雙塊式無砟軌道智能化施工技術

趙 博

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京102600）

0 引言

我國高速鐵路無砟軌道結構主要有以下七種形式：CRTS-Ⅰ型板式、CRTS-Ⅱ型板式、CRTS-Ⅲ型板式、CRTS-Ⅰ型雙塊式、CRTS-Ⅱ型雙塊式、道岔區板式、道岔區軌枕埋入式[1]。在充分借鑒國外高速鐵路無砟軌道成熟技術的基礎上，我國高速鐵路雙塊式無砟軌道通過引進消化吸收再創新，逐漸發展形成了具有自主知識產權的軌排框架法施工。目前，在我國的高速鐵路發展過程中，CRTS-Ⅰ雙塊式無砟軌道主要經歷了三個階段的發展，分別是：以武廣、鄭西客專為代表的引進消化國外高鐵技術的無砟軌道發展階段，以蘭新、大西、貴廣高鐵為代表的高鐵技術消化吸收再創新的無砟軌道發展階段，以鄭萬高鐵為代表的引領無砟軌道高鐵技術的智能化無砟軌道發展階段。

至今，雙塊式無砟軌道運營里程達到6 850.0 km，已經占據國內高速鐵路運營里程的60%。雙塊式無砟軌道已經成為我國高速鐵路無砟軌道的主流結構形式，其建造水平代表著中國高速鐵路軌道建造水平，所以，通過提升雙塊式無砟軌道施工工裝智能化水平以提升雙塊式無砟軌道建造水平迫在眉睫。

1 雙塊式無砟軌道結構組成

雙塊式無砟軌道軌排法施工原是對軌排高程和橫向位置的精調，使軌道施工的測量數據擬合設計的線路數據。其結構由鋼軌、彈性扣件、雙塊式軌枕、道床板、底座/支承層等組成[2]（圖1）。

圖1 CRTS-Ⅰ型雙塊式無砟軌道結構圖

目前我國主要采用SK-1型雙塊式軌枕和SK-2型雙塊式軌枕[3]（圖2、圖3）。

圖2 SK-1型雙塊式軌枕

圖3 SK-2型雙塊式軌枕

2 目前雙塊式無砟軌道施工存在的主要問題

傳統軌排框架法施工工藝雖然較為成熟，但整體施工流程對人工依賴程度較高，無法滿足自動化和智能化需求。施工過程中經常出現人工散枕精度難以控制、傳統軌排施工工序復雜、人工精調精度無法保證和現澆道床混凝土的抗裂性差的現象。

2.1 人工散枕精度難控制

在雙塊式無砟軌道施工中，如何更快速將軌枕散開，同時保證分枕精度在范圍內提高軌排組裝效率的關鍵步驟[4-5]。目前，施工現場主要采用人工分枕，盒尺、板尺測量的方式作業。作業時，需要借助現場龍門吊將軌枕逐個散布，通過測量+撬棍方式調整軌枕間距。軌枕間距調整好后，落放軌排，安裝扣件系統。當扣件螺栓擰緊時，軌枕存在一個被抬升的動作，這時，軌枕前后無限位，很容易產生晃動，使之前調整好的軌枕間距無法保證。后期還要進行復測，反復調整軌枕間距。

此方法不僅人工勞動強度高，工作效率低，且分枕不準確、不平行，導致精調難度高，布枕質量低，后期扣件損壞嚴重，同時，人工分枕大都直接在隔離層上作業，對下部的土工布污損較嚴重（圖4）。

圖4 傳統人工分枕施工

2.2 傳統軌排施工工序復雜

傳統雙塊式無砟道床施工采用組合式軌排框架施工，軌向與高程調節相互干擾，鎖定工序繁瑣，且耗費了大量人工，尤其是在曲線超高段無砟軌道施工時，軌排框架的橫向調節往往會帶來軌道高程數據的變化，導致已調整到位的高程參數發生較大誤差，從而產生精調工序的反復，精調質量及精調時間不可控，不僅精調效率低，也增加了精調工人的勞動強度。傳統排架的軌道幾何形位數據調整僅僅能夠單點調整（圖5）。

圖5 傳統無砟軌道排架施工

2.3 人工精調精度難保證

傳統軌排精調采用軌檢小車配合人工操作的方式進行精調作業，測量人員通過發送指令形式指揮軌排兩端的操作人員，精調操作人員通過簡易的快速扳手對軌排的高程和橫向進行調整[5]。軌排調整精度受人為因素影響很大，累積誤差無法消除，調節時間長，同時測量人員和操作人員勞動強度大。以每個工作面每天施工100 m為例，傳統精調時間約為4.5 h，精調工序費時費力，已經成為雙塊式無砟軌道施工效率提升的制約瓶頸[6]。

2.4 現澆道床混凝土的抗裂性差

工程應用實踐表明，CRTSI型雙塊式無砟軌道結構優點突出，但同時缺點也很顯著[7]，即現澆道床混凝土的抗裂性差，表面易開裂，軌枕塊四周“八字”型連通裂紋普遍，橫向貫通裂縫也多（圖6）。在中西部地區，受雨水和凍害影響，極易引起混凝土耐久性快速降低；同時道床板混凝土施工機械化程度低，以人工操作為主的施工模式導致混凝土施工質量控制難度大，特別是表面混凝土質量差，普遍存在經過一兩個冬季，道床板混凝土即出現粉化、剝落等現象，嚴重影響其服役壽命及行車安全，也大幅增加后期養護維修成本，部分已開通運營線路該問題已經非常突出。

圖6 道床板開裂

3 雙塊式無砟軌道智能化施工技術

3.1 智能化自動分枕技術

智能化自動分枕平臺是一種采用伺服精密控制技術，通過分枕小車的運動和限位實現自動分枕和控制枕距的專用設備。避免直接在土工隔離層上分枕作業，解決了軌排組裝時軌枕橫向和縱向定位問題[8]。

根據CRTSI型雙塊式軌枕的外形特征、軌枕堆放形式和軌枕吊運方法，通過專用軌枕吊具分3次將軌枕落放至自動分枕平臺。自動化分枕平臺通過分枕平臺上小車定位機構可以實現軌枕中線定位。分枕小車直接全部由伺服電機控制，分枕精度較高，整體軌枕間距誤差可控制在3 mm以內。整機自動勻枕時間可在1 min之內完成，平均30 min～40 min即可組裝完成一榀軌排，極大地提高了軌排組裝效率，見圖7。

圖7 智能化自動分枕平臺

3.2 新型嵌套軌排施工技術

與傳統軌排相比，嵌套式軌排將軌向調節方式更改為單側向的軌向調節螺桿調整，同時，軌向調節螺桿具有軌向鎖定功能，無需繼續鎖定，方便快捷，施工速度快，調節精度高。嵌套式軌排通過托梁內外套滑動的方式實現軌向調整，徹底顛覆此前軌道幾何形位調整的固有思維，將軌向與高程獨立調節，實現軌向與高程的調節互不干涉。配合智能化精調機的使用，該新型嵌套式無砟軌道排架大大縮短了道床施工中的精調工序施作時間，有利于縮短雙塊式無砟軌道施工工期（圖8）。

圖8 嵌套式軌排軌向與高程調節原理

3.3 雙塊式無砟軌道智能精調技術

CRTS-I型雙塊式自動精調機，主要適用于雙塊式無砟軌道施工精調作業。智能化精調機通過讀取軌檢小車測量數據，將測量數據實時傳輸至伺服電機精密減速機，通過萬向伸縮傳動軸帶動軌排高程和中線調整，完全替代人工調整，可以同時調整3個螺桿的位移，同時實現軌向與高程的調節互不干涉（圖9）。自動精調機能夠減少人為因素影響工程質量，大大縮短了道床施工中的精調工序施作時間，為中國高鐵無砟軌道施工智能化、信息化、自動化提供了技術基礎。

圖9 軌排精調機

3.4 道床板綜合防裂技術

為保證CRTS I型雙塊式無砟軌道現澆混凝土施工質量，盡可能降低道床現澆混凝土開裂風險，混凝土配合比設計思路按照“低膠凝材料用量、低用水量、低坍落度、高含氣量”進行，以控制混凝土整體收縮變形量，同時內摻6%～10%的高效抗裂材料，以實現混凝土收縮補償[9]。“三低一高+抗裂材料”技術從配合比參數設計、輔助性功能材料應用等多個方面對無砟道床混凝土的配合比進行優化調整。其中，“三低一高”為本技術的“基礎”，主要減緩混凝土自身的早期強度發展、失水收縮等情況。而“抗裂材料”則是本技術的“關鍵”，通過復合內養護組分和膨脹組分，可以顯著提高混凝土的后期強度穩定增長及內部密實度提升，同時抵消大部分外部荷載及非荷載作用下產生的收縮應力，大幅減小混凝土的開裂比例。

高抗裂道床混凝土性能控制建議值如下：

（1）出機坍落度≤160 mm（凍融循環嚴重地區控制上限為140 mm）。

（2）入模含氣量4% ～6%。

（3）3 d抗壓強度≤25 MPa；90 d抗壓強度≥45 MPa。

（4）56 d干燥收縮率≤ 400×10-6。

（5）抗凍等級≥F300（所處凍融破壞環境條件下）。

4 未來發展展望

隨著中國制造2025計劃的推出，高速鐵路建造技術的發展，智能鐵路、智慧鐵路以及綠色鐵路成為鐵路建設的重點方向。對施工質量的過程監控和測量數據管理提出了更高的要求。

（1）現階段施工技術是將施工流程分割成單個施工工序，現場工序繁雜、施工效率低，后期應考慮是否能將其中相關工序集成一個工作流程，使現場達到流水作業，進一步降低人工，提高施工的機械化水平。

（2）提高專用設備的機械化和自動化程度，減少操作人員降低勞動強度，在保證質量的前提下提高無砟軌道施工綜合效率。

（3）利用信息化、大數據的先進的手段監控管理無砟軌道關鍵質量參數，相關施工數據需要進行記錄、保存，以備后期運營時進行維護。例如，軌排精調完成時采集的數據和混凝土初凝后復測數據需要進行記錄和保存，并上傳相關管理平臺。

（4）以上設備或技術均在一定程度上實現自動化、智能化施工，但對人工還存在一定依賴，后期應結合5G、北斗導航和云計算等技術對整體施工工藝進行進一步提升，達到智能化和信息化施工。例如，采用北斗軌檢小車進行精調等。