四小时换梁 即换即通车

探访世界首台铁路桥梁换运架一体机“太行号”

6月27日早上，晨光熹微，朔黄铁路黄骅南站附近，近百名工人正在施工现场紧张有序地做着前期准备工作。按照计划，他们将在4小时“天窗期”内，运用世界首台铁路桥梁换运架一体机“太行号”，完成铁路混凝土T梁的“换、运、架”全部作业。这也是6月20日“首秀”以来，“太行号”第2次在规定时间内完成对既有桥梁的更换作业。

“太行号”铁路桥梁换运架一体机由中铁第五勘察设计院集团有限公司（简称“铁五院”）和国家能源集团朔黄铁路公司联合研制。“太行号”的正式投用，是我国首次在运营铁路上实现不断线、不停运，完成对既有桥梁的更换作业，填补了世界铁路行业整孔换梁施工、“天窗期”完成线上作业的技术空白，为我国既有铁路的快速维养与快速迭代提供了安全可靠的装备与成套技术保障。

寻找更好更快更安全的铁路换梁技术刻不容缓

“天下商埠之兴衰，视水陆舟车为转移，交通兴则百业兴。”铁路行业一直是国民经济的基础性、支柱性、战略性产业。国铁集团发布的数据显示，截至2022年底，全国铁路营业里程已达到15.5万公里。根据《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》，至2025年这一里程数将达到16.5万公里。

铁五院副院长、总工程师谌启发介绍，我国既有运营铁路线最早要追溯到清朝末年，很多地区的普速铁路均已历经了半个世纪以上的运营周期。随着铁路运营里程和使用年限的不断增加，很多铁路桥梁都有了不同程度的损伤，使用年限25年以上的桥梁，近一半存在至少一处中等以上的损伤。尤其是以混凝土简支T梁为主的铁路桥梁，数量十分庞大。“我国有40%的铁路桥梁使用年限达到30年以上，换梁需求已十分迫切。”谌启发如是说。

“可以预见，未来10年至20年内，围绕我国既有铁路桥梁的更新与快速迭代，未雨绸缪做好营业线的高质量维养，是实现‘交通强国’战略的重要一环。”谌启发表示，从2019年开始，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，以应对未来既有铁路的改造和抢修。

然而，铁路桥梁更换并非易事，如何方便快捷地更换这些桥梁是相关部门面临的一个挑战。“国际上现有的铁路换梁技术分为横移换梁、龙门吊换梁等方式，且都局限于特定的适用场景。”“太行号”总设计师梁志新介绍，现有的换梁技术均需要长时间断线、改线进行施工，必然对铁路行车组织和安全运营造成影响；同时，现有换梁设备及技术均不能满足高墩、复杂地形地貌、无施工作业场地等情况下的换梁任务，寻找一种更好、更快、更高效、更安全的换梁技术刻不容缓。

全球首创“收折式”设计理念，在“天窗期”内完成铁路换梁

“‘天窗期’是铁路运营单位固有的专业名词，在一个区间或者多个区间内，列车不运行就可以进行维养作业，但是时间是受限的。4个小时是铁路行业‘天窗期’的标准时长，时间再长了，对运输影响比较大。”梁志新介绍，列车属高速度、大质量设施，运行时会对铁轨、路基等形成冲击磨损，因此在使用一个阶段后，铁路等相关部门会集中人力和物力对达到使用寿命、老化、磨损的轨道、线岔在“天窗期”内集中进行更换维修整治，为保证施工人员安全，会暂停列车通过施工线路。

“最大的问题就是‘时间’，现有铁路换梁技术都不能做到在4小时内换梁施工。”梁志新回忆道，“架桥时我们是一片梁一片梁去架桥，换梁时也应该是一片梁一片梁去换，但在模拟中发现所需时间太长、工序太多、受限条件更大，运营线上的安全性也难以保障……”这些年，科研团队的核心成员一直想着如何突破原有的技术和设备限制实现快速换梁。每次完成其他项目的空闲时间，各个专业组都会重新讨论，在实践中不断摸索总结，看能否碰撞出新的换梁思路。

“既然时间束缚了时间，我们能否打破时间？”2019年，在成功研发世界首台千吨级高铁桥梁运架一体机“昆仑号”后，项目总设计师梁志新在一次技术讨论会中提出了整孔换梁的思路。研发团队大胆创新，决定使用整孔换梁方式来简化工序，打破时间限制。

但新的问题同时到来。整孔换梁虽然工序简化，但更换作业时重量和面积都将翻倍，这就对未来的换梁机在稳定和升降上有更为严格的限定。换梁机四个转轴的步调必须严格保持一致，同时还要考虑升降和界限问题以躲避铁路接触网，这些难度加起来，是单片换梁难度的几倍……为此，接下来，科研团队进行了整整两个月的方案探讨与头脑风暴。

“精通桥梁、机械、结构、电力的工程师们从早到晚聚在一起，讨论关键技术、进行稳定测算和模型分解。”梁志新说，在那段昼夜不分的日子里，课题组光是大方案就推翻过三次，大家在“建立”与“推翻”之间不断反复，在“自我否定”中不断探索，试图找到成功的切入点。

终于，研发团队提出“两车夹一机”的编组运行方式，在全球范围内首创了“收折式”设计理念：在新梁运至待换桥位完成体系转换后，可将既有梁整孔提起装车，同时架设新梁并精调到位，实现了换梁装备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，又无需对运输沿线接触网等附属设备进行迁改。这一方案，最终使得“太行号”具备一体化施工能力，适用于各种复杂工况，真正实现“即换即通车”。

换梁工序及施工人员大幅减少，而效率却提升了3倍以上

“我们做的不仅仅是一套全新工程装备的研发，我们的目标，是为既有铁路换梁施工提供全产业链的成套服务。”随着研发团队对技术思路的确定，另一个难题随之产生。“在既有铁路线上施工，就不只是一个研发问题，同时还是一整套施工组织与管理问题。”“太行号”课题组负责人万鹏表示，课题组必须同步考量，做好一整套线上运输、线上施工的应急响应方案，大规模铁路换梁面临的挑战，看似只是简单的断线施工，但却涉及到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。

以此次朔黄铁路正线换梁为例，不单是一次线上换梁施工，还涉及到煤矿生产组织、港口运输等一系列的运营管理。朔黄铁路是我国西煤东运第二大通道，终点站黄骅港是国内最大的煤炭下水港。铁路即便是多停一分钟，都会造成难以估量的巨额损失。“要创新换梁装备、提升换梁效率，进一步降低营业线施工对能源大动脉的供保影响。”国家能源集团朔黄铁路公司副总经理于国旺表示。

为了确保“太行号”成功实现“天窗期”整孔换梁作业，朔黄铁路公司专门提供了试验场地，用于“太行号”的整体换梁试验，并从生产组织、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，制定了应急预案，最终形成了换梁机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、可推广的工程应用经验。

“研发出来只是第一步，作为稳增长促转型的原动力，把核心技术牢牢掌握在自己手中，最终实现成套技术服务，才是‘产学研一体’的最佳注解。”梁志新认为，科技创新只有最终进入到产业化环节才算成功，“要把至少70%的核心技术掌握在自己手里，创新绝不是停留在纸面的课题，必须赋能于市场与行业才是创效，而创效的主体必须是我们自己。”

6月20日凌晨5时，“太行号”在机车牵引下携带预制梁行进到更换地点开展换梁作业，换梁工序及施工人员大幅减少，整体换梁效率较传统工法提升3倍以上。

“‘太行号’投用后，上下游全产业链中的每一名技术人员都坚定了信心，我们正在组成一支高素质、高能力、高技术的‘专精特新’特战队，向着技术咨询、桥梁检测、特殊设计、换梁施工全过程技术服务的方向坚定迈进。”梁志新如是说。

面对未来既有线上的换梁难题，科研团队成员都摩拳擦掌、斗志满满。“太行号”成功投用后，研发团队目前正在设计“太行号2.0版”，用于满足24米、32米全工况、全梁型的换架梁需要，继续为我国铁路既有线路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程装备保障。