速350 km的鄭濟高鐵。“YLS1000運梁車＋JQS1000架橋機”這套過隧運架分體式架橋機，于2018年9月在鄭濟高鐵完成40 m箱梁首架，可日架1.5～2孔40 m箱梁[15]。

“TJ-YLS1000/40運梁車 ＋TJ-JQS1000 t/40 m架橋機”這套過隧運架分體式架橋機，于2020年6月在設(shè)計時速350 km南沿江城際鐵路完成40 m箱梁首架，最高16 h架了6孔40 m箱梁，可日架2.5～3孔40 m箱梁。

“TJ-YLS1000/40運梁車 ＋TJ-JQS1000 t/40 m架橋機”這套過隧運架分體式架橋機之所以運架梁作業(yè)效率高，是由設(shè)備自身的屬性決定的。其實從前面的分析可知，“YLS1000運梁車＋JQS1000架橋機”這套過隧運架分體式架橋機架梁時的工序，相對較多，如多一次喂梁，多一次支撐體系轉(zhuǎn)換，多一次與已架梁的錨固等等，從而使其架一榀箱梁耗時長。

4 結(jié)語

除鄭濟高鐵、南沿江城際鐵路外，正在建設(shè)的福廈、昌景黃、杭忂、滬蘇湖等高速鐵路也正推廣應(yīng)用預(yù)制架設(shè)40 m箱梁技術(shù)。隨著我國高速鐵路的大力發(fā)展，40 m箱梁過隧運架分體式架橋機的市場需求也會越來越大。結(jié)合以上兩套過隧運架分體式架橋機的對比分析，得到以下結(jié)論:

(1)這兩套過隧運架分體式架橋機都滿足運架高鐵1 000 t/40 m簡支箱梁所有工況要求。

(2)運梁車上的馱梁臺車，為方便使用，首選滾動摩擦的移運器馱梁臺車；當(dāng)然，考慮制造或采購成本，也可選用滑動摩擦的板式馱梁臺車。

(3)建議選用車身短、喂梁一次即可用架橋機前后起重小車吊梁走行的運梁車。如選用TJYLS1000/40運梁車，這種運梁車運到位后，架橋機前起重小車直接吊起運梁狀態(tài)下的箱梁前端，而不需運梁車先自己喂梁一次才能起吊；后馱梁臺車配合前起重小車喂梁一次，架橋機前、后小車就能吊梁走行架梁。

(4)建議選用支腿數(shù)量少的3支腿架橋機。支腿越多，除整機長度、重量增加外，作業(yè)工序也增加，作業(yè)效率反而降低。

(5)“TJ-YLS1000/40運梁車＋TJ-JQS1000 t/40 m架橋機”這套過隧運架分體式架橋機，相比“YLS1000運梁車＋JQS1000架橋機”這套過隧運架分體式架橋機，整體要輕100 t左右，運架梁作業(yè)效率也高(最高16 h架了6孔40 m梁)，推薦施工單位選用。