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高速铁路箱梁运架施工技术和关键装备的发展及应用
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高速铁路箱梁运架施工技术和关键装备的发展及应用
2021年11月04日    阅读量:18711    新闻来源:李世龙 王心利 (中铁二局集团新运工程有限公司,四川 成都 610031 )  |  投稿

摘  要:我国的高速铁路桥梁建造技术经历了几个不同的发展阶段,本文以时间为纵轴线,全面回顾我国高铁简支箱梁运架施工技术及关键装备从24m/600t级到40m/1000t级的三次重大突破,系统总结我国高铁简支箱梁运架施工关键装备从无到有、从技术落后到领先世界的发展历程,分析国内外高铁箱梁运架施工技术和关键装备现状水平及未来发展趋势。

关键词:高速铁路;简支箱梁;施工技术;运架设备;发展及应用

中图分类号:TU61  文献标识码:B


日本、法国、意大利等经济发达国家在上世纪60年代率先迈入高铁时代,我国由于经济发展和装备技术落后等原因,到本世纪初才建成第一条时速250公里的高铁。我国高铁技术起步虽晚但发展很快,仅用十多年便完成了覆盖全国大部分地区的“四纵四横”高铁线网建设,目前正向国家规划的“八纵八横”高铁网络快速推进沥青网sinoasphalt.com。我国的高铁线路主要以桥梁为主,而桥梁施工主要采用整孔箱梁预制和梁上运架施工工法,笔者有幸参与了我国第一条高铁即秦沈客专铁路项目的建设,在后来的履职工作中也见证了合宁、京津、哈大、京沪、石武、大西、沪宁等高铁箱梁运架施工技术和关键设备的起步和快速发展历程,回顾和总结高铁桥梁施工技术和装备的发展趋势可为高铁桥梁工程技术人员提供一定的参考和借鉴,特撰此文与读者分享。

 

1 高铁箱梁运架施工技术的几次突破

我国高铁简支箱梁制运架施工技术从24m/600t级起步发展到目前的40m/1000t级,概括起来,大致经历了以下三次重大技术突破:

2000年,在国内首条时速250km的秦沈客运专线高铁首次采用24m整孔箱梁预制架设施工技术[1-2],标志着我国高铁桥梁建造技术实现第一次突破,开启了我国高铁桥梁建造技术的新纪元。

2005年,时速250km的合宁高铁首次采用32m整孔箱梁预制架设施工技术,标志着我国高铁桥梁建造技术实现第二次突破,这种桥梁施工技术在时速350km的京沪、武广、哈大等高铁项目中被大量推广应用,标志着我国高铁桥梁施工技术走向成熟,完善了我国高铁建造施工技术体系。

2018年,时速350km的郑济高铁项目首次采用40m整孔箱梁预制架设施工技术,标志着我国高铁桥梁建造技术取得第三次突破,填补了国内外高铁桥梁技术领域空白,在我国乃至世界铁路发展史上具有重要的里程碑意义。

 

2 箱梁运架设备及架梁工法

2.1 第一代技术:24m/600t级箱梁运架设备及架梁工法

2.1.1 JQ600型架桥机结构及特征

JQ600型架桥机[3]为我国自主研制的首台高铁箱梁架桥机,其最大架梁跨度24m,额定起重能力为600t,如图1所示,该架桥机采用双主梁结构设计和步履式过孔方式,控制系统采用工业控制计算机,起升卷扬机构均采用变频电机驱动实现无级调速。

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图1 JQ600型架桥机

2.1.2 TE600型运梁车结构及特征

  修建秦沈客专铁路时,我国尚不具备自主设计大吨位轮胎式运梁车的能力,为配合JQ600架桥机施工,从国外直接引进了TE600型轮胎式运梁车,该设备为意大利Nicola公司设计,最大运载能力达600t,如图2所示。该运梁车采用多轮轴结构和液压悬挂支撑,共二十组液压悬挂轮组形成“三点平衡”支撑系统,具有荷载自动均衡功能,运梁车采用闭式液压系统驱动,通过电液比例控制技术实现无级调速。

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图2 TE600型运梁车

2.1.3 JQ600架桥机架梁工法

  TE600运梁车从制梁场装载预制梁片,通过路基或已架梁面运送梁片到达JQ600架桥机的后方,架桥机收起三号柱,由一、二号柱支撑,运梁车从架桥机尾部缓缓驶入二、三号柱之间,支撑三号柱,收起二号柱,两台起重小车取梁并吊梁同步纵移到达前方落梁位置,经横移调整后落梁到位。支二号柱,收三号柱,放运梁车返回梁场装载下一片箱梁。架桥机准备过孔:收起二号柱,由一、三号支撑,三号柱驱动架桥机沿桥面轨道前行,二号柱到达已架梁前端支撑,一号柱悬挂驱动自力走行到达前方桥墩并支撑,准备架设下一片箱梁。

2.1.4 第一代高铁架梁施工及装备技术的现实意义与不足

  (1)意义:JQ600型架桥机和TE600运梁车配套施工并成功应用填补了国内高铁桥梁施工及装备技术领域空白,为我国后来的32m/900t级箱梁架桥机的成功研制奠定了基础。

  (2)不足:限于我国当时的桥梁装备制造技术水平不足,不得不从国外购买价格昂贵的TE600型轮胎式运梁车,设备维护成本较高。JQ600型架桥机采用跨双跨架梁模式,设备自重和施工荷载均较大,操作工序较为繁琐。另外,运梁车喂梁完毕不能立即返回梁场,综合工效较低,实践证明,该架桥机每班(8小时)只能架设一片箱梁。

2.2 第二代技术:32m/900t级箱梁运架设备及架梁工法

2.2.1 JQ900A型架桥机

  JQ900A型架桥机为我国自主研制,该架桥机最大架梁跨度为32m,额定起重量900t,如图3所示。该架桥机采用了固定式的“○型”中支腿(二号柱),系统采用PLC可编程控制器,走行和起升机构均采用变频电机驱动,具有无级调速功能,通过三号柱下方的轮胎驱动完成架桥机纵移过孔作业。


2.2.2 YL900型运梁车

  YL900型运梁车为我国自主研制,是JQ900A架桥机的配套设备,额定载重量达900t,如图4所示。采用多组轮轴和液压悬挂结构支撑,左右32组液压悬挂分成三组形成“三点平衡”受力系统,具有荷载自动均衡功能。运梁车采用闭式液压系统驱动,通过电液比例控制技术实现无级调速,采用常闭式液压制动和静压制动相结合确保运梁车制动可靠、运行安全。


2.2.3 JQ900A架桥机架梁工法[4]

  YL900运梁车从提升站或制梁场装载梁片运输到达JQ900A架桥机后方,慢速行驶缓缓通过三号柱内侧到达二号柱(即○型中支腿)后方,架桥机的前起重小车取梁,运梁车驮梁小车同步喂梁,后起重小车取梁后运梁车即可返回梁场装载下一片梁,两台起重小车同步纵移到达架桥机前方落梁位置,经横移调整后落梁到位。架桥机过孔时由一号柱和三号柱支撑,二号柱收起悬空,三号柱驱动架桥机前行过孔,二号柱到达已架梁前端支撑,一号柱收起悬挂自力走行到达前方桥墩,支撑一号柱完成过孔作业,准备架设下一片箱梁。

2.3 其他900t级箱梁运架设备简介

  JQ900A型步履式架桥机投入工程应用的同时期,国内一些装备企业相继开发出DF900D和TLJ900型等导梁式架桥机、WE-SC900H型运架一体机以及TTYJA900型无导梁式运架一体机,这些专用设备的额定工作能力均为900t,各具特色和技术优势,下面分别作简要介绍。

2.3.1 DF900D导梁式架桥机[5]及架梁工法

  DF900D型架桥机由主梁和导梁两大部分组成,结构如图5所示,架梁工法:运梁车通过路基和已架梁面运梁到达架桥机尾部,采用过桥轨将架桥机导梁与运梁车轨道相连,两台驮梁小车同步驱动通过过桥轨将待架梁片喂梁到位,架桥机两台起重小车定点起吊箱梁,导梁天车吊装导梁并纵移至前方桥墩让出落梁空间,两台起重小车同步下降至低位,再横移调整并落梁到位。然后在桥面铺设走行轨道便于架桥机纵移过孔,架桥机辅助支腿(沿导梁前行)和后支腿(沿桥面走行轨道前行)同步驱动完成纵移过孔作业。


2.3.2 JQ900型下导梁式架桥机

  JQ900型下导梁式架桥机如图6所示,采用左右双幅导梁和π型中支腿设计。架梁工法:运梁车驮运箱梁梁片行驶至架桥机后方,沿导梁上面驶入架桥机下方,两台起重小车定点起吊箱梁,运梁车退出,辅助小车起吊导梁前移让出落梁空间后,起重小车原位落梁即可完成架梁作业,架桥机沿导梁走行轨道自力走行完成纵移过孔作业,准备架设下一片箱梁。


2.3.3 WE-SC900H型导梁式运架一体机

  WE-SC900H型运架一体机由架梁机和导梁机两大部分组成,如图7所示,可满足时速250公里(隧道断面为R6410mm)和时速350公里(隧道断面R6650mm)高铁双线隧道内运梁和隧道口架梁施工。架梁工法:架梁机从制梁场吊梁行驶至已就位的导梁后方,架梁机前走行车组从翻转平台骑上导梁改为托盘承载,后端走行车组与托盘驱动机构共同驱动架梁机沿导梁纵移至落梁位置,前抽导梁让出落梁空间,起重小车微调再落梁到位,架梁机后退返回梁场装下一片梁。


2.3.4 TTYJA900型无导梁式运架一体机

  TTYJA900型无导梁式运架一体机没有结构庞大的导梁机构,其中部设有两根强壮的液压油缸支腿,可支撑于已架梁前端,通过中部的两根液压支腿和自稳性能良好的前支腿切换支撑,完成架桥机架梁作业,结构如图8所示。架梁工法:无导梁式运架一体机吊梁行驶至桥台或已架梁前端位置,前支腿支于零号桥台或已架梁片前端桥墩上面,收起前车组均衡油缸直至轮胎悬空不受力,后端走行车组与前支腿滚轮共同驱动运架一体机前行,通过可移动式前支腿与固定式中支腿切换支撑将梁片纵移至待架桥跨,然后再横移调整落梁到位。


2.3.5 第二代高铁架梁施工技术小结

  第二代高铁桥梁施工技术解决了时速350km高铁跨度32m、重量900t级双线整孔箱梁架设施工技术难题。JQ900A型架桥机采用跨单跨简支架梁方式,在我国东北、华北等平原地区施工的效率优势明显,在合宁、津京、京沪、哈大、大西、沪宁等多个高铁项目中均发挥了重要作用。DF900D和JQ900导梁式架桥机采用定点起吊,起重小车后无需纵移即可完成架梁,安全性较好,WE-SC900H型导梁式运架一体机成功地解决了我国西南山区高铁运梁过隧及隧道口架梁施工技术难题,在我国的钦北、大西、西成、甘青、梅汕等高铁建设中均发挥了重要作用,TTYJA900型无导梁式运架一体机不仅能满足过隧运梁和隧道口架梁施工,还能解决隧道口只有一孔梁(首孔即末孔)和隧道内架梁技术难题。第二代高铁桥梁施工技术不仅实现了从24m/600t级到32m/900t级的跨越式发展,而且在适应性等关键技术方面取得了重大突破,由我国企业自主研制的不同结构型式的箱梁运架设备可以解决平原、山区、隧道内外等工程条件下的高铁桥梁施工技术难题,形成了我国特有的高铁桥梁装备技术体系[6-7]。

2.4 第三代:40m/1000t箱梁运架设备及架梁工法

2.4.1 YLS1000型运梁车[8]

  YLS1000型运梁车采用槽型主梁、双胎并置结构型式设计和宽基小轮胎方案,最大载重1000t,驮梁高度仅1500mm,全车共31轴248个轮胎均衡受力。

2.4.2 JQS1000型架桥机[9]

  JQS1000型架桥机采用双主梁、五支腿结构、跨一孔简支架梁、步履式过孔方式,额定起重量为1000t,最大架梁跨度为40m,见图9所示。架桥机前支腿和前辅助支腿均为可纵移式结构并设有锁定装置,变跨时只需将前支腿和前辅助支腿调整到相应位置即可,架梁时由活动式前支腿和固定式中支腿支撑。后支腿为整机过孔提供支撑和驱动力,前辅助支腿为架桥机过孔到位提供辅助支撑,后辅助支腿为架桥机提供临时支撑,便于架桥机完成体系转换(从架梁工况转换成驮运工况),架桥机通过运梁车驮运转场,可方便地实现桥间转移或掉头作业。


2.4.3 JQS1000型架桥机架梁工法

  JQS1000型架桥机架设40m/1000t级箱梁施工工法[10]与JQ900A型架桥机架设32m/900t箱梁工法原理相同,其架梁效率与JQ900A步履式架桥机相当,此处不再重述。

2.4.4 无导梁式1000吨级运架一体机

  自我国首套40m/1000t级分体式过隧运架设备成功研制之后,国内企业又研发生产了第一台40m/1000t级无导梁式运架一体机,该设备结构、工作原理与900吨级无导梁式运架一体机基本一致,但其运载和起吊能力增大至能够适应我国首次应用的40m/1000t箱梁梁片运架施工技术要求,由于受隧道限界的控制且须符合在隧道内运输架设箱梁的技术条件,该套设备的主要结构采用了较多的Q690及以上高强度钢材。

2.4.5 第三代高铁架梁施工技术小结

  YLS1000型运梁车主梁采用槽型结构型式,与40m箱梁截面形状相贴合,最大程度上利用隧道和箱梁两侧空间,降低了运梁车的结构高度,驮梁高度仅1500mm,为解决过隧道技术难题提供了有利条件。JQS1000型架桥机可满足20m、24m、32m、40m等多种跨度简支箱梁架设施工,并且能够实现隧道口架梁和利用运梁车驮运架桥机整机过隧道,对大坡度和小曲线桥梁工况具有良好的适应性。40m/1000t级无导梁式运架一体机的成功研制解决了40m箱梁过隧道、隧道口和隧道内架梁施工技术难题,标志着我国无导梁式运架一体机技术取得了新的突破,进一步完善了我国高铁桥梁建造技术体系。

 

3 箱梁运架设备技术的发展历程

3.1 第一阶段:引进+部分自主开发

  在建设秦沈客专铁路之前,国内已有最大的铁路架桥机额定起重量为160t,秦沈客专550t级箱梁首次采用双线整孔简支箱梁预制架设施工方法,当时国内还没有能够独立设计制造大型铁路架桥机的专业厂商。在此背景下,中铁五局直接引进了意大利Nicola公司的TYJ550型运架一体机。同一时期,原铁道部于1996年牵头成立课题组对铁路箱梁架桥机进行攻关,由中铁武汉工程机械研究设计院负责设计,山海关桥梁厂负责制造,成功研制出我国第一代高铁架桥机,型号为JQ600型,额定起重量首次达到600t,为配合该型架桥机架梁,施工单位中铁二局从意大利Nicola公司引进了TE600型轮胎式运梁车,JQ600型架桥机和TE600型运梁车于2000年投入秦沈客专铁路架梁施工,解决了国内首条高铁24m/600t级整孔箱梁架设施工技术难题。

3.2 第二阶段:完全自主开发

  合宁高铁首次采用32m跨度900t级双线整孔箱梁预制架设施工方法,国内企业在总结JQ600架桥机现场使用经验的基础上经过优化和改进设计,研制了JQ900A型步履式架桥机和与之配套的YL900型轮胎式运梁车,基于该套运架施工设备形成的架梁工法在之后的多条时速350km高铁工程项目中大量推广应用,为我国高铁的快速发展提供了强大的技术支撑,目前该套运架设备仍是我国平原地区高铁桥梁施工的主流装备。

3.3 第三阶段:快速发展到国际领先

  自2005年第一套32m/900t级箱梁运架设备成功研制以来,国内的装备企业相继开发研制了DF900D、WE-SC900H、TTLJ900型等不同结构型式的高铁架桥机及配套运梁设备。步履式架桥机的架梁效率高,下导梁式架桥机实现了定点起吊架梁,施工荷载小,导梁式运架一体机解决了过隧运梁和隧道口架梁施工技术难题,无导梁式运架一体机解决了导梁式运架一体机施工效率低和隧道口首孔即末孔、隧道口负距离等极端工况条件施工技术难题,另外,国内桥梁装备制造企业还研制了适应单线箱梁架设施工的JQ450、TLJ450、JQX450、DJ550型等架桥机及与之配套的运梁设备,解决了高铁联络线小半径曲线和过隧运架施工技术难题。我国已经开发出多种不同结构型式的成套运架梁设备,这些设备各具优势,适应性相互补充。目前,这些大型装备正在我国高铁建设中发挥重要作用。

  2018年9月,国内首套40m/1000t级箱梁运架设备在郑济高铁项目首次应用于高速铁路40m箱梁施工并成功首架,该套设备为国内外第一套40m/1000t级过隧分体式高铁桥梁运架设备,填补了技术领域空白,标志着我国高铁桥梁施工及装备技术已领先世界上其他国家。

 

4 运架梁设备技术现状及发展趋势

4.1 技术现状

  国外情况:早在上世纪90年代初期,意大利率先研制了大吨位架桥机并达到900t级,当时有Nicola、Deal、Spic等几家公司都能生产此类设备。意大利是世界上最早研制出高铁桥梁施工装备的国家,我国在修建秦沈客运专线时,参建单位中铁二局引进的TE600型运梁车和中铁五局引进的TYJ550运架一体机均来自意大利Nicola公司,其他国家与我国一样,当时在此领域均为一片空白。进入新世纪以来,尽管多个国家均有修建高铁意愿和规划,然而真正实施的项目并不多,大抵由于供求关系,多数国家在高铁桥梁装备技术领域发展步伐缓慢,意大利的高铁架梁设备本身起点较高且技术成熟,近年来发展变化不大[11-12]。

  我国情况:现有箱梁运架设备涵盖了不同结构型式,不同型号规格和不同工况适应性,第三代运架设备不仅解决了高铁40m/1000t级简支箱梁施工技术难题,同时兼顾了过隧运梁和隧道口架梁的功能。通过近二十年的快速发展,我国的高铁桥梁装备从24m/600t级起步到如今领先其他国家的40m/1000t级,先后取得了三次重大技术突破,并且实现了大型设备远程监控功能和信息化管理,通过无线通讯技术远程监控设备状态和作业参数,如图11所示。目前我国的高铁桥梁装备技术已处于世界领先水平。


4.2 发展趋势

  随着工程材料技术、工业制造技术和互联网技术的进一步发展,高铁桥梁装备技术将在结构轻量化设计、智能化操作、设备信息化管理等方面发生深刻变化,主要体现在以下:

  (1)随着高强度结构钢材的成功研制和新的焊接技术将实现架桥机等大型设备结构设计更加轻量化,有利于减少钢材消耗,减轻设备自重,减小对桥梁和墩台的施工荷载。

  (2)通过机械物联网、智能化、信息化等技术实现运梁设备自动驾驶、无人驾驶,减少操作人员或降低工人劳动强度。

  (3)通过自动检测技术和闭环控制实现自动纠偏,能够确保运梁车小间隙安全通过隧道。

  (4)远程监控技术与移动通讯技术紧密接合,实现管理人员在异地随时查看施工现场环境条件、作业工况、运行参数等数据信息,实现设备信息化管理,提高设备安全管理水平。

 

5 结束语

  我国高铁桥梁施工和装备制造技术先后经历了从无到有、从技术落后到领先世界的发展历程,目前我国已经形成完备的高铁桥梁施工及装备技术体系,无论是单线还是双线,无论是大坡道还是小曲线,无论是平原还是山区,跨度从20m到40m、重量从450t到1000t的高铁箱梁等都有成熟的施工工法和成套装备与之相配套,并且能够实现施工组织和大型装备快速就位。概括地讲,跨度40m或梁重1000t以下的高铁桥梁,在我国都已经实现工厂化整孔预制和架桥机架设工法施工,对于加快建成“八纵八横”高铁网络具有重要现实意义,同时也能为实现我国高铁产业走出去战略提供强有力的支撑。

 

参考文献

[1] 唐浩先.秦沈客运专线G4标段双线箱梁架设技术[J].西部探矿工程,2007(10):186-189.

[2] 邓云清,盛黎明.秦沈客运专线大吨位架桥设备的应用[J].铁道标准设计,2001(9):13-17.

[3] 唐智奋.JQ600型架桥机[J].工程机械,2002(3):2-5.

[4] 李斌,罗卿,丁志广.京沪高铁整孔预制箱梁架设施工技术综述[J].青海水力发电,2010(2):1-7,12.

[5] 陈浩,张志华,吴耀辉,等.DF900D导梁式定点起吊架桥机[J].铁道标准设计,2008(3):10-13.

[6] 黄耀怡,余春红.略论我国大吨位架桥机从创始到世界领先之路(上)[J].铁道建筑技术,2015(2):1-13.

[7] 黄耀怡,余春红.略论我国大吨位架桥机从创始到世界领先之路(下)[J].铁道建筑技术,2015(4):1-13.

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[9] 陈叔,李世龙,王心利,李珍西.高铁40m整孔预制箱梁运架设备关键技术[J].建设机械技术与管理, 2019,32(4) : 53-58.

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[11] 陈叔,王强,林国辉,胡勇.高铁箱梁技术发展与40m/1000t级创新技术装备研究[J].建设机械技术与管理, 2020,33(2) : 44-52.

[12] 陈叔,王强,林国辉,胡勇.高铁箱梁技术发展与40m/1000t级创新技术装备研究[J].建设机械技术与管理, 2020,33(3) : 25-31.

 

作者简介:李世龙,男,中铁二局集团新运工程有限公司专职专家、高级工程师,主要从事铁路铺轨和架梁设备技术工作。


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