CRTS双块式无砟轨道轨排粗铺智能化施工技术

高 贵

(武九铁路客运专线湖北有限责任公司，湖北 武汉 430000)

1 工程概况

新建铁路郑万高铁四标线路起点DK398+357.929，线路终点DK426+741.787，正线长度28.384 km。主要结构物——汉江双线特大桥，全桥长28.384 km，全桥铺设CRTS双块式无砟轨道，一次铺设区间无缝线路。

全线道床板采用C40钢筋混凝土现场浇筑而成，宽2 800 mm，厚260 mm。道床板分块构筑，顶面根据具体情况设置一定的横向排水坡。每块道床板设2个凸向底座方向的限位凸台，限位凸台在高度方向成四棱台形，倾角为1∶10(R10 mm圆弧过渡)，上下表面的尺寸(含弹性缓冲垫层和土工布厚度)分别为1 022 mm×700 mm、1 000 mm×678 mm,高度为110 mm。

2 无砟轨道轨排粗铺工艺改进的必要性

以往的高速铁路修建中，轨排铺设依靠人工进行，整个过程需要耗费巨大的人力物力。在传统工艺中，首先要在轨排组装区通过龙门吊将轨枕分散开，通过卷尺测量的方法来确定轨枕间距；然后再通过龙门吊安装轨排进行锁定组装；之后将组装好的轨排吊装到指定位置，到达指定位置后，依靠人工从轨排两端吊铅锤的办法来控制轨排中线；最后通过卷尺从上往下返标高的方法来控制轨排的整体高程。这样的传统轨排粗铺[1]方式固然可行，但需要耗费巨大的人力(最少需要5个人以上)、物力(需要用千斤顶来调整轨排位置)，而且在龙门吊吊装过程中，存在一定的安全风险。最重要的是传统工艺不能达到轨道精调[2]前所要求的轨排粗铺的精度(卷尺量测的方法存在一定的误差)，给后期轨道精调带来不便，影响了整体工程的施工效率。

针对传统施工工艺存在的精度低、调整费事费力、人工影响因素明显等缺点，郑万高铁提出智能化施工的理念，以机械设备及电脑程序组合的智能化装备代替人工进行轨排粗铺，使轨排粗铺精度大幅提升，为此专门研发了粗铺设备及其配套的新型嵌套式轨排进行轨排智能化粗铺施工。

3 新型嵌套式轨排的研发及应用

新型嵌套式轨排[3]是在现有单梁式轨排的基础上，根据自动化铺设工艺要求，结合CRTS双块式无砟轨道施工工艺创新设计，其主要由外托梁、内托梁、高程调节装置、中线调节装置、内外托梁锁紧装置、轨排支护系统等组成，具体见图1。新型嵌套式轨排重量轻、刚性强、结构简洁，不需要专用支护调节固定，可以实现自动化轨排调节。通过托梁内外套滑动的方式实现轨向调整，彻底颠覆此前轨道几何形位调整的固有思维，将轨向与高程独立调节，实现轨向与高程的调节互不干涉。配合智能化[4]轨排粗铺系统的使用，有效的缩短了道床施工中的精调工序作业时间。其设备特点：

图1 新型嵌套式轨排结构

(1)高程调节采用高强度螺杆，并有地脚支撑座，调节省力。轨排中线调节采用高强度自锁调节装置，内托梁精调后不能变动。

(2)轨排设计结构精巧，通过自动初调系统、自动精调系统具备自升降、左右调整功能，不需要借助之前旧工艺中支撑件力量。

(3)精调后防侧移、防上浮、轨排自动锁死，无外部支撑件，减少对周边施工的影响，极大的改善了线路施工环境，提高了线间物流通过能力。

(4)新型轨排强度高，紧固稳定，外形尺寸小，现场管理作业面清晰、干净。

(5)高程螺柱底部设有保护座，消除传统轨排对混凝土面的损害。

4 智能化轨排粗铺系统研发与应用

随着科学技术及机械智能化技术的不断发展，在郑万高铁建设中，为了提高无砟轨道施工效率，越来越多的智能化工装设备[5]被广泛应用。武九铁路客运专线湖北有限责任公司牵头组织研制了轨排粗铺机，其具体结构见图2和图3。

图2 单线轨排粗铺机

图3 双线轨排粗铺机

4.1 粗铺机系统设计

轨排智能化粗铺设备，是针对双块式无砟轨道道床施工工艺设计的机械化专用设备[6]。设备采用电脑编程控制系统与全站仪测距技术，自动追踪敷设在设备上的棱镜位置，通过专用测量软件，计算出轨排坐标位置，驱动伺服动力系统将轨排准确定位铺设。整个设备用于替代原来的人工吊运、铺设，具有轨排变频运输和初铺设功能，实现了轨排自动抓取、自动运输和自动精确定位。轨排智能化粗铺机系统主要由运输系统、初铺设系统和控制软件系统组成。

4.1.1 运输系统

运输系统采用钢架焊接结构，车体坚固耐用、结构简单、操作灵活，主要用于轨排运输。由焊接结构钢制车架、维修平台、行走轮、行走驱动装置、定位装置、电气控制设备等组成。根据其行走方式可分为走行在梁面上的道床两侧轨道上和走行在桥面防护B墙上的龙门轨道上两种形式。

(1)道床板两侧轨道式走行方式(见图4)：在底座板两侧各设置一道24标准轨，只需将机器平稳放到作业工作面上便可进行施工作业，当左右线转换时，可采用龙门吊进行吊装转换。

图4 道床板两侧轨道式走行方式

(2)防护B墙上的龙门轨道走行方式(见图5)：主机架采用龙门结构，跨双线设计。行走在防护B墙上的龙门轨道上，轨排粗铺施工[7]时可以轻松的前后行走，方便在左、右线进行施工转换，减少梁面4道轨道的安拆作业，减少设备挪线、重新调整的时间，可连续作业，使工序减少，工作强度减少；机架前后装有2套机械臂抓举装置，可进行龙门轨道拆卸转运工作，龙门占用率降低，时间的利用率提高，节省人工成本20%以上。

图5 防护B墙上的龙门轨道走行方式

4.1.2 初铺设系统

初铺设系统主要由焊接结构钢制里程调整车架、中线调整车架、提升导向架、抓放手臂、行走轮、导向轮组、液压油缸、液压站、测量系统、控制系统等组成。主体采用钢架焊接结构，车体坚固耐用、结构简单、动作灵活，主要用于轨排铺设。

(1)里程调整车架主要用于轨排里程方向的位置调整，由两个独立的车架组成，可单独调整轨排抓取位置，又可以整体调整轨排位置。行程100 mm,定位精度5 mm。

(2)中线调整车架主要用于轨排中心线位置的调整，由两个独立的车架组成，可单独调整轨排与线路中线的角度偏移位置，又可以整体调整轨排与中线偏移位置。行程100 mm,定位精度3 mm。

(3)提升导向架主要用于轨排抓取、提升、高程调整，行程800 mm,定位精度3 mm。

(4)抓放手臂主要用于轨排抓取、抱紧和放置，行程50 mm。

4.1.3 控制软件系统

轨排粗铺机与全站仪通过蓝牙连接，外接手簿一个。通过手簿或机载电脑接受全站仪发送过来的数据，再反馈给轨排粗铺机，指导轨排粗铺机进行轨排高精度粗铺调整。

工作原理：①提前将线路道床板轨道设计数据录入进电脑软件里，工作时通过全站仪测量扫描轨排粗铺机上的棱镜得到里程、高程及偏距数据。②反馈至手簿或者机载电脑进行计算比对，得到相对应的偏差值。③电脑发出命令驱动设备行走到指定位置进行轨排铺设。控制软件系统工作过程见图6。

图6 测量铺设系统组成

4.2 轨排粗铺施工工艺

轨排粗铺机行走到达轨排预存放位置后，通过行走定位装置使抓放手臂在轨排的设定位置上方手臂张开，系统控制提升装置下降，位置感应器感应到钢轨位置后抓放手臂关闭抱紧钢轨，提升装置上升将轨排吊起锁定，行走车前行到达轨排铺设位置后定位停止，等待轨排铺设动作启动。工艺流程见图7。

图7 轨排粗铺流程

工作步骤：①全站仪依次扫描完4个棱镜后，得到棱镜的位置数据；通过数据电台将4个棱镜点的位置数据传回作业平板电脑。②电脑上的软件计算出当前轨排的控制点位置。③机载电脑将当前控制点位置与目标位置进行比较，可得出轨排初铺时横向、纵向、高程的偏移量。④机载电脑将偏移量数据发送到与之连接的工业PLC，PLC将驱动各个伺服调节机构进行偏移量修正。⑤修正后，全站仪进行复测，并将复测数据传回平板电脑继续进行比较，如果比较后偏移量为0或接近控制范围，则认为调整到位，本次调整结束。否则重复进行以上步骤，直至调整结束。

实际运用中，轨排粗铺机目前铺设精度高程偏差0.5～9.3 mm，中线偏差0.0～2.6 mm。精度控制较好，可明显减少精调作业时间，满足施工要求。

4.3 智能化粗铺机优点

(1)施工成本减少。应用智能化轨排粗铺机，在无砟轨道施工中轨排粗铺所需要的人力相比于传统工艺大大减少，一台轨排粗铺车只需要一名人员就可以实现全部操作，减少了人员配置。由于轨排粗铺机自带抓取功能和运输功能，从自动散枕开始到轨排定位结束，可以舍弃龙门吊，减少不必要的物力,从而节约了施工成本。

(2)安全系数提升。由于不再使用龙门吊以及操作人员的减少，整个轨排粗铺过程中的安全系数大大增强。

(3)时间缩短，效率提高。智能化轨排粗铺机大大缩短了轨排粗铺的时间，相比于传统工艺，现如今平均组装6孔梁轨排所需要的时间与之前传统工艺组装5孔梁轨排所需时间相同，大大提高了整体工程的施工效率。

(4)粗铺精度高。相比于传统工艺吊铅锤拉卷尺控制轨排粗铺精度的方法，智能化轨排粗铺机可以在全自动模式下实现自动调整轨排平面、高程等。通过里程调整架，可以实现将平面偏差控制在3 mm以内；通过抓取架，可以实现将高程偏差控制在 3 mm以内，轨排粗铺精度的提高为后续的轨道精调创造了有利条件，提高了施工效率。

5 结束语

相比于传统施工工艺，智能化轨排粗铺机具有对高程、中线、里程精准控制的优点，轨排粗铺工序质量稳定、节省人工，提高了工作效率。这一技术对其他类似铁路项目施工有借鉴意义和推广应用价值。