双块式无砟轨道智能化施工装备发展和创新

刘 巍

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

我国高速铁路无砟轨道主要采用双块式无砟轨道形式，总运营里程达到约6850.0 km，占全国高速铁路运营里程的60%。随着“十四五”交通强国战略的提出，提升高速铁路建造水平迫在眉睫。针对目前双块式无砟轨道施工工艺，研制了新一代智能化施工工装，并逐步在工程应用，达到国内领先水平。

1 双块式无砟轨道施工发展现状

桥梁段双块式无砟轨道结构自上而下依次由：钢轨、扣件、轨枕、道床板、弹性垫层、底座板构成[1-3]，如

组合式轨道排架法是我国自主研发的应用于弹性支承块式整体道床施工装备，后应用于双块式无砟轨道，经多次升级改进，组合式轨道排架将工具轨、托梁、高程调整机构等整体设计制造，形成整体式轨道排架结构[4]。

轨排框架法最早应用于西康线秦岭特长隧道I线，后在宁西线磨沟岭隧道、桃花铺单线隧道、东秦岭双线隧道及西安—安康线秦岭特长隧道II 线等隧道整体道床施工，之后被广泛应用于我国的高速铁路、重载铁路无砟轨道施工。

传统轨排框架法施工工艺虽然较为成熟，但整体施工流程需要大量人工参与，远未达到自动化和智能化需求。施工过程中存在人工散枕精度难以控制、传统轨排施工工序复杂、人工精调无法保证精度且施工工序不科学。如，人工精调存在劳动强度大，人为因素干扰较大（图2）。

图2 轨道施工人工精调

2 双块式无砟轨道智能化施工成套装备

国内从事高速铁路轨道工程智能建造装备研制的相关单位，针对轨排框架法施工关键装备和工序研发了双块式无砟轨道智能化施工成套装备[5]。

2.1 底座自动整平机

底座板整平机是无砟轨道底座板施工专用设备，由整平机与模板系统、走行轨道等组成[6]，如图3 所示。其中，整平机由整平机架、变频行走系统、整平升降系统、震动挡板、前推板角度调整器、后成型板角度调整器、发动机、照明系统、电气控制系统等组成，具有混凝土一次成型、抹面平整功能，在直线段、圆曲线段实现无障碍连续施工，底座板尺寸控制精度高、质量稳定、节省人工、工作效率高、工作面整洁等特点。

图3 轨道施工人工精调

设备主要技术参数如下。

外廓尺寸：3 600 × 1 820 × 1 960

设备自重：2 500 kg

整机功率：7 kW

作业宽度：2 800 mm ～3 100 mm

作业速度：0 ～7.5 m/min

激振力：5 000 kN

控制方式：电控箱/遥控器

整平精度：±2 mm

2.2 智能化自动分枕平台

智能化自动分枕平台是双块式无砟轨道施工轨排组装工序的专用设备[7]（图4）。分枕平台采用自动控制模式，在操作前将轨枕间距输入到程序当中，使用时选择需要的一种模式即可实现自动布枕。其控制界面如图5 所示。自动分枕机采用智能化控制，按预设轨排组装模式自动分枕，以满足高速铁路路、桥、隧不同地段轨道结构对轨枕间距要求，特别是桥梁地段为适应不同梁段不同的轨枕布置需求。

图4 智能化自动分枕平台

图5 智能化自动分枕平台控制界面

分枕平台主要技术参数如下。

整机尺寸：7.7 m × 2.0 m × 1.4 m

分枕间距：600 ～650 mm

整机功率：8.25 kW

平台承重：3 000 kg

分枕数量：11

分枕时间：1 min

最大推力：5 kN

2.3 新型嵌套轨排

新型嵌套轨排包括工具轨、组合托梁体、高低螺杆、防护墙固定座、锁定装置等组成[8]。组合托梁体由内外套组成，内外套通过十字销轴在竖向螺杆处连接，内套相对外套可相对滑动而不影响竖向高程，设计简约实效。如图6 所示。

图6 嵌套式轨排轨向与高程调节原理

嵌套式轨排主要技术参数如下：

轨距：1435±0.5 mm

轨顶标高：515 ～860 mm

轨排中线：±30 mm

最大超高：175 mm

轨底坡：1：40±2

长度误差：±1 mm

适应轨枕间距：600 ～650 mm

高程调整范围：460 ～900 mm

2.4 双块式无砟轨道智能精调设备

铁五院机械公司研发的CRTSI 型双块式无砟轨道自动精调机，主要适用于双块式无砟轨道施工精调作业。智能化精调机通过数据地址读取方式来提取轨检小车测量数据，通过CAN 总线方式将精调数据发送至执行机构，如图7 所示。

图7 轨排精调机

主要技术参数如下：

调整精度：0.1 mm

精调时间：＜15 min（32 m 梁双线）

最大超高：175 mm

供电：两相220 V/6 kW

数据传输：无线传输

行走方式：无线遥控

测量系统：Amberd GRP 轨道测量系统

自动精调机主要包括测量数据识别系统、精调系统、伺服执行机构及自动控制系统，实现轨道测量数据自动读取，自动传输，满足随测随调，无需反复调整；采用多点联调，可一次精调两榀轨排，也可选用一套精调机一次调整一个排架，减少干扰，提高效率；预留上传接口，可实现数据无线传输，保证数据真实可靠；自动走行，可实现遥控定位，降低劳动强度。其控制界面如图8 所示。

图8 轨排精调机精调界面

西安远景研发的TAS-4 双块式轨排精调机器人如图9 所示。精调机器人结合自动测量、智能控制、精密机械等技术，以机载电脑为核心，通过数据链路组成一个整体，操作高度自动化、无人化，以设备代替人工完成双块式无砟轨道轨排精调定位，提高了效率与精度，节省人力。主要技术特点如下。

图9 TAS-4 轨排精调机器人

（1）精调机器人自带棱镜，接收第三方精调软件的测量数据，全自动调整轨道板的位置。

（2）测量软件与精调机器人之间采用无线信号传输数据，快捷准确。

（3）由两台设备成组工作，车体小型化，行走、收纳、防护灵活方便，不占用工作通道。

（4）每调整好一榀轨排，可以自动行走到下一榀轨排、需要人工辅助安装调整器。

（5）根据精调软件计算的误差值，逐次调整每榀轨排的8 个精调螺杆，使轨排快速到位。

2.5 承轨台检测机器人

无砟轨道施工过程中，获得每个承轨台位置参数，是施工质量控制的必要工序。人工检测，费时费力，抽样检测对承轨台数据采集、分析不够，导致后续标准调整垫板大量更换，造成材料、人工成本与时间浪费。西安远景研发的BMR-3 型承轨台检测机器人。BMR-3 型承轨台检测机器人可快速、全自动复测已完工道床板上的承轨台[9]，如图10 所示。

图1 CRTS-Ⅰ型双块式无砟轨道结构图

图10 BMR-3 型承轨台检测机器人

承轨台检测机器人以全自动工作方式设备代替人工，对无砟轨道承轨台位置进行全面、高效、自动检测，工作效率是人工的3 倍；计算、存储每个系统，可以存储每对承轨台位置，为扣件自动布放提供定位数据；根据检测数据，及时调整施工工艺，提高无砟轨道施工精度；根据检测数据，计算各个承轨台位置所需扣件精准规格，降低扣件更换率[10]。

3 结语

双块式无砟轨道智能化施工装备在现场成功应用，提高了我国高速铁路无砟轨道施工质量，推动了“智能建造”在我国高速铁路的应用。未来应大力推广在无砟轨道施工的关键工序上采用新型智能化施工装备，利用施工装备执行动作精度高、质量稳定可靠的特点保证工程质量。