高速鐵路軌道靜態(tài)精密檢測若干技術(shù)問題探討

王國民 馬文靜

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司, 北京 100055)

1 概述

為了滿足高速行駛條件下列車的安全性和旅客的舒適性,要求高速鐵路必須具有非常高的平順性和精確的幾何線性參數(shù)。在線上工程施工階段,從基樁控制網(wǎng)(CPⅢ)、軌道基準點的測設(shè)到軌道板的鋪設(shè)及精調(diào),都采用了毫米級工程測量技術(shù)進行控制并最終為軌道平順性服務(wù),而軌道精調(diào)作業(yè)則是保障軌道平順性的最后一環(huán),在整個施工階段具有特殊重要意義。軌道精調(diào)的前提是獲得準確可靠的軌道靜態(tài)檢測數(shù)據(jù),因此軌道靜態(tài)精密檢測居于該階段的核心地位。

軌道靜態(tài)精密檢測是在無縫線路鋪設(shè)完成,長鋼軌應(yīng)力放散、鎖定后開展的軌道幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)采集作業(yè)。其作業(yè)流程為基于基樁控制網(wǎng)(CPⅢ),采用專用的檢測設(shè)備(軌檢小車)進行數(shù)據(jù)采集,從而獲得軌道的平面位置、高程、軌距、超高等一系列幾何尺寸信息,并對軌道的幾何平順性作出分析,進而針對軌道平順性指標不合格地段給出調(diào)整量,然后指導(dǎo)外業(yè)施工進行軌道調(diào)整,以此達到優(yōu)化軌道線形的目的。軌道靜態(tài)精密檢測作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 軌檢小車作業(yè)流程示意

首先由智能型全站儀自動觀測8個CPⅢ控制點,根據(jù)后方交會測量的數(shù)據(jù)解算得到全站儀的站心三維坐標并對全站儀定向；然后使用智能型全站儀的棱鏡鎖定功能,使其鎖定軌檢小車上的棱鏡；每當軌檢小車停留在數(shù)據(jù)采集位置,即由遠程控制終端控制全站儀測量目標棱鏡并將測量數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送到控制終端,由此完成對該點的數(shù)據(jù)采集；外業(yè)數(shù)據(jù)采集完畢即可進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析整理工作。本文擬就軌道靜態(tài)精密檢測的外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵技術(shù)問題進行一些探討。

2 軌道靜態(tài)精密檢測外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.1 智能型全站儀自由設(shè)站

基于基樁控制網(wǎng)(CPⅢ)進行軌道靜態(tài)精密檢測,首先面對的即是全站儀自由設(shè)站,目前可用于自由設(shè)站的智能型全站儀有Leica1201、Leica2003、TrimbleS8等。在觀測足夠的CPⅢ點以后,采用三維整體約束平差的方法,解算出全站儀站心三維坐標并進行精度評定[1]。針對觀測值質(zhì)量差及CPⅢ點位可能由于施工等原因而產(chǎn)生移動的情況,有兩種技術(shù)可以采用：一是根據(jù)三維平差后的觀測值殘差分布定位質(zhì)量差的觀測值,并將其剔除[2]；二是采用穩(wěn)定點分析技術(shù)對點位穩(wěn)定性進行探測,并將不穩(wěn)定點排除在平差系統(tǒng)之外[3]。采用上述兩種技術(shù),可以有效地保證全站儀自由設(shè)站精度達到規(guī)范要求,其具體精度指標如表1所示[5]。

表1 全站儀自由設(shè)站精度指標

2.2 軌道靜態(tài)精密檢測設(shè)站精度及設(shè)站距離分析

全站儀自由設(shè)站完成后,即可開啟棱鏡鎖定功能并測量軌檢小車棱鏡,從而獲得該棱鏡在CPⅢ坐標系統(tǒng)下的三維坐標,測量原理如圖2所示。

圖2 全站儀三維測量示意

全站儀站心為O,棱鏡點為P,OP距離為S,則點P的三維坐標為

(1)

對式(1)進行全微分并整理，得點P的三維點位誤差

(2)

式(2)中ρ=206 265,mo為起算點中誤差,mS為測距中誤差,mθ為高度角測量中誤差,mα為水平角測量中誤差。

又由于全站儀與軌檢小車均架設(shè)在兩股鋼軌中間,則鋼軌橫向偏差將不受全站儀測距誤差的影響,因此軌道橫向測量誤差可采用下式進行估算

(3)

以測角精度1″,測距精度±(1+1×10-6D)mm的全站儀為例：取S的極大值為200 m,起算點X、Y、Z三方向的中誤差分別取0.7 mm及1 mm,且經(jīng)分析10～200 m范圍內(nèi)全站儀測量高度角的變化范圍約為0.004 5～0.089 8 rad,則采用式(2)及式(3)可得全站儀測量三維點位誤差分布及軌道橫向測量誤差分布(如圖3所示)。

圖3三維點位中誤差分布中,紅色表示起算點X、Y、Z三方向中誤差，取1 mm；藍色表示起算點X、Y、Z三方向中誤差，取0.7 mm,則對圖3的分析可知：

圖3 三維點位誤差及軌道橫向測量誤差分布

(1)規(guī)范要求軌道平面及高程的絕對位置偏差≤10 mm[4],取3倍中誤差為測量極限誤差,則必要的三維點位測量精度為3.3 mm；從“三維點位中誤差分布”可知,兩條曲線即便在誤差最大的200 m處,其測量精度也沒超過3 mm。因此,規(guī)范提出的全站儀自由設(shè)站站心坐標X、Y、Z三方向的中誤差應(yīng)≤0.7 mm的標準偏嚴,將此標準放寬到1 mm也完全能夠滿足測量要求。

(2)目前高速鐵路客運專線軌道短波平順性大都執(zhí)行2 mm/5 m的標準[4],取3倍中誤差為測量極限誤差,則必要的軌道橫向測量精度為0.6 mm；從“軌道橫向測量誤差分布圖”可知,在距離全站儀120 m處的軌道橫向測量誤差約為0.6 mm,因此規(guī)范提出的全站儀自由設(shè)站距離不宜超過80 m的標準偏嚴。在CPⅢ控制網(wǎng)精度良好的情況下,完全可以將全站儀自由設(shè)站的距離放寬到120 m,且能夠滿足相關(guān)的測量精度要求。

3 軌道靜態(tài)精密檢測內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

3.1 軌道幾何平順性概念及其應(yīng)用

高速鐵路軌道幾何平順性的核心為相對平順性概念,又具體區(qū)分為短波平順性及長波平順性[6]。

圖4 短波平順性示意

如圖4所示,拉一條S=30 m的弦線,以軌枕間距為0.625 m計,每間隔5 m設(shè)置一對檢測點,則8個軌枕間距正好可以設(shè)置一對檢測點。以P25與P33為例,此兩點間的短波平順性指標按下式計算

Δh=|(h25設(shè)計-h33設(shè)計)-(h25實測-h33實測)|≤2 mm

(4)

圖5 長波平順性示意

如圖5所示,弦線長度取300 m,每間隔150 m設(shè)置一對檢測點,則240個軌枕間距正好可以設(shè)置一對檢測點。以P25與P265為例,此兩點間的長波平順性指標按下式計算

Δh=|(h25設(shè)計-h265設(shè)計)-(h25實測-

h265實測)|≤10 mm

(5)

除上述長短波平順性概念外,在修建高速鐵路之前,國內(nèi)多采用基準弦長為10 m的正矢差作為軌道平順性的評判標準并用于普速鐵路的軌道調(diào)整,其作業(yè)方法為人工在軌道上拉弦線測量,由于拉弦線的實際困難,無法測量30 m弦及300 m弦的正矢差?；谲壍漓o態(tài)精密檢測的數(shù)據(jù),采用數(shù)學計算的方法,可以計算出30 m弦及300 m弦的正矢差,其計算公式如下

(6)

然而在高鐵建設(shè)中卻并不采用式(6),而是采用式(4)及式(5)進行軌道平順性檢測并指導(dǎo)軌道精調(diào)。原因有二：①高鐵建設(shè)中只要軌道實際平面位置及高程與設(shè)計值相比小于規(guī)范要求的10 mm,則在此范圍內(nèi)不要求軌道實際位置與設(shè)計位置嚴格一致。因此為滿足列車高速行駛的軌道幾何平順性更多的是指軌道內(nèi)部的相對平順性,很明顯式(4)及式(5)更能體現(xiàn)這種相對平順性要求；②工程建設(shè)不僅僅要求質(zhì)量合格,還要求優(yōu)化工法以達到節(jié)省工期及建設(shè)資金的目的。采用式(4)及式(5)指導(dǎo)軌道精調(diào)作業(yè)將比采用式(6)減少調(diào)整工作量,對整個工程建設(shè)是有利的。

以某無砟軌道約800 m軌道靜態(tài)精密檢測數(shù)據(jù)為例,分別采用式(4)及式(6)進行短波平順性計算并比較。該段數(shù)據(jù)包含直線、緩和曲線及圓曲線,較有代表性,數(shù)據(jù)情況如圖6。

圖6 兩種算法所得之軌道短波平順性結(jié)果

圖6顯示了兩種算法所得之軌道平順性結(jié)果：采用式(4)所得之結(jié)果比式(6)之結(jié)果更為向0集中；且式(6)結(jié)果之超限比例為18.6%,式(4)結(jié)果之超限比例為10.5%,這表示采用式(4)的結(jié)果意味著更少的軌道調(diào)整量。

3.2 軌道幾何平順性計算新方法

式(4)及式(6)給出了軌道幾何平順性的數(shù)學定義,然而照此計算平順性指標卻太過繁復(fù)：首先計算確定弦線方程,其次解求每個檢測點的設(shè)計矢距與實測矢距,之后才可獲得檢測點對間的平順性指標；另一方面,矢距垂直于弦線而不垂直于軌道,然而鋼軌平面精調(diào)時卻是沿線路法向移動,兩者之間幾何意義不一致。文獻[6]詳細討論了上述兩個問題,并給出了采用線路法向偏移量代替矢距進行軌道平順性指標計算的方案。

3.3 多波不平順探討

一種較為極端的軌道幾何狀態(tài)情況,此中情況下僅從數(shù)據(jù)來看將會得出軌道平順性良好的虛假結(jié)論,從而背離了真實情況,影響軌道精調(diào)作業(yè)并最終影響軌道竣工質(zhì)量。多波不平順情況如圖7所示。

圖7 軌道多波不平順示意

圖7顯示了如何發(fā)現(xiàn)軌道多波不平順,那就是通過圖形的方法對軌道靜態(tài)精密檢測數(shù)據(jù)進行查看。多波不平順揭示了軌道檢測數(shù)據(jù)處理復(fù)雜多變的一面,它要求我們必須對數(shù)據(jù)進行多角度、多方位的比對分析,然后才能得出軌道平順性處理結(jié)果并指導(dǎo)外業(yè)實施軌道精調(diào)。

4 結(jié)論

本文就高速鐵路軌道靜態(tài)精密檢測的外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩方面的若干關(guān)鍵技術(shù)問題進行了討論。在外業(yè)階段,所提出的放寬全站儀自由設(shè)站精度指標及放寬全站儀自由設(shè)站距離的結(jié)論已在某無砟軌道線路得到實踐驗證；在內(nèi)業(yè)階段,論證了兩種平順性指標間的優(yōu)劣,所提出的新的軌道平順性計算方法也已在某無砟軌道線路精調(diào)作業(yè)階段得到應(yīng)用。我國正有多條高速鐵路建設(shè)進入軌道精調(diào)作業(yè)階段,因此本文結(jié)論對于更快更好地進行軌道精調(diào)具有重要的應(yīng)用價值,從而服務(wù)于高速鐵路按照設(shè)計運營時速按期開通。

[1] 張忠良,楊友濤,劉成龍.軌道精調(diào)中后方交會點三維嚴密平差方法研究[J].鐵道工程學報,2008(5)：33-36

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[3] 徐小左,劉成龍,楊友濤.無砟軌道精調(diào)中CPⅢ網(wǎng)點穩(wěn)定性檢測方法的研究[J].鐵道工程學報,2008(9)：21-25

[4] TB10601—2009 高速鐵路工程測量規(guī)范[S]

[5] 科技基[2008]86號 客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀暫行技術(shù)條件[S]

[6] 張金龍,馬文靜.高速鐵路軌道幾何平順性計算新方法研究[C]∥高速鐵路精密測量理論及測繪新技術(shù)國際學術(shù)研討會論文集.成都：西南交通大學出版社，2010：307-311