CRTS双块式无砟轨道智能化粗铺施工技术研究

徐明星 李俊红 易鹏程

（中铁四局集团第五工程有限公司，江西九江 332000）

CRTS双块式无砟轨道因其结构整体性强、稳定性高、平顺性好等特点，广泛运用于高速铁路建设中，我国自双块式无砟轨道引进消化吸收再创新以来已经有十余年，由于施工技术受施工环境和施工设备影响较大，在轨排支撑架（简称轨排，下同）组装和吊装就位施工方面一直采用传统人工施工方法，劳动力投入量大，工序烦琐，施工耗费时间长，人为干扰大，施工精度不易控制，施工功效低，施工成本亦居高不下。通过研究CRTS双块式无砟轨道智能化粗铺施工技术，研发智能分枕机和智能化粗铺机，优化施工工艺和资源配置，避免了大量劳动力的投入和人为因素的干扰，实现了轨排支撑架组装和吊装就位的智能化和自动化施工，缩短了工期，提高了施工功效和施工精度。本文主要阐述智能分枕机和智能化粗铺机在CRTS双块式无砟轨道施工中的应用。

1 传统施工技术

在CRTS双块式式无砟轨道传统施工技术中，轨排组装和吊装就位两个工序的主要施工设备是简易分枕平台和龙门吊，首先采用龙门吊将轨枕吊运至简易分枕平台上，利用龙门吊逐根将轨枕散开，人工测量调整轨枕间距完成分枕。同时安装扣件系统，龙门吊吊运轨排至简易分枕平台上方，人工辅助轨排与简易分枕平台对位，使轨排缓慢落在轨枕上，人工测量复核轨枕间距，对个别超限轨枕间距重新调整后拧紧螺栓道钉，龙门吊吊装组装完成的轨排，运送至预铺设位置（一般吊运至半成品轨排储存区按要求堆码存放后待铺），利用提前放样的轨道中线，人工辅助轨排与轨道中线对位后缓慢落下完成轨排粗铺就位，根据轨道中线和标高交底资料，人工采用轨距道尺结合吊垂球和钢板尺测量的方式进行轨排粗调。单独完成一榀轨排组装需20 min以上（需配备作业人员10～12人），单独完成一榀轨排吊装就位（不考虑中间储存待铺时间）需10 min以上（需配备作业人员6～8人），单独完成一榀轨排粗调需6 min以上（需配备作业人员4～6人）。这种施工方法工序烦琐、耗费人力多、施工耗费的时间长、安全风险高，轨枕间距及粗铺和粗调精度受人工影响大，同时增加了后面轨排精调的工作量和施工难度，施工功效低。

2 智能化粗铺施工技术

CRTS双块式无砟轨道智能化粗铺施工技术，由智能分枕机代替人工完成轨枕间距自动测量分枕、自动调整定位、自动锁定，智能粗铺机吊装运送组装完成的轨排至预铺设位置，通过全站仪测量系统实时测量轨排的空间三维数据，自动完成粗调后精准铺设，简化了施工工序，减少了劳动力的投入，缩短了轨排组装和粗铺的时间，提高了施工精度和施工功效。

2.1 智能分枕机结构设计及工作原理

智能分枕机是CRTS双块式无砟轨道成套智能化建造设备的其中一种，主要用于轨排组装时轨枕的自动定位、自动分枕和锁定，智能分枕机智能控制系统、分枕小车、伺服电机、轨枕锁具、主梁、支腿和人机界面操作系统组成。

智能分枕机结构设计如图1所示。

图1 智能分枕机结构设计图

智能分枕机共有11个分枕小车（可同时实现11根轨枕的定位分枕），每个分枕小车相对独立，互不干涉，11个分枕小车均可实现单动，可满足各种不同轨枕间距的需求，分枕小车由伺服电机控制，单次动作精度可以达到0.001 mm，分枕小车完成自动定位后可自动锁定；轨枕定位座和轨枕锁具可实现轨枕与分枕小车的前后、左右限位锁定；人机界面操控系统主要由显示屏和控制软件组成。

软件中有6种已编辑好的轨排型号，每种轨排型号对应不同的轨枕间距布置，也可根据实际情况编辑增加轨排型号，实际操作中，选择完轨排型号后，可实现一键完成分枕定位锁定。智能控制系统由电控柜、机载电脑、控制软件、通讯模块、人机界面、伺服电机、PLC可编程控制器、编码器及传感器组成。

在人机界面软件中输入或选择参数值，PLC可编程控制器与反馈数据进行对比确定输出量，伺服电机为执行元件，传感器与编码器为反馈元件，PLC可编程控制器和编码器分别通过通信模块与人机界面通信，可监控每根轨枕间距的实时变化数据，当误差小于±3 mm时，伺服电机停止运行，自动定位分枕完成，分枕小车自动锁定。实现了分枕小车自动收拢、轨枕快速自动分枕、自动定位锁定，无累积误差和设备间隙误差，轨枕间距误差可控制在3 mm以内，轨枕与钢轨垂直度可控制在1 mm以内，整机自动分枕时间不超过1 min，同时具备连续工作能力，极大提高轨排组装的效率。智能分枕机人机界面如图2所示，工作原理如图3所示。

图2 智能分枕机人机界面

图3 智能分枕机工作原理图

2.2 智能粗铺机结构设计及工作原理

智能粗铺机主要用于轨排的自动抓取、自动运送，同时结合全站仪测量系统自动完成轨排粗调后自动精确定位铺设，如图4所示。

图4 智能粗铺机结构示意图

智能粗铺机采用电脑编程控制系统与全站仪测量技术，在轨排运送过程中，实时测量轨排三维空间数据，自动追踪调整轨排位置，由测量系统与电脑控制系统交换数据，驱动液压系统和伺服系统将轨排准确定位铺设。

铺设精度可达到3 mm以内，减少了后期轨排精调的时间。智能粗铺机主要由运输系统、粗铺系统、智能控制系统、测量系统和无线传输系统组成。

运输系统主要用于轨排的运送，采用钢架龙门结构，由结构车架、维修平台、行走轮、行走驱动装置、定位装置、电器控制设备等组成，通过遥控器或手薄软件操作智能粗铺机启停，可设置为自动模式和手动模式两种工作方式，后期可将龙门结构优化为跨双线设计，共用龙门吊走行轨。

粗铺系统主要用于轨排精确定位铺设，由智能控制系统控制，智能粗铺机粗铺作业如图5所示，粗铺系统精确定位铺设如图6所示。

图5 智能粗铺机粗铺作业

图6 粗铺系统精确定位铺设

主要由里程调整车架、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。里程调整车架用于轨排里程方向的位置调整，定位精度3 mm；中线调整车架用于轨排中心线位置的调整，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，定位精度3 mm；提升导向架和抓放手臂主要用于轨排抓取、提升、高程调整和放置,定位精度3 mm。

智能控制系统，由变频驱动智能粗铺机行驶到达已完成组装的轨排（轨排储存区或智能分枕机）上方，智能控制系统自动控制抓放手臂在轨排设定位置上方手臂张开，提升装置下降，位置感应器感应到轨排工具轨后抓放手臂自动抱紧工具轨，提升装置上升将轨排吊起锁定，自动行驶到达轨排预铺设位置，全站仪实时测量，智能控制系统根据返回的指令完成轨排空间位置的调整后完成粗铺。

测量系统由全站仪、CPⅢ点位、车载精密棱镜、高精度倾角传感器、测量软件及高精度激光传感器等组成。全站仪通过CPⅢ点位完成自由设站，实时自动跟踪测量智能粗铺机上4个精密棱镜的三维坐标数据，通过无线通信系统传输至手薄软件系统。软件系统经过运算和处理，计算出4个棱镜位置的横向、纵向、高程调整量并传输至智能控制系统同时显示在智能粗铺机的人机界面上，便于使用者观察施工情况和设备运行情况，通过粗铺系统实时控制轨排自动完成空间姿态粗调、精确定位后放置铺设。

无线传输系统采用无线通信模块实现了全站仪测量系统和智能控制系统与各系统之间数据及信息指令的即时相互传输，均采用无线方式进行传输。

智能粗铺机从启动行驶、自动抓取轨排、运送至预铺设位置、自动测量粗调、完成精确铺设，整个过程只需要2名作业人员和1名测量人员，7 min内便可完成所有工序，定位精度可达到3 mm以内，极大简化了施工的工序，避免了大量劳动力的投入和人为因素的干扰，缩短了施工时间，实现了轨排吊装就位的智能化和自动化施工，提高了施工效率和施工精度。

3 应用效果

智能分枕机和智能粗铺机依托郑万高铁无砟轨道智能化施工进行研发、持续改进和优化定型，最终形成了CRTS双块式无砟轨道智能化粗铺施工技术，并在郑万高铁无砟轨道施工中进行了推广和应用。对比传统施工技术和智能化施工技术。

智能化粗铺施工技术应用效果如表1所示。

表1 智能化粗铺施工技术应用效果对比

CRTS双块式无砟轨道智能化粗铺施工技术采用智能分枕机和智能粗铺机，作业人员大幅度减少，轨排组装和粗铺就位用时节约了近2/3，缩短了施工时间，极大简化了施工工序。使用智能化设备，避免了人为因素的干扰，降低了作业人员的劳动强度和作业安全风险。施工工效有了显著提高，实现了从传统费时费力的施工技术向智能化施工技术的根本转变。

4 结语

本文阐述的CRTS双块式无砟轨道智能化粗铺施工技术通过研发智能分枕机和智能粗铺机，彻底颠覆了传统施工的固有思维，解决了传统轨施工技术耗费人力多、工序烦琐、施工耗费的时间长、受人工干扰大、安全风险高、施工精度不易控制等问题，实现了由智能分枕机和智能粗铺机代替人工完成轨排组装和轨排粗铺的施工，从根本上提高了施工的效率和施工精度，经济效益显著，提高了无砟轨道一体化施工的技术水平，CRTS双块式无砟轨道智能化粗铺施工技术在高速铁路建设方面具有广阔的应用前景和推广应用价值。