鐵路軌道工程數智化建造技術及創新管理

劉增杰

（中國國家鐵路集團有限公司 工程管理中心, 北京 100844）

0 引言

鐵路軌道是直接承受列車荷載、引導列車運行的工程構筑物, 是保障列車安全和平穩舒適運行的基礎設施, 同時也是鐵路中延展最長、綜合養護維修工作量最大的結構設備。因此, 鐵路軌道設備質量極為重要。

鐵路建設中的軌道工程, 是將采購的軌道部件產品和施工衍生的軌道構件進行組合, 鋪設于路基、橋梁、隧道等線下結構物上形成軌道設備, 因此軌道工程是軌道設備質量源頭控制管理的關鍵環節。近年來, 軌道工程借助國內外數字化、智能化建造技術的發展大勢, 在機械化、自動化技術的基礎上, 開展了無砟軌道建造、軌道鋪設、工程線調度信息系統的智能化、信息化等數智化技術研究工作, 在保障軌道工程質量、施工安全、工程進度, 降低施工從業者勞動強度, 改善施工作業環境, 減少施工成本, 提高施工效率等方面發揮了重要作用。但由于目前軌道工程數智化建造技術仍處于發展和優化完善階段, 繼續推動軌道工程數智化建造技術進步及應用創新很有必要。

1 必要性分析

推動軌道工程數智化建造技術的發展和應用是國家、中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）的總體要求, 是時代的需要。

1.1 是新時代交通強國鐵路先行的關鍵環節

交通運輸部于2020年8月印發了《關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》[1］, 在主要任務中的智能鐵路方面提出：“提高智能建造能力, 提高鐵路工程建設機械化、信息化、智能化、綠色化水平, 開展智能化建造研發應用”。國鐵集團同時也發布了《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》[2］, 提出“面向鐵路建設、運營主戰場, 強化現代工程建造技術創新應用”。

軌道工程作為鐵路建設中的關鍵工程, 理所當然要在鐵路建造技術創新應用中沖鋒在前。國鐵集團在2021年度鐵路建設工作會議[3］提出要“著力推進智能建造”, 并專門部署了“推進無砟軌道鋪設等智能建造及成套裝備技術研究, 加快智能工廠、智能施工裝備的研發應用”等具體工作要求。

1.2 是減少軌道工程施工作業人員數量、降低勞動強度、改善作業環境的要求

減少軌道工程施工作業人員數量、降低勞動強度、改善作業環境是新時代的要求, 推進軌道工程數智化技術的研發與應用是唯一出路。軌道工程建設中, 雖然部分無砟軌道混凝土預制部件可在工廠內進行, 但其中鋼筋綁扎、混凝土灌注及振搗等工序, 通常需要勞動用工數量較多, 而且作業中的振搗震顫、振搗噪聲等對操作人員的身體健康極為不利。而道砟、軌枕、鋼軌鋪設, 無砟軌道混凝土施工, 軌道精整精調等其他軌道工程工序, 均在露天或隧道內進行作業, 現場勞動用工需求數量更多, 勞動強度和作業環境更為不利。

當前我國勞動領域正在發生3個趨勢性的變化[4］, 一是在供給方面, 正在從無限供給走向有限供給；二是在需求方面, 由數量增長轉向質量增長, 由以往的體力型正快速向技能型轉變；三是在就業形態方面, 一大批新生代的勞動者投身到服務業等勞動強度相對較低而收入又相對較高的行業中。習近平總書記也對勞動領域這些問題非常重視, 曾經于2013年和2015年2次講話[5］中都提到“努力讓勞動者實現體面勞動”。因此, 減少軌道工程施工作業人員數量、降低勞動強度、改善作業環境是新時代的要求, 必須堅定不移推進軌道工程數智化技術的研發與應用。

1.3 是大規模鐵路科學有序建設和鐵路高質量發展的需要

大規模鐵路科學有序建設和鐵路高質量發展也需要軌道工程數智化建造技術的支撐?！缎聲r代交通強國鐵路先行實施綱要》明確提出, 到2035年, 全國鐵路運營里程達到20萬km左右, 其中高鐵7萬km左右。如何科學有序推進鐵路建設, 保障這個宏偉目標的實現和艱巨任務的完成是鐵路建設工作者面臨的重要課題。

在大規模鐵路建設科學有序推進過程中, 處理好進度、質量、安全三者的關系尤為重要。實踐證明, 以技術保工裝、以工裝保工藝、以工藝保質量、以質量保安全是處理好三者關系最為有力的法寶。近年來的軌道工程數智化技術研發和應用, 在保障鐵路建設項目特別是高鐵項目的快速高質量推進發揮了重要技術支撐作用。

2 既有成果總結與技術提升展望

總結既有成果, 從而進一步提升軌道工程數智化建造技術水平。近年來, 國鐵集團先后立項“京張京雄高鐵智能建造技術深化研究”和“CRTSⅢ型板式無砟軌道智能建造技術及成套裝備研究”等重大課題, 專門對無砟軌道智能化、信息化以及機械化、自動化建造技術和裝備進行應用研究, 取得了眾多成果, 并先后在京張、京雄、鄭萬（湖北段）、朝凌、黃黃、京唐等高速鐵路項目上開展試用或應用[6-7］。經總結梳理認為, 在部分工序復雜、勞動強度大的分項分部工程適用性方面仍需進一步研究, 在數智化設備的小型化、便利化方面有待改善。2022年國鐵集團建設工作會議[8］再次強調了提升軌道工程智能化施工管理水平的具體要求。因此, 有必要對前期成果進行總結分析, 為進一步提升和深化軌道工程數智化技術的研究和應用提供條件。

2.1 軌道工程BIM設計技術[9]

近期, 有關設計和科研單位依托在建高速鐵路項目, 開展了軌道BIM設計技術研究, 開發的軌道BIM設計軟件、軌道BIM模型庫等, 能同時自動生成軌道施工鋪設數據, 有效保證了數據的準確性；構建的軌道建造管控平臺, 可實現施工全過程的信息化、智能化管控, 以及軌道施工精度、報表統計、智能分析、超限預警等智能管控和數字資產管理, 已具備借鑒示范作用。

BIM設計是當今技術發展潮流和方向, 目前應進一步對軌道BIM設計進行總結, 對不同鐵路等級、不同軌道結構類型的BIM模型族庫、工程數據庫進行補充完善, 擴大軌道工程BIM設計試用范圍。

2.2 無砟軌道數智化制造技術

（1）CRTS雙塊式軌枕。結合國鐵集團科研課題“京張京雄高鐵智能建造技術深化研究”, 在京張高鐵懷來、鄭萬鐵路南漳軌枕廠智能化制造生產技術研究探索基礎上, 黃黃鐵路蘄春軌枕廠實現了關鍵工序的智能化、自動化, 全部工序的機械化以及全方位的信息化, 達到了有效提升軌枕生產質量、提高工作效率的目的, 實現了生產車間操作的無人化, 大大降低了生產人員的勞動強度、改善了作業環境。

（2）CRTSⅢ型軌道板。以巢湖、蘇家屯、濮陽和寶坻等軌道板廠為代表, 采用先進的流水機組法技術進行生產, 在智能化、信息化、自動化和機械化技術應用水平和效果上與雙塊式軌枕廠基本一致。

以上數智化制造技術已達到世界領先水平。雖然前期投入成本較大, 但目前在軟硬件重復利用等方面已經得到重大改善, 具備推廣應用的條件。

2.3 無砟軌道智能化、機械化施工技術

（1）雙塊式無砟軌道。在京張、鄭萬高鐵等項目開展了底座板一體化成型、自動分枕、軌排鋪裝的機械化, 以及軌排自動精調智能化（含無砟道岔）施工技術試驗研究。黃黃鐵路在建過程中, 在此基礎上進行了深化試驗研究, 實用性和適用性得到進一步提升。

（2）Ⅲ型板式無砟軌道。分別在京雄城際鐵路北段和南段進行了智能鋪板技術和工裝設備的探索研究。2021年, 結合國鐵集團科研課題“CRTSⅢ型板式無砟軌道智能建造技術及成套裝備研究”, 在朝凌客運專線組織進行2個類型智能鋪板設備的擴大試用。近期, 有施工單位也加入了類似技術裝備的研究。今后應進一步對設備的不同線下基礎適應性和工效等方面進行升級完善。

（3）梁面、隧道基底鑿毛機械化技術。利用大型機械設備自動鑿毛和鑿出渣土自動清洗回收, 完全消除了以前人工鑿毛時作業人員勞動強度大、效率低、作業環境惡劣, 以及環境污染等問題。該項工裝工藝技術可降低環境污染、提高工效, 且綜合成本沒有增加, 完全具備推廣應用的條件。

（4）無砟軌道線路的智能精調技術。近幾年, 一些建設、設計、施工等單位依托部分高鐵項目, 開展旨在降低無砟軌道精調工作量、減少扣件調整件為目標的線路精測設備和精調技術的研發, 取得了部分階段成果, 后續將繼續結合我國高鐵軌道工程實際情況不斷完善。

但是需清醒認識到, 當前在無砟軌道底座以及道床板（含岔區）鋼筋綁扎, 道床板（含岔區）混凝土灌注、搗固、抹面等方面的設計、施工技術研究方面仍存在不足, 這些恰恰是無砟軌道施工現場作業人員需求多、勞動強度大的環節, 也是今后甚至相當一段時間內需要技術突破的難點, 需要下大力氣進行重點技術攻關。

2.4 工程線行車調度指揮信息化管理技術

工程線行車調度指揮信息化管理技術使列車監控、視頻監控、調度命令、列車運行圖、形象進度、列車安全管理、施工防護、值班查詢、語音對講等功能實現模塊化管理, 能有效保障行車、作業人員和機械施工安全, 促進管理創新、提高管理效率、增加經濟效益。目前, 該技術系統在鐵路建設中自發應用并不斷自我提升, 發揮作用明顯, 已得到普遍應用。

3 把握好鐵路建設數智化建造技術創新管理方向

國鐵集團2021年度鐵路建設工作會議[10］曾特別提到, 要堅守質量底線, 不斷夯實質量安全管理基礎, 以一流的鐵路建設管理、一流的鐵路建設技術、一流的鐵路工程質量, 為鐵路高質量發展提供強有力的基礎設施保障。因此, 從事鐵路建設的工作者要提高政治站位, 充分認識鐵路技術創新在鐵路高質量發展中的重要作用。

企業是技術創新主體, 也是創新直接受益者, 設計、施工及合作單位應積極充分發揮企業創新主體作用；建設單位應做好統籌協調, 從施組開始就為開展技術創新提供條件, 并在信譽評價等方面進行鼓勵；國鐵集團建設管理部門和單位應做好現場的技術創新指導和經驗總結, 在建設單位考核、參建單位信譽評價方面也會按照相關制度和政策給予相應考慮。

鐵路建設技術創新要圍繞“安全、質量、進度、環保、投資”開展, 按照國鐵集團“大力推廣應用先進設備、技術、工藝, 合理降低建設成本”[3］等總體要求, 避免做表面工程, 克服形式主義, 扎實做好軌道工程建造技術創新工作。另外, 在深入開展軌道工程數智化建造技術創新的同時, 也要繼續開展機械化、自動化技術的研發, 并充分調動和發揮現場一線人員技術革新的積極性, 不能忽視現場“小改小革”的“大作用”。

4 結束語

目前我國智能高鐵體系構架已經形成[11-12］, 國鐵集團在《“十四五”鐵路科技創新發展規劃》[13］中也提出了推動智能鐵路1.0向2.0發展的總體目標。后續要按照國家和國鐵集團確定的鐵路創新總體目標和方向, 發揮國鐵集團的鐵路行業創新引領作用, 與鐵路設計、施工、制造企業及科研機構、院校、行業協會等共同推進軌道工程數智化建造技術及其管理不斷創新。