CRTSⅢ型板式無砟軌道智能化鋪設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究

耿冬梅

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 引言

我國無砟軌道技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了普速鐵路無砟軌道探索及實(shí)踐、高速鐵路無砟軌道研究與試驗(yàn)、高速鐵路無砟軌道規(guī)模應(yīng)用及創(chuàng)新三個階段[1]。自2008年我國首條設(shè)計(jì)時(shí)速350 km的京津城際開通以來，我國高速鐵路進(jìn)入快速發(fā)展期。截止到2020年底，我國高速鐵路開通運(yùn)營里程近3.79萬km，正線主要采用無砟軌道，累計(jì)應(yīng)用里程超過2.3萬km[2－3]。我國無砟軌道型式主要有CRTS型雙塊、CRTSⅠ型板、CRTSⅡ型板、CRTSⅢ型板等結(jié)構(gòu)型式，其中CRTSⅢ型板式無砟軌道是在引進(jìn)、消化吸收國外無砟軌道技術(shù)基礎(chǔ)上自主研發(fā)的無砟軌道型式。CRTSⅢ型板式無砟軌道相對于其他板式無砟軌道結(jié)構(gòu)形式，具備更低的建設(shè)成本和建造難度，更加具備推廣性，自2009年成灌快速鐵路應(yīng)用以來，逐漸成為我國高速鐵路的主要軌道形式之一[4]。目前，CRTSⅢ型板式無砟軌道已在鄭徐客專、昌贛客專、商合杭客專、京張高鐵、贛深高鐵等全國范圍內(nèi)大規(guī)模推廣建造。隨著該板式無砟軌道施工技術(shù)日趨成熟，CRTSⅢ型板式無砟軌道必將成為國內(nèi)高速鐵路無砟軌道的主流技術(shù)[5－6]。

2 CRTSⅢ型板式無砟軌道施工技術(shù)現(xiàn)狀

(1)底座施工方面

當(dāng)前無砟軌道底座的布料整平工序勞動強(qiáng)度較大，自動化水平不高，且因不同操作人員造成的人為干擾因素較大，施工過程中的數(shù)據(jù)不可控。傳統(tǒng)無砟軌道底座施工主要采用人工整平或簡易整平方式，在施工過程中由于人為因素導(dǎo)致振搗不足、標(biāo)高控制不準(zhǔn)、凹槽四角易產(chǎn)生裂紋等病害。

(2)軌道板施工方面

CRTSⅢ板式無砟軌道施工精調(diào)方法是“精調(diào)爪＋全站儀＋測量標(biāo)架＋精調(diào)工具＋人工精調(diào)”法，調(diào)節(jié)過程要經(jīng)過多次測量、多次調(diào)節(jié)，典型的全人工作業(yè)模式，工序繁雜、人力投入多、工作量大、精調(diào)效率低，且精調(diào)爪精調(diào)的精度受人工影響因素較大，精度得不到有效控制。自動化、智能化施工精調(diào)技術(shù)在國內(nèi)外CRTSⅢ板式無砟軌道施工項(xiàng)目中尚未形成一套完整的、成熟的施工方法。

(3)自密實(shí)混凝土施工方面

自密實(shí)混凝土在運(yùn)輸過程中會因溫度變化、運(yùn)輸距離等因素產(chǎn)生性能的變化，從而影響混凝土灌注質(zhì)量。隨著智能化時(shí)代的到來，智能制造成為混凝土行業(yè)改革升級的熱點(diǎn)問題之一。自密實(shí)混凝土工作性能是反映新拌混凝土質(zhì)量的重要指標(biāo)，如何能夠通過智能化的監(jiān)測手段實(shí)現(xiàn)混凝土指標(biāo)的快速、有效的評判，是混凝土生產(chǎn)行業(yè)正在面臨的難題[7－8]。

(4)鋼軌精調(diào)方面

一方面，承軌臺復(fù)測是施工質(zhì)量控制的必要工序，目前主要依靠人工進(jìn)行，由于人工承軌臺數(shù)據(jù)采集、分析不夠，導(dǎo)致后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整墊板大量更換，造成材料、人工成本與時(shí)間浪費(fèi)。另一方面，我國已在CRTSⅢ型板式無砟軌道鋼軌精調(diào)相關(guān)的加工精度檢測、鋼軌精調(diào)技術(shù)、鋼軌平順性計(jì)算和控制技術(shù)等環(huán)節(jié)開展了卓有成效的研究，為了提升鋼軌精調(diào)效率，第三代鋼軌精調(diào)技術(shù)國產(chǎn)化的問題亟待解決。

3 CRTSⅢ型板式無砟軌道智能化施工關(guān)鍵技術(shù)解決方案

隨著鐵路智能建造概念的提出，CRTSⅢ型板式無砟軌道的智能化施工技術(shù)升級成為我國鐵路施工技術(shù)人員的努力方向，結(jié)合智能化建造技術(shù)和智慧鐵路的設(shè)計(jì)及施工特點(diǎn)，制定合理的設(shè)計(jì)方案，形成可控的技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)。相關(guān)工程技術(shù)利用三維建模軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大型計(jì)算機(jī)分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，采用云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，對部分新技術(shù)采用試驗(yàn)驗(yàn)證，全面體現(xiàn)自動化、智能化、信息化及安全監(jiān)控技術(shù)。

CRTSⅢ型板式無砟軌道智能化鋪設(shè)通過采用底座一體化自動整平設(shè)備、軌道板智能化精調(diào)設(shè)備及精調(diào)軟件、自密實(shí)混凝土灌注質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)、鋼軌預(yù)精調(diào)、鋼軌精調(diào)和精調(diào)信息化技術(shù)，形成智能化無砟軌道施工物流組織模式和流水作業(yè)法施工技術(shù)，提高施工作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可控，實(shí)時(shí)上傳，通過點(diǎn)云復(fù)測及鋼軌精調(diào)提高無砟軌道精度，減少鋼軌精調(diào)次數(shù)，提高精調(diào)效率，實(shí)現(xiàn)信息化、智能化施工的目的[9]。

基于傳感器設(shè)計(jì)，底座一體化自動整平設(shè)備可實(shí)現(xiàn)底座高程、反坡的自動成型，實(shí)現(xiàn)自動尋跡施工?；诟幼鴺?biāo)系建模法、5G技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能精調(diào)，軌道板智能化精調(diào)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)自動讀取與運(yùn)算，精調(diào)數(shù)據(jù)自動傳輸，通過多點(diǎn)聯(lián)動實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整，滿足高效施工。自密實(shí)混凝土灌注質(zhì)量監(jiān)測提出了一種裝備有自密實(shí)混凝土工作性能實(shí)時(shí)監(jiān)測調(diào)節(jié)系統(tǒng)的罐車，通過數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)監(jiān)測運(yùn)輸過程的自密實(shí)混凝土質(zhì)量，保證自密實(shí)混凝土灌注性能?；诳焖佾@取的高精度三維激光掃描點(diǎn)云，利用無控制表面匹配技術(shù)和穩(wěn)健估計(jì)方法完成軌道板每個承軌臺空間位置和姿態(tài)測量，開展了鋼軌預(yù)精調(diào)研究，指導(dǎo)扣件選型，減少精調(diào)次數(shù)?；阡撥壘{(diào)和精調(diào)信息化提出了附有多種約束條件的軌道自動化精調(diào)算法，研發(fā)了新一代精調(diào)小車，并完成了鋼軌精調(diào)信息系統(tǒng)，解決了精調(diào)施工過程中精測方法、精調(diào)算法和精調(diào)工藝不統(tǒng)一的問題，完成了控制精度、提高效率、降低成本的研究目標(biāo)。

4 CRTSⅢ型板式無砟軌道智能化施工關(guān)鍵技術(shù)

開展了CRTSⅢ型板式無砟軌道智能化鋪設(shè)關(guān)鍵技術(shù)及裝備的研究工作，通過深化研究底座自動尋跡施工、軌道板智能化精調(diào)、自密實(shí)混凝土監(jiān)測、鋼軌精調(diào)及精調(diào)信息化等施工工序的智能化升級，滿足現(xiàn)代化高速鐵路施工技術(shù)的發(fā)展需求，解決了施工單位在高鐵建造領(lǐng)域的痛點(diǎn)，進(jìn)一步推動高速鐵路的智能化及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

4.1 底座自動尋跡施工技術(shù)

底座自動尋跡施工通過底座一體化自動整平設(shè)備實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)有底座施工設(shè)備的基礎(chǔ)上，一體化自動整平機(jī)創(chuàng)新地配置了自動尋跡檢測系統(tǒng)，通過標(biāo)線讀取傳感器控制底座標(biāo)高，水平傾角傳感器通過線路超高值控制道床頂面傾斜角度控制道床超高，設(shè)備可邊走行邊施工，無需人工干預(yù)，自動完成直線段、曲線段底座斷面施工?；跀?shù)字化設(shè)計(jì)的底座一體化自動整平設(shè)備(見圖1)集自動振搗、自動抹平、自動尋跡施工等功能為一體，有效提高了底座的施工質(zhì)量和精度、提高了施工效率、減少了作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度和作業(yè)人員的投入，實(shí)現(xiàn)了混凝土澆筑工序作業(yè)的機(jī)械化與自動化。

圖1 底座一體化自動整平設(shè)備

4.2 軌道板智能化精調(diào)技術(shù)

每塊軌道板通過兩側(cè)吊裝孔處預(yù)埋螺栓安裝兩組精調(diào)托架，兩端通過高程螺桿支撐在底座上，托架上設(shè)置有內(nèi)置式中線調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。軌道板智能化精調(diào)設(shè)備的六軸聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)分別與精調(diào)托架的調(diào)節(jié)螺桿連接。精調(diào)時(shí)，精調(diào)機(jī)上位機(jī)軟件讀取全站儀測量數(shù)據(jù)后傳輸給下位機(jī)控制系統(tǒng)，下位機(jī)軟件經(jīng)過計(jì)算將執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)行軌道板幾何狀態(tài)參數(shù)的高精度、快速調(diào)整[10]。傳統(tǒng)精調(diào)手段耗時(shí)15 min/塊，而采用軌道板智能化精調(diào)技術(shù)單塊板的調(diào)整僅需5 min，調(diào)整精度也實(shí)現(xiàn)了0.1 mm級。信息化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了精調(diào)數(shù)據(jù)的自動傳輸與實(shí)時(shí)調(diào)整，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)追蹤與自動存儲[11](見圖2)。

圖2 軌道板智能化精調(diào)設(shè)備

4.3 自密實(shí)混凝土監(jiān)測技術(shù)

研發(fā)了基于高頻微波的拌和站混凝土質(zhì)量智能調(diào)控技術(shù)，在攪拌機(jī)中創(chuàng)新地使用了混凝土濕度傳感器進(jìn)行混凝土性能參數(shù)監(jiān)測?；诟哳l微波，通過含有水分混凝土后的微波相移和衰減，測量攪拌機(jī)內(nèi)混凝土的水分含量，自動計(jì)算并控制每盤的用水量，從而保證混凝土坍落度或坍落擴(kuò)展度的一致性。經(jīng)隨機(jī)測試可知，混凝土實(shí)測坍落度與濕度傳感器測試兩組數(shù)據(jù)有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.97?；炷临|(zhì)量智能調(diào)控技術(shù)可實(shí)現(xiàn)攪拌機(jī)中混凝土工作性能的有效監(jiān)測，保證混凝土用水量的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步提升了混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性?；炷凉ぷ餍阅鼙O(jiān)測示意見圖3。

圖3 混凝土工作性能監(jiān)測示意

4.4 鋼軌精調(diào)及精調(diào)信息化

(1)鋼軌預(yù)精調(diào)

基于高精度三維激光掃描點(diǎn)云技術(shù)，利用相鄰CPⅢ控制點(diǎn)間多個測站完成軌道板點(diǎn)云采集與拼接，獲得統(tǒng)一局部坐標(biāo)系點(diǎn)云。拼接軌道板點(diǎn)云完成工程坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化后，取出承軌臺區(qū)域點(diǎn)云，構(gòu)建高精度承軌臺模型。對構(gòu)建的承軌臺模型采用穩(wěn)健高斯－牛頓坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法，確定拼接后CRTSⅢ軌道板點(diǎn)云中每個承軌臺的空間位置和姿態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)承軌臺的復(fù)測，承軌臺位置偏差小于0.2 mm，為精確匹配扣件提供參考[12]。

(2)長鋼軌精調(diào)及精調(diào)信息化

基于加速度計(jì)和陀螺儀的慣性測量信息，結(jié)合位移傳感器、傾角傳感器等的測量值及曲線、超高等線路信息，提出了附有多種約束條件的軌道自動化精調(diào)算法及軌道幾何參數(shù)采集設(shè)備，與人機(jī)交互方式相比，相鄰點(diǎn)變化率控制精度由±0.8 mm/m提升至±0.67 mm/m。研發(fā)了包含基礎(chǔ)、業(yè)務(wù)、管理和維護(hù)四個模塊的鋼軌精調(diào)信息系統(tǒng)，完成了控制精度、提高效率、降低成本的項(xiàng)目目標(biāo)，為鐵路工程建設(shè)質(zhì)量管理提供了規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化的綜合信息服務(wù)。軌道幾何參數(shù)采集設(shè)備產(chǎn)品照片見圖4。

圖4 軌道幾何參數(shù)采集設(shè)備

5 結(jié)束語

CRTSⅢ型板式無砟軌道的智能化鋪設(shè)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了軌道板的高精度、快速調(diào)整，解決了鋼軌精調(diào)次數(shù)多、扣件更換率高等技術(shù)難題，進(jìn)一步完善了我國無砟軌道智能施工技術(shù)體系，包括:CRTSⅢ型底座自動尋跡施工技術(shù)、CRTSⅢ型軌道板智能化精調(diào)技術(shù)、自密實(shí)混凝土灌注質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)、鋼軌精調(diào)和精調(diào)信息化施工技術(shù)等。該套技術(shù)取得了以下創(chuàng)新:

(1)基于現(xiàn)有底座成型施工技術(shù)，提出了自動尋跡的施工方法，實(shí)現(xiàn)了直線段/曲線段底座頂面標(biāo)高及道床頂面超高的自動控制，完成高速鐵路無砟軌道底座混凝土的自動攤鋪和整形，提升了底座成型的施工效率和施工質(zhì)量。

(2)基于迭代自學(xué)習(xí)理論，研制了CRTSⅢ型板式無砟軌道自動精調(diào)體系配套裝備，利用軌道板精調(diào)機(jī)對軌道板支撐體系空間位置的智能化控制，實(shí)現(xiàn)軌道板幾何狀態(tài)的智能化調(diào)整，形成軌道板智能化精調(diào)技術(shù)，軌道板精調(diào)效率提升了60%以上。

(3)首次在鐵路工程用攪拌機(jī)組中加入混凝土濕度傳感器進(jìn)行混凝土坍落度監(jiān)測，確保了混凝土單方用水量的一致性，實(shí)現(xiàn)了混凝土性能參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與遠(yuǎn)程控制。

(4)研制了集動靜結(jié)合的快速采集設(shè)備，提出了附有多種約束條件的軌道自動化精調(diào)算法，并基于Spring Boot、mybatis-plus等開發(fā)完成了鋼軌精調(diào)信息系統(tǒng)，解決了精調(diào)施工過程中精測方法、精調(diào)算法和精調(diào)工藝不統(tǒng)一的問題，實(shí)現(xiàn)了無砟軌道從設(shè)計(jì)、施工到養(yǎng)護(hù)維修全生命周期的信息化管理。

該套施工技術(shù)滿足350 km/h及以下高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道智能化鋪設(shè)需求，為我國板式無砟軌道施工技術(shù)智能化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。