淺析鐵路軌道施工技術(shù)進(jìn)展及智能建造技術(shù)研究難點(diǎn)

崔成

中國(guó)鐵路工程的建設(shè)經(jīng)歷了從數(shù)量、規(guī)模到質(zhì)量、效益的發(fā)展轉(zhuǎn)變，且當(dāng)前施工技術(shù)正在從傳統(tǒng)施工方式向智能建造方式轉(zhuǎn)變。隨著自動(dòng)化、智能化技術(shù)在各領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，智能建造技術(shù)在鐵路軌道工程領(lǐng)域的應(yīng)用也開始了相關(guān)研究并取得了階段性成果，但是其深入研究和全面推廣仍有很多技術(shù)難點(diǎn)需要突破。基于此，本文簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)軌枕、軌道板預(yù)制和有砟、無(wú)砟軌道鐵路鋪軌方面智能建造技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的信息和對(duì)智能化建造技術(shù)的認(rèn)知，就鐵路軌道智能建造技術(shù)研究的技術(shù)路線、技術(shù)難點(diǎn)、應(yīng)用前景等提出了一定的建議，以期推動(dòng)鐵路智能建造技術(shù)的發(fā)展。

智能建造;鐵路軌道;軌枕、軌道板預(yù)制;有砟、無(wú)砟軌道;鐵路鋪軌、技術(shù)難點(diǎn)

鐵路是我國(guó)交通的大動(dòng)脈，其規(guī)模和技術(shù)體現(xiàn)了國(guó)家經(jīng)濟(jì)的實(shí)力和科技的水平。我國(guó)現(xiàn)已成為世界上高鐵運(yùn)營(yíng)里程最多、運(yùn)行時(shí)速最高、在建項(xiàng)目最多的國(guó)家。中國(guó)高鐵已成為一張亮麗的名片，充分體現(xiàn)了習(xí)近平總書記“推動(dòng)中國(guó)制造向中國(guó)創(chuàng)造轉(zhuǎn)變、中國(guó)速度向中國(guó)質(zhì)量轉(zhuǎn)變、中國(guó)產(chǎn)品向中國(guó)品牌轉(zhuǎn)變”的重要指示精神，同時(shí)為推動(dòng)鐵路技術(shù)轉(zhuǎn)向升級(jí)，打造中國(guó)品牌指明了方向。中國(guó)鐵路建造技術(shù)已經(jīng)從原始的人工方式發(fā)展為機(jī)械化、自動(dòng)化施工，并正在向自動(dòng)化、智能化技術(shù)邁進(jìn)。

我國(guó)早期的鐵路軌道施工技術(shù)落后，以人力為主，輔以少量的小型機(jī)具設(shè)備。鐵路鋪軌時(shí)需要人工抬擺枕木、鋼軌，人工釘?shù)阑虬惭b扣件，部分道砟也需要人力補(bǔ)充，因此勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、施工進(jìn)度慢。七十年代，開始應(yīng)用鋪軌機(jī)，實(shí)現(xiàn)了鐵路鋪軌施工的半機(jī)械化作業(yè)，但軌排生產(chǎn)、上砟養(yǎng)路等環(huán)節(jié)仍以人工為主，機(jī)械化程度低;大范圍應(yīng)用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土軌枕及配套的定型鋼軌扣配件，軌枕在工廠內(nèi)預(yù)制生產(chǎn)，隸屬于鐵路局管理，通過(guò)鐵路運(yùn)輸，（如圖1-3）。

八十年代至九十年代，鐵路鋪軌普遍使用，還研發(fā)了集T梁架設(shè)和鋪軌功能的鋪架機(jī)，鐵路鋪軌施工的綜合進(jìn)度指標(biāo)明顯提升，應(yīng)用往復(fù)式軌排生產(chǎn)線使軌排生產(chǎn)的勞動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)一步降低，線路采用K車補(bǔ)砟、人工小型內(nèi)燃搗鼓機(jī)作業(yè)，人員勞動(dòng)強(qiáng)度得到降低，除了道岔及特殊工況外，鐵路鋪軌作業(yè)基本實(shí)現(xiàn)了初步的機(jī)械化。軌枕仍在軌枕廠生產(chǎn)，鐵路運(yùn)輸為主，軌枕定型產(chǎn)品種類少，生產(chǎn)工藝有所改進(jìn)，（如圖4-6）。

新線建設(shè)中無(wú)砟軌道和無(wú)縫線路很少應(yīng)用，相應(yīng)的施工技術(shù)仍處于空白狀態(tài)。

進(jìn)入二十一世紀(jì)，以秦沈客運(yùn)專線為標(biāo)志，我國(guó)的鐵路軌道施工技術(shù)進(jìn)入新階段。秦沈客專首次采用新線一次性鋪設(shè)無(wú)縫線路新技術(shù)并按設(shè)計(jì)時(shí)速開通，徹底顛覆了以往先鋪設(shè)有縫線路，開通運(yùn)營(yíng)臨管運(yùn)輸，工程交驗(yàn)正式運(yùn)營(yíng)、線路穩(wěn)定后既有線換鋪無(wú)縫線路等傳統(tǒng)的軌道施工觀念。引進(jìn)了當(dāng)時(shí)世界上先進(jìn)的單枕連續(xù)法鋪軌機(jī)組、大型機(jī)械化養(yǎng)路機(jī)組，建設(shè)了工地焊軌廠，首次鋪設(shè)大號(hào)碼高速鐵路道岔，試鋪了長(zhǎng)枕埋入式和單元板式無(wú)砟軌道，采用緊密流水法施工工藝，順利實(shí)現(xiàn)了按設(shè)計(jì)時(shí)速開通的目標(biāo)，為中國(guó)鐵路建設(shè)樹立了新標(biāo)桿，（如圖7-9）

我國(guó)真正意義上的高速鐵路建設(shè)是以有砟軌道為主的石太客專、無(wú)砟軌道為代表的京津城際為開端，鐵路軌道施工技術(shù)在秦沈客專基礎(chǔ)上得到新的提升。武廣客專、鄭西客專、京滬高鐵等先后建設(shè)，軌道結(jié)構(gòu)形式也從單一的有砟軌道拓展到多種形式的無(wú)砟軌道，高速鐵路軌道施工技術(shù)也從引進(jìn)成套技術(shù)與設(shè)備，經(jīng)過(guò)消化吸收和科技創(chuàng)新，逐步形成了軌道結(jié)構(gòu)種類最多、環(huán)境適應(yīng)性最廣、建造技術(shù)配套最全、施工成本相對(duì)最低的中國(guó)特色建造技術(shù)。

有砟軌道施工以換鋪法和單枕法為主，在國(guó)外單枕法鋪軌設(shè)備的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)我國(guó)500m長(zhǎng)鋼軌的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，自主研發(fā)了CPG500型鋪軌機(jī)組，搗固車、穩(wěn)定車、配砟車、道岔?yè)v固車等大型養(yǎng)路機(jī)械以及移動(dòng)式焊軌機(jī)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化并有砟軌道施工中普遍應(yīng)用，高鐵有砟軌道精調(diào)整理中普遍使用新一代的DWL（搗固與穩(wěn)定聯(lián)合作業(yè)）機(jī)組，線路軌道在開通前使用鋼軌打磨列車實(shí)現(xiàn)了預(yù)打磨，有砟軌道線路施工技術(shù)與裝備水平達(dá)到了世界先進(jìn)水平，（如圖10-13）。

有砟軌道的道岔仍采取原位鋪設(shè)為主的工藝，道岔精調(diào)以人工調(diào)整為主，個(gè)別鐵路局曾引進(jìn)國(guó)外的道岔?yè)Q鋪設(shè)備，但是受既有線施工場(chǎng)地條件和要點(diǎn)施工限制，沒有得到推廣。國(guó)內(nèi)道岔施工技術(shù)總體上機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化程度低，較國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比仍相對(duì)落后（如圖14）。

國(guó)內(nèi)鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式主要有CRTSⅠ型雙塊式、板式，CRTSⅡ型雙塊式、板式，CRTSⅢ型板式等，無(wú)砟道岔主要有軌枕埋入式、板式等。不同的軌道結(jié)構(gòu)形式適應(yīng)不同的運(yùn)營(yíng)條件和施工條件，采用相對(duì)應(yīng)的成套工裝工藝進(jìn)行施工。相對(duì)而言，CRTSⅡ型雙塊式無(wú)砟軌道施工的機(jī)械化、自動(dòng)化程度最高。目前國(guó)內(nèi)無(wú)砟軌道采用最多的是CRTSⅠ型雙塊式和CRTSⅢ型板式兩種無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式，道岔以軌枕埋入式為主，（如圖15-17）。

為了適應(yīng)大規(guī)模的鐵路建設(shè)需要，軌枕的預(yù)制已不再局限于鐵路局的生產(chǎn)廠供應(yīng)，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)新建軌枕廠、軌道板廠等大臨設(shè)施，軌枕、軌道板預(yù)制實(shí)現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)，機(jī)械化程度和信息化水平持續(xù)提升，正在向智能工廠邁進(jìn)，（如圖18-21）。

根據(jù)鐵路中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，國(guó)內(nèi)鐵路建設(shè)將繼續(xù)維持在一定的規(guī)模，市域鐵路、城際鐵路近期將爆發(fā)式增長(zhǎng)，高速鐵路向中西部地區(qū)延伸，鐵路之間的聯(lián)絡(luò)線、鐵水聯(lián)運(yùn)鐵路等提上日程，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)日臻完善，以川藏鐵路為代表的高難度鐵路開工建設(shè)，伴隨著人口老齡化和人工成本的快速增長(zhǎng)，能保證施工安全、作業(yè)高效、工程優(yōu)質(zhì)的鐵路智能建造技術(shù)的研究應(yīng)用和施工技術(shù)再創(chuàng)新已刻不容緩，國(guó)內(nèi)部分相關(guān)的科研院所、施工企業(yè)、裝備制造廠商已開展相關(guān)工作。

鐵路軌道施工技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面：

（5）鐵路軌道施工管理標(biāo)準(zhǔn)化、智能化提升。當(dāng)前國(guó)內(nèi)鐵路施工項(xiàng)目的管理基本實(shí)現(xiàn)了信息化，但各種管理軟件平臺(tái)五花八門，各種管理方面的信息和施工過(guò)程中的數(shù)據(jù)無(wú)法完全貫通，因此需要整合現(xiàn)有管理軟件平臺(tái)或開發(fā)適應(yīng)于模塊化管理的專業(yè)軟件平臺(tái)。

軌枕預(yù)制國(guó)內(nèi)早已實(shí)現(xiàn)了工廠化，其以環(huán)形流水生產(chǎn)線為主。以中鐵三局為例，在智能化軌枕廠的發(fā)展歷程中，通過(guò)對(duì)原有軌枕生產(chǎn)工藝、裝備的多次升級(jí)改造，打造了黃黃鐵路蘄春智能化軌枕生產(chǎn)車間，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。蘄春軌枕廠采用流水機(jī)組法生產(chǎn)，軌枕養(yǎng)護(hù)改進(jìn)為坑式養(yǎng)護(hù)窯分倉(cāng)智能養(yǎng)護(hù)，12道主要生產(chǎn)工序全部機(jī)械化、自動(dòng)化，螺旋筋套管安裝、桁架箍筋安裝、混凝土精準(zhǔn)布料、軌枕出入窯、軌枕外形與幾何尺寸檢測(cè)、注油蓋、軌枕緩存等工序應(yīng)用了視覺識(shí)別、激光掃描、算法分析等智能控制技術(shù)。生產(chǎn)管理中，在建設(shè)單位要求的管理平臺(tái)基礎(chǔ)上，引進(jìn)了MES、SCADA、PHM等先進(jìn)的管理系統(tǒng)。

目前軌枕預(yù)制智能建造技術(shù)研究的難點(diǎn)在于部分智能設(shè)備工作的穩(wěn)定性、技術(shù)參數(shù)的可靠性有待進(jìn)一步改善，噴砂工藝清模能耗過(guò)大需要改進(jìn)，軌枕緩存沒有分倉(cāng)養(yǎng)護(hù)，軌枕的物流智能管理水平低。軌枕裂紋檢測(cè)單純依靠視覺識(shí)別技術(shù)，對(duì)裂紋判別的可信度偏低，應(yīng)研究基于超聲波探測(cè)技術(shù)的專用檢測(cè)設(shè)備，（如圖22）。

當(dāng)前軌道板預(yù)制正在逐步推廣流水機(jī)組法。采用流水機(jī)組法后部分工序?qū)崿F(xiàn)了智能化，如CRTSⅢ型板生產(chǎn)中，脫模、清模、套管螺旋筋安裝、預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)緊和張拉、鋼筋絕緣檢測(cè)、蒸養(yǎng)等智能化水平已較高，混凝土精準(zhǔn)布料和振搗工位有待提升。但鋼筋籠綁扎工序仍以人工為主，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化還很難，（如圖23）。

有砟軌道智能建造技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)發(fā)展緩慢，主要原因是軌道結(jié)構(gòu)形式、扣件類型固化，機(jī)械鋪軌時(shí)自下而上、自始至終的順序施工方式，決定了其施工工藝很難有大的突破。只能在鋪軌機(jī)械設(shè)備、線路大機(jī)整道等方面做一些減少作業(yè)人員、提高作業(yè)精度、保證工程質(zhì)量的改進(jìn)。目前國(guó)內(nèi)有些施工單位正在聯(lián)合相關(guān)科研院所、設(shè)備廠商做相關(guān)研究，難度較大的課題有：

1. 有砟、無(wú)砟通用智能牽引車，解決山區(qū)鐵路隧道外有砟、隧道內(nèi)無(wú)砟相互交替的工況下作業(yè)精度和效率問(wèn)題。研究中存在的問(wèn)題是設(shè)備擬附加自主巡航走行、鋼軌自動(dòng)抓取、自動(dòng)投放與回收滾輪等功能，設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸較大、自重較大，與現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)條件要求有差距，實(shí)際效果有待驗(yàn)證。該項(xiàng)研究雖然可以提升智能化水平，但是造價(jià)較高，性價(jià)比較差，（如圖24-25）。

目前國(guó)內(nèi)無(wú)砟軌道智能建造技術(shù)的研究以雙塊式、CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道為主攻方向，兼顧無(wú)砟道岔智能精調(diào)等技術(shù)的研究。

1. 雙塊式無(wú)砟軌道。在以往雙塊式無(wú)砟軌道軌排框架法、軌排架法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)在成套的施工技術(shù)裝備，在機(jī)械化、自動(dòng)化及智能化等方面做提升。在軌排組裝、軌排運(yùn)輸、軌排粗鋪、軌排智能精調(diào)、混凝土智能澆筑振搗、自動(dòng)找平抹面、工地智能養(yǎng)護(hù)等方面，以中國(guó)中鐵為代表的建筑央企聯(lián)合相關(guān)院所、廠商做了系統(tǒng)的研究與開發(fā)，研制了成套的施工裝備，在高鐵項(xiàng)目進(jìn)行了試用和驗(yàn)證。部分功能還需要完善，如軌排智能精調(diào)、混凝土智能澆筑振搗等環(huán)節(jié)，在精度、效率、質(zhì)量等方面未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。在有效工期短，進(jìn)度要求高，作業(yè)環(huán)境差異大的情況下，現(xiàn)有的智能建造技術(shù)還不能很好的適應(yīng)，相關(guān)單位仍在繼續(xù)探索。

1. 鋼軌焊接。鐵路項(xiàng)目的500m長(zhǎng)鋼軌焊接在國(guó)鐵集團(tuán)的焊軌基地完成，各焊軌基地一直在不斷地進(jìn)行技術(shù)改造與升級(jí)。施工單位完成現(xiàn)場(chǎng)的鋼軌焊接，道岔內(nèi)采用鋁熱焊工藝，焊頭數(shù)量較少，對(duì)智能化升級(jí)沒有強(qiáng)勁的需求。線路采用移動(dòng)焊軌機(jī)閃光接觸焊工藝，配套使用工地上打磨、矯直、正火、探傷等設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)各單位在信息化方面做了許多研究工作，但需要在鋼軌焊接、鋼軌正火、自動(dòng)打磨、焊頭探傷與檢測(cè)等方面繼續(xù)深化智能化技術(shù)的研究。

市域、城際鐵路的施工條件苛刻，部分城市在軌道施工期間仍不具備與既有線接軌的條件，必須采用在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)小型焊軌基地，將短定尺軌焊接成非標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度長(zhǎng)軌的方式解決。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)小型焊軌基地建設(shè)及小型焊軌生產(chǎn)線生產(chǎn)技術(shù)與裝備的適應(yīng)性改造升級(jí)將是下一步研究工作的重點(diǎn)。

中鐵大橋院秦順全院士提出的“無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法”在橋梁設(shè)計(jì)與施工監(jiān)控中發(fā)揮了重要作用，借鑒“無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法”的理念，結(jié)合鐵科院研發(fā)的應(yīng)力放散鎖定監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，采用智能化的長(zhǎng)度測(cè)量、鋼軌長(zhǎng)度標(biāo)定、鋼軌應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量、鋼軌位移監(jiān)測(cè)等儀器設(shè)備和先進(jìn)的監(jiān)控手段，研究500m長(zhǎng)鋼軌直接放散鎖定的施工工藝和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，完全有可能達(dá)到原來(lái)放散鎖定工藝要求的“無(wú)縫線路的實(shí)際鎖定軌溫準(zhǔn)確、均勻”的技術(shù)要求。

縱覽國(guó)內(nèi)鐵路軌道施工技術(shù)的發(fā)展歷程，分析鐵路軌道智能建造技術(shù)的現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)，智能建造技術(shù)的研究、應(yīng)用任重道遠(yuǎn)、勢(shì)在必行。

1. 做好頂層設(shè)計(jì)，科學(xué)整合資源，加強(qiáng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，主攻關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)內(nèi)鐵路軌道智能建造技術(shù)的研究中，國(guó)鐵集團(tuán)、鐵路科研院所、設(shè)計(jì)院、施工企業(yè)、裝備制造廠商及高等院校等均有參與，但是頂層設(shè)計(jì)缺失，研究路線模糊，研究團(tuán)隊(duì)各自為戰(zhàn)力量分散，研究方向及內(nèi)容雷同或低端重復(fù)，核心技術(shù)缺失，知識(shí)產(chǎn)權(quán)界定不清，研究成果或新的施工技術(shù)與裝備缺乏應(yīng)用驗(yàn)證。

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The construction of railway projects in China has undergone development and transformation from quantity， scale to quality and efficiency， and the current construction technology is changing from traditional construction methods to intelligent construction methods. With the promotion and application of automation and intelligent technology in various fields， the application of intelligent construction technology in the field of railway track engineering has also begun relevant research and achieved phased results， but its in-depth research and comprehensive promotion still have many technical difficulties that need to be broken through. . Based on this， this article briefly introduces the research and application status of intelligent construction technology in domestic sleepers， prefabricated track slabs and track laying of ballasted and non-ballasted railways. The technical route， technical difficulties， and application prospects of intelligent construction technology research put forward certain suggestions in order to promote the development of railway intelligent construction technology.

Intelligent construction; Railway track; Prefabrication of sleeper and track plate; Ballastless and Ballastless track; Railway track laying， technical difficulties