谌启发 罗九林 王治斌 万 鹏 梁志新 张宝恒李 青 邱 梓 班新林

（1.中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600；2.中铁十一局集团有限公司 湖北武汉 430061；3.中铁二十二局集团有限公司 北京 100043；4.中国铁道科学研究院集团有限公司 北京 100081）

1 引言

2013年《铁路主要技术政策》（原铁道部第34号令）第三十八条要求“开展大跨度桥梁研究”［1］，这是我国高铁大跨度简支梁发展的政策依据和技术导向，也是高铁桥梁的发展方向。基于以上考虑，2016年5月，中国铁道科学研究院集团有限公司承担了国铁集团2016年重大课题《高速铁路大跨度简支梁建造关键技术研究》（合同编号：2016G002-G）［2］。2016 年 7 月，该课题通过了国铁集团的技术评审，9月28日在房山桥梁厂完成足尺试验梁浇筑，2017年3月完成足尺静载试验。通过开展足尺试验梁的设计、预制和试验研究工作，对时速350 km高速铁路40 m预应力简支箱梁的设计技术、施工工艺、结构受力性能和设计状态等进行了全面的试验研究，确定了40 m箱梁的结构形式。2017年9月，40 m箱梁已经正式决定在郑济线黄河特大桥、福厦线湄洲湾特大桥工程试点应用。中铁五院参加该课题中的《高速铁路大跨度简支梁提运架设备方案研究》子项，主要任务是提出提运架设备的设计方案。鉴于国铁集团将大力推广高铁40 m简支箱梁，而目前已有的900 t提运架桥梁施工设备只适用于32 m及以下跨度的预制简支梁，因此开展高速铁路40 m预应力混凝土简支箱梁运架成套施工设备研制，对我国推行大跨度简支箱梁具有特别重要的意义。为全面掌握高速铁路40 m预应力混凝土简支箱梁的最新建造技术，包括提运架施工技术、设备的设计技术以及制造技术等，2018年中铁五院承担了北京市科技计划课题（Z181100003918003）和中国铁建股份有限公司2018年度科技重大专项《高速铁路40 m预应力混凝土简支箱梁运架成套施工设备研制》，研制的1 000 t级40 m简支梁提运架设备，适用40 m及以下跨度简支双线箱梁的提运架需求。针对40 m简支梁的特点，研究1 000 t/40 m提运架设备设计方案，满足以下要求：

（1）满足高铁40 m及以下跨度双线整孔箱梁提运架，额定起重量1 000 t。

（2）适应曲线半径≥2 000 m、纵坡≤30‰线路，满足隧道口架梁要求。

（3）对隧道断面和梁体不做任何特殊要求即可运梁通过隧道。

（4）所有设备配备完善的智能安全监控系统和信息化系统，取得地方使用许可并纳入国铁集团施工信息化管理平台。

2 高铁箱梁运架设备现状

2.1 国外现状［3］

目前国外高速铁路已经有西班牙、日本、德国、法国、瑞典、英国、意大利、俄罗斯、土耳其、韩国、比利时、荷兰、瑞士等16个国家和地区建成运营高速铁路。国外高速铁路建设较早，在施工实践中研制了大量的各种型式、不同吨位的高铁架桥机。目前针对40 m双线整孔预应力箱型简支混凝土梁的梁厂预制、架桥机架设的成套提运架施工设备在国外还属于空白。

2.2 国内现状［4-5］

高铁40 m预应力混凝土简支箱梁作为一种新跨度进入序列，将与32 m、24 m跨度梁长期共存，新的厂制梁要求配备运架能力更强的40 m箱梁运架设备。另外，据多方统计调查可知，目前我国已经装备的32 m跨、900 t运架设备有700多套，其中绝大多数不能正常通过隧道、不能洞口5 m以内架梁，不能适应2 000 m的小半径曲线。但由于40 m箱梁为新设计的预制梁型，较32 m箱梁跨度增加8 m、重量增加100 t，现有的32 m箱梁运架施工设备不具备改造价值，因此需研制与其配套的运架施工设备。

3 1000t/40m梁运架成套装备研制

成套装备主要包含“四机一系统”，“四机”指提梁机、搬梁机、运架一体机和分体式架桥机。“一系统”是指信息化管理系统。现阶段40 m梁逐渐推广运用，既有32 m箱梁将一并存在，因此研制的运架设备除满足1 000 t/40 m箱梁的运输和架设外，还必须兼顾32 m及以下跨度梁的运架需要。主要指标如下：

额定起重量：1 000 t；

适应梁型：高铁24～40 m跨度双线整孔箱梁；

适应最小曲线：2 000 m；

适应最大坡度：30‰；

满载行走速度：0～5 km/h（平坡）、0～3 km/h（3%纵坡）；

具有整机信息化系统及过隧道自动监控系统。

3.1 搬梁设备研制

研发的HLT1000轮胎式搬梁机由主梁、前后起重小车、支腿、车架及悬挂转向走行系统、动力系统、走台栏杆、液压和电气系统组成。适用于时速350 km和时速250 km的高铁、客运专线及城际铁路制梁场20～40 m长度双线整孔箱梁及单线梁的搬运转移。具备提一过二功能，工作风力7级，非工作风力13级，主要技术参数见表1。通过控制系统实现直行、斜行、横行、半八字转向、原地转向等多种专项功能，满足搬梁机便道与线路中心线不平行的转向发梁要求。满足福厦灵川梁场42°大角度转向和原地转向的要求。如图1所示。

图1 搬梁机搬梁

表1 搬梁机主要技术参数

3.2 提梁设备研制

MG500提梁机是一种为铁路客运专线梁场专门设计的一种门式起重机。提梁机采用门式双主梁双支腿结构，两台配套使用，跨线提梁。主要由主梁、刚性支腿、柔性支腿、大车走行机构、起重小车、电控系统等组成。如图2所示。

图2 提梁机提梁

采用两台提梁机提梁，实现24～40 m箱梁30 m高度跨线提吊，满足运架一体机的提吊和装梁。工作风力7级，非工作风力13级。两台提梁机走行同步控制，卷扬走行同步控制等。技术参数见表2。

表2 提梁机主要技术参数

3.3 运梁车研制

在箱梁架设过程中，需利用运梁车进行箱梁的运输进场。通过对比目前市场上使用的各种运梁车优缺点，对40 m箱梁运梁车开展方案研究并制造样机。

3.3.1 驮运式运梁车研究［6］

目前在用的分体式运梁车均采用驮运式运梁，根据使用环境的不同又可分为两大类：即不过隧式运梁车和过隧式运梁车，也称高位运梁车和低位运梁车。两种运梁车结构基本相同：均采用一根车架主梁中置，主梁两侧纵向均布轮胎组，全液压驱动。不同之处：高位运梁车采用大直径轮胎，而低位运梁车采用小直径轮胎。如图3所示。

图3 驮运式运梁车

考虑到所研制的运架设备需满足运梁过隧的要求，因此将开展低位运梁车方案研究。结合40 m箱梁截面型式，低位运梁车采用双边主梁的结构形式，走行系统将采用多轴线双胎并置小轮胎方式，如图4所示。其优势在于运梁高度低，能驮运箱梁和架桥机过隧道，甚至可配合架桥机在隧道口负距离架梁。

图4 驮运式运梁车驮梁过隧

3.3.2 吊运式运梁车研究

吊运式运梁车是通过在运梁车主梁设置吊点，提吊箱梁，并利用前后行走系统实现运梁车的走行。该结构形式受力合理，节省空间，可保证运梁过隧要求，但由于走行系统的限制，无法完成喂梁，因此目前只用在运架一体机方案中，分体式运架设备则无法采用提吊式运梁。

针对于上述问题，首次开展新型吊运式运梁车方案研究，如图5所示。采用跨越式运梁车，待运梁车运送梁片到达待架桥跨桥头时，将梁片放置到运梁台车上，将运梁车前车通过架桥机上的吊装系统起升，并通过与运梁车前端的过渡轮组配合，实现运梁车后撤，完成喂梁。

图5 吊运式运梁车

在主梁的两侧设置纵向延伸的滑槽，并在前车左、右两侧走行轮组的内侧均设置向上延伸的滑柱，使得滑柱在起升油缸的带动下沿滑槽上下滑动，完成前车的竖向升降。

在主梁前端将设置过渡轮组，由车架和走行系统等组成。过渡轮组在待架箱梁运送到待架桥位时，可辅助运梁车后移。

在运梁车过渡轮组和前车之间将设有整机起吊牛腿，通过架桥机上的吊梁小车配合，实现运梁车前端的起吊支撑。

3.3.3 运梁车样机研制

从安全性、便捷性、高效性等多方面对比驮运式运梁车和吊运式运梁车两种方案，并选取驮运式运梁车进行样机研制。

TJ-YLS1000/40运梁车由车体结构、悬挂总成、驮梁台车、驮梁台座、支腿总成、转向系统、司机室、动力系统、液压系统、电气系统及制动系统等组成（见图6）。

运梁车车体采取双边主梁结构；悬挂走行轮胎采用930 mm直径小轮胎，悬挂系统通过回转支承反装在纵梁下端；驮梁机构中走行系统采用重型移运器，替代传统钢质车轮，后车链条驱动，前车闭环链驱动，有效降低运梁空间。

车体采用双边主梁结构，可以有效降低运梁高度；采用小直径轮胎，降低悬挂高度，达到降低整机高度的目的；驮梁台车采用重型移运器替代传统钢质车轮，有效降低喂梁高度，驮梁台车喂梁时与主梁为滚动摩擦，运行阻力小，轨道磨损低；配套过隧道自动驾驶功能，自动对中驾驶，降低驾驶难度；安全配套技术完善。车体前后四角设置有面阵激光测距摄像头，实时测量车辆与隧道内壁距离，实现对位防撞和隧道内自动驾驶功能，运梁过隧时启动自动驾驶模式，当车体偏离隧道中线大于5 cm时，控制系统启动转向纠偏，偏离到8 cm时报警，偏离中线10 cm时停车，确保行车安全。运梁车主要技术参数见表3。

3.4 分体式架桥机研制

分体式架桥机采用一跨式结构，后支腿采用液压均衡以降低喂梁高度并达到降低整机高度的目的；起重小车走行系统采用重型移运器替代传统的钢质车轮或减摩板，以利于隧道口低位架梁；该架桥机可以配合低位及高位运梁车实现架桥作业。

一跨式架桥机由主梁、前支腿、辅助支腿、后支腿、起升系统、电气系统、液压系统及安全监控系统等组成。低位运梁车配合架桥机架梁，可实现“3 m距离”架设隧道出口梁、“-40 m距离”架设隧道进口梁。如图7所示。

1 000 t/40 m分体式运架设备由双边主梁运梁车和一跨式架桥机组成，可以满足时速350 km和时速250 km的高速铁路及客运专线24 m、32 m、40 m双线整孔箱梁的隧道内运输，并满足隧道出口3 m架梁、进口-40 m架梁。适应线路最大纵坡30‰、最小曲线R＝2 000 m。预留20～40 m非标梁架设能力。

功能特点：

前支腿由后托轮总成、前托轮总成、挂轮组、水平轮组、支腿结构、翻转折叠机构、升降机构、横移机构、加高节等组成。

前支腿可折转调节高度，便于大坡度架梁；支腿可自行纵移变位，可承重并支撑架桥机纵移变位，可横移，便于曲线架梁时架桥机就位，实现曲线架梁。

辅助支腿由支腿结构、伸缩油缸、翻转机构等组成，主要作用是辅助架桥机过孔。架梁时，辅助支腿可翻转收起，便于起重小车提梁通过。

后支腿为O型支腿，由马鞍梁、上横梁、加高节、下曲梁、走行及升降机构等组成，各部分可快速拆装，满足整机过隧的要求。

一跨式架桥机主要技术参数见表4。

表4 一跨式架桥机主要技术参数

3.5 运架一体式架桥机研发

3.5.1 上导梁运架一体机研发［7］

1 000 t/40 m运架一体机，又名昆仑号架桥机，由运架梁机和上悬臂导梁组成，主要包含主梁、前导梁、前车、后车、主支腿、中支腿以及整机起吊系统等部分。该机总重约997 t，额定起升重量为1 000 t，最大满载运行速度为5 km/h。如图8所示。

图8 上导梁运架一体机整体示意

技术要求：

适用于时速350 km、250 km高速铁路线路限界，满足运梁过隧要求。

提升及运载能力为1 000 t，可以实现20～40 m多种跨度简支箱梁的运输和架设。

满足隧道进出口0 m架梁，≤2 000 m曲线架梁，30‰大坡度架梁等施工要求。

施工荷载在20～40 m简支梁及其他型式桥梁受力允许范围之内。

信息化系统满足接入国家铁路集团管理平台要求。

起升钢丝绳安全系数≥5，结构强度计算安全系数≥1.5，机构传动零件安全系数≥1.5，整机任何可达到的状态抗倾覆稳定性≥1.5。

3.5.2 下导梁运架一体机研发［8］

1 000 t/40 m下导梁式运架一体机由运梁机、导梁机以及多功能台车组成，如图9所示。采用运梁机提吊运梁，导梁机辅助运梁机过孔架梁。导梁机留置在架梁工位，运梁机往返于梁场与架梁工位之间运架箱梁。运梁机和导梁机通过多功能台车连接，运梁机前车上导梁机的多功能台车，多功能台车通过中位驱动器与运梁机后车共同作用，将梁片喂梁就位。喂梁就位后，运梁机将中支腿撑出，支撑平稳后，运梁机前部通过吊架将导梁提住，并形成体系转换，导梁机收起后支腿，中位驱动器带动导梁机前行。

图9 下导梁运架一体机整体示意

运梁机由主梁、前车、后车、中支腿、前后吊点、卷扬系统、动力系统及液压电气控制系统等主要部分组成，如图10所示。导梁机由主梁、前支腿、中支腿、后支腿、液压系统、动力系统及电气控制系统等主要部分组成，如图11所示。多功能台车由中位驱动器、台车、平台、挂架等组成，如图12所示。

图10 运梁机整体示意

图11 导梁机整体示意

图12 多功能台车示意

主要技术参数指标：

额定起重量：1 000 t；

适应跨度：24～40 m；

适应最大坡度：30‰；

适应最小曲线：2 000 m；

隧道进出口架梁距离：0 m；

限界尺寸：250 km/h隧道断面；

结构安全：符合路、桥、墩台等下部结构受力要求；

工作状态最大风力：7级；

抗倾覆系数：≥1.5；

纵向吊点间距：38.1 m、30.1 m；

满载行走速度：0～5 km/h（平坡），0～3 km/h（3%纵坡）；

空载行走速度：0～10 km/h；

过孔速度：0～3 m/min。

3.5.3 一体机样机研制

针对以上两种机型，为满足成套装备研制整体技术要求，开展上导梁运架一体机（昆仑号架桥机）样机试制，该架桥机是一款多用途运架梁机，满足高速铁路40 m大跨度简支箱梁及以下跨度简支梁的架设要求。可通过拆除主梁可调节段，将40 m梁架桥机改装成32 m简支箱梁运架一体机，兼顾现有40 m梁及32 m梁长期共存的状态。主要受力金属构件采用GT785高强钢材，这是在高速铁路架桥机设计制造中，首次大量采用GT785高强钢材，满足千吨级简支箱梁架设受力要求，提高了架桥机适用范围。样机如图13所示。主要技术参数如表5所示。

图13 上导梁运架一体机样机现场应用

表5 上导梁运架一体机主要技术参数

同时研发了一种具有自主知识产权的子母套免维护大推力关节轴承，首次用于1 000 t/40 m上导梁运架一体机，代替传统的球铰，克服了传统球铰由于加工精度低、转动不够灵活、易磨损和锈蚀、需经常维护的缺点。

3.6 信息化系统研制

研究设计的40 m简支箱梁运架一体机信息化管理系统，通过对运架施工信息、运架一体机安全监控信息的信息管理，填补了高速铁路简支箱梁运架过程中信息化技术应用的空白。实时掌握简支箱梁运架施工及运架设备的施工状态，达到高速铁路简支箱梁运架的精细化管理的同时，实现运架设备状态的全寿命周期管理［9-10］。模块设计如图14所示。

图14 运架设备信息化管理系统研究模块设计示意

对运架梁设备及过程的各类信息进行统筹汇总管理，使用各类传感器监控运架工程进展程度，并监测关键设备实时数据的变化以达到安全监控的目的，当数据出现异常时需要及时预警并通知相关人员采取措施。利用导航系统实时定位运架设备位置，利用视频远程监控现场情况，便于调度指挥［11-12］。系统总体框架如图15所示。

图15 信息化管理系统框架

4 成套设备应用情况

TJ-YT1 000 t/40 m上导梁运架一体机，即昆仑号架桥机于2019年6月开始加工制造，10月中旬开始厂内组装，2020年5月中旬厂内组装调试完成，2020年6月现场安装调试完成，样机已于2020年6月在中铁十一局福州至厦门铁路湄洲湾跨海大桥项目上使用。最快3孔/d，到目前为止顺利完成100多孔箱梁架设。

1 000 t/40 m分体式架桥机于2019年10月至2020年6月完成生产制造及厂内组装调试、样机现场组装调试，样机已于2020年6月在中铁二十二局南沿江项目上使用。2020年6月16日首次使用研发的1 000 t/40 m分体机进行箱梁架设，至今架梁完成45孔，并完成了架桥机场内首次调头。完成一孔梁架设只需120 min，较传统的32 m梁架桥机减小了160 min。

目前成套设备除在南沿江和福厦铁路使用外，其他线路也将陆续投入使用，如新建南玉铁路、杭衢铁路、昌景黄铁路、通州制梁场等。

5 结论

大跨简支箱梁提运架成套装备的成功研制为当前推广的1 000 t/40 m预应力混凝土简支箱梁提供安全高效的施工装备，对于铁路桥梁建设技术进步具有积极的推动作用。成套提运架设备可满足40 m及以下跨度整孔箱梁的运架需求，彻底填补了40 m箱梁运架施工设备的空白，是高铁大跨度简支梁建造技术重大提升和突破，有利于40 m箱梁的后期推广应用，可形成涵盖24～40 m跨简支箱梁桥建造技术体系，有助于完善我国具有独立自主知识产权的高铁桥梁建设技术体系，并产生巨大的经济效益和社会效应。