双块式无砟轨道智能化施工技术

赵 博

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600）

0 引言

我国高速铁路无砟轨道结构主要有以下七种形式：CRTS-Ⅰ型板式、CRTS-Ⅱ型板式、CRTS-Ⅲ型板式、CRTS-Ⅰ型双块式、CRTS-Ⅱ型双块式、道岔区板式、道岔区轨枕埋入式[1]。在充分借鉴国外高速铁路无砟轨道成熟技术的基础上，我国高速铁路双块式无砟轨道通过引进消化吸收再创新，逐渐发展形成了具有自主知识产权的轨排框架法施工。目前，在我国的高速铁路发展过程中，CRTS-Ⅰ双块式无砟轨道主要经历了三个阶段的发展，分别是：以武广、郑西客专为代表的引进消化国外高铁技术的无砟轨道发展阶段，以兰新、大西、贵广高铁为代表的高铁技术消化吸收再创新的无砟轨道发展阶段，以郑万高铁为代表的引领无砟轨道高铁技术的智能化无砟轨道发展阶段。

至今，双块式无砟轨道运营里程达到6 850.0 km，已经占据国内高速铁路运营里程的60%。双块式无砟轨道已经成为我国高速铁路无砟轨道的主流结构形式，其建造水平代表着中国高速铁路轨道建造水平，所以，通过提升双块式无砟轨道施工工装智能化水平以提升双块式无砟轨道建造水平迫在眉睫。

1 双块式无砟轨道结构组成

双块式无砟轨道轨排法施工原是对轨排高程和横向位置的精调，使轨道施工的测量数据拟合设计的线路数据。其结构由钢轨、弹性扣件、双块式轨枕、道床板、底座/支承层等组成[2]（图1）。

图1 CRTS-Ⅰ型双块式无砟轨道结构图

目前我国主要采用SK-1型双块式轨枕和SK-2型双块式轨枕[3]（图2、图3）。

图2 SK-1型双块式轨枕

图3 SK-2型双块式轨枕

2 目前双块式无砟轨道施工存在的主要问题

传统轨排框架法施工工艺虽然较为成熟，但整体施工流程对人工依赖程度较高，无法满足自动化和智能化需求。施工过程中经常出现人工散枕精度难以控制、传统轨排施工工序复杂、人工精调精度无法保证和现浇道床混凝土的抗裂性差的现象。

2.1 人工散枕精度难控制

在双块式无砟轨道施工中，如何更快速将轨枕散开，同时保证分枕精度在范围内提高轨排组装效率的关键步骤[4-5]。目前，施工现场主要采用人工分枕，盒尺、板尺测量的方式作业。作业时，需要借助现场龙门吊将轨枕逐个散布，通过测量+撬棍方式调整轨枕间距。轨枕间距调整好后，落放轨排，安装扣件系统。当扣件螺栓拧紧时，轨枕存在一个被抬升的动作，这时，轨枕前后无限位，很容易产生晃动，使之前调整好的轨枕间距无法保证。后期还要进行复测，反复调整轨枕间距。

此方法不仅人工劳动强度高，工作效率低，且分枕不准确、不平行，导致精调难度高，布枕质量低，后期扣件损坏严重，同时，人工分枕大都直接在隔离层上作业，对下部的土工布污损较严重（图4）。

图4 传统人工分枕施工

2.2 传统轨排施工工序复杂

传统双块式无砟道床施工采用组合式轨排框架施工，轨向与高程调节相互干扰，锁定工序繁琐，且耗费了大量人工，尤其是在曲线超高段无砟轨道施工时，轨排框架的横向调节往往会带来轨道高程数据的变化，导致已调整到位的高程参数发生较大误差，从而产生精调工序的反复，精调质量及精调时间不可控，不仅精调效率低，也增加了精调工人的劳动强度。传统排架的轨道几何形位数据调整仅仅能够单点调整（图5）。

图5 传统无砟轨道排架施工

2.3 人工精调精度难保证

传统轨排精调采用轨检小车配合人工操作的方式进行精调作业，测量人员通过发送指令形式指挥轨排两端的操作人员，精调操作人员通过简易的快速扳手对轨排的高程和横向进行调整[5]。轨排调整精度受人为因素影响很大，累积误差无法消除，调节时间长，同时测量人员和操作人员劳动强度大。以每个工作面每天施工100 m为例，传统精调时间约为4.5 h，精调工序费时费力，已经成为双块式无砟轨道施工效率提升的制约瓶颈[6]。

2.4 现浇道床混凝土的抗裂性差

工程应用实践表明，CRTSI型双块式无砟轨道结构优点突出，但同时缺点也很显著[7]，即现浇道床混凝土的抗裂性差，表面易开裂，轨枕块四周“八字”型连通裂纹普遍，横向贯通裂缝也多（图6）。在中西部地区，受雨水和冻害影响，极易引起混凝土耐久性快速降低；同时道床板混凝土施工机械化程度低，以人工操作为主的施工模式导致混凝土施工质量控制难度大，特别是表面混凝土质量差，普遍存在经过一两个冬季，道床板混凝土即出现粉化、剥落等现象，严重影响其服役寿命及行车安全，也大幅增加后期养护维修成本，部分已开通运营线路该问题已经非常突出。

图6 道床板开裂

3 双块式无砟轨道智能化施工技术

3.1 智能化自动分枕技术

智能化自动分枕平台是一种采用伺服精密控制技术，通过分枕小车的运动和限位实现自动分枕和控制枕距的专用设备。避免直接在土工隔离层上分枕作业，解决了轨排组装时轨枕横向和纵向定位问题[8]。

根据CRTSI型双块式轨枕的外形特征、轨枕堆放形式和轨枕吊运方法，通过专用轨枕吊具分3次将轨枕落放至自动分枕平台。自动化分枕平台通过分枕平台上小车定位机构可以实现轨枕中线定位。分枕小车直接全部由伺服电机控制，分枕精度较高，整体轨枕间距误差可控制在3 mm以内。整机自动匀枕时间可在1 min之内完成，平均30 min～40 min即可组装完成一榀轨排，极大地提高了轨排组装效率，见图7。

图7 智能化自动分枕平台

3.2 新型嵌套轨排施工技术

与传统轨排相比，嵌套式轨排将轨向调节方式更改为单侧向的轨向调节螺杆调整，同时，轨向调节螺杆具有轨向锁定功能，无需继续锁定，方便快捷，施工速度快，调节精度高。嵌套式轨排通过托梁内外套滑动的方式实现轨向调整，彻底颠覆此前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，该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，有利于缩短双块式无砟轨道施工工期（图8）。

图8 嵌套式轨排轨向与高程调节原理

3.3 双块式无砟轨道智能精调技术

CRTS-I型双块式自动精调机，主要适用于双块式无砟轨道施工精调作业。智能化精调机通过读取轨检小车测量数据，将测量数据实时传输至伺服电机精密减速机，通过万向伸缩传动轴带动轨排高程和中线调整，完全替代人工调整，可以同时调整3个螺杆的位移，同时实现轨向与高程的调节互不干涉（图9）。自动精调机能够减少人为因素影响工程质量，大大缩短了道床施工中的精调工序施作时间，为中国高铁无砟轨道施工智能化、信息化、自动化提供了技术基础。

图9 轨排精调机

3.4 道床板综合防裂技术

为保证CRTS I型双块式无砟轨道现浇混凝土施工质量，尽可能降低道床现浇混凝土开裂风险，混凝土配合比设计思路按照“低胶凝材料用量、低用水量、低坍落度、高含气量”进行，以控制混凝土整体收缩变形量，同时内掺6%～10%的高效抗裂材料，以实现混凝土收缩补偿[9]。“三低一高+抗裂材料”技术从配合比参数设计、辅助性功能材料应用等多个方面对无砟道床混凝土的配合比进行优化调整。其中，“三低一高”为本技术的“基础”，主要减缓混凝土自身的早期强度发展、失水收缩等情况。而“抗裂材料”则是本技术的“关键”，通过复合内养护组分和膨胀组分，可以显著提高混凝土的后期强度稳定增长及内部密实度提升，同时抵消大部分外部荷载及非荷载作用下产生的收缩应力，大幅减小混凝土的开裂比例。

高抗裂道床混凝土性能控制建议值如下：

（1）出机坍落度≤160 mm（冻融循环严重地区控制上限为140 mm）。

（2）入模含气量4% ～6%。

（3）3 d抗压强度≤25 MPa；90 d抗压强度≥45 MPa。

（4）56 d干燥收缩率≤ 400×10-6。

（5）抗冻等级≥F300（所处冻融破坏环境条件下）。

4 未来发展展望

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。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。

（1）现阶段施工技术是将施工流程分割成单个施工工序，现场工序繁杂、施工效率低，后期应考虑是否能将其中相关工序集成一个工作流程，使现场达到流水作业，进一步降低人工，提高施工的机械化水平。

（2）提高专用设备的机械化和自动化程度，减少操作人员降低劳动强度，在保证质量的前提下提高无砟轨道施工综合效率。

（3）利用信息化、大数据的先进的手段监控管理无砟轨道关键质量参数，相关施工数据需要进行记录、保存，以备后期运营时进行维护。例如，轨排精调完成时采集的数据和混凝土初凝后复测数据需要进行记录和保存，并上传相关管理平台。

（4）以上设备或技术均在一定程度上实现自动化、智能化施工，但对人工还存在一定依赖，后期应结合5G、北斗导航和云计算等技术对整体施工工艺进行进一步提升，达到智能化和信息化施工。例如，采用北斗轨检小车进行精调等。