高速鐵路簡支箱梁運架一體機的發(fā)展與創(chuàng)新

何建華

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

1 概述

截至2020年年底，中國高鐵運營里程已到3.79萬km[1]。已建成運營的高速鐵路中，橋梁長度占線路總長的50%以上，且主要為標準跨度預應力混凝土簡支梁橋。

我國高速鐵路預應力混凝土簡支箱梁[2]，受運架技術裝備的制約，標準跨度發(fā)展歷經3個階段，即第一階段為24 m，第二階段為32 m，第三階段為40 m。每一階段的制運架技術均有創(chuàng)新并得到了推廣應用，特別是第三階段新研制的40 m跨預應力混凝土簡支梁，其制運架成套技術已在福廈高鐵、鄭濟高鐵[3]、杭衢高鐵、南沿江鐵路等工程中推廣使用。從架梁裝備研發(fā)視角，闡述高速鐵路各標準跨度預應力混凝土簡支箱梁運架一體機(運架一體式架橋機)的技術發(fā)展與創(chuàng)新。

2 高鐵運架一體機概念及分類

2.1 高鐵運架一體機概念

運架一體機的概念最早由意大利尼古拉公司(Nicola)于1998年提出[4]，是一種新型的預制梁架設工程機械，是集提梁、運梁、架梁功能于一體的架橋裝備，簡稱“一體機”。高鐵運架一體機，全稱“高鐵運架一體式架橋機”[5]，是集高速鐵路標準跨度預應力混凝土簡支箱梁的提、運、架功能于一體的架橋裝備。而分體式架橋機(簡稱“分體機”)是提梁、運梁、架梁功能分別由提梁機、運梁車和架橋機各自獨立完成。一體機相對分體機而言，所含設備數量少，購置成本較低。

2.2 高鐵運架一體機分類

目前市場上使用的高鐵運架一體機有兩種類型：一種是導梁式運架一體機(下導梁過孔式運架一體機)，另一種是無導梁式運架一體機(懸臂過孔式運架一體機)。導梁式運架一體機由運架梁機和導梁機兩部分組成：運架梁機由起重小車、主梁、前走行輪組、后走行輪組組成；導梁機由導梁、架梁小車、后支腿、后滾輪支腿、中滾輪支腿、前滾輪支腿等組成，如圖1所示[6]47-48。無導梁式運架一體機主要由主梁、主支腿、輔助支腿、前車架、后車架、起重小車、前/后車懸掛轉向走行系統等組成，如圖2所示[6]59-60。導梁式運架一體機，運架梁機過孔前需要在待架橋孔上安裝好導梁作為走行軌道；無導梁式運架一體機利用自身懸臂梁作為架橋機移動主支腿的導梁，帶梁倒腿過孔。

圖1 導梁式運架一體機

圖2 無導梁式運架一體機

3 高鐵運架一體機發(fā)展歷程與創(chuàng)新

3.1 高鐵運架一體機發(fā)展歷程分析

我國高鐵運架一體機，經歷了引進應用到自主設計創(chuàng)新、再到世界領先的過程。

2000年修建國內第一條客運專線鐵路——秦沈客運專線時，由于當時國內既有鐵路架橋機只能架160 t以下的T梁，對于550 t的雙線箱梁，沒有相應的架設設備，只能全新研制或引進。于是，分體式架橋機研制并應用在秦沈客運專線的有中鐵五院(原鐵道建筑研究設計院)設計的300 t級JZ24型箱形梁架造一體機、中鐵機械院(原鐵道部武漢工程機械研究所)設計的600 t級JQ600型邁步式架橋機。運架一體機由于概念新，國內缺少相關研究，引進了意大利Nicola公司制造的550 t級(24 m梁)運架一體機；由于秦沈客運專線線路沒有設計隧道，該機優(yōu)勢沒有充分發(fā)揮出來，與分體式架橋機相比，架梁效率偏低，故障率較高，在秦沈客運專線建成后就很少使用了。

從2006年開始，隨著我國高鐵建設的迅速發(fā)展，高鐵箱梁運架設備的研發(fā)也快速推進。此時，高鐵預制箱梁標準跨度已達32 m(新研發(fā))，要求運架設備起重量達900 t級，這對國內相關設備研制企業(yè)迎來了機遇與挑戰(zhàn)。首先研發(fā)了900 t級的分體式架橋機，最早應用在合寧鐵路上，隨之在京滬高鐵、武廣高鐵等推廣應用[7]，從此進入32 m/900 t級架橋機時代。隨著我國高鐵建設主戰(zhàn)場向西部等復雜山嶺地區(qū)轉移，線路橋隧相連，分體式架橋機使用受限，在平原地區(qū)架梁的優(yōu)勢無法體現，主要有以下原因：運梁過隧困難(有的要讓箱梁的翼緣板斷開運輸，架好后再二次澆筑)；有的架橋機要解體過隧，轉場時間太長；有的架橋機無法在隧道進出口進行架梁，需要改造。運架一體機由于無需解體就能吊梁過隧，且能在隧道進出口進行架梁，利用這一優(yōu)勢，國內從2009年開始，沿用Nicola公司一體機的概念，自主研發(fā)出各種型號的高鐵900 t級運架一體機。之后，石家莊鐵道大學國防交通研究所對這種運架一體機進行了重大改進，過孔利用原運架梁機的加長懸臂主梁，取消下導梁機，這樣就變成了900 t級無導梁式運架一體機(定名為“流動式架橋機”)。

2019年，高鐵40 m箱梁雙線箱梁在鄭濟高鐵利用1 000 t級分體式架橋機實現首架[8]，開啟了40 m/1 000 t級架橋機時代。2020年，由中鐵五院與中鐵十一局聯合研制的高鐵1 000 t級40m梁運架一體機(定名“昆侖號架橋機”)，能在隧道內、隧道進出口架跨度40 m及以下箱梁，并在福廈高鐵湄洲灣跨海大橋項目完成1 000 t級40 m箱梁首架[9]。

從以上分析可以看出，我國運架一體機的發(fā)展，從2000年的引進應用24 m/550 t級，到2009年自主研發(fā)32 m/900 t級，再到2020年自主研發(fā)40 m/1 000 t級，基本上是10年一個臺階。高速鐵路40 m標準跨度的雙線預制簡支箱梁及與之配套的運架技術裝備的成功研發(fā)，對滿足不同區(qū)域高鐵橋梁的建設需求意義重大。

3.2 高鐵運架一體機發(fā)展階段劃分

從3.1節(jié)的分析可以看出，按照我國高鐵雙線箱梁標準跨度由24 m到32 m，再到目前跨度40 m的研發(fā)歷程，高鐵運架一體機的發(fā)展歷程可相應地劃分為以下3個階段。

第一階段為引進應用階段，24 m/550 t級運架一體機，以最大架設24 m雙線箱梁為主(可兼架20 m箱梁)。

第二階段為自主設計創(chuàng)新階段，32 m/900 t級運架一體機，以最大架設32 m雙線箱梁為主(可兼架24，20 m箱梁)。

第三階段為自主設計創(chuàng)新階段，40 m/1 000 t級運架一體機，以最大架設40 m雙線箱梁為主(可兼架32，24 m箱梁)。

由于目前國外還沒有40 m跨預制架設的高鐵簡支箱梁，也沒有相應架梁設備，所以，研發(fā)的第三階段運架一體機處于世界領先水平。

3.3 第一階段：24 m/550 t級運架一體機(引進應用階段)

3.3.1 YJ-550型運架一體機簡介

2000年在秦沈客運專線24m箱梁架設施工過程中，參建的中鐵五局、中鐵十五局等施工單位引進意大利尼古拉公司(Nicola)YJ-550型運架一體機，這屬于導梁式運架一體機，由運架梁機和下導梁機組成，如圖3所示。運架梁機由主梁、前后輪胎式走行輪組、發(fā)動機、液壓卷揚機、提梁橫扁擔、司機室、制動系統、平衡系統、方向定位系統等組成；下導梁機由下導梁、架梁臺車、支腿(前/后支腿、主支腿)等組成[10]。

圖3 尼古拉公司YJ-550型運架一體機

3.3.2 YJ-550型運架一體機技術參數

引進尼古拉公司的YJ-550型運架一體機主要技術參數見表1[11]。

表1 YJ-550型運架一體機主要技術參數

3.3.3 YJ-550型運架一體機架梁流程

(1)運架梁機吊運下導梁機至橋頭。

(2)下導梁機的主支腿、后支腿等安裝就位，下導梁前移呈架梁狀態(tài)。

(3)運架梁機返回，到梁場取梁，運梁至待架位。

(4)運架梁機前走行輪組駛到下導梁機的架梁臺車上。

(5)運架梁機沿下導梁前行就位。

(6)下導梁前伸至下一墩位，騰出落梁位置。

(7)落梁就位、安裝支座。

(8)運架梁機退出下導梁，返回梁場取梁，進行下一循環(huán)。

3.3.4 YJ-550型運架一體機主要技術特點與創(chuàng)新點

由于第一階段為引進應用階段，引進的YJ-550型運架一體機的主要技術特點[12]與創(chuàng)新點如下。

(1)實現提梁、運梁、架梁等作業(yè)功能于一體，改變了我國架梁作業(yè)提梁、運梁、架梁多工序設備配置的傳統模式，是架梁設備的創(chuàng)新。

(2)底抽式架梁，構思新穎，設計獨特。

(3)為保證箱梁在提、運、架過程中不會受扭力，運架梁機吊點采用三點一面控制吊梁。

(4)改變鐵路傳統軌道運行方式，采用輪胎式走行，不鋪設鋼軌，直接在路基走行運梁。

(5)遙控操作、PLC控制，取梁、落梁及就位方便。

(6)電液一體，相互控制，所有動作全由液壓完成。

(7)自動檢測故障、自動監(jiān)視、自動報警。

(8)運架梁機攜帶下導梁機自行轉換工點，轉場方便。

3.4 第二階段：32 m/900 t級運架一體機(自主研發(fā)創(chuàng)新階段)

從2009年開始，國內企業(yè)就對運架一體式架橋機展開了研制應用。先是借用引進的尼古拉公司YJ-550型運架一體機理念及施工經驗，開發(fā)出下導梁式運架一體機，如北京萬橋興業(yè)機械有限公司研制了WE-SC900H型運架一體機(單主梁)，中鐵工程機械研究設計院有限公司研制了YJ900型運架一體機(單主梁)，秦皇島天業(yè)通聯重工股份有限公司研制了TTYJ900型運架一體機(雙主梁)。這種下導梁式運架一體機與運架分體式架橋機比，其斷面尺寸小且能不解體通過隧道，在早期深受施工單位青睞。由于導梁式運架一體機在原理上屬于運梁車與架橋機的“積木式”集成，其施工效率較低，為此，石家莊鐵道大學國防交通研究所研發(fā)了一種新型運架一體機，取消了下導梁，最早應用于公路架梁，后來推廣至高鐵；為了區(qū)別于下導梁式運架一體機將其命名為流動式架橋機，型號為SLJ900/32；后又進行了改進，取消輔助支腿，增加了中支腿，如鄭州新大方重工科技有限公司生產的DYJ900型運架一體機。幾種高鐵900 t級運架一體機主要技術參數見表2。

表2 幾種高鐵900 t級運架一體機主要技術參數

3.4.1 TTYJ900型運架一體機

TTYJ900型運架一體機[13]如圖4所示，屬于導梁式運架一體機，其架梁流程與YJ-550型運架一體機架梁流程相似。該一體機有以下創(chuàng)新點：(1)采用雙主梁結構，穩(wěn)定安全；(2)下導梁機的縱移臺車，其驅動輪正反轉，能使下導梁前進、后退，方便下導梁機的過孔與返回；(3)支腿為杯座型，受力合理；(4)吊梁天車為上行式，居兩主梁之間。

圖4 TTYJ900型運架一體機

3.4.2 WE-SC900H型運架一體機

WE-SC900H型運架一體機如圖5所示，也屬于導梁式運架一體機，其架梁流程也與YJ-550型運架一體機架梁流程相似。

圖5 WE-SC900H型運架一體機

WE-SC900H型運架一體機主要創(chuàng)新點：(1)可折疊導梁變位平臺創(chuàng)新設計；(2)利用升降機構調整變位平臺的高度位置，實現變工況架設；(3)實時遠程監(jiān)控技術等[14]。

3.4.3 SLJ900/32型流動式架橋機

(1)設備組成

SLJ900/32型流動式架橋機如圖6所示，屬于無導梁式運架一體機，由主梁、主支腿、輔助支腿、前車走行系統、后車走行系統、起升系統、液壓系統、動力系統、電氣控制系統等部分組成[15]。

圖6 SLJ900/32型流動式架橋機

(2)架梁流程

由于是創(chuàng)新機型，其架梁流程如下。

①架橋機運梁至橋頭，見圖7(a)。

②主支腿支撐，見圖7(b)。

③整機走行(重載第一次過孔)，輔助支腿支撐，見圖7(c)。

④前天車落梁至橋面，主支腿收起走行至下一墩位就位，見圖7(d)。

⑤輔助支腿收起，整機向前走行，重載第二次過孔，見圖7(e)。

⑥后車及主支腿驅動整機向前走行到位，見圖7(f)。

⑦前后天車落梁就位，吊具收回，見圖7(g)。

⑧旋轉收起主支腿，返回梁場，見圖7(h)。

圖7 SLJ900/32型流動式架橋機架梁流程

(3)創(chuàng)新點

該一體機有以下創(chuàng)新點。

①在構造上，取消下導梁，這是最大的創(chuàng)新。

②過孔方式創(chuàng)新，以后車、主支腿為支點的兩次重載過孔。

③鉸接三角形主支腿的創(chuàng)新設計，重載過孔時，不需錨固而自穩(wěn)。

④通過在后車橫梁與主梁連接處設置球鉸連接，來實現四點接觸、三點平衡體系的設計，也是一大創(chuàng)新，解決了四點接觸支撐所造成的受力不均問題[16]。

⑤無需其他輔助工具，依靠自身獨自架梁作業(yè)，減小了抽拉導梁工序，其架梁模式也是創(chuàng)新，節(jié)約時間，提高了工效。

3.4.4 DYJ900型運架一體機

(1)一體機組成

DYJ900型運架一體機[17]如圖8所示，也屬于無導梁式運架一體機，由主梁、主支腿、中支腿、前車走行系統、后車走行系統、起升系統、液壓系統、動力系統、電氣控制系統等部分組成。相對于SLJ900/32型流動式架橋機，取消了輔助支腿，增加了中支腿。

圖8 DYJ900型運架一體機

(2)架梁流程

其架梁流程與SLJ900/32型流動式架橋機架梁流程相似，只是沒有第④條的“前天車落梁至橋面”這工序，并將第③、第⑤條中的“輔助支腿”變?yōu)椤爸兄取奔纯伞?/p>

(3)創(chuàng)新點

相對于SLJ900/32型流動式架橋機，取消輔助支腿，增加中支腿，是該一體機的創(chuàng)新點。這使得在主支腿過孔時，不需要將待架混凝土箱梁放在已架梁上，減少了已架箱梁受扭幾率，精簡了施工流程，提高了工效，節(jié)約了成本。

3.5 第三階段：40 m/1 000 t級運架一體機(世界領先階段)

為系統掌握高速鐵路40 m簡支梁建造成套技術[18]，中國鐵路總公司2016年科技研究開發(fā)計劃立項重大課題“鐵路工程建造技術研究——高速鐵路大跨度簡支梁建造關鍵技術研究”，由鐵科院主持，課題組成員包括經規(guī)院、鐵三院、中鐵設計、中鐵房橋、中鐵五院、中鐵機械院等規(guī)劃、設計、施工、設備制造單位。中鐵五院和中鐵十一局聯合研制的高鐵1 000 t/40 m梁運架一體機(定名為“昆侖號架橋機”)投入福廈高鐵湄洲灣跨海大橋使用，首跨架設于2020年6月[19]。昆侖號架橋機具有不解體攜高鐵40 m箱梁過隧道，能在隧道內及隧道進出口架梁，可兼架32,24 m梁等功能，是一種“全能型”架橋機[20]。

3.5.1 昆侖號架橋機組成

昆侖號架橋機屬于無導梁式架橋機，由主梁、前車、后車、中支腿、主支腿、起吊系統、液壓系統、動力系統、電氣液壓控制系統以及監(jiān)控系統等部分組成，如圖9所示。

圖9 昆侖號架橋機

3.5.2 昆侖號架橋機技術參數

昆侖號架橋機主要技術參數如表3所示。

表3 昆侖號架橋機主要技術參數

3.5.3 昆侖號架橋機架梁流程

(1)從梁場提吊簡支梁運至架梁工位。

(2)前車頂升，安裝主支腿至橋墩。

(3)前車懸掛收起，完成體系轉換，架橋機由后車和主支腿支撐，見圖10(a)。

(4)由后車推送，使前車越過主支腿(第一次喂梁)，見圖10(b)。

(5)中支腿就位，臨時落梁，見圖10(c)。

(6)中支腿頂升，主支腿倒運至下一橋墩上。

(7)安裝主支腿，中支腿收縮，完成體系轉換。進行第二次喂梁，見圖10(d)。

(8)喂梁結束，精確對位，準備落梁，見圖10(e)。

(9)落梁結束，架橋機準備回撤，見圖10(f)。

(10)架橋機回撤到位，主支腿回收，準備返回梁場去運梁，見圖10(g)。

圖10 昆侖號架橋機一般工況架梁流程

3.5.4 昆侖號架橋機主要創(chuàng)新點

(1)新材料的應用

主要受力金屬構件采用新研制的GT785D高強鋼，屈服強度達685 MPa，這是在高速鐵路架橋裝備設計制造中首次使用該型號鋼材[21]。

(2)提出了可變位主支腿折疊結構

主支腿如圖11所示，是一種免除墩頂錨固構造的倒三角空間結構，通過托輥輪、反抓輪、水平導向輪，其可以沿主梁自行來回移動；通過油缸伸縮折疊，來滿足不同支點高度與運梁工況要求；底部橫墊梁與支腿下橫梁間設有轉動機構來滿足曲線架梁要求。

圖11 昆侖號架橋機主支腿

(3)子母套免維護大推力關節(jié)軸承的研制

原有的運架一體機主梁與后車連接大都采用球鉸結構，這種球鉸結構往往存在加工精度低、轉動不夠靈活、易磨損和銹蝕、需經常維護等缺點。新研制的昆侖號架橋機主梁與后車系統連接采用低高度、高強度、子母套、大推力關節(jié)軸承結構，其整體結構高度比球鉸顯著降低，采用自潤滑材料組成摩擦副，可免維護，摩擦系數更小，轉動靈活，環(huán)境友好，承載力、壽命及使用功能都有一定的增強和提高，如圖12所示[22]。

圖12 大推力關節(jié)軸承

(4)架橋機信息化系統研制

昆侖號架橋機信息化系統如圖13所示，填補了高速鐵路簡支箱梁運架過程中信息化技術應用的空白，可實時掌握箱梁運架信息及架橋機的施工狀態(tài)，達到箱梁運架精細化管理的同時，實現運架設備狀態(tài)的全壽命周期管理[23]。

圖13 信息化管理系統框架

4 結論與體會

我國高速鐵路簡支箱梁運架一體機，從引進到自主創(chuàng)新，從無到有，再到世界領先，經歷3個階段，技術性能上了3個臺階。通過對運架一體機發(fā)展各階段分析，有以下結論與體會。

(1)第一階段通過引進尼古拉公司的YJ-550型運架一體機在秦沈客運專線的使用，了解該機是導梁式運架一體機，是通過“底抽導梁”過孔方式來架梁的工作原理，并了解各組成構件、結構功能及該一體機的優(yōu)缺點，為自主創(chuàng)新打下了良好基礎。如果說該階段上了一個臺階，那也是針對當時國內鐵路最大噸位架橋機為160 t左右，最大只能架32 m單線T梁，且還不是運架一體機；引進的運架一體機，集提、運、架功能于一體，最大可架550 t雙線24 m箱梁；從梁型、噸位、功能上，是一大進步，上了一個臺階。

(2)第二階段通過第一階段打下的基礎，結合國內32 m標準簡支箱梁大規(guī)模工程應用，先是借鑒YJ-550型運架一體機理念，研發(fā)出900 t/32 m導梁式運架一體機；后大膽創(chuàng)新，取消下導梁，研發(fā)出900 t/32 m梁無導梁式運架一體機。因此，該階段從梁跨、噸位及設計創(chuàng)新上，又上了一個臺階。

(3)第三階段是隨著大跨度40 m標準簡支箱梁的研發(fā)應用，對照32 m箱梁，架設噸位從900 t級增加到1 000 t級，跨度從32 m增加到40 m，梁高也增加200 mm。研發(fā)的1 000 t/40 m梁昆侖號架橋機為無導梁式運架一體機，填補了目前世界上高鐵40 m大跨簡支箱梁運架一體機設備空白。從這個意義上講，該階段再上一個臺階，其成套架設技術可為中國高鐵“走出去”提供助力。

(4)從各階段運架一體機的應用來看，無導梁式運架一體機比導梁式運架一體機架梁，雖然油耗高，但用時少，可在隧道進口零距離架梁，總體上經濟性較好，操作也方便，是今后發(fā)展的趨勢。

(5)為了進一步推廣應用第三階段成果，建議根據現場試驗與使用情況，對1 000 t/40 m梁昆侖號架橋機(運架一體機)進行優(yōu)化設計，如減輕設備質量，增加精確落梁輔助定位系統等，提高其經濟性、便捷性。