雙塊式無砟軌道設計建造一體化技術研究

孫春雷

(中鐵十九局集團第一工程有限公司 遼寧遼陽 111000)

1 概述

雙塊式無砟軌道是我國高速鐵路中主要的無砟軌道結構形式之一[1-2]。雙塊式無砟軌道經過多年的鐵路建設，施工工藝已經較為成熟，然而目前的建造模式還存在數字化信息化程度不高、軌道工程部分關鍵指標不易控制、過程數據易丟失、施工信息難以追溯、前后工序精度誤差難以消除等問題。

與此同時，我國高速鐵路正向智能化、智慧化方向轉型升級，我國鐵路“十三五”發展規劃中提出“大力促進數字化、信息化、智能化鐵路建設”[3-4]。為保證雙塊式無砟軌道的設計建造精度，設計施工一體化技術是保證工程建設質量、提升精細化管理水平的關鍵核心所在。

黃黃高鐵順應行業發展趨勢，構建雙塊式無砟軌道設計施工一體化系統，實現了軌道設計施工全過程的數據共享、過程可視及進度和質量實時管控，對提升黃黃高鐵雙塊式無砟軌道建造效率和質量，提升建設管理信息化水平具有重要意義。

2 黃黃鐵路軌道工程概況

新建黃岡至黃梅鐵路線路全長125.162 km，設計時速350 km，橋隧比80.79%。軌道結構自上而下分別由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板、底座/支承層等組成[5-6]。長路基地段采用縱連式雙塊式無砟軌道，短路基地段以及橋梁、隧道采用分塊單元式結構。黃黃鐵路雙塊式無砟軌道建造主要面臨以下難題:

(1)專業間協同設計難度大。黃黃鐵路軌道工程跨越不同線下基礎，線站路橋隧等專業設計和施工信息實時變化，難以快速精準計算軌道段落布置和對應鋪設坐標。

(2)大跨度橋梁無砟軌道線形控制難度大。黃黃鐵路巴河特大橋為主橋最大跨度200 m的矮塔斜拉橋，受橋梁徐變、溫度變形、橋上荷載以及風速等多種因素影響，導致無砟軌道線形難以控制。

(3)隧道變形縫處軌道施工動態化管控難度大。雙塊式無砟軌道需在隧道變形縫處斷開設計，傳統的藍圖施工無法根據現場實際變形縫位置實現軌道施工過程的動態化管控。

為了解決以上難題，本文從黃黃鐵路雙塊式無砟軌道數字化設計、一體化施工、信息化管控三方面進行研究，構建設計建造一體化系統，從而為黃黃鐵路提質增效提供技術支撐。

3 數字化設計技術研究

基于線路平縱斷面、路隧橋結構布置、軌道結構設計參數等，形成雙塊式無砟軌道數字化設計成果，如圖1所示，主要包含底座板/支承層的角點坐標、軌枕分布間距、道床板的邊線控制坐標、道床板頂面高程等。

圖1 數字化設計成果組成

由于實際施工時橋梁的梁縫、梁長，路、橋、隧等分界里程與設計存在一定的出入，為保證軌道施工質量，需要根據現場實測的梁長、梁縫等數據信息完成施工數字化設計成果的動態更新，如圖2所示。施工動態設計可解決梁端扣件間距超標、底座板懸出控制、無砟軌道幾何尺寸精準控制的問題。通過打通與全站儀、軌檢小車的數據接口，可指導雙塊式無砟軌道的底座、道床、鋼軌鋪設等施工。實現軌道工程數字化、動態化、可視化設計，實現一體化協同，為軌道一體化建造提供基礎。

圖2 無砟軌道施工動態控制

4 設計施工一體化實現方法

4.1 底座/支承層一體化施工應用

如圖3所示，基于CPⅢ控制網和數字化設計成果，完成全站儀設站。設計理論坐標控制全站儀[7-8]，實現底座板放樣自動化測量，獲取路基面、梁面等線下基礎的高程實測數據；與設計數據實時對比獲得標高偏差，在底座施工前確定梁面標高影響，確定底座厚度調整方案；自動生成底座板立模高度，實現底座平面位置、標高、厚度精準控制。

圖3 底座/支承層一體化施工流程

4.2 軌排粗鋪一體化應用

軌排粗鋪之前，在底座板/支承層敷設的土工布表面進行放線控制。利用數字化設計成果中的軌排粗鋪數據，控制全站儀指導軌排粗鋪放樣，并實時傳輸至信息化管控平臺。主要采集軌排粗鋪線的平面位置、底座板/支承層標高信息，分析平面控制及高程偏差，與此同時結合基礎高程偏差即可推算出底座板/支承層的厚度偏差值。在粗鋪的同時進行道床板立模高度控制，實現道床厚度的精準把控。

4.3 軌排精調一體化應用

研發了軌檢小車信息化裝備，如圖4所示，實現軌道幾何形位數據(軌距、水平、高低等)的實時采集，通過實測鋼軌頂面高程信息，結合底座板/支承層高程數據，實時分析道床板厚度分布；利用數字化設計成果，對比分析軌道幾何形位與設計值的偏差，實現軌排精調數據、澆筑后復測數據、鋼軌精調數據等同比分析，為獲取軌排施工偏差變化規律，提高施工控制工藝提供支撐，也為后續的鋼軌精調奠定基礎。

圖4 軌排精調一體化應用

4.4 巴河特大橋無砟軌道一體化施工

以巴河特大橋無砟軌道線形控制為例，實測主梁線形變化，與線形理論計算對比，動態修正無砟軌道布板數據；采用軌道結構多層分級鋪設調控技術，與信息化施工裝備進行數據交互，指導無砟軌道的智能建造。

(1)主梁合龍后預加載，獲得橋面荷載與索力及設計信息(主梁線形)的精確對應關系。對主梁線形進行系統性調整，實時修正軌道數字化設計成果。

(2)根據軌道數字化設計成果，指揮全站儀對底座的4個邊角點進行自動放樣定位，并實測梁面高程，利用底座可調厚度，消除主梁局部線形誤差。確定底座立模高度后，采用信息化施工裝備進行模板順鋪和頂面標高控制。

(3)軌排粗鋪前，再次實測主梁線形與設計數據對比，修正軌道設計成果，指導軌排粗鋪。

(4)通過采集軌道幾何形位數據，計算實測數據與設計成果(鋼軌精調數據)的偏差，利用扣件對鋼軌線形進行調整。

采用同樣技術可解決隧道變形縫處軌道建造動態化管控的難題。

5 信息化管控平臺

融合數據倉庫、云計算等信息技術[9-10]，構建設計建造智能管控云平臺，打通軌道設計建造的信息接口，通過與軌道施工相關裝備進行信息交互，實現軌道工程建造全過程數據實時交互，構建設計建造全過程數據倉庫[11]。平臺遵循SOA(Service-Oriented Architecture)架構理念[12]，基于黃黃高鐵雙塊式無砟軌道結構特點和施工工藝，緊密圍繞組織管理、施工進度管理、施工質量管理、預警預報和輔助決策、檢驗批審批等業務，打造黃黃鐵路雙塊式無砟軌道設計建造管控平臺。平臺總體框架自下而上分為用戶層、數據感知層、業務處理層、應用表達層等，如圖5所示。

圖5 信息化平臺架構

圖6為黃黃鐵路無砟軌道信息化管控平臺施工精度管控界面。平臺主要功能如下:

圖6 黃黃鐵路無砟軌道信息化管控平臺

(1)組織機構管理:根據不同的單位、部門、職責，為建設單位、監理單位、施工單位的管理人員分配賬號。

(2)施工精度管控:線下基礎面高程偏差、底座板/支承層平面線形、標高和厚度控制、道床板混凝土厚度及標高控制、軌排精調和長鋼軌鋪設精度控制等。

(3)軌道進度管理:結合黃黃軌道施工狀態實現形象化進度管理。

(4)報表統計管理:自動生成進度報表、精度質量報表。

(5)預警預報:限差管理、預警值設置，出現施工偏差自動預警等。

(6)混凝土、鋼筋、檢測等檢驗批在線審批與管理。

6 結束語

黃黃高速鐵路是我國“八縱八橫”高速鐵路主通道之一“京港(臺)通道”的重要組成部分，是武漢-杭州客運通道的組成部分，軌道工程建造標準和鋪設精度要求高。針對該情況，利用高精度測量設備和信息化工裝，結合大數據、云計算、物聯網等信息化技術，構建雙塊式無砟軌道設計建造一體化系統。實現了雙塊式無砟軌道的數字化設計，提出了“設計施工一體化”軌道工程建造實施路徑，實現了全線尤其是隧道變形縫處和大跨度橋梁無砟軌道建造質量動態化控制；構建了“黃黃鐵路軌道建造信息化管控平臺”，實現了建造全過程的信息化管控。通過對軌道設計和施工數據的采集、挖掘和分析，實現了無砟軌道建造全過程的數據共享、關鍵工序進度及質量實時盯控等，對提升黃黃高鐵雙塊式無砟軌道建造效率和質量，提升建設管理信息化水平具有重要意義。