基于信息化的CRTSⅢ型板式無砟軌道幾何形位控制技術(shù)

李路遙,譚社會,李傳勇

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063； 2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430063； 3.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司,上海 200071)

1 概述

CRTSⅢ型板式無砟軌道采用單元分塊式結(jié)構(gòu)，自上而下分別由鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、自密實(shí)混凝土、隔離層(土工布)和底座等組成[1-2]，是我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的新型無砟軌道，目前已成為我國300 km/h及以上高速鐵路主要軌道結(jié)構(gòu)形式。

為保證CRTSⅢ型板式無砟軌道的設(shè)計(jì)建造精度，國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)先后提出了單元板式無砟軌道布板軟件、基于全站儀的軌道板精調(diào)系統(tǒng)[3]等，通過多個鐵路項(xiàng)目應(yīng)用，取得了良好效果。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代技術(shù)的突破和融合發(fā)展，鐵路信息化技術(shù)已成為保證工程建設(shè)質(zhì)量、提升精細(xì)化管理水平的核心所在。

無砟軌道幾何形位控制是保障列車運(yùn)營舒適性的關(guān)鍵。以CRTSⅢ型板式無砟軌道為載體，運(yùn)用信息化手段從設(shè)計(jì)、制造、施工各環(huán)節(jié)開展軌道幾何形位控制方法研究，對于提升高速鐵路運(yùn)營品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高速鐵路全壽命周期管理具有重要意義。

2 設(shè)計(jì)階段CRTSⅢ型板式無砟道床軌道板布置研究

為保持結(jié)構(gòu)一致性，利于線路維護(hù)，CRTSⅢ型板式無砟道床不允許同一個軌道結(jié)構(gòu)單元跨越不同線下基礎(chǔ)，且在同一線下基礎(chǔ)關(guān)鍵部位，如橋梁梁縫、道岔前后進(jìn)行單元分塊[3]。

為此，研發(fā)CRTSⅢ型板布設(shè)軟件，將線路平縱斷面、路橋隧分段表、軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)等組成無砟軌道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用分段設(shè)計(jì)原則，自動優(yōu)化軌道板型和板縫，實(shí)現(xiàn)布板方案智能生成。

2.1 CRTSⅢ型板縱向布設(shè)

布板軟件以梁縫、路橋、橋隧等處作為分塊控制性節(jié)點(diǎn)，通過合理設(shè)置板縫，配置不同長度軌道板。

(1)板型選配。標(biāo)準(zhǔn)長度軌道板共有P5600、P4925、P4856三種，以標(biāo)準(zhǔn)長度軌道結(jié)構(gòu)單元為主，根據(jù)線下基礎(chǔ)類型、長度，軟件自動選擇適合板型，特殊情況下可采樣異型軌道結(jié)構(gòu)單元。道岔前后采用標(biāo)準(zhǔn)軌道結(jié)構(gòu)單元不能滿足布設(shè)要求時，自動配置雙塊式道床或延長岔區(qū)軌枕埋入式道床進(jìn)行調(diào)整。

(2)板縫優(yōu)化。根據(jù)動變形，扣件間距要求控制在規(guī)范允許范圍以內(nèi)，據(jù)此軌道板板縫取值一般為70～140 mm，個別地段可采用60 mm。在大梁縫地段(>150 mm)允許軌道板懸出梁端，并進(jìn)行配筋加強(qiáng)。若出現(xiàn)軌道板縫超標(biāo)或梁縫過大情況，布板軟件自動調(diào)整板縫并對超標(biāo)地段進(jìn)行預(yù)警。

2.2 CRTSⅢ型板平面布設(shè)

布板軟件根據(jù)曲線半徑、線間距等參數(shù)，計(jì)算左右線布板長度和三維鋪設(shè)坐標(biāo)[4-5]。

(1)分線布板。由于線路左右線的長短鏈不同，曲線地段軌道中心線處梁縫不同，軌道板布設(shè)如不分線，會產(chǎn)生差異，因此，宜采用左右線分別布板的方式。

以圖1為例，左線曲線長度L1、半徑R1，右線曲線長度L2、半徑R2，偏角為α，則左右線線路長度(布板長度差)為

L2-L1=(R2-R1)×α

(1)

假設(shè)R1=7 000 m，L1=6 385 m，則

(2)

以5 m線間距為例，推出左右曲線長度差值為

L2-L1=(R2-R1)×α=5×0.91m=4.55 m

(3)

圖1 左右線布板設(shè)計(jì)示意

(2)曲線調(diào)整。當(dāng)軌道板位于曲線尤其是緩和曲線地段時，需將直線板的承軌臺進(jìn)行橫向或豎向調(diào)整，從而更加符合軌道幾何形位控制要求。

3 制造階段CRTSⅢ型板軌道幾何形位控制

依據(jù)軌道板生產(chǎn)流程，研發(fā)配套的模具、工裝、軟件，實(shí)施自動化測量、自動化評價。將實(shí)測的軌道板尺寸反饋至軌道板制造軟件[6-7]，通過對比設(shè)計(jì)文件與實(shí)測坐標(biāo)的差值，獲取軌道板的一維和二維調(diào)整量，實(shí)時管控加工偏差，以信息化手段保障軌道板，尤其是小曲線半徑和緩和曲線的承軌臺控制精度。

3.1 平面調(diào)整

曲線地段軌道板矢距調(diào)整以板端第二組承軌槽固定，中間位置承軌槽根據(jù)矢距偏移量橫向移動來實(shí)現(xiàn)。

如圖2所示，當(dāng)軌道板位于半徑為R的曲線時，若采用直線軌道鋪設(shè)，則每個承軌臺的矢距偏差可由以下公式計(jì)算得出。

當(dāng)承軌臺的個數(shù)為奇數(shù)個時

(4)

當(dāng)承軌臺的個數(shù)為偶數(shù)個時

(5)

式中，L為軌道板第一組與最后一組承軌臺中心距；d為扣件間距。

當(dāng)軌道板的長度固定時，L和d為常數(shù)，以P4856、P4925、P5600板型為例，L與d取值如表1所示。

圖2 圓曲線地段軌道板矢距偏差示意(單位：mm)

表1 不同板型對應(yīng)L、d值 mm

根據(jù)式(4)、式(5)，可得到Fn與R之間的關(guān)系曲線，如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)R較小(<3 500 m)時，矢距影響較大，因此，在小半徑地段須調(diào)整軌道板承軌臺的橫向位置。

圖3 曲線半徑與矢距關(guān)系曲線

3.2 高程調(diào)整

圓曲線地段由于超高值固定，因此，軌道板高程調(diào)整量一致。在緩和曲線地段，按照遞減率h/L進(jìn)行設(shè)置，其中，h為圓曲線設(shè)置的超高值，L為緩和曲線長度。

以P5600型軌道板為例，各承軌槽的橫向調(diào)整矢距如表2所示，其中V1～V9為軌道板每個承軌槽的橫向調(diào)整量。

表2 P5600軌道板各承軌槽調(diào)整矢距 mm

3.3 軌道板制造信息化管控

為保證軌道板制造過程的精度和質(zhì)量，研發(fā)了軌道板模具調(diào)整、檢測及成品板驗(yàn)收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了模板框架、預(yù)埋套管及承軌槽、成品板外形及質(zhì)量的自動測量、異常識別和數(shù)據(jù)分析。

引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在軌道板制造過程中植入RFID芯片(圖4)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程的信息化和標(biāo)準(zhǔn)化管控。根據(jù)軌道板制造全過程工藝流程，信息化管控主要通過“七掃、十一控”實(shí)現(xiàn)。

圖4 軌道板制造全過程信息化管控

“七掃”即7處可讀卡的階段，通過PDA和讀寫器對電子芯片進(jìn)行讀取，確認(rèn)“開卡時、入模后、脫模后、入水前、出水后、入庫時、出庫時”各階段軌道板基本信息。

“十一控”即為軌道板生產(chǎn)全過程11處控制點(diǎn)，通過在信息化系統(tǒng)中錄入各控制點(diǎn)施工記錄來完成全過程數(shù)據(jù)收集，實(shí)時錄入，實(shí)時共享。

4 施工階段CRTSⅢ型板式無砟軌道幾何形位控制

CRTSⅢ型板式無砟軌道施工過程線形控制主要包括：設(shè)計(jì)方案修正、無砟軌道結(jié)構(gòu)分層控制及長鋼軌精調(diào)3個方面。

4.1 無砟道床設(shè)計(jì)方案修正

在線下基礎(chǔ)施工過程中，由于不確定因素影響，橋梁、隧道等線下構(gòu)筑物的實(shí)際里程與設(shè)計(jì)里程會有一定偏差[8-9]，因此，需根據(jù)線下基礎(chǔ)實(shí)際情況進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化。

開發(fā)CRTSⅢ型板施工控制軟件，無砟道床施工前采集線下基礎(chǔ)高程、線路中線坐標(biāo)、橋梁長度、梁縫、路橋隧分界點(diǎn)等原始數(shù)據(jù)。運(yùn)用施工控制軟件，在線路縱向上，動態(tài)調(diào)整軌道板的布板長度和板縫大小，進(jìn)而保證軌道板鋪設(shè)的適應(yīng)性。在線路高程方面，如偏差量在驗(yàn)標(biāo)允許范圍內(nèi)，則不進(jìn)行調(diào)整；如偏差較大，則動態(tài)調(diào)整立模高度甚至設(shè)計(jì)高程，并采用擬合的方式進(jìn)行線形修正，從而保證無砟軌道結(jié)構(gòu)整體平順。

4.2 無砟道床結(jié)構(gòu)分層控制

針對線下基礎(chǔ)、底座板、軌道板鋪設(shè)，分別進(jìn)行高程、厚度和線形控制。

(1)線下高程控制。現(xiàn)場采用激光掃描方式進(jìn)行測量，通過內(nèi)置GPS和陀螺儀[10-11]，結(jié)合CPⅢ控制網(wǎng)，可形成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，解算測點(diǎn)數(shù)據(jù)后可還原現(xiàn)場實(shí)景。掃描測量精度可達(dá)±2 mm，測量速度可達(dá)5～10 km/h，效率高、數(shù)據(jù)量大，優(yōu)于傳統(tǒng)的全站儀結(jié)合CPⅢ控制網(wǎng)的測量方式，圖5所示為橋梁底座施工階段三維掃描點(diǎn)云圖。

圖5 線下基礎(chǔ)面三維掃描點(diǎn)云圖

按照頂面高程控制在±5 mm，底座厚度±10%等驗(yàn)標(biāo)要求，自動計(jì)算底座內(nèi)外側(cè)厚度是否超限，根據(jù)需要及時進(jìn)行線下基礎(chǔ)面處理，確保底座厚度和高程滿足要求。

(2)底座邊線放樣管控。研制放樣測量手簿，通過藍(lán)牙管理手簿與全站儀進(jìn)行互聯(lián)[12-14]，測量數(shù)據(jù)返回至手簿終端，并自動上傳至服務(wù)器平臺(圖6)。服務(wù)器平臺實(shí)時對比上傳的實(shí)測數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值差值，獲取放樣邊線偏差，若出現(xiàn)偏差過大，則進(jìn)行預(yù)警，從而確保底座放樣精度。

圖6 底座板線形控制技術(shù)方案示意

(3)軌道板幾何形位控制。底座澆筑完成后，即可進(jìn)行軌道板粗鋪。粗鋪時利用放樣測量手簿裝備，獲取軌道板、底座數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自密實(shí)混凝土厚度計(jì)算及預(yù)警。

軌道板粗鋪完成后，為保證軌道板滿足驗(yàn)標(biāo)要求[15]，必須對軌道板鋪設(shè)位置進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整。精調(diào)時利用無線精調(diào)控制手簿，與全站儀實(shí)時交互，獲取軌道板鋪設(shè)過程中的實(shí)際姿態(tài)，與設(shè)計(jì)值實(shí)時對比，自動計(jì)算每個調(diào)整位置的三維調(diào)整量，然后通過調(diào)整工裝對其位置進(jìn)行三維調(diào)整，如圖7所示。

圖7 軌道板鋪設(shè)線形控制

軌道板精調(diào)完成后，進(jìn)行自密實(shí)混凝土灌注，在灌注過程中，軌道板由于受上浮力等因素影響，其絕對位置會發(fā)生變化[16]，因此，在灌注后需進(jìn)行軌道板復(fù)測，數(shù)據(jù)同步上傳施工控制軟件。施工控制軟件根據(jù)驗(yàn)標(biāo)要求，對承軌臺復(fù)測信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，判斷出超限數(shù)據(jù)點(diǎn)。

4.3 鋼軌幾何形位控制

鋼軌幾何形位進(jìn)行調(diào)整是實(shí)現(xiàn)軌道高平順性的重要途徑，長鋼軌鋪設(shè)完畢后，即可開展軌道精調(diào)。

(1)線形測量

采用絕對測量為主、相對測量為輔的方式進(jìn)行線形測量，可有效消除長短波不平順。

(2)精調(diào)方案

針對實(shí)測數(shù)據(jù)，采用擬合線形而不是設(shè)計(jì)線形進(jìn)行軌道精調(diào)，擬合線形是介于設(shè)計(jì)線形與實(shí)測線形之間的一種線形，其本質(zhì)是調(diào)整不允許的偏差，保留允許偏差。擬合線形采用迭代試算法[17-20]，使之符合驗(yàn)標(biāo)中平順性指標(biāo)要求。

(3)精調(diào)作業(yè)

長鋼軌精調(diào)時首先把一股鋼軌調(diào)整到位，然后另一股鋼軌按照軌距、水平進(jìn)行相對控制，可有效消除平順性偏差。

5 結(jié)語

該方法先后應(yīng)用于昌贛、商合杭、合安等高鐵建設(shè)，在無砟道床結(jié)構(gòu)控制、精調(diào)平順指標(biāo)控制等方面起到了決定性作用。尤其是在鋪設(shè)無砟軌道最大跨度的橋梁(裕溪河特大橋)軌道線形控制方面起到了良好作用?；谛畔⒒腃RTSⅢ型板式無砟軌道幾何形位控制技術(shù)，主要結(jié)論如下。

(1)設(shè)計(jì)階段將線路平縱斷面、路橋隧分段表、軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)等組成無砟軌道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用分段設(shè)計(jì)原則，自動優(yōu)化軌道板型和板縫，實(shí)現(xiàn)布板方案智能生成，并預(yù)留了與軌道板制造軟件、施工測量軟件的數(shù)字化接口，能夠運(yùn)用設(shè)計(jì)成果指導(dǎo)制造與施工。

(2)制造階段依據(jù)軌道板生產(chǎn)流程，研發(fā)配套的模具、工裝、軟件，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在軌道板制造過程中植入RFID芯片，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程的信息化和標(biāo)準(zhǔn)化管控?？蓪?shí)時管控加工偏差，以信息化手段保障軌道板尤其是小曲線半徑和緩和曲線的承軌臺控制精度。

(3)施工階段運(yùn)用施工控制軟件及信息化裝備，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)施工一體化施工。根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)字化接口與施工動態(tài)信息，可動態(tài)修正軌道板幾何形位、實(shí)現(xiàn)無砟道床分層控制，軌道精調(diào)階段采用線形擬合軟件，可有效消除平順性偏差。