高彥嵩 尤瑞林 李明

1.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 科信部， 北京 100844； 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；3.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 工電部， 北京 100844

鐵路是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施［1］，具有運(yùn)量大、速度快、能耗低等特點(diǎn)。鐵路線路狀態(tài)直接影響鐵路運(yùn)輸安全和效率。目前國內(nèi)外鐵路運(yùn)營線路中主要采用有砟軌道結(jié)構(gòu)，軌枕作為有砟軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，對線路的狀態(tài)保持具有重要作用［2-3］?；炷淋壵碛捎谄淠途眯院统休d性能優(yōu)良，已成為世界主要鐵路線路的主要軌枕形式。在運(yùn)營過程中，需要根據(jù)其使用狀態(tài)進(jìn)行更換［4-5］。

伴隨我國鐵路運(yùn)輸“提質(zhì)增效”目標(biāo)的確定，對線路狀態(tài)提出了更高要求，混凝土軌枕更換任務(wù)艱巨。傳統(tǒng)人工更換法難以滿足運(yùn)營線路中混凝土軌枕大規(guī)模更換的需要，亟待采用機(jī)械化與自動化技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的更換作業(yè)。機(jī)械化更換技術(shù)和裝備雖使效率和質(zhì)量大幅度提高，但自動化程度與智能化水平還較低，仍有待改進(jìn)［6-7］。因此，研究鐵路混凝土軌枕更換技術(shù)，加快自動化、智能化與新技術(shù)應(yīng)用，對保障我國鐵路運(yùn)輸安全與運(yùn)營效率具有重要的實(shí)踐意義。

本文從技術(shù)特點(diǎn)角度研究國內(nèi)鐵路運(yùn)營線更換軌枕技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和存在的主要問題，總結(jié)人工換枕、中型機(jī)械換枕及大修列車換枕三種軌枕更換方式的施工流程，并提出中型機(jī)械換枕和大修列車換枕的發(fā)展及研究方向。

1 技術(shù)特點(diǎn)

目前國內(nèi)鐵路運(yùn)營線更換軌枕主要有三種方式：人工換枕、中型機(jī)械換枕及大修列車換枕。

1）人工換枕技術(shù)

人工換枕（圖1）是鐵路混凝土軌枕更換技術(shù)最早采用的施工方法。目前國內(nèi)外在少量軌枕傷損失效而需要快速更換時，仍然會采用這種換枕技術(shù)［8-9］。人工換枕技術(shù)主要依靠大量人工和簡單工具完成。

圖1 人工換枕

2）中型機(jī)械換枕技術(shù)

國內(nèi)中型機(jī)械換枕（圖2）是在既有施工機(jī)械（挖掘機(jī)）的基礎(chǔ)上，根據(jù)軌枕更換作業(yè)的技術(shù)特點(diǎn)研究出的專用機(jī)械化換枕方法。中型換枕機(jī)械主要由北京鐵路局于2015年起組織研發(fā)，隨后多個鐵路局及主機(jī)廠進(jìn)行了相關(guān)研發(fā)工作。中型機(jī)械換枕主要在扒道砟、抽軌枕、換軌枕等工序中采用專用中型機(jī)械代替人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)施工機(jī)械化［10］。

圖2 中型機(jī)械換枕

3）大修列車換枕技術(shù)

國外主流的線路大修列車型號主要有奧地利Plasser＆Theurer 公司生產(chǎn)的SUM?Q 型、瑞士Matisa 公司生產(chǎn)的P95 型以及美國的Harsco Rail 公司生產(chǎn)的TRT?909 型［11-12］。國內(nèi)2002 年起從瑞士Matisa 公司引進(jìn)了P95型線路大修列車。隨后，根據(jù)國產(chǎn)化需求，從美國Harsco Rail 公司引進(jìn)技術(shù)，在TRT?909 原型車基礎(chǔ)上進(jìn)行了聯(lián)合設(shè)計(jì)。襄陽金鷹公司承擔(dān)了DXC?500型線路大修列車的設(shè)計(jì)開發(fā)任務(wù)［7］。2010 年，國內(nèi)首臺DXC?500 型線路大修列車投入使用，之后多臺DXC?500 型線路大修列車陸續(xù)被應(yīng)用。自此，大修列車換枕完全實(shí)現(xiàn)了作業(yè)自動化。大修列車換枕集放置新軌枕、更換軌枕和回收舊軌枕于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)后工完料凈。因而，大修列車在隧道、橋梁及多線并行地段進(jìn)行換枕施工具備獨(dú)特優(yōu)勢。施工現(xiàn)場見圖3。

圖3 大修列車換枕

人工換枕、中型機(jī)械換枕及大修列車換枕三種方式的特點(diǎn)對比見表1。

表1 三種換枕方式特點(diǎn)對比

2020—2021 年人工換枕、中型機(jī)械換枕及大修列車換枕三種軌枕更換方式的換枕數(shù)量見圖4?？芍航陙?，人工換枕量明顯減少，中型機(jī)械換枕量呈爆發(fā)式增長趨勢，大修列車換枕數(shù)量穩(wěn)定。

圖4 近三年三種換枕方式換枕數(shù)量

人工換枕已無法適應(yīng)現(xiàn)代高速和重載鐵路運(yùn)營維護(hù)的要求，但在個別機(jī)械化換枕受限的情況下仍有一定需求。大修列車更換軌枕技術(shù)是一種高度集成化、自動化的技術(shù)，在隧道、橋梁和多線并行地段進(jìn)行換枕作業(yè)擁有較大優(yōu)勢，但大修列車施工組織復(fù)雜，需專用臨時基地，作業(yè)效率低，需要鋸切鋼軌，因而在正線施工優(yōu)勢不明顯。中型機(jī)械換枕施工機(jī)械化程度大幅提升，雖然在施工的精細(xì)化和自動化方面還有待提高，但較高的施工效率和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，使之成為當(dāng)前軌枕更換的主要施工方式。

2 施工流程

2.1 人工換枕主要施工流程

1）施工準(zhǔn)備。軌枕預(yù)卸至換枕地段，對施工作業(yè)人員進(jìn)行安全培訓(xùn)，施工正式開始前工機(jī)具進(jìn)場。

2）拆除扣件。使用手持式螺栓扳手將需要更換軌枕的扣件進(jìn)行拆除，取出軌底橡膠墊板，將拆下的舊扣件成套擺放在軌枕兩側(cè)，便于穿入新軌枕后上扣件。

3）抽出舊軌枕。將需要更換軌枕一側(cè)枕盒內(nèi)道砟扒出，移動需要更換的舊軌枕至枕盒內(nèi)，使舊軌枕的螺栓低于鋼軌底面，通過拖拽的方式將舊軌枕從線路外側(cè)抽出，抽出后將舊軌枕放至路肩安全限界外。

4）安裝新軌枕。舊軌枕取出后，在扒開道砟的枕盒處移動拖拽新軌枕，確保新軌枕方正，并放置到原來扣件節(jié)點(diǎn)位置。

5）安裝扣件。當(dāng)新軌枕調(diào)整到位后，翹起軌枕一端，在承軌槽位置放置墊板，并安裝扣件緊固吊起軌枕，用同樣的方法安裝軌枕另一側(cè)的扣件。

6）回填道砟。使用扒砟工具進(jìn)行扒砟回填作業(yè)，將之前枕盒內(nèi)扒出的道砟向后回填至已換入的新軌枕的枕盒內(nèi)。

7）復(fù)緊扣件。已更換軌枕地段人工用沖擊扳手將扣件復(fù)緊一遍。為防止扣件扭力不足，抽換軌枕后應(yīng)及時用沖擊扳手將扣件復(fù)緊。

8）線路搗固。對于更換新軌枕后的區(qū)段，根據(jù)現(xiàn)場施工組織情況，采用小型搗固機(jī)械或大型搗固機(jī)械進(jìn)行線路的搗固穩(wěn)定。

9）開通線路。點(diǎn)畢開通前，對作業(yè)地段進(jìn)行全面檢查確認(rèn)具備開通條件后，按照規(guī)定速度開通線路。

10）施工后清理現(xiàn)場。施工后需要專門安排軌枕回收，并整理道床斷面。

2.2 中型機(jī)械換枕主要施工流程

1）施工準(zhǔn)備。軌枕預(yù)卸至換枕地段，對施工作業(yè)人員進(jìn)行安全培訓(xùn)，施工正式開始前中型換枕機(jī)械（自行或采用平板車運(yùn)輸）及工機(jī)具進(jìn)場。

2）拆除扣件。使用手持式螺栓扳手將需要更換軌枕的扣件拆除，取出軌底橡膠墊板，將拆下的舊扣件成套擺放在軌枕兩側(cè)。拆除扣件時注意以一定間距保留適當(dāng)扣件，以保證中型換枕機(jī)械運(yùn)行平穩(wěn)。

3）抽出舊軌枕。操作道砟挖鏟將換枕起點(diǎn)枕盒內(nèi)道砟向后扒出，再將道砟挖鏟收起，改為軌枕夾鉗作業(yè)，操作軌枕夾鉗夾持舊軌枕前后反復(fù)移動，使舊軌枕螺栓低于鋼軌底面，隨后將舊軌枕從線路外側(cè)抽出，抽出后將舊軌枕放至路肩安全限界外。當(dāng)抽出軌枕后空檔距離大于1 根軌枕的長度時，采用軌枕夾鉗夾持舊軌枕向后移動至空檔處，并使軌枕螺栓低于鋼軌底面，隨后將舊軌枕旋轉(zhuǎn)90°與鋼軌平行，從軌道中間取出舊軌枕放至路肩安全限界外。

4）安裝新軌枕。舊軌枕取出后，將已放在路肩的新軌枕用軌枕夾鉗夾持，從空檔處與鋼軌平行方向放入，使軌枕螺栓低于鋼軌底面并旋轉(zhuǎn)90°，隨后移動至換枕標(biāo)記位置擺正軌枕并夾持等待安裝扣件。

5）安裝扣件。人工配合換枕機(jī)，按照鋼軌軌腰標(biāo)記的位置，精調(diào)新軌枕位置，軌枕應(yīng)方正。軌枕位置調(diào)整到位后，人工安裝扣件，并在枕下放入橡膠墊板，隨后緊固扣件螺栓，螺栓緊固后換枕機(jī)松開夾鉗。

6）回填道砟。用換枕機(jī)挖鏟將前方舊軌枕間道砟向后回填至已換入的新軌枕處。換枕機(jī)向前移動，重復(fù)抽換軌枕。

7）復(fù)緊扣件。已更換軌枕地段人工用沖擊扳手將扣件復(fù)緊一遍。為防止扣件扭力不足，抽換軌枕后應(yīng)及時用沖擊扳手將扣件復(fù)緊。

8）線路搗固。對于更換新軌枕后的區(qū)段，根據(jù)現(xiàn)場施工組織情況，采用小型搗固機(jī)械或大型搗固機(jī)械進(jìn)行線路的搗固穩(wěn)定。

9）開通線路。點(diǎn)畢開通前，對作業(yè)地段進(jìn)行全面檢查確認(rèn)具備開通條件后，按照規(guī)定速度開通線路。

10）施工后清理現(xiàn)場。施工后需要專門安排軌枕回收，并整理道床斷面。

2.3 大修列車換枕主要施工流程

1）施工準(zhǔn)備。開展大修列車換枕施工前線路障礙物等調(diào)查評估、技術(shù)交底及人員培訓(xùn)、基地軌枕扣件組裝、軌枕裝車、施工車編組、測量放樁等工作。

2）人員設(shè)備進(jìn)場。開展防護(hù)設(shè)置、人員機(jī)具上道、換枕地段切入和切出龍口鋸切軌準(zhǔn)備、按隔八留一拆除扣件、施工車列對位與充風(fēng)等工作，供電專業(yè)進(jìn)行停電作業(yè)。

3）大修列車切入作業(yè)。施工車列充風(fēng)完畢后，牽引機(jī)車與大修列車摘鉤，列車操作員操作大修列車開始切入作業(yè)。切入過程中，需先與供電單位辦理停電確認(rèn)手續(xù)，然后龍門吊和軌枕車作業(yè)人員才能上車頂作業(yè)。

4）切入龍口安裝夾板。在大修列車夾鉗到達(dá)鋸軌口位置時，停止大修列車走行，地面配合人員使用夾板對切入口進(jìn)行臨時固定，以便于大修列車通過切入口。一般控制大修列車過龍口速度不大于5 km/h。

5）大修列車換枕作業(yè)。切入完成后，按軌枕配置要求設(shè)置軌枕間距，采取自動循環(huán)模式控制大修列車放、換、收軌枕一體化換枕作業(yè)，并同步安放軌下墊板，回收舊扣件。同時由地面配合人員及時監(jiān)測大修列車換枕后的軌頂標(biāo)高和線路偏移情況，并反饋給大修列車進(jìn)行調(diào)整，確保線路平縱斷面誤差滿足要求。

6）安裝扣件。大修列車通過后，進(jìn)行扣件安裝和復(fù)緊。

7）大修列車切出作業(yè)。當(dāng)大修列車換枕到達(dá)切出龍口位置時，大修列車操作手開始切出作業(yè)，依順序收起工作裝置，同時地面配合在切出口回填道砟，采用手動控制方式在切出口放置最后四個軌枕。

8）切出鋸軌、合龍口。大修列車切出后，用夾板對切出口進(jìn)行夾緊固定，切入口插入短軌并用夾板連接。電務(wù)單位同步安排人員配合打孔、安裝連接線。

9）線路整修。對于更換新軌枕后的區(qū)段，采用大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行搗固穩(wěn)定、配砟整形。

10）開通線路。對作業(yè)地段進(jìn)行全面檢查確認(rèn)具備開通條件后，按照規(guī)定速度開通線路。

11）線路調(diào)整。根據(jù)施工進(jìn)度情況，天窗點(diǎn)內(nèi)需要對前期換枕地段切入口鋼軌進(jìn)行焊接，并同步進(jìn)行線路精測精調(diào)作業(yè)，后續(xù)還需安排無縫線路應(yīng)力放散工作。

3 展望

在人工換枕、中型機(jī)械換枕和大修列車換枕三種軌枕更換技術(shù)中，人工換枕較為傳統(tǒng)，在技術(shù)和管理方面均較為成熟，雖然應(yīng)用量逐漸減小，但在個別機(jī)械化換枕受限情況仍有一定應(yīng)用需求。發(fā)展十余年的大修列車換枕技術(shù)和新興的中型機(jī)械換枕技術(shù)仍有進(jìn)一步提升的空間。

3.1 中型機(jī)械換枕技術(shù)展望

1）優(yōu)化施工組織技術(shù)。中型機(jī)械換枕時需提前卸軌枕、施工后回收軌枕，導(dǎo)致對運(yùn)輸資源影響較大，需通過優(yōu)化創(chuàng)新施工組織技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一個天窗內(nèi)卸、換、收一體化施工，進(jìn)而提高總體施工效率，減少對運(yùn)輸資源的占用。

2）提高自動化、智能化水平。目前中型機(jī)械完全依靠機(jī)械操作人員進(jìn)行作業(yè)，對操作人員作業(yè)熟練度要求較高，同時也需要地面人員配合安裝扣件，需通過開展作業(yè)自動化、智能化技術(shù)研究，提高換枕過程施工效率，減少配合人員。

3）開展鋼軌、軌枕保護(hù)技術(shù)研究。中型機(jī)械換枕時扒砟板、軌枕夾鉗及軌枕等容易碰傷鋼軌，自行式履帶容易壓壞軌枕，需要開展換枕過程鋼軌及軌枕保護(hù)技術(shù)研究。

3.2 大修列車換枕技術(shù)展望

1）提升施工效率。目前，大修列車在一個210 min天窗時間內(nèi)可更換長350 ～ 450 m線路的軌枕，需通過研究施工組織技術(shù)進(jìn)一步提升施工效率。

2）開展相關(guān)工序作業(yè)機(jī)械化技術(shù)研究。大修列車在局部工序，如扣件的拆除、安裝等方面仍需人工參與，既導(dǎo)致配合人員增加，也影響施工效率，有必要開展拆除扣件、安裝扣件等工序機(jī)械化施工技術(shù)研究。

3）提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。目前大修列車的自身費(fèi)用和使用成本較高，從而導(dǎo)致?lián)Q枕成本相對較高，需要通過設(shè)備技術(shù)優(yōu)化降低部件費(fèi)用、減少維修成本，從而提升大修列車換枕施工的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論與建議

1）伴隨我國鐵路運(yùn)輸“提質(zhì)增效”目標(biāo)的確定，對線路狀態(tài)提出了更高要求，混凝土軌枕更換任務(wù)艱巨。研究鐵路混凝土軌枕更換技術(shù)，加快自動化、智能化與新技術(shù)應(yīng)用，對提高我國鐵路線路運(yùn)營安全與運(yùn)營效率，具有重要的實(shí)踐意義。

2）目前國內(nèi)運(yùn)營鐵路線路軌枕更換主要有人工換枕、中型機(jī)械換枕及大修列車換枕三種方式。人工換枕勞動強(qiáng)度大，施工質(zhì)量低，已不能適應(yīng)現(xiàn)代化換枕的需要。中型機(jī)械換枕以其機(jī)動靈活、施工效率高、成本低、無需鋸切鋼軌等特點(diǎn)，已成為當(dāng)前國內(nèi)鐵路線路軌枕更換的主要方式。大修列車換枕集成化、自動化程度高，在隧道、橋梁和多線并行地段作業(yè)具有較大優(yōu)勢。

3）對于中型機(jī)械換枕，今后在施工組織、自動化、智能化、鋼軌軌枕保護(hù)和作業(yè)安全方面需要加大技術(shù)研發(fā)力度。大修列車換枕未來在施工效率、個別工序機(jī)械化、提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等方面仍需持續(xù)提升。