基于GRP1000的無砟軌道精調(diào)測量研究

郝亞東，趙 杰，樊廷春

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475003;2.開封市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，河南開封475000;3.菏澤市測繪研究院，山東菏澤274000）

一、引 言

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，無砟軌道已成為高鐵鐵路中廣泛使用的新型軌道。軌道的任務(wù)是確保列車安全平穩(wěn)，為了確保軌道的高平順性，滿足列車高速行駛安全性和舒適性的要求，需要對軌道進行精確調(diào)整。軌道精調(diào)的目的是控制軌道平面和高程位置的高精度和水平變化率，確保直線順直、曲線圓順、過渡順暢。因此，軌道幾何狀態(tài)應(yīng)保持與列車運行相匹配的規(guī)定狀態(tài)。列車運行速度越高，軌道幾何形位允許偏差越小。傳統(tǒng)的軌道檢測工具已不能滿足檢測精度要求，使用現(xiàn)代檢測設(shè)備——軌檢小車測量軌道幾何形位勢在必行，其也是鐵路檢測工具現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。

二、基于GRP1000的無砟軌道精調(diào)測量原理及內(nèi)容

1.GRP1000精調(diào)測量原理

GRP1000軌檢小車集電測傳感器、專用便攜式計算機等先進檢測設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備于一體，用于檢測靜態(tài)軌道的不平順性。其在檢測靜態(tài)軌道的不平順性時，能夠及時檢測軌道間距、軌道水平、軌道高低、軌道扭曲及軌向等軌道不平順參數(shù)，可廣泛應(yīng)用于高速鐵路無砟軌道整道鋪設(shè)精度檢測。

GRP1000檢測小車測量系統(tǒng)主要由手推式軌檢小車和分析軟件包兩大部分組成。既可單獨測量軌道水平、軌距等相對結(jié)合參數(shù)，也可配合Leica TPS全站儀進行平面位置和高程的絕對定位測量。絕對定位是對線路起點到終點的兩條軌道的絕對坐標(biāo)進行測量。采用絕對定位測量時，首先測量出兩條軌道起點、終點的絕對坐標(biāo);然后再測量軌道起點、終點及軌道上各觀測點的相對坐標(biāo);最后利用起點、終點的絕對坐標(biāo)和相對坐標(biāo)，采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換把軌道上各觀測點的相對坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成絕對坐標(biāo)，并根據(jù)測出的軌道實際值和軌道設(shè)計值求出軌道幾何形狀偏差量。絕對定位測量通過全站儀的自動目標(biāo)照準(zhǔn)功能并與GRP1000之間持續(xù)無線電通信來完成。軌道絕對定位測量結(jié)束后，軌檢小車的輸出系統(tǒng)能夠顯示軌道幾何位置的各種參數(shù)信息，作業(yè)人員可以有選擇地輸出所需要的軌道幾何位置的各種參數(shù)，并計算出軌道幾何形態(tài)偏差量，作為軌道精調(diào)的數(shù)據(jù)依據(jù)。GRP1000軌檢小車測量精度見表1。

表1 GRP1000軌檢小車測量精度

2.軌道精調(diào)測量內(nèi)容及檢測方法

（1）軌道中線位置及軌面高程檢測

軌道中線位置和軌面高程的檢測，是對軌道線路工程質(zhì)量狀況最基本的評價。軌道中線實際位置和軌面高程檢測時，實地測定軌道中線的絕對坐標(biāo)和軌面的絕對高程，并與軌道中線和軌面高程理論值進行比較，求出它們的差值，計算出軌道幾何形態(tài)偏差量。幾何形態(tài)偏差量可以作為評價軌道鋪設(shè)質(zhì)量好壞和精度高低的評定指標(biāo)，如圖1所示。

圖1 中線位置測量示意圖

檢測方法如下:①用精密全站儀實測出軌檢小車上棱鏡中心的絕對坐標(biāo);②根據(jù)軌檢小車的定向參數(shù)、軌檢小車的幾何參數(shù)及其他參數(shù)計算該點的中線位置及軌面高程;③與該點處軌道中線和軌面高程理論值進行比較，求出它們的差值，計算出軌道幾何形態(tài)偏差量;④根據(jù)規(guī)范要求對軌道鋪設(shè)質(zhì)量和位置精度評定。

（2）軌距檢測

軌距指兩股鋼軌頭部內(nèi)側(cè)軌頂面下16 mm處兩作用邊之間的最小間距。我國高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)軌距的規(guī)定值是1435 mm，如果軌道間距滿足不了規(guī)定值的誤差限定要求，車輛行駛過程會產(chǎn)生較強的振動。軌道間距誤差檢測方法有:① 軌距測量，使用軌檢小車上的軌距傳感器完成軌道間距測量;②誤差檢測，根據(jù)軌距傳感器測定的實際長度與軌距的理論長度比較，求出差值。如圖2所示。

圖2 軌距檢測示意圖

（3）水平（超高）檢測

高速列車通過曲線軌道時，由于離心作用，曲線外軌道受到強大的擠壓力，這種情況加速了外軌道的磨損，嚴(yán)重時還會擠翻外軌道致使列車側(cè)翻。解決離心作用的方法是在曲線軌道上設(shè)置外軌超高。對外軌超高鋪軌時需要進行檢測，檢測方法如下:①使用軌檢小車上的水平傳感器測定小車的橫向傾角;②根據(jù)兩軌道頂面中心間的間距，計算線路超高;③將實測超高與理論超高進行比較，求出差值，判定是否滿足規(guī)范限定誤差要求。軌道水平超高檢測示意圖如圖3所示。

圖3 水平(超高)檢測示意

（4）短波和長波不平順檢測

①短波不平順

假定軌枕間距為0.625 m，軌道采用30 m弦線，在30 m弦線上每5 m布設(shè)一對檢測點，兩支承點間距為0.625 m，它的8倍為5 m，等于兩檢測點的間距。短波不平順檢測如圖4所示。

圖4 短波檢測示意圖

圖4中，點 P1～P49為鋼軌支承點的編號，在30 m弦線上每任意一對檢測點間距均為5 m，如圖中P25與P33作為一對檢測點，進行軌向檢測，其短波不平順檢測可按下式計算

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

由于在30 m弦線上鋼軌支承點P1(起點)與P49(終點)的正矢為零，故可檢測從P2(對應(yīng)點P10)到P40(對應(yīng)點P48)的軌向。下一個弦線則從最后一個支承點P48開始。

②長波不平順

軌枕間距為0.625 m，軌道采用300 m弦線，在300 m弦線上每150 m布設(shè)一對檢測點，兩支承點間距為0.625 m，它的240倍為150 m，等于兩檢測點的間距。長波不平順檢測如圖5所示。

圖5 長波檢測示意圖

圖5中的點P1～P481是鋼軌支承點的編號。P25與P265作為一對檢測點，進行軌向檢測，其軌向檢測按下式計算

由于P1(起點)與P481(終點)的正矢為零，故可檢測P2(對應(yīng)點P242)到P240(對應(yīng)點P480)的軌向。下一個弦線則從已檢測的最后一個點P240開始。

三、基于GRP1000的無砟軌道精調(diào)測量實施

1.GRP1000設(shè)置

（1）軌檢小車軟件設(shè)置

點擊軟件設(shè)置中的選項對話框，彈出一個界面，界面包括常規(guī)、通信、限差、測量數(shù)據(jù)、全站儀和斷面儀，其中前5個跟精調(diào)機有關(guān)。

（2）測量項目設(shè)置

每個工程項目都有設(shè)計的數(shù)據(jù)，精調(diào)機需要的數(shù)據(jù)有平曲線、豎曲線和設(shè)計超高信息。

平曲線需要4大樁坐標(biāo)，當(dāng)前點的“線型”取決于大里程方向的元素類型;緩和曲線需要輸入緩和曲線長度;圓曲線需要輸入半徑，沿著里程增大的方向右轉(zhuǎn)曲線半徑為正值，左轉(zhuǎn)曲線半徑為負值。

豎曲線需要曲線的半徑、變坡點的里程及高程信息，豎曲線上凸的半徑為正，下凹的半徑為負。超高輸入時只需輸入與平曲線對應(yīng)點的里程和超高值，超高單位為m。

（3）讀取配置及超高校準(zhǔn)

新建一個測量文件，建完以后需要進行超高校準(zhǔn)。讀取小車配置信息并進行超高校準(zhǔn)，小車重新組裝或發(fā)生碰撞，超高傳感器需要重新校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完后如果想檢核超高傳感器的校準(zhǔn)是否滿足要求，可按如下步驟操作:架設(shè)好全站儀且設(shè)站成功后，測量一個超高值;然后調(diào)轉(zhuǎn)小車再測量一次超高值，若正負相反，且絕對值之差在0.3 mm以內(nèi)，則證明超高值是準(zhǔn)確的，超高校準(zhǔn)很好。

2.全站儀設(shè)站

1)全站儀設(shè)站采用后方交會完成。在設(shè)站時，為了保證設(shè)站精度，最好使用8個后視點進行，現(xiàn)場條件假如不能滿足8個后視點要求，最少必須保證有6個控制點能夠使用。X、Y、Z(高程)設(shè)站中誤差均應(yīng)小于1 mm，方向中誤差小于2″。

2)為了保證軌道線形的平順性，下一區(qū)間采用后方交會法進行全站儀設(shè)站時，應(yīng)保證所使用的后方交會控制點必須有4個點和上一區(qū)間重合。

3)與軌檢小車同向的控制點自由設(shè)站計算時是否棄用要謹(jǐn)慎。

4)將一個CPⅢ點當(dāng)做水準(zhǔn)點用水準(zhǔn)儀復(fù)核軌面高程時，應(yīng)使用自由設(shè)站，且應(yīng)選用高程殘差最小的CPⅢ點。

3.軌道數(shù)據(jù)采集

設(shè)站完成就開始軌道精調(diào)數(shù)據(jù)采集，打開電腦的測量界面，根據(jù)軌道板上面的編號推小車，每次推0.65 m;然后點擊測量，自動記錄之后由電腦自動處理數(shù)據(jù)，全站儀距離小車大約60 m，因此每一站小車前進10塊板。

4.數(shù)據(jù)處理

使用軌檢小車自帶的軟件對所測數(shù)據(jù)進行處理。數(shù)據(jù)處理完畢后，輸出每一個扣件系統(tǒng)所在位置的鋼軌方向、高低、軌距、扭曲、水平等信息;用波形圖檢測不合格地段;用數(shù)據(jù)表來確定調(diào)整量，將需要調(diào)整的數(shù)據(jù)整理出來作為現(xiàn)場交接資料。

四、影響GRP1000無砟軌道精調(diào)測量精度的因素及控制措施

GRP1000軌檢小車作為檢測靜態(tài)軌道不平順的檢測工具，在檢測過程中由于受到各種因素影響，會產(chǎn)生各種各樣的誤差。為了保障高速列車運行安全、保證軌道的高平順性，在無砟軌道精調(diào)測量作業(yè)中要注意分析影響精度的因素及控制措施。

1.影響軌道精調(diào)測量的各種因素

影響軌道精調(diào)測量的主要因素有:控制點精度不夠;全站儀定位誤差;測量過程中的誤差，如太陽照射到測量桿或三腳架上造成的全站儀的誤差、測量過程受到其他施工作業(yè)的干擾、地面不穩(wěn)等;全站儀沒有校準(zhǔn);最大目標(biāo)距離超限(如100 m);測量過程中大氣折射的影響等。

2.誤差控制措施

選用高精度控制點，并進行定期復(fù)測;全站儀工作之前要適應(yīng)環(huán)境溫度，定位后要進行檢核;觀測時使用測傘，防止太陽照射測桿或三腳架;合理安排施工，確保測量過程不受干擾;觀測時將全站儀安置在地面穩(wěn)定的地;所有的全站儀都要定期校準(zhǔn)以確保測量成果準(zhǔn)確、可靠;目標(biāo)距離嚴(yán)格控制在60 m以內(nèi);惡劣天氣條件下禁止作業(yè)。

五、結(jié)束語

無砟軌道精確調(diào)整測量是高鐵無砟軌道施工中的一個重要環(huán)節(jié)，也是施工測量人員面臨的一個新課題。結(jié)合我國高鐵施工實際，采用先進設(shè)備——GRP1000軌檢小車，借鑒國外先進技術(shù)和經(jīng)驗，在無砟軌道新建和維修施工中推廣應(yīng)用，可大大提高無砟軌道精確調(diào)整測量效率，降低軌道精確調(diào)整測量成本。

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