郑万高铁无砟轨道智能化施工技术研究与应用

耿冬梅

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

1 引言

我国的双块式无砟轨道研究应用已近20年，双块式无砟轨道以其结构简单、施工方便、经济性好等优点，逐渐成为我国高速铁路主要轨道型式之一。在我国高速铁路发展过程中，CRTS双块式无砟轨道主要经历了两个阶段，分别是以武广和郑西客专为代表的引进消化国外高铁技术的发展阶段，以兰新和大西高铁为代表的再创新的发展阶段。我国自双块式无砟轨道引进消化吸收再创新以来，施工技术一直未得到大的发展。多年以来劳动密集型、技术粗放型的施工模式造成了无砟轨道施工返工较多，底座板和道床板传统施工方法造成的混凝土开裂等病害并未得到有效解决，施工完成后扣件更换率居高不下，道床施工速度一直处于较低的状态，现场施工需要大量人力，施工环境差。

随着中国制造2025计划的推出，高速铁路建造技术的发展，智能铁路、智慧铁路以及绿色铁路成为铁路建设的重点方向，这也对施工质量的过程监控和测量数据管理提出了更高的要求。

2 项目概况

郑万高铁是郑渝高速铁路（郑州—重庆）的重要组成部分，起于郑州东站，途径湖北地区、终点为重庆市万州区，共设立车站20座，线路设计行车速度为350 km/h，运营速度300 km/h，全线建筑长度818 km。郑万高铁按施工区间划分包含河南段（郑州东—南阳市）、湖北段（襄阳市—重庆市）以及重庆段（重庆市—万州）。

项目于2016年12月11日全线开工，全线涉及路基、桥梁、隧道等施工线路。轨道型式采用双块式无砟轨道结构，轨道正线线间距为4.6 m/5.0 m，最大超高175 mm，最大坡度20‰，最小曲线半径9 000 m。除了河南段采用了传统无砟轨道施工技术进行施工外，其他施工区间均采用了该套智能化无砟轨道施工技术开展了无砟轨道施工建设［1-4］。

3 郑万高铁无砟轨道智能化施工技术难点

为了全面响应中国铁路2025发展战略，郑万高铁无砟轨道施工时，在一些关键工序的关键装备上应实现智能化应用，全面提升郑万高铁无砟轨道的技术水平。在底座板铺装、新轨排系统架设、智能化分枕、智能化精调等方面研究新技术、新装备，在无砟轨道施工环节做好质量控制与提升，提高无砟轨道施工效率。综上，主要存在以下施工技术难点［5-9］。

（1）底座板自动铺装技术

基于现有底座板成型施工技术，研究底座板自动铺装施工方法，实现直线段/曲线段底座顶面标高的自动控制，完成高速铁路无砟轨道底座板混凝土的自动摊铺与成形。

（2）新型嵌套式轨排法施工技术

研究新型嵌套式轨排，要求嵌套式轨排结构及功能上实现创新，利用自身嵌套式结构的特殊设计，借助轨排精调机可以实现轨道几何形位数据的调整，且满足轨向与高程的完全独立调节。嵌套式轨排兼有自锁定功能，轨排达到精度要求后自动完成锁定［10-12］。

（3）基于数字化自动分枕技术

对智能化自动分枕技术及装备进行研究，智能化自动分枕机能够实现分枕机的自动匀枕作业，只需选择轨排型号，即可完成不同轨排、不同间距多组轨枕的精确定位，形成基于数字化自动分枕技术。

（4）智能化轨排精调技术

研究轨排自动精调技术及施工配套装备，智能化轨排精调机与嵌套式轨排配合使用，通过智能化轨排精调机的操作，能够对新型轨排实现轨道几何参数的一键智能化调整。

4 郑万高铁无砟轨道智能化施工技术

4.1 施工方案

双块式无砟轨道智能化施工拟在全自动底座板布料振捣抹平机、新型轨排系统、智能化自动分枕机、全自动轨排铺装机、智能化轨排精调车、混凝土布料振捣一体机等方面实现全面的信息化、智能化。其中全自动底座板布料振捣抹平机可实现自动浇筑、自动振捣与抹平，提高底座板施工效率。新型轨排系统与传统轨排相比，轨向调节方式改为单侧向的轨向调节螺杆调整，轨向调节螺杆具有轨向锁定功能，无需继续锁定，施工速度快，调节精度高。智能化自动分枕机可根据不同轨枕间距自动匀枕，提高匀枕效率。全自动轨排铺装机用于吊取成榀轨排并运输至施工位置，能够实现轨排的平稳准确铺装，实现轨排粗铺。智能化轨排精调车可实现自动测量、自动精调、数据追踪、数据存储、报表查询等功能，无人为因素干扰，增加了施工质量数据的可追溯性。道床板混凝土布料机集布料与振捣于一体，可根据轨枕间距设定步进操作，实现自动布料与振捣，提高施工效率。

施工时，利用线间布置的智能化自动分枕机完成匀枕，将轨枕、钢轨、嵌套式轨排等完成轨排组装，通过全自动轨排铺装机将成榀轨排吊运至指定位置进行铺装作业，利用智能化轨排精调车调好钢轨的轨向、高低、中线等几何参数，使其满足设计标准。支立道床模板体系，混凝土布料振捣一体机进行布料、振捣作业，完成无砟轨道施工。

4.2 关键施工技术

（1）底座板自动铺装

底座板断面形式多样，通过全自动底座板布料振捣整平设备的研制，实现了底座板自动铺装技术的创新，该项技术兼有自动化布料、振捣、抹平等功能，能够满足线路直线段和曲线段底座板连续施工。底座板铺装时，振捣时间通过PLC编程控制，针对不同坍落度的混凝土制定合理的振捣参数，可有效避免传统手持插入式振捣方式引起的混凝土振捣不足或过振现象，大大提高了混凝土的振捣质量，并且能够显著提高底座板的外观质量和施工效率（见图1）。

图1 全自动底座板自动铺装

（2）新型嵌套式轨排法施工

创新地提出了新型嵌套式轨排（见图2）施工法，通过托梁内外套滑动的方式实现轨向调整，打破了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。配合智能化精调机的使用，新型嵌套式无砟轨道排架大大缩短了道床施工中的精调工序施作时间，为高铁无砟轨道施工智能化、信息化、自动化提供了技术基础，填补无砟轨道施工领域的技术空白。目前，新型嵌套式轨排施工技术经过数次工厂的优化试制及施工现场的实际使用，取得了很好的施工效果，较传统轨排施工可减少人工30%。

图2 新型嵌套式轨排法施工

（3）基于数字化自动分枕

智能化自动分枕机是双块式无砟轨道施工轨排组装工序的专用设备，它可替代传统的简易分枕平台，由原来的人工操作模式改变为自动控制模式。在分枕操作时，选择需要的轨排模式即可实现自动布枕。该项自动分枕技术适用于不同轨枕间距不同轨排长度的一键式布枕作业，具有自动收拢、自动分枕、轨枕定位、轨排框架定位等特点，可自动定位轨枕初始放落状态下的前后、左右位置，实现任意不同位置轨枕的间距布置。该设备具有平稳、准确、高效、安全等特点，可实现轨排组装自动化、智能化。基于数字化自动分枕的应用，可节省大量劳动力，有效提高了施工效率，是实现无砟轨道智能化施工必不可少的施工技术（见图3）。

图3 数字化自动分枕

（4）智能化轨排精调

智能化精调机采用浮动坐标系建模法与最小二乘系统辨识技术读取精调小车数据，可以实现对不同精调小车的匹配，精调程序计算，数据传输至伺服电机，精密减速机通过万向伸缩传动轴转递精密转动调整，完全替代人工调整，大大缩短了道床施工中的精调工序施作时间。该项技术所用设备为智能化精调机（见图4），其调节精度可达0.1 mm，调整速度快，调整精度高，不受人为因素影响，原来人工调整需要4个工人配合1个测量人员，工人劳动强度很大，实现轨排的智能化精调后只需2个工人配合1个测量人员，工人劳动强度大大降低。

5 应用情况

该套施工技术实现了施工过程的智能化、信息化，减少了人为干扰，实现了施工质量的可追溯性，形成了一套具有自主知识产权的智能化双块式无砟轨道施工技术。该项科研成果相继在郑万高铁（见图5）、京张高铁得到了深入推广应用，与参建该线路的其他智能建造技术共同实现了智能郑万、智能京张的预期目标。同时，该项科研成果的产业化给企业创造了良好的经济、社会和环境效益。

图5 郑万高铁无砟轨道完工区间

6 结束语

项目结合我国的智能高铁发展战略以及现存无砟轨道施工问题，研究了适用于郑万高铁无砟轨道智能化施工技术，形成了CRTS双块式无砟轨道智能化成套施工技术，研制了CRTS双块式无砟轨道智能化成套施工装备，建立了无砟轨道施工信息化管理协作平台，实现了施工数据可追溯。该项施工技术具有如下特点：

（1）采用嵌套式托梁体施工，通过托梁内外套滑动的方式调整；轨向与高程完全独立调节，轨向与高程的调节互不干涉；采用自锁定结构，轨排达到精度要求无需继续锁定，方便快捷。

（2）采用独拖柔性结构设计，实现分枕平台自动匀枕，且实现不同间距轨枕的精确定位；基于参数化自动整平技术，可实现底座板不同超高下的自动成型；基于数字化设计，实现不同坍落度的混凝土振捣参数控制，有效避免混凝土振捣不足或过振。

（3）基于浮动坐标系建模法与最小二乘系统辨识技术进行智能精调，实现精调数据自动传输和实时调整；基于模型预测控制及迭代自学习控制理论精调设备研制；采用云技术，实现几何参数自动传输，实现对精调参数的记录、保存和上传；采用多点联动调整，满足随测随调，无需反复调整，减少干扰，提高效率。

智能化双块式无砟轨道施工技术在郑万高铁得到了深入推广与应用，通过对建成区间轨道进行的检测数据分析表明，利用该项技术施工的轨道线路其TQI指标明显优于其他线路，外观质量也得到明显改善。实践证明：该套施工技术的实施是成功的，给其他在建双块式无砟轨道线路施工以借鉴。