CRTSⅢ型板式無砟軌道智能化施工設備研究

姚坤鋒

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 概述

隨著我國高速鐵路的快速發展，智能建造技術在無砟軌道施工領域必將得到大規模推廣應用。因此，對CRTSⅢ型板式無砟軌道進行智能化施工技術及工裝深化研究意義重大。CRTSⅢ型板式無砟軌道是對既有無砟軌道的優化與集成，然而，其現有的簡易施工設備與其先進的無砟軌道設計理念并不匹配，CRTSⅢ型板式無砟軌道施工仍需大量人力，施工過程數據不可控，因不同操作人員造成的人為干擾因素仍然較大[1]，基于以上現狀，考慮從重點施工工序著手，從流水化、機械化、自動化的角度優化無砟軌道施工工藝，研發相應的施工工裝，大力推行作業標準化、施工機械化、檢測現代化、管理信息化，提高施工效率和工藝水平[2]。

CRTSⅢ型板式無砟軌道智能建造施工主要體現在施工過程可控、施工裝備智能、施工管理系統等方面，本研究結合智能化在鐵路施工中的應用情況，作出應用前后的對比分析，總結經驗，推廣智能化技術在相關領域的應用，也可協助實現設計人員對既有設備進行性能優化及升級改造，從而提高施工過程及機械設備運營過程中的管理水平。

2 CRTSⅢ型無砟軌道智能化施工工況分析

2.1 CRTSⅢ型無砟軌道施工工藝

傳統CRTSⅢ型板式無砟軌道的主要施工工序流程為:施工準備→測量放線→梁面鑿毛→套筒連接及梁面植筋→鋼筋加工及綁扎→安裝底座板及限位凹槽模板→澆筑底座板混凝土→混凝土收面及養護→軌道板粗鋪→軌道板精調→自密實混凝土灌注→軌道板復測[3]。目前，CRTSⅢ型板式無砟軌道施工主要存在的問題包括:

(1)底座板混凝土施工中的攤鋪布料、刮平、抹面提漿等均需大量熟練人工操作，底座板平整度及頂面標高不能一次到位，工程誤差較大[4]。

(2)軌道板粗鋪精度不足，這對后續的軌道板精調施工有很大影響，如果粗鋪精度能夠達到縱橫向±5 mm，會極大提高軌道板的精調效率。

(3)軌道板精調方式采用精調標架配合簡易精調爪的方式，由于簡易精調爪分散安裝在軌道板的四周，組合調整受力不明確，鋪板時四個位置均存在三向調整因素，相互干擾，不僅降低了鋪板精度，也降低了鋪板效率[5－6]。

針對以上施工中存在的問題，有必要針對具體工序提出智能化解決方案，提升無砟軌道施工質量和效率，降低人工操作強度和使用成本。為此，針對現存問題逐一確定優化施工工藝的思路:

(1)針對底座板抹面費時費力的問題，考慮研發一套底座板自動整平設備，徹底解放混凝土施工所需的大量人工。

(2)針對軌道板粗鋪精度不足的問題，借鑒雙塊式無砟軌道施工使用的軌排框架概念，設計一套精調托架裝置，實現軌道板的三向粗鋪，提升粗鋪精度和效率。

(3)針對現有軌道板精調方式的缺陷，專門研發一套板式無砟軌道自動精調設備，用于軌道板三向位置參數的自動化精調，確保無砟軌道的施工精度。

2.2 CRTSⅢ型無砟軌道智能化物流組織方案

板式無砟軌道施工的重點是確定一套切實可行的物流組織方案，物流組織方案的優劣往往決定施工成本的高低。物流組織方案的確定不能憑空想象，應充分調查線下工程結構物布局、周邊環境、道路情況、設備型號，經方案比選，擇優確定[7]。

底座板施工采取單線折返施工、軌道板粗鋪和自密實混凝土灌注雙線平行施工的方案。即先線上運輸混凝土施工左線底座，然后折返至起點位置，在滿足混凝土強度的底座區間端部設置可移動過渡鋼板支架，形成混凝土運輸通道，再施工右線底座，待區段雙線底座均滿足7 d強度，形成軌道板運輸通道后，用汽車吊雙線粗鋪軌道板就位，粗鋪以100 m為一個單元[8]；最后，混凝土運輸車以未鋪設軌道板的底座為通道線上運輸混凝土，叉車或輪胎式走行吊通過吊斗灌注自密實混凝土，其無砟軌道施工物流組織方案見圖1～圖4所示。

圖1 單線底座施工物流組織方案一

圖2 單線底座施工物流組織方案二

圖3 軌道板粗鋪施工物流組織方案

圖4 自密實混凝土灌注施工物流組織方案

3 底座板自動整平設備應用研究

基于底座板混凝土的傳統施工工藝存在的問題，研發的底座板自動整平設備具備遙控操作、推平布料、振搗密實、提漿、整平塑型等功能，可實現混凝土標高、反坡一體成型，平整度整體性誤差±1 mm，標高精度±2 mm，密實度強度提高30%以上，混凝土表面平整度、反坡整齊一致，相鄰板座間無錯臺。保證了底座板幾何尺寸標準及自密實混凝土灌注的設計厚度，降低了工程材料損耗。底座板自動整平設備施工斷面如圖5所示。

圖5 底座板自動整平設備施工斷面

底座板自動整平設備能夠輕易的鋪注高強度、低坍落度混凝土，整平作業時其振動器的振動頻率達3 000次/min，使整個鋪注的混凝土基體均質、致密，確?；炷琳駬v密實。由于底座板自動整平設備的施工實踐，優化了底座板施工工藝，其施工工序如下:施工準備→測量放樣→底座基面處理→鋼筋網片綁扎→限位凹槽螺栓植筋→縱模及軌道安裝調整→橫模、端模安裝固定→底座混凝土澆筑→啟動底座板自動整平設備提漿塑形→自動整平設備收面壓光→底座混凝土蓄水養護→拆模循環作業。

該設備啟動前，使用專用標尺對機器前后的推平刮板、整形板及兩側4%排水坡位置提前調整定位，經技術人員檢查無誤后，開啟機器邊推平、邊振搗、邊提漿、邊塑型。機器行進時始終要保持前刮板混凝土滿鏟，根據混凝土的狀態調整成型機推進速度及振搗提漿的頻率，以保證成型后滿足頂面高程和平整度、光滑度的要求。

底座板自動整平設備可適用于各種無砟軌道施工工況，如底座板直線段、曲線段、橋梁、隧道、路基等工況，不僅提升了無砟軌道底座板施工質量，大幅減少了人工操作強度，同時也有效提升了混凝土施作效率，保證無砟軌道高質量和高效率的施工要求。

4 軌道板精調托架研究

研究軌道板精調托架的目的是為了配合后續自動精調機實現CRTSⅢ型軌道板的精確調整功能，精調托架包括軌道板移動架、固定架、高程調節機構及橫向調整機構。軌道板精調時，通過移動架將精調托架安裝并固定在軌道板上，移動架與軌道板通過傘齒輪機構達到在固定架頂部左右橫移的目的，實現軌道板的橫向調節；在高程方向上，通過固定架兩端的高程調節機構，實現精調托架與軌道板的高程調節[9]。

軌道板精調托架的研發是對傳統軌道板調整體系的創新升級，通過操作精調托架上的調整螺桿，可方便快速的實現軌道板軌向和高程的精確調整，兩端的調整螺桿實現軌道板的高程調節，緊鄰一側高程螺桿的螺桿實現軌道板的軌向調節，軌道板的高程、中線、縱向均通過豎向螺桿調整，方便人員操作和精調對位，這種方式可有效提高軌道板鋪板精度[10]。軌道板精調托架設計原理如圖6所示。

圖6 軌道板精調托架設計原理

粗鋪完成后，即可安裝精調托架，每塊軌道板上設置2根精調托架，共4個固定支撐點，通過軌向螺桿與調節機構的配合實現軌道板的軌向調節，有效提高調節精度，同時增加了調整范圍，避免出現錯位返工的現象，且軌向螺桿豎向設置，方便工作人員手工調節，也可配合軌道板精調機上的執行結構實現智能調節，每個精調托架重量約70 kg，高程調節范圍±100 mm，橫向調節范圍±50 mm。

精調托架上的調整螺桿均為豎向調節，既方便人工調整軌道板，也巧妙配合軌道板精調機上的3個執行機構實現智能調節。不僅降低了工人勞動施工強度，也大大提高軌道板粗鋪效率，將傳統單個作業面的調板速度由30塊/d左右提升至45塊/d，節約大量精調時間，為施工單位贏得了寶貴的施工工期。

5 軌道板自動精調機應用研究

傳統軌道板精調采用精調標架配合簡易精調爪的方式，軌道板調節需要4個精調爪固定在軌道板的4個調整端，現場配合4個施工人員操作精調爪上的調節螺栓進行軌道板的精調，軌道板鋪設精度不足，且軌道板調整行程不夠，勞動強度大，所需施工人員較多[11－12]。為此，有必要研發適用于軌道板三向位置參數精調的軌道自動精調機，有效減少人工投入、提高施工效率以及保證無砟軌道的施工精度。

軌道板自動精調機如圖7所示，主要由主機架、升降系統、橫移機構、高程調整機構、橫向調整機構、走行機構、導向輪系、電氣控制系統等組成。升降機構和調整對位機構可以通過機構升降、縱移來實現不同線路超高、不同型號軌道板用精調軌架系統的對位安裝。高程調整機構、中線調整機構共同構成精調機的精調系統，二者均由伺服電機、精密減速器和伸縮式萬向傳動軸組成，萬向傳動軸分別對應精調托架的3個調整螺桿位置，以便實現軌道板方向的數據精調。精調系統通過讀取全站儀測量數據，可自動進行軌道板高程、中線位置參數的高精度、快速調整。

圖7 軌道板自動精調機

與以往人工調整相比，軌道板自動精調機調節精度高，操作簡單、方便快捷，只需要將精調機與調整螺桿對位，通過控制面板的操作即可實現軌道板的自動精調、就位。其主要優勢如下:

(1)軌道板的高程、中線均通過豎向螺桿調整，方便人員操作和精調對位。

(2)軌道板調整由電機控制及托架結構保證調整同步性，橫向調整采用單邊調整，另一側同步隨動，避免人工不同步操作造成的崩板現象。

(3)精調機控制系統能夠讀取測量數據，然后將需要調整的數據發送到精調機構，實現軌道板位置參數的自動調整。

(4)精調機自重較輕，操作方便，有利于精調工作進行。

(5)精調機具有自走行功能，在完成一塊軌道板的精調作業之后，可以啟動走行功能，運行至下一塊待精調軌道板處待用。

6 結束語

CRTSⅢ型板式無砟軌道智能化成套施工設備在京雄、安九、朝凌等高鐵線路開展了一系列的示范應用，基于底座板施工、軌道板粗鋪、軌道板粗調和精調等方面優化了軌道板施工工藝，研發了重點工序的智能化施工建造設備，得出研究結論如下:

(1)基于底座板整平施工工序研發的底座板自動整平機，有效解決了底座板抹面施工費時費力的問題，提升了底座板施工效率和工程質量。

(2)基于軌道板粗鋪精度不足而研發的精調托架裝置，能夠實現軌道板的三向粗鋪，提升粗鋪精度和效率。

(3)基于現有軌道板精調方式的缺陷而研發的板式無砟軌道自動精調機，用于軌道板三向位置參數的自動化調整，能夠有效確保無砟軌道的施工精度。

本文從板式無砟軌道重點施工工序著手，從流水化、機械化、自動化的角度優化無砟軌道施工工藝和物流組織方案，研發相應的智能化施工設備，旨在提出智能高鐵頂層設計和技術標準體系，攻克智能建造領域的核心關鍵設備，顯著提升無砟軌道智能化施工水平，提高了無砟軌道施工效率和施工質量，也為今后CRTSⅢ型板式無砟軌道施工提供可供借鑒的工程經驗。