铁路轨道工程数智化建造技术及创新管理

刘增杰

（中国国家铁路集团有限公司 工程管理中心, 北京 100844）

0 引言

铁路轨道是直接承受列车荷载、引导列车运行的工程构筑物, 是保障列车安全和平稳舒适运行的基础设施, 同时也是铁路中延展最长、综合养护维修工作量最大的结构设备。因此, 铁路轨道设备质量极为重要。

铁路建设中的轨道工程, 是将采购的轨道部件产品和施工衍生的轨道构件进行组合, 铺设于路基、桥梁、隧道等线下结构物上形成轨道设备, 因此轨道工程是轨道设备质量源头控制管理的关键环节。近年来, 轨道工程借助国内外数字化、智能化建造技术的发展大势, 在机械化、自动化技术的基础上, 开展了无砟轨道建造、轨道铺设、工程线调度信息系统的智能化、信息化等数智化技术研究工作, 在保障轨道工程质量、施工安全、工程进度, 降低施工从业者劳动强度, 改善施工作业环境, 减少施工成本, 提高施工效率等方面发挥了重要作用。但由于目前轨道工程数智化建造技术仍处于发展和优化完善阶段, 继续推动轨道工程数智化建造技术进步及应用创新很有必要。

1 必要性分析

推动轨道工程数智化建造技术的发展和应用是国家、中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）的总体要求, 是时代的需要。

1.1 是新时代交通强国铁路先行的关键环节

交通运输部于2020年8月印发了《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》[1］, 在主要任务中的智能铁路方面提出：“提高智能建造能力, 提高铁路工程建设机械化、信息化、智能化、绿色化水平, 开展智能化建造研发应用”。国铁集团同时也发布了《新时代交通强国铁路先行规划纲要》[2］, 提出“面向铁路建设、运营主战场, 强化现代工程建造技术创新应用”。

轨道工程作为铁路建设中的关键工程, 理所当然要在铁路建造技术创新应用中冲锋在前。国铁集团在2021年度铁路建设工作会议[3］提出要“着力推进智能建造”, 并专门部署了“推进无砟轨道铺设等智能建造及成套装备技术研究, 加快智能工厂、智能施工装备的研发应用”等具体工作要求。

1.2 是减少轨道工程施工作业人员数量、降低劳动强度、改善作业环境的要求

减少轨道工程施工作业人员数量、降低劳动强度、改善作业环境是新时代的要求, 推进轨道工程数智化技术的研发与应用是唯一出路。轨道工程建设中, 虽然部分无砟轨道混凝土预制部件可在工厂内进行, 但其中钢筋绑扎、混凝土灌注及振捣等工序, 通常需要劳动用工数量较多, 而且作业中的振捣震颤、振捣噪声等对操作人员的身体健康极为不利。而道砟、轨枕、钢轨铺设, 无砟轨道混凝土施工, 轨道精整精调等其他轨道工程工序, 均在露天或隧道内进行作业, 现场劳动用工需求数量更多, 劳动强度和作业环境更为不利。

当前我国劳动领域正在发生3个趋势性的变化[4］, 一是在供给方面, 正在从无限供给走向有限供给；二是在需求方面, 由数量增长转向质量增长, 由以往的体力型正快速向技能型转变；三是在就业形态方面, 一大批新生代的劳动者投身到服务业等劳动强度相对较低而收入又相对较高的行业中。习近平总书记也对劳动领域这些问题非常重视, 曾经于2013年和2015年2次讲话[5］中都提到“努力让劳动者实现体面劳动”。因此, 减少轨道工程施工作业人员数量、降低劳动强度、改善作业环境是新时代的要求, 必须坚定不移推进轨道工程数智化技术的研发与应用。

1.3 是大规模铁路科学有序建设和铁路高质量发展的需要

大规模铁路科学有序建设和铁路高质量发展也需要轨道工程数智化建造技术的支撑。《新时代交通强国铁路先行实施纲要》明确提出, 到2035年, 全国铁路运营里程达到20万km左右, 其中高铁7万km左右。如何科学有序推进铁路建设, 保障这个宏伟目标的实现和艰巨任务的完成是铁路建设工作者面临的重要课题。

在大规模铁路建设科学有序推进过程中, 处理好进度、质量、安全三者的关系尤为重要。实践证明, 以技术保工装、以工装保工艺、以工艺保质量、以质量保安全是处理好三者关系最为有力的法宝。近年来的轨道工程数智化技术研发和应用, 在保障铁路建设项目特别是高铁项目的快速高质量推进发挥了重要技术支撑作用。

2 既有成果总结与技术提升展望

总结既有成果, 从而进一步提升轨道工程数智化建造技术水平。近年来, 国铁集团先后立项“京张京雄高铁智能建造技术深化研究”和“CRTSⅢ型板式无砟轨道智能建造技术及成套装备研究”等重大课题, 专门对无砟轨道智能化、信息化以及机械化、自动化建造技术和装备进行应用研究, 取得了众多成果, 并先后在京张、京雄、郑万（湖北段）、朝凌、黄黄、京唐等高速铁路项目上开展试用或应用[6-7］。经总结梳理认为, 在部分工序复杂、劳动强度大的分项分部工程适用性方面仍需进一步研究, 在数智化设备的小型化、便利化方面有待改善。2022年国铁集团建设工作会议[8］再次强调了提升轨道工程智能化施工管理水平的具体要求。因此, 有必要对前期成果进行总结分析, 为进一步提升和深化轨道工程数智化技术的研究和应用提供条件。

2.1 轨道工程BIM设计技术[9]

近期, 有关设计和科研单位依托在建高速铁路项目, 开展了轨道BIM设计技术研究, 开发的轨道BIM设计软件、轨道BIM模型库等, 能同时自动生成轨道施工铺设数据, 有效保证了数据的准确性；构建的轨道建造管控平台, 可实现施工全过程的信息化、智能化管控, 以及轨道施工精度、报表统计、智能分析、超限预警等智能管控和数字资产管理, 已具备借鉴示范作用。

BIM设计是当今技术发展潮流和方向, 目前应进一步对轨道BIM设计进行总结, 对不同铁路等级、不同轨道结构类型的BIM模型族库、工程数据库进行补充完善, 扩大轨道工程BIM设计试用范围。

2.2 无砟轨道数智化制造技术

（1）CRTS双块式轨枕。结合国铁集团科研课题“京张京雄高铁智能建造技术深化研究”, 在京张高铁怀来、郑万铁路南漳轨枕厂智能化制造生产技术研究探索基础上, 黄黄铁路蕲春轨枕厂实现了关键工序的智能化、自动化, 全部工序的机械化以及全方位的信息化, 达到了有效提升轨枕生产质量、提高工作效率的目的, 实现了生产车间操作的无人化, 大大降低了生产人员的劳动强度、改善了作业环境。

（2）CRTSⅢ型轨道板。以巢湖、苏家屯、濮阳和宝坻等轨道板厂为代表, 采用先进的流水机组法技术进行生产, 在智能化、信息化、自动化和机械化技术应用水平和效果上与双块式轨枕厂基本一致。

以上数智化制造技术已达到世界领先水平。虽然前期投入成本较大, 但目前在软硬件重复利用等方面已经得到重大改善, 具备推广应用的条件。

2.3 无砟轨道智能化、机械化施工技术

（1）双块式无砟轨道。在京张、郑万高铁等项目开展了底座板一体化成型、自动分枕、轨排铺装的机械化, 以及轨排自动精调智能化（含无砟道岔）施工技术试验研究。黄黄铁路在建过程中, 在此基础上进行了深化试验研究, 实用性和适用性得到进一步提升。

（2）Ⅲ型板式无砟轨道。分别在京雄城际铁路北段和南段进行了智能铺板技术和工装设备的探索研究。2021年, 结合国铁集团科研课题“CRTSⅢ型板式无砟轨道智能建造技术及成套装备研究”, 在朝凌客运专线组织进行2个类型智能铺板设备的扩大试用。近期, 有施工单位也加入了类似技术装备的研究。今后应进一步对设备的不同线下基础适应性和工效等方面进行升级完善。

（3）梁面、隧道基底凿毛机械化技术。利用大型机械设备自动凿毛和凿出渣土自动清洗回收, 完全消除了以前人工凿毛时作业人员劳动强度大、效率低、作业环境恶劣, 以及环境污染等问题。该项工装工艺技术可降低环境污染、提高工效, 且综合成本没有增加, 完全具备推广应用的条件。

（4）无砟轨道线路的智能精调技术。近几年, 一些建设、设计、施工等单位依托部分高铁项目, 开展旨在降低无砟轨道精调工作量、减少扣件调整件为目标的线路精测设备和精调技术的研发, 取得了部分阶段成果, 后续将继续结合我国高铁轨道工程实际情况不断完善。

但是需清醒认识到, 当前在无砟轨道底座以及道床板（含岔区）钢筋绑扎, 道床板（含岔区）混凝土灌注、捣固、抹面等方面的设计、施工技术研究方面仍存在不足, 这些恰恰是无砟轨道施工现场作业人员需求多、劳动强度大的环节, 也是今后甚至相当一段时间内需要技术突破的难点, 需要下大力气进行重点技术攻关。

2.4 工程线行车调度指挥信息化管理技术

工程线行车调度指挥信息化管理技术使列车监控、视频监控、调度命令、列车运行图、形象进度、列车安全管理、施工防护、值班查询、语音对讲等功能实现模块化管理, 能有效保障行车、作业人员和机械施工安全, 促进管理创新、提高管理效率、增加经济效益。目前, 该技术系统在铁路建设中自发应用并不断自我提升, 发挥作用明显, 已得到普遍应用。

3 把握好铁路建设数智化建造技术创新管理方向

国铁集团2021年度铁路建设工作会议[10］曾特别提到, 要坚守质量底线, 不断夯实质量安全管理基础, 以一流的铁路建设管理、一流的铁路建设技术、一流的铁路工程质量, 为铁路高质量发展提供强有力的基础设施保障。因此, 从事铁路建设的工作者要提高政治站位, 充分认识铁路技术创新在铁路高质量发展中的重要作用。

企业是技术创新主体, 也是创新直接受益者, 设计、施工及合作单位应积极充分发挥企业创新主体作用；建设单位应做好统筹协调, 从施组开始就为开展技术创新提供条件, 并在信誉评价等方面进行鼓励；国铁集团建设管理部门和单位应做好现场的技术创新指导和经验总结, 在建设单位考核、参建单位信誉评价方面也会按照相关制度和政策给予相应考虑。

铁路建设技术创新要围绕“安全、质量、进度、环保、投资”开展, 按照国铁集团“大力推广应用先进设备、技术、工艺, 合理降低建设成本”[3］等总体要求, 避免做表面工程, 克服形式主义, 扎实做好轨道工程建造技术创新工作。另外, 在深入开展轨道工程数智化建造技术创新的同时, 也要继续开展机械化、自动化技术的研发, 并充分调动和发挥现场一线人员技术革新的积极性, 不能忽视现场“小改小革”的“大作用”。

4 结束语

目前我国智能高铁体系构架已经形成[11-12］, 国铁集团在《“十四五”铁路科技创新发展规划》[13］中也提出了推动智能铁路1.0向2.0发展的总体目标。后续要按照国家和国铁集团确定的铁路创新总体目标和方向, 发挥国铁集团的铁路行业创新引领作用, 与铁路设计、施工、制造企业及科研机构、院校、行业协会等共同推进轨道工程数智化建造技术及其管理不断创新。