既有铁路线桥梁 “即换即通车”——世界首台“换运架”一体机“太行号”研发纪实

科技日报记者 矫阳

6月20日，朔黄铁路黄骅南站，晨光熹微。

(资料图片)

一列“两车夹一机”的特殊编组工装，由机车牵引，沿着铁路线前行，同时置换着线路上的混凝土桥T梁。全长87米、自带4条“收折”支腿、宛如钢铁长龙的工装，完成“换、运、架”全部作业一气呵成，整体换梁效率较传统工法提升3倍以上。

这是世界首台换、运、架一体机“太行号”，由中铁第五勘察设计院集团有限公司（简称“铁五院”）和国能集团朔黄铁路公司联合研制。

对既有线老旧、病害箱梁的换梁作业，以往主要使用的台架横移换梁、龙门吊换梁等方式，均受限于特定的适用场景，需长时间断线、改线进行施工。“太行号”完成全部作业，仅用了4小时“天窗期”，在世界范围内首次实现既有铁路线“即换即通车”。

从2019年开始，在中国铁建《运营条件下铁路简支T梁更换装备研制及示范应用》重大科研专项支撑下，技术团队历经4年，终于研制出“太行号”。

15.5万公里既有铁路线，40%桥梁使用30年以上

截至2022年底，全国铁路营业里程已达到15.5 万公里。

我国既有运营铁路线最早要追溯到清朝末年，很多普速铁路运营周期已超半个世纪。40%的铁路桥梁使用年限达到30年以上，桥梁更换需求十分迫切。

“未来10年至20年内，围绕我国既有铁路桥梁更新与快速迭代，未雨绸缪做好营业线的高质量维养，是实现‘交通强国’战略的重要市场一环。”铁五院总工程师谌启发说。

为应对未来既有铁路线改造和抢修，自2019年开始，铁五院研发团队承担了中国铁建《运营条件下铁路简支T梁更换装备研制及示范应用》重大科研专项。

研发快速更换铁路桥梁装备的构想，最早诞生于2012年。

那时，新中国成立之初“老三线”——成昆、成渝、湘黔陆续出现老旧、病害等问题。

“这些既有铁路都地处崇山峻岭，按已有方法更换桥梁，作业牵动面广，影响运营，而且安全保障任务艰巨。”“太行号”总设计师梁志新说。

“传统换梁施工方法，需要长时间断线、改线，给铁路运营造成很大影响；同时，面对目前普遍存在的高墩、复杂地形，现有换梁设备及技术均无法满足。”梁志新说。

尽快研发出全新工程装备，提升既有铁路桥梁“换、运、架”技术，刻不容缓。

首创“收折式”设计，让换梁机具备姿态转换功能

产生研发换梁机构想之初，技术人员就一直在思索，如何寻觅一种更好、更快、更高效、更安全的换梁技术。

“关键难题是如何缩短‘时间’。铁路施工天窗期一次只有4小时，而现有铁路换梁技术根本无法在4小时内完成。”梁志新说。

没有技术参照与案例依据，研发团队的思路一直囿于如何改进以往架桥机架桥的工艺。

既然架桥是一片片梁架，换梁也应该是一片片梁换。

但模拟中发现，一片片换梁效率太低，时间长、工序多、受限条件增大，而且运营线上的安全性更难保障……

没有好的经验和点子，研发团队不断总结已完成的其他科研项目和铺架技术。“每完成其他项目的空闲时间，各专业都会重新讨论，在实践中摸索总结，探索新的换梁思路。”

单片换梁行不通，整孔换梁行不行？

2019年，在一次技术讨论会中，“昆仑号”项目总设计师梁志新提出了这个设想。“昆仑号”是世界首台千吨级高铁桥梁运架一体机。

研发团队在研发“昆仑号”过程中，积累了更多的实践经验，也有了敢于突破、敢于尝试的底气。

随后，研发团队大胆提出方案设想，决定使用整孔换梁方式来简化工序，打破时间限制，完成4小时天窗期内快速换梁的预期。

然而，新问题也同时到来。整孔换梁过大，未来的换梁机在稳定和升降上都有严格的限定。“四个转轴的步调必须严格保持一致，确保换梁机稳定，同时，因为要躲避铁路线路上的接触网，换梁机还要考虑升降和界限……”在梁志新看来，这些难度加起来，超过单片换梁难度的10倍。

方案探讨足足持续了两个月。期间，桥梁、机械、结构、电力等各个专业人员，不断对关键技术、稳定测算和模型分解等研究，光是大方案就推翻过三次。

“建立”与“推翻”，不断反复。最终，一个成功的切入点被找到——采用“两车夹一机”编组运行方式，在世界范围内首创了“收折式”设计理念，让换梁机具备“整机换、运”的姿态转换功能。

这个方案解决了换梁装备的各个难题，达到在铁路运行过程中整体不超限界。“既能在既有铁路线上行驶运输，又不需对运输沿线接触网等附属设备进行迁改。”梁志新说。

至此，“太行号”具备了一体化施工能力，实验证明，可以适用于各种复杂工况，换梁工序及施工人员大幅减少，较传统工法换梁效率提升近3倍，实现“即换即通车”。

一套线上运输、施工的应急响应方案同时完成

随着研发团队对技术思路的确定，另一个难题也随之诞生。

在既有铁路线上施工，不仅是一个单独的换梁机研发问题，同时还是一整套施工组织与管理问题。

一套线上运输、施工的应急响应方案需要同时完成。

“大规模铁路换梁，绝非仅是简单的断线施工，涉及的是整个物资和人员运输。一旦过程中出现差池，将造成难以估量的损失。”“太行号”课题组负责人万鹏说。

作为重载铁路有换梁需求，既往换梁技术难以满足正线施工需求，研发团队需要对样机进行系统试验测试，确保上线施工后“万无一失”。针对“太行号”研发及投用，铁五院与国家能源集团朔黄铁路公司达成这样的共识。

为确保“太行号”成功实现“天窗期”内整孔换梁作业，朔黄铁路公司提供专门试验场地，用于“太行号”的整体换梁试验。“双方合作，从生产组织、运营管理、安全管理等方面同步创新管理模式，针对装备首次‘上线作业’采取了多项有效措施，最终形成了换梁机全套换梁作业技术与安全管理体系。”万鹏认为，全套换梁作业技术与安全管理体系，为我国既有铁路维修养护实现机械化、智能化形成一套可复制、可推广的工程化应用经验。

“研发出‘太行号’只是第一步，为既有铁路换梁施工提供全产业链的成套服务，是‘太行号’的最终目标。”铁五院机械公司总经理孙世豪说。

面对未来既有线上的换梁难题，团队成员仍在持续攻坚。

目前，研发团队已投入到对“太行号”的升级研发、设计之中。“我们要让‘太行号’满足24米、32米全工况、多种梁型的换架需要，继续为我国铁路既有线快速安全维养与高质量迭代发展，提供补链延链的产业布局和可靠的工装保障。”说到“太行号”的大规模投用，万鹏信心十足。