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(fā)展，智能建造技術在無砟軌道施工領域必將得到大規(guī)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(yōu)化與集成，然而，其現(xiàn)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(yōu)化無砟軌道施工工藝，研發(fā)相應的施工工裝，大力推行作業(yè)標準化、施工機械化、檢測現(xiàn)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(xiàn)在施工過程可控、施工裝備智能、施工管理系統(tǒng)等方面，本研究結(jié)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(jié)經(jīng)驗，推廣智能化技術在相關領域的應用，也可協(xié)助實現(xiàn)設計人員對既有設備進行性能優(yōu)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(tǒng)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(yǎng)護→軌道板粗鋪→軌道板精調(diào)→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(xù)的軌道板精調(diào)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(diào)效率。

(3)軌道板精調(diào)方式采用精調(diào)標架配合簡易精調(diào)爪的方式，由于簡易精調(diào)爪分散安裝在軌道板的四周，組合調(diào)整受力不明確，鋪板時四個位置均存在三向調(diào)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(zhì)量和效率，降低人工操作強度和使用成本。為此，針對現(xiàn)存問題逐一確定優(yōu)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(fā)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(diào)托架裝置，實現(xiàn)軌道板的三向粗鋪，提升粗鋪精度和效率。

(3)針對現(xiàn)有軌道板精調(diào)方式的缺陷，專門研發(fā)一套板式無砟軌道自動精調(diào)設備，用于軌道板三向位置參數(shù)的自動化精調(diào)，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(yōu)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(diào)查線下工程結(jié)構(gòu)物布局、周邊環(huán)境、道路情況、設備型號，經(jīng)方案比選，擇優(yōu)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(qū)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(qū)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(tǒng)施工工藝存在的問題，研發(fā)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(xiàn)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(yè)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(zhì)、致密，確保混凝土振搗密實。由于底座板自動整平設備的施工實踐，優(yōu)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(wǎng)片綁扎→限位凹槽螺栓植筋→縱模及軌道安裝調(diào)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(yǎng)護→拆模循環(huán)作業(yè)。

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(cè)4%排水坡位置提前調(diào)整定位，經(jīng)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(jù)混凝土的狀態(tài)調(diào)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(zhì)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(zhì)量和高效率的施工要求。

4 軌道板精調(diào)托架研究

研究軌道板精調(diào)托架的目的是為了配合后續(xù)自動精調(diào)機實現(xiàn)CRTSⅢ型軌道板的精確調(diào)整功能，精調(diào)托架包括軌道板移動架、固定架、高程調(diào)節(jié)機構(gòu)及橫向調(diào)整機構(gòu)。軌道板精調(diào)時，通過移動架將精調(diào)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(gòu)達到在固定架頂部左右橫移的目的，實現(xiàn)軌道板的橫向調(diào)節(jié)；在高程方向上，通過固定架兩端的高程調(diào)節(jié)機構(gòu)，實現(xiàn)精調(diào)托架與軌道板的高程調(diào)節(jié)[9]。

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

圖6 軌道板精調(diào)托架設計原理

粗鋪完成后，即可安裝精調(diào)托架，每塊軌道板上設置2根精調(diào)托架，共4個固定支撐點，通過軌向螺桿與調(diào)節(jié)機構(gòu)的配合實現(xiàn)軌道板的軌向調(diào)節(jié)，有效提高調(diào)節(jié)精度，同時增加了調(diào)整范圍，避免出現(xiàn)錯位返工的現(xiàn)象，且軌向螺桿豎向設置，方便工作人員手工調(diào)節(jié)，也可配合軌道板精調(diào)機上的執(zhí)行結(jié)構(gòu)實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，每個精調(diào)托架重量約70 kg，高程調(diào)節(jié)范圍±100 mm，橫向調(diào)節(jié)范圍±50 mm。

精調(diào)托架上的調(diào)整螺桿均為豎向調(diào)節(jié)，既方便人工調(diào)整軌道板，也巧妙配合軌道板精調(diào)機上的3個執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)。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(tǒng)單個作業(yè)面的調(diào)板速度由30塊/d左右提升至45塊/d，節(jié)約大量精調(diào)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(diào)機應用研究

傳統(tǒng)軌道板精調(diào)采用精調(diào)標架配合簡易精調(diào)爪的方式，軌道板調(diào)節(jié)需要4個精調(diào)爪固定在軌道板的4個調(diào)整端，現(xiàn)場配合4個施工人員操作精調(diào)爪上的調(diào)節(jié)螺栓進行軌道板的精調(diào)，軌道板鋪設精度不足，且軌道板調(diào)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(fā)適用于軌道板三向位置參數(shù)精調(diào)的軌道自動精調(diào)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(diào)機如圖7所示，主要由主機架、升降系統(tǒng)、橫移機構(gòu)、高程調(diào)整機構(gòu)、橫向調(diào)整機構(gòu)、走行機構(gòu)、導向輪系、電氣控制系統(tǒng)等組成。升降機構(gòu)和調(diào)整對位機構(gòu)可以通過機構(gòu)升降、縱移來實現(xiàn)不同線路超高、不同型號軌道板用精調(diào)軌架系統(tǒng)的對位安裝。高程調(diào)整機構(gòu)、中線調(diào)整機構(gòu)共同構(gòu)成精調(diào)機的精調(diào)系統(tǒng)，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(diào)托架的3個調(diào)整螺桿位置，以便實現(xiàn)軌道板方向的數(shù)據(jù)精調(diào)。精調(diào)系統(tǒng)通過讀取全站儀測量數(shù)據(jù)，可自動進行軌道板高程、中線位置參數(shù)的高精度、快速調(diào)整。

圖7 軌道板自動精調(diào)機

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

(1)軌道板的高程、中線均通過豎向螺桿調(diào)整，方便人員操作和精調(diào)對位。

(2)軌道板調(diào)整由電機控制及托架結(jié)構(gòu)保證調(diào)整同步性，橫向調(diào)整采用單邊調(diào)整，另一側(cè)同步隨動，避免人工不同步操作造成的崩板現(xiàn)象。

(3)精調(diào)機控制系統(tǒng)能夠讀取測量數(shù)據(jù)，然后將需要調(diào)整的數(shù)據(jù)發(fā)送到精調(diào)機構(gòu)，實現(xiàn)軌道板位置參數(shù)的自動調(diào)整。

(4)精調(diào)機自重較輕，操作方便，有利于精調(diào)工作進行。

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

6 結(jié)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(diào)和精調(diào)等方面優(yōu)化了軌道板施工工藝，研發(fā)了重點工序的智能化施工建造設備，得出研究結(jié)論如下:

(1)基于底座板整平施工工序研發(fā)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(zhì)量。

(2)基于軌道板粗鋪精度不足而研發(fā)的精調(diào)托架裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)軌道板的三向粗鋪，提升粗鋪精度和效率。

(3)基于現(xiàn)有軌道板精調(diào)方式的缺陷而研發(fā)的板式無砟軌道自動精調(diào)機，用于軌道板三向位置參數(shù)的自動化調(diào)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(yōu)化無砟軌道施工工藝和物流組織方案，研發(fā)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(zhì)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(jīng)驗。