双块式无砟轨道设计建造一体化技术研究

孙春雷

(中铁十九局集团第一工程有限公司 辽宁辽阳 111000)

1 概述

双块式无砟轨道是我国高速铁路中主要的无砟轨道结构形式之一[1-2]。双块式无砟轨道经过多年的铁路建设，施工工艺已经较为成熟，然而目前的建造模式还存在数字化信息化程度不高、轨道工程部分关键指标不易控制、过程数据易丢失、施工信息难以追溯、前后工序精度误差难以消除等问题。

与此同时，我国高速铁路正向智能化、智慧化方向转型升级，我国铁路“十三五”发展规划中提出“大力促进数字化、信息化、智能化铁路建设”[3-4]。为保证双块式无砟轨道的设计建造精度，设计施工一体化技术是保证工程建设质量、提升精细化管理水平的关键核心所在。

黄黄高铁顺应行业发展趋势，构建双块式无砟轨道设计施工一体化系统，实现了轨道设计施工全过程的数据共享、过程可视及进度和质量实时管控，对提升黄黄高铁双块式无砟轨道建造效率和质量，提升建设管理信息化水平具有重要意义。

2 黄黄铁路轨道工程概况

新建黄冈至黄梅铁路线路全长125.162 km，设计时速350 km，桥隧比80.79%。轨道结构自上而下分别由钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板、底座/支承层等组成[5-6]。长路基地段采用纵连式双块式无砟轨道，短路基地段以及桥梁、隧道采用分块单元式结构。黄黄铁路双块式无砟轨道建造主要面临以下难题:

(1)专业间协同设计难度大。黄黄铁路轨道工程跨越不同线下基础，线站路桥隧等专业设计和施工信息实时变化，难以快速精准计算轨道段落布置和对应铺设坐标。

(2)大跨度桥梁无砟轨道线形控制难度大。黄黄铁路巴河特大桥为主桥最大跨度200 m的矮塔斜拉桥，受桥梁徐变、温度变形、桥上荷载以及风速等多种因素影响，导致无砟轨道线形难以控制。

(3)隧道变形缝处轨道施工动态化管控难度大。双块式无砟轨道需在隧道变形缝处断开设计，传统的蓝图施工无法根据现场实际变形缝位置实现轨道施工过程的动态化管控。

为了解决以上难题，本文从黄黄铁路双块式无砟轨道数字化设计、一体化施工、信息化管控三方面进行研究，构建设计建造一体化系统，从而为黄黄铁路提质增效提供技术支撑。

3 数字化设计技术研究

基于线路平纵断面、路隧桥结构布置、轨道结构设计参数等，形成双块式无砟轨道数字化设计成果，如图1所示，主要包含底座板/支承层的角点坐标、轨枕分布间距、道床板的边线控制坐标、道床板顶面高程等。

图1 数字化设计成果组成

由于实际施工时桥梁的梁缝、梁长，路、桥、隧等分界里程与设计存在一定的出入，为保证轨道施工质量，需要根据现场实测的梁长、梁缝等数据信息完成施工数字化设计成果的动态更新，如图2所示。施工动态设计可解决梁端扣件间距超标、底座板悬出控制、无砟轨道几何尺寸精准控制的问题。通过打通与全站仪、轨检小车的数据接口，可指导双块式无砟轨道的底座、道床、钢轨铺设等施工。实现轨道工程数字化、动态化、可视化设计，实现一体化协同，为轨道一体化建造提供基础。

图2 无砟轨道施工动态控制

4 设计施工一体化实现方法

4.1 底座/支承层一体化施工应用

如图3所示，基于CPⅢ控制网和数字化设计成果，完成全站仪设站。设计理论坐标控制全站仪[7-8]，实现底座板放样自动化测量，获取路基面、梁面等线下基础的高程实测数据；与设计数据实时对比获得标高偏差，在底座施工前确定梁面标高影响，确定底座厚度调整方案；自动生成底座板立模高度，实现底座平面位置、标高、厚度精准控制。

图3 底座/支承层一体化施工流程

4.2 轨排粗铺一体化应用

轨排粗铺之前，在底座板/支承层敷设的土工布表面进行放线控制。利用数字化设计成果中的轨排粗铺数据，控制全站仪指导轨排粗铺放样，并实时传输至信息化管控平台。主要采集轨排粗铺线的平面位置、底座板/支承层标高信息，分析平面控制及高程偏差，与此同时结合基础高程偏差即可推算出底座板/支承层的厚度偏差值。在粗铺的同时进行道床板立模高度控制，实现道床厚度的精准把控。

4.3 轨排精调一体化应用

研发了轨检小车信息化装备，如图4所示，实现轨道几何形位数据(轨距、水平、高低等)的实时采集，通过实测钢轨顶面高程信息，结合底座板/支承层高程数据，实时分析道床板厚度分布；利用数字化设计成果，对比分析轨道几何形位与设计值的偏差，实现轨排精调数据、浇筑后复测数据、钢轨精调数据等同比分析，为获取轨排施工偏差变化规律，提高施工控制工艺提供支撑，也为后续的钢轨精调奠定基础。

图4 轨排精调一体化应用

4.4 巴河特大桥无砟轨道一体化施工

以巴河特大桥无砟轨道线形控制为例，实测主梁线形变化，与线形理论计算对比，动态修正无砟轨道布板数据；采用轨道结构多层分级铺设调控技术，与信息化施工装备进行数据交互，指导无砟轨道的智能建造。

(1)主梁合龙后预加载，获得桥面荷载与索力及设计信息(主梁线形)的精确对应关系。对主梁线形进行系统性调整，实时修正轨道数字化设计成果。

(2)根据轨道数字化设计成果，指挥全站仪对底座的4个边角点进行自动放样定位，并实测梁面高程，利用底座可调厚度，消除主梁局部线形误差。确定底座立模高度后，采用信息化施工装备进行模板顺铺和顶面标高控制。

(3)轨排粗铺前，再次实测主梁线形与设计数据对比，修正轨道设计成果，指导轨排粗铺。

(4)通过采集轨道几何形位数据，计算实测数据与设计成果(钢轨精调数据)的偏差，利用扣件对钢轨线形进行调整。

采用同样技术可解决隧道变形缝处轨道建造动态化管控的难题。

5 信息化管控平台

融合数据仓库、云计算等信息技术[9-10]，构建设计建造智能管控云平台，打通轨道设计建造的信息接口，通过与轨道施工相关装备进行信息交互，实现轨道工程建造全过程数据实时交互，构建设计建造全过程数据仓库[11]。平台遵循SOA(Service-Oriented Architecture)架构理念[12]，基于黄黄高铁双块式无砟轨道结构特点和施工工艺，紧密围绕组织管理、施工进度管理、施工质量管理、预警预报和辅助决策、检验批审批等业务，打造黄黄铁路双块式无砟轨道设计建造管控平台。平台总体框架自下而上分为用户层、数据感知层、业务处理层、应用表达层等，如图5所示。

图5 信息化平台架构

图6为黄黄铁路无砟轨道信息化管控平台施工精度管控界面。平台主要功能如下:

图6 黄黄铁路无砟轨道信息化管控平台

(1)组织机构管理:根据不同的单位、部门、职责，为建设单位、监理单位、施工单位的管理人员分配账号。

(2)施工精度管控:线下基础面高程偏差、底座板/支承层平面线形、标高和厚度控制、道床板混凝土厚度及标高控制、轨排精调和长钢轨铺设精度控制等。

(3)轨道进度管理:结合黄黄轨道施工状态实现形象化进度管理。

(4)报表统计管理:自动生成进度报表、精度质量报表。

(5)预警预报:限差管理、预警值设置，出现施工偏差自动预警等。

(6)混凝土、钢筋、检测等检验批在线审批与管理。

6 结束语

黄黄高速铁路是我国“八纵八横”高速铁路主通道之一“京港(台)通道”的重要组成部分，是武汉-杭州客运通道的组成部分，轨道工程建造标准和铺设精度要求高。针对该情况，利用高精度测量设备和信息化工装，结合大数据、云计算、物联网等信息化技术，构建双块式无砟轨道设计建造一体化系统。实现了双块式无砟轨道的数字化设计，提出了“设计施工一体化”轨道工程建造实施路径，实现了全线尤其是隧道变形缝处和大跨度桥梁无砟轨道建造质量动态化控制；构建了“黄黄铁路轨道建造信息化管控平台”，实现了建造全过程的信息化管控。通过对轨道设计和施工数据的采集、挖掘和分析，实现了无砟轨道建造全过程的数据共享、关键工序进度及质量实时盯控等，对提升黄黄高铁双块式无砟轨道建造效率和质量，提升建设管理信息化水平具有重要意义。