淺析鐵路軌道施工技術進展及智能建造技術研究難點
作者：崔成 （中鐵三局集團線橋工程有限公司， 河北 廊坊 065000)時間：2021-12-28
摘要：中國鐵路工程的建設經歷了從數量、規模到質量、效益的發展轉變，且當前施工技術正在從傳統施工方式向智能建造方式轉變。隨著自動化、智能化技術在各領域的推廣應用，智能建造技術在鐵路軌道工程領域的應用也開始了相關研究并取得了階段性成果，但是其深入研究和全面推廣仍有很多技術難點需要突破。基于此，本文簡要介紹了國內軌枕、軌道板預制和有砟、無砟軌道鐵路鋪軌方面智能建造技術的研究和應用現狀，根據現場反饋的信息和對智能化建造技術的認知，就鐵路軌道智能建造技術研究的技術路線、技術難點、應用前景等提出了一定的建議，以期推動鐵路智能建造技術的發展。
來源：智能建筑與工程機械
關鍵詞：智能建造；鐵路軌道；軌品、軌道板預制；有珠、元碎軌過；鐵路梳軌、拉術難點
中圖分類號：U215.1 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903(2021 )02-0001-06
0 概述
鐵路是我國交通的大動脈， 其規模和技術體現了國家 經濟的實力和科技的水平。我國現已成為世界上高鐵運營里程最多、 運行時速最高、 在建項目；最多的國家。中國高 鐵已成為一張亮麗的名片， 充分體現了習近平總書記 “推 動中國制造向中國創造轉變、 中國速度向中國質量轉變、 中國產品向中國品牌轉變” 的重要指示精神， 同時為推 動鐵路技術轉向升級， 打造中國品牌指明了方向。 中國 鐵路建造技術已經從原始的人士方式發展為機械化、 自 動化施工，并正在向自動化、智能化技術邁進 。
1鐵路軌道施工技術發展
1.1鐵路軌道旱期施工方法
我國早期的鐵路軌道施工技術落后， 以人力為主， 輔以少量的小型機具設備。 鐵路鋪軌時需要人工抬擺枕木、 鋼軌、 人工釘道或安裝扣件， 部分道昨也需要人力補充， 因此勞動強度大、 安全風險高、 施工進度慢。20 世紀70年代， 開始應用鋪軌機， 實現了鐵路鋪軌施工 的半機械化作業， 但軌排生產、 上靜養路等環節仍以人 工為主， 機械化程度低；大范圍應用預應力鋼筋混凝土 軌枕及配套的定型鋼軌扣配件，軌枕在工廠內預制生產， 隸屬于鐵路局管理， 通過鐵路運輸 ，如國1 ～國3。
20世紀80年代至90年代， 鐵路鋪軌普遍使用， 還 研發了集T梁架設和鋪軌功能的鋪架機， 鐵路鋪軌施工 的綜合進度指標明顯提升， 應用往復式軌排生產線使軌 排生產的勞動強度進一步降低， 線路采用K車補昨、 人工小型內燃搗鼓機作業， 人員勞動強度得到降低， 除了 道岔及特殊工況外， 鐵路鋪軌作業基本實現了初步的機 械化。軌枕仍在軌枕廠生產， 鐵路運輸為主， 軌枕定型 產品種類少，生產工藝有所改進，如圖4 ～圖6。
新線建設中無砟軌道和無縫線路很少應用， 相應的施工技術仍處于空白狀態［勻。
1.2鐵路軌道施工技術現狀
進入21世紀， 以秦沈客運專線為標志， 我國的鐵 路軌道施工技術進入新階段。 秦沈客專首次采用新線一 次性鋪設無縫線路新技術并按設計時速開通， 徹底顛覆了以往先鋪設有縫線路， 開通運營｜惱營運輸， 工程交驗 正式運營、 線路穩定后既有線換鋪無縫線路等傳統的軌道施工觀念。 引進了當時世界主先進的單枕連續法鋪軌 機組、 大型機械化養路機組， 建設了工地焊軌廠， 首次 鋪設大號碼高速鐵路道岔， 試鋪了長枕埋入式和單元板式無砟軌道， 采用緊密流水法施工工藝， 順利實現了按 設計時速開通的日標， 為中國鐵路建設樹立了新標桿 ， 如圖7 ～圖9。
我國真正意義上的高速鐵路建設是以有昨軌道為主 的石太客專、 無砟軌道為代表的京津城際為開端， 鐵路 軌道施工技術在秦沈客專基礎上得到新的提升。 武廣客專、 鄭西客專、 京滬高鐵等先后建設， 軌道結構形式也從單一的有陣軌道拓展到多種形式的無砟軌道， 高速鐵 路軌道施工技術也從引進成套技術與設備， 經過消化吸收和科技創新， 逐步形成了軌道結構種類最多、 環境適應性最廣、 建造技術配套最全、 施工成本相對最低的中國特色建造技術。
1.2.1有昨軌道施工技術現狀
有昨軌道施工以換鋪法和單枕法為主， 在國外單枕法鋪軌設備的基礎上， 為適應我國500 m長鋼軌的技術標準， 自主研發了CPGSOO型鋪軌機組， 搗固車、 穩定車、 配碎車、 道岔搗固車等大型養路機械以及移動式焊軌機實現了國產化并有昨軌道施工中的普遍應用， 高鐵 有昨軌道精調整理中普遍使用新一代的DWL（搗固與穩 定聯合作業）機組， 線路軌道在開通前使用鋼軌打磨列車實現了預打磨， 有昨軌道線路施工技術與裝備水平達到了世界先進水平， 如圖10～圖13。
有昨軌道的道岔仍采取原位鋪設為主的工藝，道岔精調以人工調整為主，個別鐵路局曾引進國外的道岔換鋪設備， 但是受既有線施工場地條件和要點施工限制， 沒有得到推廣。 國內道岔施工技術總體上機械化、 自動化、 智能化程度低， 較國外先進技術相比仍相對落后， 如圖 14。
1.2.2無砟軌道施工技術研究現狀
國內鐵路無砟軌道結構形式主要有CRTS I型雙塊式、 板式，CRTS E型雙塊式、 板式，CRTS E型板式等，無砟道岔主要有軌枕埋入式、 板式等。 不同的軌道結構 形式適應不同的運營條件和施工條件， 采用相對應的成 套工裝工藝進行施工。 相對而言， CRTS E型雙塊式無砟軌道施工的機械化、 自動化程度最高。 目前國內無砟軌道采用最多的是CRTS I型雙塊式和CRTS I塑板式兩種無砟軌道結構形式，道岔以軌枕埋入式為主，如圖15 ～圖17。
為了適應大規模的鐵路建設需要，軌枕的預制已不 再局限于鐵路局的生產廠供應， 通過在現場新建軌枕廠、 軌道板廠等大臨設施， 軌枕、 軌道板預制實現了工廠化 生產， 機械化程度和信息化水平持續提升，正在向智能 工廠邁進， 如圖18～圖210
無砟道岔原位鋪設， 工藝與無砟軌道類似， 機械化、 自動化、 智能化程度均有待提高。
1.3鐵路軌道施工技術發展趨勢
根據鐵路中長期發展規劃， 國內鐵路建設將繼續維 持在一定的規模， 市域鐵路、 城際鐵路近期將爆發式增 長， 高速鐵路向中西部地區延伸，鐵路之間的聯絡線、 鐵水聯運鐵路等提上日程， 路網結構日臻完善， 以川藏鐵路為代表的高難度鐵路開工建設， 伴隨著人口老齡化和人工成本的快速增長， 能保證施工安全、 作業高效、工程優質的鐵路智能建造技術的研究應用和施工技術再 創新己刻不容緩， 國內部分相關的科研院所、 施工企業、裝備制造廠商已開展相關工作。
鐵路軌道施工技術的總體發展趨勢有以下幾個方面： (1）提高機械化水平。 道岔鋪設、 軌排生產、 鋪設軌排、 放散鎖定等環節仍使用大量勞動力，機械化減人任務艱巨。
(2）提高自動化水平。 在軌枕軌道板預制、 無砟軌道施工、 鋪軌作業、 有碎線路大機養路等環節， 基本實 現了機械化， 但是自動化水平很低。
(3）提高智能化水平。 國內少數軌枕廠、 軌道板廠 E在向超智能工廠方向努力， 生產線的機械化、 自動化 水平達到了較高程度， 在智能化管理方面也進行了嘗試， 但距離真正意義上的智能化還有較大差距。
(4）根據工況要求開展施工技術再創新。 新時期鐵路建設向更廣的范圍拓展， 面臨更加復雜的施工環境條件和新的技術要求， 需要研究開發適應特殊工況的全新 目 的軌道施工成套技術與裝備。
(5）鐵路軌道施工管理標準化、 智能化提升。 當前 國內鐵路施工項目的管理基本實現了信息化， 但各種管 理軟件平臺五花八門， 各種管理方面的信息和施工過程 中的數據無法完全貫通， 因此需要整合現有管理軟件平 臺或開發適應于模塊化管理的專業軟件平臺 。
2鐵路軌道智能建造技術研究難點
2.1軌枕、軌道板預制
2.1.1軌枕預制
軌枕預制國內旱已實現了工廠化，其以環形流水生 產線為主。 以中鐵三屆為例， 在智能化軌枕廠的發展 歷程中， 通過對原有軌枕生產工藝、 裝備的多次升級改 造， 打造了黃黃鐵路薪春智能化軌枕生產車間， 達到了 國內領先水平。 蔚春軌枕廠采用流水機組法生產， 軌枕 養護改進為坑式養護窯分倉智能養護，12道主要生產工 序全部機械化、 自動化， 螺旋筋套管安裝、 精架箍筋安
裝、 混凝土精準布料、 軌枕出入窯、 軌枕外形與幾何尺寸檢測、 注油蓋、 軌枕緩存等工序應用了視覺識別、 激光掃描、 算法分析等智能控制技術。 生產管理中， 在建 設單位要求的管理平臺基礎上， 引進了MES 、SCADA、 PHM等先進的管理系統。
目前軌枕預制智能建造技術研究的難點在于部分智 能設備工作的穩定性、 技術參數的可靠性，其有待進一步改善， 噴砂工藝清模能耗過大需要改進，軌枕緩存沒 有分倉養護， 軌枕的物流智能管理水平低。軌枕裂紋檢 測單純依靠視覺識別技術， 對裂紋判別的可信度偏低， 應研究基于超聲波探測技術的專用檢測設備，如圖22。
2.1.2軌道板預制
當前軌道板預制正在逐步推廣流水機組法。 采用流 水機組法后部分工序實現了智能化，如CRTS E型板生 產中， 脫模、 清模、 套營螺旋筋安裝、 預應力鋼筋預緊 和張拉、 鋼筋絕緣檢測、 蒸養等智能化水平已較高， 混凝士精準布料和振搗工位有待提升［11］。但鋼筋籠綁扎工 序仍以人工為主，實現機械化、 自動化還很難，如圖230
2.2有砟軌道
有昨軌道智能建造技術長期以來發展緩慢，主要原因是軌道結構形式、 扣件類型固化，機械鋪軌時自下而上、 自始至終的順序施工方式，決定了其施工工藝很難有大的突破。 只能在鋪軌機械設備、 線路大機整道等方 面做一些減少作業人員、 提高作業精度、 保證工程質量的改進。 目前國內有些施工單位正在聯合相關科研院所、 設備廠商做相關研究，難度較大的課題有：
(1）有砟、 無砟通用智能牽引車， 解決山區鐵路隧道外有昨、 隧道內無砟相互交替的工況下作業精度和效率問題。研究中存在的問題是設備擬附加自主巡航走行、 鋼軌自動抓取、 自動投放與回收滾輪等功能， 設備結構 尺寸較大、 自重較大，與現場的作業條件要求有差距，實際效果有待驗證。 該項研究雖然可以提升智能化水平， 但是造價較高， 性價比較差 ，如圖24～圖250
(2）單枕法鋪軌扣件智能安裝車。 受螺栓扣件的結構和安裝順序的限制，擬采取倒拆法分解扣件安裝過程，研制配套的智能作業車組， 按順序獨立完成每個安裝步驟的辦法解決。 其存在的困難是扣件與鋼軌、 軌枕組裝精度要求高，現場粗鋪線路的空間相對位置關系情況復雜， 沒有精度高、 技術先進的識別與控制系統很難達到實用程度。 況且作業車組體積龐大、 組成復雜，作業時占用線路，影響鋪軌進度。
2.3無砟軌道
目前國內無砟軌道智能建造技術的研究以雙塊式、 CRTS E型板式無砟軌道為主攻方向，兼顧無砟道岔智 能精調等技術的研究。
(1）雙塊式無砟軌道。 在以往雙塊式無砟軌道軌排框架法、 軌排架法的基礎上，重點在成套的施工技術裝備， 在機械化、 自動化及智能化等方面做提升。 在軌排 組裝、 軌排運輸、 軌排粗鋪、 軌排智能精調、 混凝土智 能澆筑振搗、 自動找平抹面、 工地智能養護等方面， 以中國中鐵為代表的建筑央企聯舍相關院所、 廠商做了系 統的研究與開發， 研制了成套的施工裝備，在高鐵項目 進行了試用和驗證。 部分功能還需要完善，如軌排智能 精調、 混凝土智能澆筑振搗等環節，在精度、 效率、 質量等方面未達到預期目標。 在有效工期短， 進度要求高，
作業環境差異大的情況下，現有的智能建造技術還不能 很好的適應， 相關單位仍在繼續探索。
(2）板式無碎軌道。 CRTS E型板式無碎軌道的智 能建造技術主要研究方向是智能鋪板和快速精調， 國內部分施工單位巴進行了充分的技術論證，也試制過一些鋪板和精調設備，但是效果均不理想。 存在的突出矛盾是設備體積和重量不適合現場靈活作業，配套的精調軟件算法、 控制系統可靠性、 調整機構作業精度之間的協調匹配難度大，遠未達到工程應用條件。
(3）無砟道岔。 無砟道岔的智能建造技術研究重點 是智能精調，中鐵三局在鄭萬高鐵研制試用了第一代道 岔精調機，但是因其重量偏大， 置于道岔之上精調作業時影晌精度， 且未實現三維精調功能，產品還不具備應用價值。無砟道岔精調需要反復進行，僅依靠單點局部 調整的方式很難達到精度， 需要研究多點同步、 三維可 調、 計算機控制、 體積小、 重量輕、 可拆分、 模塊化的 成套精調裝置， 恐短期內很難實現。
(4）元昨軌道鋪軌。 無砟軌道智能鋪軌技術的研究 主要想解決作業人員多的問題，擬對智能推送、 收放滾輪、 扣件安裝、 鋼軌自動抓取與拖拽等環節進行升級改 造。 與有碎軌道類似， 同樣存在投入大、 實用性差、 相互干擾、 部分功能無法實現的風險。 國內有施工單位已經開展了相關技術與裝備的研發， 已進入調試階段，不 久將到在建項目進行試驗驗證。 但是無砟軌道扣件更加復雜， 智能安裝短期內也很難實現，如圖 26 ～圖 28。
2.4鋼軌焊接及其他
(1）鋼軌焊接。 鐵路項目的500m長鋼軌焊接在國鐵集團的焊軌基地完成， 各焊軌基地一直在不斷地進行 技術改造與升級。 施工單位完成現場的鋼軌焊接， 道岔 內采用鋁熱焊工藝， 焊頭數量較少， 對智能化升級沒有 強勁的需求。 線路采用移動焊軌機閃光接觸焊工藝，配套使用工地上打磨、 矯直、 E火、 探傷等設備。 目前國 內各單位在信息化方面做了許多研究工作， 但需要在鋼 軌焊接、 鋼軌正火、 自動打磨、 焊頭探傷與檢測等方面
繼續深化智能化技術的研究［叫。
市域、 城際鐵路的施工條件苛刻， 部分城市在軌道 施工期問仍不具備與既有線接軌的條件， 必須采用在現 場設小型焊軌基地，將短定尺軌焊接成非標準最度長軌的方式解決。 對現場小型焊軌基地建設及小型焊軌生產 線生產技術與裝備的適應性改造升級將是下一步研究工 作的重點。
(2）無縫線路放散鎖定。 鐵科院主持開發了鐵路無 縫線路應力放散施工監測方法、 裝置及系統， 在新建鐵 路軌道施工中推廣應用， 雖然解決了由于通過人工對軌道信息進行測量導致的工作效率低、 測量誤差大的技術 問題， 但是對應力放散的作業效率有一定影響。 以往國 內個別施工單位在施工環境條件允許的前提下， 曾采取過500m長鋼軌一次直接鎖定的方法。 該方法可以減少 單元軌焊接工序， 可顯著提高施工進度。 但因規范要求 單元軌的長度一般為1500 ～ 2 000 m， 因此該方法從 技術規范、 鎖定軌溫的準確性和均勻性等方面沒有得到 認可。
中鐵大橋院秦順全院士提出的 “兀應力狀態法” 在 橋梁設計與施工監控中發揮了重要作用，借鑒 “無應力狀態法” 的理念， 結合鐵科院研發的應力放散鎖定監控 系統的應用， 采用智能化的長度測量、 鋼軌長度標定、 鋼軌應力應變測量、 鋼軌位移監測等儀器設備和先進的 監控手段， 研究500m長鋼軌直接放散鎖定的施工工藝 和作業標準， 完全有可能達到原來放散鎖定工藝要求的 “無縫線路的實際鎖定軌溫準確、 均勻” 的技術要求。
3結論是建議
縱覽國內鐵路軌道施工技術的發展歷程， 分析鐵路 軌道智能建造技術的現狀和面臨的挑戰， 智能建造技術 的研究、 應用任重道遠、 勢在必行。
(1）走區域化發展之路。 軌枕、 軌道板預制為工廠 化生產，通過總結國內智能軌枕廠、 軌道板廠的技術加 以優化， 在智能化管理和控制技術應用上進一步進行提 升， 其智能化生產技術已日趨成熟，短時間內具備推廣 應用的條件。 與原生產方式相比， 資金和技術方面的投 入太， 在目前的鐵路建設項目管理模式下， 軌枕廠、 軌 道板廠的生產數量少、 大I陽投入多， 不具備規模效應， 經濟效益無法保證。 與鐵路局合作建設軌枕廠、 軌道板 廠， 引入鐵路專用線， 通過鐵路運輸擴大供應范圍， 區 域性工廠是大勢所趨。
(2）做好頂層設計，科學整合資源， 加強統籌協調， 主攻關鍵技術。 國內鐵路軌道智能建造技術的研究中， 國鐵集團、 鐵路科研院所、 設計院、 施工企業、 裝備制 造廠商及高等院校等均有參與，但是頂層設計缺失，研 究路線模糊， 研究團隊各自為戰力量分散，研究方向及 內容雷同或低端重復，核心技術缺失， 知識產權界定不 清， 研究成果或新的施工技術與裝備缺乏應用驗證。
(3）立足實際， 追求實效， 分步推進， 穩扎穩打。在國家倡導技術創新和智能化的風潮中，鐵路軌道智能 建造技術的研究所追求的目標有空泛化的傾向， 想要通過機械化、 自動化、 智能化的技術實現所有工序全覆蓋及施工現場無人化等思想， 有脫離現實、 技術 “大躍進” 的隱憂。
(4）優化設計， 源頭解困；良性互動， 降本增效。德國在雙塊式無砟軌道施工技術的研究應用中， 為了適應機械化、 自動化技術的發展需求， 專門研發了旭普林式無砟軌道結構形式， 從源頭入手解決問題。 國外有昨 軌道采用單枕法施工時選用合理的軌枕及扣件類型， 很好地解決了扣件安裝問題。 目前國內軌枕、 軌道板預制以及鋪軌施工中， 現有的定型圖及設計技術標準與智能 建造技術的要求差距太大， 智能建造技術研究存在削足 適履的現象， 必須引起高度重視。 只有從設計源頭解決 好與智能建造技術與裝備的深度融合， 才能實現智能建 造技術的落地生根， 達到現場實用、 人員減少、 成本降 低、 工效提高、 安全可靠的預期目標。
參考文獻
[1］王乎，郭福安．鐵路軌道施工［M］.北京：中國鐵退出報社，2010.
[2］劉學毅，羅國偉．鐵路工務檢測技術［M］.北京：中國鐵道出版社，2011.
[3］盧朋，劉新社，吳啟新，等．鐵路工程鋪架技術與管理［M］.北京:中國鐵迸出版社，2007.
[4］岳祖潤 ．高速鐵路施工技術與管理［M］.北京：中國鐵道出版
非主，2017.
[5] ［荷］ Coenraad Esveld.現代鐵路軌道［M］.王平，陳噪，井國慶，譯 北京：中國鐵迸出版社，2014. ．
[6］中鐵三局集團 ．秦沈客運專線施工技術［M］.北京：中國鐵迸出
版社，2003.
[7］余祖俊，史紅梅，朱力弦，等，高速鐵路元縫線路服役狀態監測理
論與實踐［M］.北京：科學出版社，2016.
[8］中國鐵路，總公司 ．中國高速鐵路工務技術［M］.北京：中國鐵道
出版社，2017.
[9］鐵道部工程管理軋過客運專線鐵路元梓軌道施工手冊［M］.北
京：中國鐵道出版社，2010.
[10］中鐵二局股份有限公司，卿三患． 高速鐵路施工技術（軌道工
程分冊）［M].
[11］王峰我國高速鐵罩各智能建造技術發展實踐與展望田．中國鐵
路，2019(4):1-8.
[12］王可飛，都莓，盧文龍，等智能建造技術在鐵路工程建設中的
研究與應用 [J].中國鐵路 ，2019(11):45-50.
[13］馬建軍，李平，邵賽，等．智能高速鐵路關鍵技術研究及發展路
線圈探討[J].中國鐵路.,2020(7)：1-8.
[14］李擁政智能建造技術在鐵路工程建設管理中的應用［A］.中國智慧工程研究會智能學習與創新研究工作委員會. 2020年 智慧工程建造設計座談會（一）論文集［CJ.中國智慧工程研究 會智能學習與創新研究工作委員會，2020:7.
Analysis on the Development of Railway ’Track Construction Technology and the Research Difficulties of Intelligent Constructoon Technology
CUI Cheng
(China Railway Third Bureau Group Line Bridge Engineering Co., Ltd., Langfang Hebei 065000)
Abstract: The construction of railway p叫ects in China has undergone development and transformation企om quanti吼scale to quality and efficiency, and the current construction technology is changing from traditional construction methods to intelligent construction methods. With the promotion and application of automation and intelligent technology in various fields，the application of intelligent construction technology in the field of railway track engineering has also begun relevant research and achieved phased results, but its in-depth research and comprehensive promotion still have many technical difficulties that need to be broken through. Based onthis, this article briefly introduces the research and application status of intelligent construction technology in domestic sleepers, prefabricated track slabs and track laying of ballasted and non-ballasted railways. The technical route, technical difficulties, and application prospects of intelligent construction technology research put forward certain suggestions in order to promote the development of railway intelligent construction technology.
Keywords: intelligent construction; railway track; prefabrication of sleeper and track plate; ballastless and ballastless track; railway track laying, technical difficulties
免責聲明：本網站所刊載信息，不代表本站觀點。所轉載內容之原創性、真實性、完整性、及時性本站不作任何保證或承諾，請讀者僅作參考并自行核實。