雙塊式無砟軌道智能化施工裝備發(fā)展和創(chuàng)新

劉 巍

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

我國高速鐵路無砟軌道主要采用雙塊式無砟軌道形式，總運營里程達到約6850.0 km，占全國高速鐵路運營里程的60%。隨著“十四五”交通強國戰(zhàn)略的提出，提升高速鐵路建造水平迫在眉睫。針對目前雙塊式無砟軌道施工工藝，研制了新一代智能化施工工裝，并逐步在工程應用，達到國內領先水平。

1 雙塊式無砟軌道施工發(fā)展現狀

橋梁段雙塊式無砟軌道結構自上而下依次由：鋼軌、扣件、軌枕、道床板、彈性墊層、底座板構成[1-3]，如

組合式軌道排架法是我國自主研發(fā)的應用于彈性支承塊式整體道床施工裝備，后應用于雙塊式無砟軌道，經多次升級改進，組合式軌道排架將工具軌、托梁、高程調整機構等整體設計制造，形成整體式軌道排架結構[4]。

軌排框架法最早應用于西康線秦嶺特長隧道I線，后在寧西線磨溝嶺隧道、桃花鋪單線隧道、東秦嶺雙線隧道及西安—安康線秦嶺特長隧道II 線等隧道整體道床施工，之后被廣泛應用于我國的高速鐵路、重載鐵路無砟軌道施工。

傳統(tǒng)軌排框架法施工工藝雖然較為成熟，但整體施工流程需要大量人工參與，遠未達到自動化和智能化需求。施工過程中存在人工散枕精度難以控制、傳統(tǒng)軌排施工工序復雜、人工精調無法保證精度且施工工序不科學。如，人工精調存在勞動強度大，人為因素干擾較大（圖2）。

圖2 軌道施工人工精調

2 雙塊式無砟軌道智能化施工成套裝備

國內從事高速鐵路軌道工程智能建造裝備研制的相關單位，針對軌排框架法施工關鍵裝備和工序研發(fā)了雙塊式無砟軌道智能化施工成套裝備[5]。

2.1 底座自動整平機

底座板整平機是無砟軌道底座板施工專用設備，由整平機與模板系統(tǒng)、走行軌道等組成[6]，如圖3 所示。其中，整平機由整平機架、變頻行走系統(tǒng)、整平升降系統(tǒng)、震動擋板、前推板角度調整器、后成型板角度調整器、發(fā)動機、照明系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成，具有混凝土一次成型、抹面平整功能，在直線段、圓曲線段實現無障礙連續(xù)施工，底座板尺寸控制精度高、質量穩(wěn)定、節(jié)省人工、工作效率高、工作面整潔等特點。

圖3 軌道施工人工精調

設備主要技術參數如下。

外廓尺寸：3 600 × 1 820 × 1 960

設備自重：2 500 kg

整機功率：7 kW

作業(yè)寬度：2 800 mm ～3 100 mm

作業(yè)速度：0 ～7.5 m/min

激振力：5 000 kN

控制方式：電控箱/遙控器

整平精度：±2 mm

2.2 智能化自動分枕平臺

智能化自動分枕平臺是雙塊式無砟軌道施工軌排組裝工序的專用設備[7]（圖4）。分枕平臺采用自動控制模式，在操作前將軌枕間距輸入到程序當中，使用時選擇需要的一種模式即可實現自動布枕。其控制界面如圖5 所示。自動分枕機采用智能化控制，按預設軌排組裝模式自動分枕，以滿足高速鐵路路、橋、隧不同地段軌道結構對軌枕間距要求，特別是橋梁地段為適應不同梁段不同的軌枕布置需求。

圖4 智能化自動分枕平臺

圖5 智能化自動分枕平臺控制界面

分枕平臺主要技術參數如下。

整機尺寸：7.7 m × 2.0 m × 1.4 m

分枕間距：600 ～650 mm

整機功率：8.25 kW

平臺承重：3 000 kg

分枕數量：11

分枕時間：1 min

最大推力：5 kN

2.3 新型嵌套軌排

新型嵌套軌排包括工具軌、組合托梁體、高低螺桿、防護墻固定座、鎖定裝置等組成[8]。組合托梁體由內外套組成，內外套通過十字銷軸在豎向螺桿處連接，內套相對外套可相對滑動而不影響豎向高程，設計簡約實效。如圖6 所示。

圖6 嵌套式軌排軌向與高程調節(jié)原理

嵌套式軌排主要技術參數如下：

軌距：1435±0.5 mm

軌頂標高：515 ～860 mm

軌排中線：±30 mm

最大超高：175 mm

軌底坡：1：40±2

長度誤差：±1 mm

適應軌枕間距：600 ～650 mm

高程調整范圍：460 ～900 mm

2.4 雙塊式無砟軌道智能精調設備

鐵五院機械公司研發(fā)的CRTSI 型雙塊式無砟軌道自動精調機，主要適用于雙塊式無砟軌道施工精調作業(yè)。智能化精調機通過數據地址讀取方式來提取軌檢小車測量數據，通過CAN 總線方式將精調數據發(fā)送至執(zhí)行機構，如圖7 所示。

圖7 軌排精調機

主要技術參數如下：

調整精度：0.1 mm

精調時間：＜15 min（32 m 梁雙線）

最大超高：175 mm

供電：兩相220 V/6 kW

數據傳輸：無線傳輸

行走方式：無線遙控

測量系統(tǒng)：Amberd GRP 軌道測量系統(tǒng)

自動精調機主要包括測量數據識別系統(tǒng)、精調系統(tǒng)、伺服執(zhí)行機構及自動控制系統(tǒng)，實現軌道測量數據自動讀取，自動傳輸，滿足隨測隨調，無需反復調整；采用多點聯調，可一次精調兩榀軌排，也可選用一套精調機一次調整一個排架，減少干擾，提高效率；預留上傳接口，可實現數據無線傳輸，保證數據真實可靠；自動走行，可實現遙控定位，降低勞動強度。其控制界面如圖8 所示。

圖8 軌排精調機精調界面

西安遠景研發(fā)的TAS-4 雙塊式軌排精調機器人如圖9 所示。精調機器人結合自動測量、智能控制、精密機械等技術，以機載電腦為核心，通過數據鏈路組成一個整體，操作高度自動化、無人化，以設備代替人工完成雙塊式無砟軌道軌排精調定位，提高了效率與精度，節(jié)省人力。主要技術特點如下。

圖9 TAS-4 軌排精調機器人

（1）精調機器人自帶棱鏡，接收第三方精調軟件的測量數據，全自動調整軌道板的位置。

（2）測量軟件與精調機器人之間采用無線信號傳輸數據，快捷準確。

（3）由兩臺設備成組工作，車體小型化，行走、收納、防護靈活方便，不占用工作通道。

（4）每調整好一榀軌排，可以自動行走到下一榀軌排、需要人工輔助安裝調整器。

（5）根據精調軟件計算的誤差值，逐次調整每榀軌排的8 個精調螺桿，使軌排快速到位。

2.5 承軌臺檢測機器人

無砟軌道施工過程中，獲得每個承軌臺位置參數，是施工質量控制的必要工序。人工檢測，費時費力，抽樣檢測對承軌臺數據采集、分析不夠，導致后續(xù)標準調整墊板大量更換，造成材料、人工成本與時間浪費。西安遠景研發(fā)的BMR-3 型承軌臺檢測機器人。BMR-3 型承軌臺檢測機器人可快速、全自動復測已完工道床板上的承軌臺[9]，如圖10 所示。

圖1 CRTS-Ⅰ型雙塊式無砟軌道結構圖

圖10 BMR-3 型承軌臺檢測機器人

承軌臺檢測機器人以全自動工作方式設備代替人工，對無砟軌道承軌臺位置進行全面、高效、自動檢測，工作效率是人工的3 倍；計算、存儲每個系統(tǒng)，可以存儲每對承軌臺位置，為扣件自動布放提供定位數據；根據檢測數據，及時調整施工工藝，提高無砟軌道施工精度；根據檢測數據，計算各個承軌臺位置所需扣件精準規(guī)格，降低扣件更換率[10]。

3 結語

雙塊式無砟軌道智能化施工裝備在現場成功應用，提高了我國高速鐵路無砟軌道施工質量，推動了“智能建造”在我國高速鐵路的應用。未來應大力推廣在無砟軌道施工的關鍵工序上采用新型智能化施工裝備，利用施工裝備執(zhí)行動作精度高、質量穩(wěn)定可靠的特點保證工程質量。