道岔板鋪設(shè)精密測量技術(shù)

冀光民,呂文超,宋 劍

(1.中鐵十七局集團(tuán)物資有限公司,太原 030000;2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概況

為促進(jìn)我國鐵路技術(shù)進(jìn)步,加快武廣鐵路客運(yùn)專線建設(shè),武廣公司在武廣鐵路客運(yùn)專線全線變更增設(shè)了 93組整體道岔板式無砟軌道道岔,包括 18號(hào)道岔85組,50號(hào)道岔 8組,全部采用專業(yè)化施工。由中鐵十七局集團(tuán)承擔(dān)施工的長沙南站至花都站,共 67組18號(hào)和 8組 50號(hào)板式道岔,于 2008年 9月開始鋪設(shè),至 2009年 5月全部完成,為武廣鐵路客運(yùn)專線軌道工程的按期鋪設(shè)完成創(chuàng)造了條件,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。

2 精測主要內(nèi)容

整體道岔板鋪設(shè)測量內(nèi)容包括:數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、道岔板角點(diǎn)和精調(diào)抓墊塊點(diǎn)等特征點(diǎn)位的放樣、道岔板基準(zhǔn)網(wǎng)測量和平差、道岔板的精調(diào)測量及復(fù)測、灌注自流平混凝土后的驗(yàn)收復(fù)測。

3 精密測量準(zhǔn)備

3.1 儀器準(zhǔn)備

道岔板測量使用全站儀應(yīng)具有自動(dòng)跟蹤目標(biāo)功能,測角精度 1″以上,測距精度為 1+2ppm以上,使用m制數(shù)值精確到 0.1 mm,測量數(shù)據(jù)可自動(dòng)記錄和保存,可用徠卡 TCA1800或 TCRP1201+全站儀,配置強(qiáng)制對(duì)中三腳架、精密微型棱鏡及精密支架以及精密套筒等。精密水準(zhǔn)控制測量可使用數(shù)字水準(zhǔn)儀精度±0.5 mm以上,可使用徠卡 DNA03電子水準(zhǔn)儀配條形碼銦瓦水準(zhǔn)尺。

3.2 CPⅢ控制網(wǎng)復(fù)測

CPⅢ控制網(wǎng)精度要求:滿足鐵建設(shè)[2006]189號(hào)《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》有關(guān)要求,局部復(fù)測相鄰 CPⅢ網(wǎng)點(diǎn)之間的相對(duì)精度應(yīng)滿足平面 ±1 mm,高程 ±0.5 mm的要求。

3.3 道岔板數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

3.3.1 局部坐標(biāo)平面轉(zhuǎn)換

利用設(shè)計(jì)院給定 4個(gè)道岔板公共點(diǎn)大地坐標(biāo)中的3個(gè)點(diǎn)坐標(biāo),將設(shè)計(jì)道岔板各點(diǎn)局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo),局部坐標(biāo)和大地坐標(biāo)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換屬于任意兩空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,可以利用平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行平面轉(zhuǎn)換,各點(diǎn)軌面高程根據(jù)線路坡度計(jì)算得出。也可自編 excel公式進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后,再通過設(shè)計(jì)給定的另外一個(gè)公共點(diǎn)坐標(biāo)與轉(zhuǎn)換后的同一點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)比較,驗(yàn)證道岔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。

3.3.2 各特征點(diǎn)高程坐標(biāo)計(jì)算

由于設(shè)計(jì)院給定公共點(diǎn)高程為軌面高程,由此計(jì)算出來道岔各特征點(diǎn)高程亦為軌面高程,因此需要根據(jù)道岔板各特征點(diǎn)的幾何關(guān)系計(jì)算出道岔板棱鏡孔位、道岔板墊塊等不同平面上各點(diǎn)的設(shè)計(jì)高程,道岔板式無砟軌道斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 道岔板式無砟軌道斷面結(jié)構(gòu)(單位:mm)

將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入 excel文件里面,然后根據(jù)道岔板斷面結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行計(jì)算。

將計(jì)算完成的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入全站儀,根據(jù)計(jì)算坐標(biāo)進(jìn)行道岔板的角點(diǎn)及支撐墊塊等特征點(diǎn)的施工放樣、道岔板精調(diào)、復(fù)測。

4 角點(diǎn)及支撐墊塊點(diǎn)的施工放樣

(1)角點(diǎn)及支撐墊塊點(diǎn)的施工放樣采用全站儀、精密棱鏡及精密棱鏡支架進(jìn)行,全站儀通過 4對(duì) CPⅢ進(jìn)行自由設(shè)站,利用已計(jì)算并導(dǎo)入全站儀的特征點(diǎn)坐標(biāo)測量放樣,在墊層上按照平面坐標(biāo)明顯標(biāo)注各點(diǎn)點(diǎn)位,并標(biāo)出距理論點(diǎn)的高差(圖2)。

圖2 特征點(diǎn)位放樣

(2)利用已施工放樣的角點(diǎn)及墊塊點(diǎn)位置,進(jìn)行底座板輪廓及鋼筋位置放樣,綁扎鋼筋,安裝精調(diào)支撐墊塊及施工隔離墻(圖3)。

圖3 墊塊、鋼筋及隔離墻施工

5 道岔板基準(zhǔn)網(wǎng)的測設(shè)及平差計(jì)算

利用 CPⅢ網(wǎng)測設(shè)和建立基準(zhǔn)網(wǎng)。道岔板基準(zhǔn)網(wǎng)精度要求高,平面和高程測量應(yīng)分開進(jìn)行。

5.1 基準(zhǔn)點(diǎn)的測量放樣及設(shè)置

利用已計(jì)算出的基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)在隔離墻上進(jìn)行施工放樣,埋設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)測釘?；鶞?zhǔn)點(diǎn)設(shè)于道岔板縫中間直股中線位置(圖4),采用在隔離墻上面埋設(shè)銅質(zhì)測釘方法標(biāo)記。測釘埋設(shè)要求牢固,位置在低于道岔板底面設(shè)計(jì)高程 3 cm,埋設(shè)精度要求為 ±3 mm。

5.2 基準(zhǔn)網(wǎng)平面測量

基準(zhǔn)網(wǎng)測量應(yīng)在粗鋪道岔板之前,測量前確認(rèn)CPⅢ的坐標(biāo)數(shù)據(jù),CPⅢ點(diǎn)的高程定義位置,采用的棱鏡測距加常數(shù)、棱鏡高(即目標(biāo)高)等資料。測量過程儀器應(yīng)采用精測模式,并避免大風(fēng)和強(qiáng)光。

5.2.1 測量要點(diǎn)

(1)測量的架站要盡量靠近基準(zhǔn)點(diǎn)的連線。

圖4 設(shè)置完成的銅制測釘

(2)道岔岔心至岔后的區(qū)域應(yīng)盡量在一站內(nèi)完成,以保證內(nèi)部幾何精確性。

(3)為保證渡線道岔兩側(cè)線路的關(guān)聯(lián)性,在測量后測的一側(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)時(shí),應(yīng)核對(duì)先測的一側(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)(至少 2個(gè)),當(dāng)橫向偏差大于 2mm時(shí),應(yīng)重新測量。

5.2.2 平面測量的過程

(1)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的測量要按組進(jìn)行,每組測量基準(zhǔn)點(diǎn)的個(gè)數(shù),要視大氣影響而定。一般一站至少測量 11個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn),而視線長度不超過 70 m。

(2)采用全站儀自由設(shè)站后方交會(huì)法,站與站間至少共用 6個(gè) CPⅢ點(diǎn)。

(3)對(duì)各組內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行測量時(shí),全站儀不能倒鏡。

(4)測回?cái)?shù)的確定,要以能取得可靠的中值和能排除異常誤差為標(biāo)準(zhǔn)。因此,各組保持架站不動(dòng)至少要測 3次。

5.2.3 測量過程和結(jié)果應(yīng)滿足下列要求

(1)控制點(diǎn) X、Y坐標(biāo)上的允許偏差:±2.0 mm。

(2)基準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)多次測量坐標(biāo)平均值的 X、Y坐標(biāo)允許偏差:±0.4 mm。

(3)重迭區(qū)內(nèi)每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的 Y坐標(biāo)允許偏差:0.3 mm。

(4)重迭區(qū)內(nèi)每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的 X坐標(biāo)允許偏差:0.4 mm。

(5)相鄰基準(zhǔn)點(diǎn)平面相對(duì)精度:0.2 mm。

5.3 平面測量結(jié)果的處理

5.3.1 站內(nèi)測量結(jié)果處理

當(dāng)滿足測量誤差要求時(shí),對(duì)所有測站(各組內(nèi))的測量值求其均值。

在檢查和消除一組內(nèi)的測量粗差后,對(duì)各組間進(jìn)行平差,消除折點(diǎn)和偏移。

5.3.2 站間測量結(jié)果的處理

為了使基準(zhǔn)網(wǎng)的連接形成緩和的過渡曲線,避免拐點(diǎn)的出現(xiàn),要對(duì)計(jì)算出的一組內(nèi)的中值以特殊方式進(jìn)行如下調(diào)整。

(1)前一組的最后一點(diǎn)(組內(nèi)已測定)作為重合區(qū)的理論起點(diǎn) A。

(2)下一組的第一個(gè)點(diǎn)(組內(nèi)已測定)作為重合區(qū)理論終點(diǎn) E。

(3)A、E點(diǎn)之間是雙重測定而待調(diào)整的點(diǎn)。

(4)調(diào)整曲線為余弦曲線,從 A點(diǎn)(在前 /后組的權(quán)為 1.000/0.000)到 E點(diǎn)(0.000/1.000)。

(5)簡單起見,也可以采取直線性加權(quán)調(diào)整。

基準(zhǔn)網(wǎng)測量數(shù)據(jù)組平差示意如圖5所示。

圖5 基準(zhǔn)網(wǎng)測量數(shù)據(jù)組平差示意

5.3.3 算例(圖5)

對(duì)組Ⅰ的基準(zhǔn)點(diǎn) 201到 225和組Ⅱ的基準(zhǔn)點(diǎn) 215到 242進(jìn)行 3次重復(fù)測量,然后轉(zhuǎn)換,求中值。該測量序列應(yīng)平順無拐點(diǎn)地貫穿起來。

調(diào)整的范圍應(yīng)是重復(fù)測量的點(diǎn),計(jì)權(quán)起始點(diǎn)為214,終止點(diǎn)為 226。

重合長度 L為由坐標(biāo)算出的從 A到 E的距離。

為了計(jì)算兩組測定點(diǎn)的權(quán),由組Ⅰ測量的坐標(biāo)求出某點(diǎn)到 A的距離 i。

為求中值,賦予組Ⅰ的坐標(biāo)的權(quán)為 z=cos(π/L·i)/2+0.5,組Ⅱ坐標(biāo)的權(quán)為 1-z。

調(diào)整的過程如圖6所示。

圖6 計(jì)算記錄及搭接區(qū)坐標(biāo)平差計(jì)算示意

5.4 基準(zhǔn)點(diǎn)高程的測量與平差

5.4.1 測量方法

(1)儀器首先要嚴(yán)格消除 i角誤差。

(2)使用高精度電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行往返測。

(3)道岔區(qū)外,兩端的 CPⅢ點(diǎn)作為起始點(diǎn)聯(lián)測,區(qū)間的 CPⅢ點(diǎn)作為轉(zhuǎn)點(diǎn)。

(4)測量渡線上的基準(zhǔn)點(diǎn)高程時(shí)采用相同的CPⅢ起始點(diǎn),以保證道岔區(qū)內(nèi)部的高程平順性。

(5)對(duì)所有的讀數(shù)要進(jìn)行野外記錄。聯(lián)測后應(yīng)立即對(duì)測量精度進(jìn)行評(píng)估。

(6)閉合差太大時(shí)要進(jìn)行重測。

5.4.2 水準(zhǔn)測量(高程 Z)的測量過程和結(jié)果應(yīng)滿足下列要求

(1)單程水準(zhǔn)測量閉合差要求≤0.5mm。

(2)基準(zhǔn)點(diǎn)允許偏差:0.5 mm。

(3)某次測量高程相對(duì)多次高程測量平均值的允許偏差:0.3 mm。

(4)相鄰基準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)點(diǎn)位精度:0.1 mm。

6 定位點(diǎn)放樣及道岔板粗鋪

道岔板基準(zhǔn)點(diǎn)測設(shè)的同時(shí)在隔離墻上進(jìn)行道岔板定位點(diǎn)放樣并明顯標(biāo)識(shí),基準(zhǔn)點(diǎn)測量結(jié)果平差符合要求后進(jìn)行道岔板粗鋪(圖7),粗鋪精度 5 mm。道岔板粗鋪過程及時(shí)安裝精調(diào)裝置。

圖7 道岔板粗鋪對(duì)位

7 道岔板精調(diào)

7.1 原理

道岔板精調(diào)的原理是根據(jù)棱鏡孔的設(shè)計(jì)位置坐標(biāo)與實(shí)測坐標(biāo)進(jìn)行比較,精確調(diào)整道岔板,以實(shí)現(xiàn)道岔板實(shí)際位置與設(shè)計(jì)位置的準(zhǔn)確重合。

7.2 測量方法

7.2.1 儀器架設(shè)及定向

全站儀通過強(qiáng)制對(duì)中三腳架架設(shè)在基準(zhǔn)點(diǎn)上,精確調(diào)平,位置與待調(diào)整道岔板視距要保證在 6.5～25 m范圍內(nèi),全站儀設(shè)在精測模式;定向棱鏡架設(shè)在需調(diào)整道岔板后方的基準(zhǔn)點(diǎn)上,并精確調(diào)平對(duì)中;將精密微型棱鏡及套筒插入棱鏡孔內(nèi)。

精調(diào)前對(duì)全站儀進(jìn)行定向,將全站儀瞄準(zhǔn)定向棱鏡,啟動(dòng)定向功能,輸入各項(xiàng)參數(shù)及測站點(diǎn)和定向點(diǎn)號(hào),照準(zhǔn)定向點(diǎn)位進(jìn)行定向測量,計(jì)算偏差,定向誤差超限時(shí)查找原因,重新定向。

精調(diào)時(shí)全站儀及棱鏡孔位布置如圖8所示。

7.2.2 道岔板整體精調(diào)順序

(1)單開道岔從一端開始向另一端與全站儀測量目標(biāo)相反方向依次精調(diào)。

(2)渡線道岔先調(diào)渡線區(qū)道岔板(一側(cè)或兩側(cè)),如 18號(hào)渡線道岔板為先 18號(hào)、17號(hào)、16號(hào)板,再由此向兩邊延伸。

(3)每塊道岔板精調(diào)(包括一站內(nèi))均須以上一塊已精調(diào)完成道岔板棱鏡孔或基準(zhǔn)點(diǎn)來定向,但無須高程傳遞。

7.2.3 單板精調(diào)方法(圖9)

圖9 道岔板精調(diào)

(1)精調(diào)過程的控制精度(X、Y、Z)為 ±0.3 mm。

(2)先調(diào)整 4個(gè)角點(diǎn)棱鏡孔的高度,使道岔板 4個(gè)角點(diǎn)處于同一高程。

(3)調(diào)整平面位置,以軌道直股(主軸上)一側(cè)的兩點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)。曲股兩點(diǎn)作為核對(duì)檢查。

(4)對(duì)短板精調(diào)時(shí)使用兩對(duì)角點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

(5)在 4個(gè)角點(diǎn)的高度及平面調(diào)整好后,調(diào)整板中部 (精調(diào)裝置或調(diào)高螺栓)高程,目標(biāo)精度為±0.5 mm。

(6)對(duì)所有點(diǎn)進(jìn)行測量,作為測量成果記錄。

7.3 精調(diào)驗(yàn)收測量

在道岔板精調(diào)完成和灌漿之后要分別進(jìn)行平面和高程復(fù)測,對(duì)復(fù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后,形成驗(yàn)收?qǐng)?bào)告;根據(jù)精調(diào)完成后的復(fù)測結(jié)果,對(duì)偏差較大的道岔板進(jìn)行微調(diào)。

驗(yàn)收測量時(shí),儀器架設(shè)在普通三腳架上,以 CPⅢ控制網(wǎng)為依據(jù),測量各棱鏡孔位置坐標(biāo)。站與站之間要有足夠的重合點(diǎn),以便判定搭接誤差和測量精度。

道岔板精調(diào)完成后的誤差要求如下。

橫向偏離軸線偏差:±1mm,橫向搭接 ±1 mm;

高程偏差(相對(duì)于中值):±1.5 mm,豎向搭接 ±1 mm;

縱向偏差(相對(duì)于中值):驅(qū)動(dòng)位置 2 mm,其他位置 ±3 mm。

8 體會(huì)和建議

武廣鐵路客運(yùn)專線道岔板鋪設(shè)工程已全部驗(yàn)收完畢,板式道岔整體道床的外觀質(zhì)量及精度均得到用戶的好評(píng)。

(1)使用精密測量技術(shù)鋪設(shè)道岔板,鋪設(shè)精度高、外光平整光滑,為后續(xù)道岔鋪設(shè)提供了較好的基礎(chǔ)條件。

(2)道岔板采用分塊式安裝鋪設(shè),安裝精調(diào)速度快,保證了精度,縮短了工期。

(3)測量過程要嚴(yán)格按照程序進(jìn)行復(fù)測,并由責(zé)任心強(qiáng)的專人負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和復(fù)核。

(4)為保證正線線路與道岔的良好銜接,道岔區(qū)兩端正線軌道應(yīng)預(yù)留 200 m,待道岔板鋪設(shè)完成后施工。

(5)目前道岔板鋪設(shè)技術(shù)已經(jīng)過消化和創(chuàng)新,精測技術(shù)更加熟練快捷,值得推廣,目前我國已在京滬高速、津秦客專、杭寧客專等線路使用。

[1] 鐵建設(shè)[2006]189號(hào),客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定[S].

[2] 鐵建設(shè)函[2009]674號(hào),高速鐵路無砟軌道精調(diào)作業(yè)指南[S].