基于動(dòng)靜態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)的軌道精測(cè)精調(diào)評(píng)價(jià)技術(shù)

劉學(xué)文，楊懷志，楊 飛，梅 田，馬穎偉

（1.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081；3.中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，山東濟(jì)南 250001）

軌道幾何不平順是輪軌系統(tǒng)的激擾源，是引起機(jī)車(chē)車(chē)輛產(chǎn)生振動(dòng)和輪軌動(dòng)作用力的主要原因，對(duì)列車(chē)的行車(chē)安全性、平穩(wěn)性、舒適性，車(chē)輛和軌道部件的壽命及環(huán)境噪聲有很重要的影響［1-2］。高速鐵路由于列車(chē)行駛速度快，要求軌道必須具有非常高的平順性［3-5］。

軌道幾何不平順檢測(cè)主要分動(dòng)態(tài)檢測(cè)和靜態(tài)檢測(cè)2 種方式［6-7］。高速鐵路動(dòng)態(tài)檢測(cè)主要是通過(guò)綜合檢測(cè)列車(chē)進(jìn)行周期性的檢測(cè)，能夠快速地反映軌道幾何不平順問(wèn)題，最高檢測(cè)速度可達(dá)到350 km/h［8］。高速鐵路靜態(tài)檢測(cè)主要是使用軌檢儀或軌測(cè)儀進(jìn)行軌道不平順的檢測(cè)［9］，其速度雖然慢，但軌測(cè)儀能夠得到軌道的絕對(duì)坐標(biāo)，結(jié)合設(shè)計(jì)資料可以得到平面位置的偏差、高程的絕對(duì)偏差、超高偏差、軌距偏差等，可以用于指導(dǎo)高速鐵路精調(diào)作業(yè)。

對(duì)高速鐵路無(wú)砟軌道不平順的整修主要是通過(guò)精調(diào)作業(yè)來(lái)完成。軌道精調(diào)分為靜態(tài)精調(diào)和動(dòng)態(tài)精調(diào)。靜態(tài)精調(diào)是指聯(lián)調(diào)聯(lián)試前的精調(diào)，在軌道應(yīng)力放散、線(xiàn)路鎖定、焊縫打磨之后，對(duì)軌道線(xiàn)形進(jìn)行優(yōu)化，將軌道幾何尺寸調(diào)整到允許范圍。動(dòng)態(tài)精調(diào)是指在聯(lián)調(diào)聯(lián)試、運(yùn)行試驗(yàn)、運(yùn)營(yíng)期間的精調(diào)，根據(jù)綜合檢測(cè)車(chē)動(dòng)態(tài)檢測(cè)情況對(duì)軌道局部缺陷進(jìn)行修復(fù)，對(duì)部分區(qū)段的幾何尺寸進(jìn)行微調(diào)。動(dòng)態(tài)精調(diào)的工作程序一般為：動(dòng)檢車(chē)動(dòng)態(tài)檢測(cè)→檢測(cè)數(shù)據(jù)分析→現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題核查→軌道小車(chē)檢查→確定調(diào)整方案→現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整→復(fù)核［10］。

雖然高速鐵路動(dòng)態(tài)檢測(cè)和靜態(tài)檢測(cè)都是對(duì)軌道幾何不平順進(jìn)行檢測(cè)，但由于其測(cè)量原理和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不一致，兩者的檢測(cè)數(shù)據(jù)之間并不能通用。目前我國(guó)主要通過(guò)動(dòng)檢車(chē)幅值和均值評(píng)價(jià)方法對(duì)高速鐵路幾何不平順進(jìn)行管理［11］。因此，急需研究用靜態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)反演動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)的方法，以便模擬評(píng)估精調(diào)前后軌道幾何狀態(tài)在動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)的大致情況。此外，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，軌道精調(diào)作業(yè)用時(shí)已占到年度整修工作用時(shí)的70%以上，因此對(duì)于軌道精調(diào)作業(yè)效果以及精調(diào)作業(yè)時(shí)機(jī)，還需要進(jìn)行探討。

1 無(wú)砟軌道精測(cè)精調(diào)技術(shù)

無(wú)砟軌道精測(cè)要用到軌道測(cè)量?jī)x，軌道測(cè)量?jī)x包含全站儀和軌道測(cè)量小車(chē)。其檢測(cè)原理是通過(guò)線(xiàn)路兩側(cè)8 個(gè)CPⅢ點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算全站儀坐標(biāo)，用全站儀坐標(biāo)計(jì)算軌道測(cè)量小車(chē)所在軌枕上的鋼軌絕對(duì)坐標(biāo)，并計(jì)算其與設(shè)計(jì)坐標(biāo)的偏差，得到精測(cè)數(shù)據(jù)［12-14］。通過(guò)對(duì)精測(cè)數(shù)據(jù)作轉(zhuǎn)換格式等操作，利用模擬精調(diào)軟件進(jìn)行模擬精調(diào)，輸出可視化的模擬調(diào)整后線(xiàn)形及每根鋼軌調(diào)整量，用于指導(dǎo)精調(diào)作業(yè)。

無(wú)砟軌道精調(diào)是利用無(wú)砟軌道精調(diào)軟件模擬的調(diào)整量改變軌道平順度，使得線(xiàn)路線(xiàn)形趨于理想的一種方法。高速鐵路對(duì)軌道精調(diào)的精度要求很高。

為優(yōu)化軌道精調(diào)作業(yè)組織，提高軌道精調(diào)效率，可使用軌道測(cè)量?jī)x和軌道檢查儀，用以下方法組織軌道精調(diào)。

1）按照作業(yè)要求進(jìn)行軌道精測(cè)，測(cè)量鋼軌對(duì)應(yīng)軌枕處的絕對(duì)坐標(biāo)。若精測(cè)地段CPⅢ高程精度無(wú)法滿(mǎn)足8 個(gè)點(diǎn)精度均合格的要求，可根據(jù)其高程能夠滿(mǎn)足要求的點(diǎn)位進(jìn)行選擇，最少選擇2 個(gè)點(diǎn)并在其前后段的精測(cè)設(shè)站過(guò)程中始終選用這些點(diǎn)位。需要明確的是，該測(cè)量方法能夠滿(mǎn)足200～300 m 內(nèi)的絕對(duì)測(cè)量，其對(duì)鋼軌相對(duì)偏差的測(cè)量誤差隨與所選點(diǎn)位的距離逐漸增大，故不適于長(zhǎng)范圍內(nèi)的精測(cè)。這種方法對(duì)于鋼軌絕對(duì)位置的測(cè)量存在偏差，但不影響軌道精調(diào)作業(yè)質(zhì)量。

2）軌道精測(cè)后按照設(shè)計(jì)基準(zhǔn)線(xiàn)對(duì)線(xiàn)形進(jìn)行模擬調(diào)整，調(diào)整后的線(xiàn)形相對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)可略有偏差，但偏差應(yīng)在設(shè)計(jì)線(xiàn)形同一側(cè)并保持穩(wěn)定或平穩(wěn)變化。若模擬調(diào)整后線(xiàn)形出現(xiàn)較大幅度變化則說(shuō)明精調(diào)效果不佳，反映在綜合檢測(cè)列車(chē)上為不平順?lè)宸逯底兓枯^大，軌道質(zhì)量指數(shù)均值較大。

3）根據(jù)軌道精調(diào)作業(yè)要求，按照模擬調(diào)整給出的精調(diào)量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)軌道精調(diào)施工，盡可能消除0.5 mm以上的軌距變化率、軌距、水平偏差及0.5 mm 以上的軌距擋板（擋塊等）與鋼軌軌底角間的離縫。若軌距擋板（擋塊等）與鋼軌軌底角間的離縫不在軌距擋板（擋塊等）的可調(diào)范圍內(nèi)，更換軌距擋板不能消除該處離縫，則可通過(guò)螺栓扣緊的先后順序來(lái)消除這一離縫。如：鋼軌右側(cè)軌底與擋板間存在0.3 mm 離縫，可通過(guò)將該處及其前后鋼軌扣件松開(kāi)，先緊固右側(cè)螺栓至消除該處離縫，再緊固左側(cè)螺栓使鋼軌左右位置不變，最后將左右扣件緊固至扣壓力達(dá)標(biāo)，即可實(shí)現(xiàn)消除離縫的目的。該作業(yè)方法也可用于軌距變化率或軌向的調(diào)整。

4）對(duì)鋼軌高低、軌向進(jìn)行調(diào)整后，可利用軌道檢查儀全面檢測(cè)精調(diào)區(qū)段，并匯總出軌道質(zhì)量指數(shù)及每根鋼軌上的軌距、軌距變化率、水平及短波內(nèi)的高低、軌向數(shù)據(jù)，按照軌距、水平±0.5 mm，軌距變化率0.43 mm，高低、軌向±1 mm 進(jìn)行顏色標(biāo)注，對(duì)軌道質(zhì)量指數(shù)的分項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)分項(xiàng)中較大的項(xiàng)目按照標(biāo)注顏色后的區(qū)段進(jìn)行再次調(diào)整，從而降低軌道質(zhì)量指數(shù)。

2 用靜態(tài)精測(cè)數(shù)據(jù)反演動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)的方法

軌道幾何靜態(tài)精測(cè)的原理是運(yùn)用全站儀、軌檢小車(chē)、棱鏡等對(duì)軌道的實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，并與軌道的理論設(shè)計(jì)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，得到實(shí)際軌道位置與理論軌道位置的偏差。全站儀和棱鏡主要用于測(cè)量距離和角度，軌檢小車(chē)用于測(cè)量軌距、水平、高低等參數(shù)。

我國(guó)軌道幾何動(dòng)態(tài)檢測(cè)主要采用慣性基準(zhǔn)法，原理是利用加速度計(jì)或陀螺建立一個(gè)慣性參考基準(zhǔn)，然后再利用位移傳感器等來(lái)測(cè)量軌道與基準(zhǔn)的相對(duì)關(guān)系，從而得到所需的軌道幾何參數(shù)。軌道幾何動(dòng)態(tài)檢測(cè)中的高低和軌向是相對(duì)測(cè)量，其檢測(cè)波長(zhǎng)被限制在特定的范圍內(nèi)。這是因?yàn)橐焖俚貙④壍郎洗嬖诘牟黄巾樛耆珳?zhǔn)確地檢測(cè)出來(lái)是很困難的，且車(chē)輛只對(duì)此波長(zhǎng)范圍的軌道不平順有響應(yīng)。如我國(guó)中波高低和軌向波長(zhǎng)為1.5～42.0 m；長(zhǎng)波高低和軌向波長(zhǎng)為1.5～70.0 m或1.5～120.0 m。

由于軌道幾何靜態(tài)精測(cè)是絕對(duì)測(cè)量，精測(cè)數(shù)據(jù)包含了各種波長(zhǎng)成分，因此要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)母咄V波器濾出動(dòng)態(tài)檢測(cè)不需要的波長(zhǎng)成分，保留所需的波長(zhǎng)成分，以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的反演。濾波器的設(shè)計(jì)是不平順?lè)囱莺脡牡年P(guān)鍵。

經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的大量分析和對(duì)各種類(lèi)型濾波器的研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)窗函數(shù)濾波器的級(jí)聯(lián)或并聯(lián)，在一定程度上可以改善濾波器的性能。本文采用多個(gè)矩形窗級(jí)聯(lián)的方法優(yōu)化濾波器，使幅頻響應(yīng)曲線(xiàn)的極大值點(diǎn)與極小值點(diǎn)交替出現(xiàn)，且高通濾波器通帶內(nèi)波動(dòng)盡可能地小和相等。該濾波器的相位特性滿(mǎn)足線(xiàn)性相位條件，其傳遞函數(shù)為

式中：k為截止波長(zhǎng)；m= 0.829k；n= 0.646k。

將經(jīng)過(guò)式（1）濾波的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行FIR（finite impulse response）帶通濾波器濾波，帶通濾波器濾波的截止波長(zhǎng)與我國(guó)動(dòng)態(tài)軌道不平順檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中的高低、軌向波長(zhǎng)一致，如1.5～42.0 m，采用矩形窗。由于靜態(tài)精測(cè)的數(shù)據(jù)采樣間隔與動(dòng)態(tài)檢測(cè)的采樣間隔并不相同，還需要進(jìn)行內(nèi)插轉(zhuǎn)換，一般靜態(tài)檢測(cè)采樣間隔為0.65 m，動(dòng)態(tài)檢測(cè)采樣間隔為0.25 m。

利用某高鐵一段精測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，軌測(cè)儀靜態(tài)精測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1，用其反演的動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2，靜態(tài)反演數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖1 軌測(cè)儀靜態(tài)精測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 用靜態(tài)數(shù)據(jù)反演的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)

圖3 K11—K12區(qū)段靜態(tài)反演數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖3可見(jiàn)，靜態(tài)反演數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)之間個(gè)別地方還是存在微小的差異。這主要是由以下2個(gè)方面造成的：

1）設(shè)計(jì)的濾波器與綜合檢測(cè)列車(chē)實(shí)際檢測(cè)系統(tǒng)中的濾波器不可能完全相同；

2）動(dòng)態(tài)檢測(cè)是在有載的狀態(tài)下進(jìn)行，靜態(tài)檢測(cè)是在無(wú)載的狀態(tài)下進(jìn)行，當(dāng)在有載情況下進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的一些變形如軌道板波長(zhǎng)會(huì)進(jìn)入到信號(hào)中，見(jiàn)圖4。

圖4 靜動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)頻域?qū)Ρ?/p>

圖4中，雖然個(gè)別地方存在微小差異，但仍可以滿(mǎn)足TJ/G W126—2014《軌道檢測(cè)系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》［15］規(guī)定的同一軌道檢測(cè)系統(tǒng)2次檢測(cè)數(shù)據(jù)之間差異值控制在95%且不大于1 mm 的要求，見(jiàn)圖5。因此，利用此方法可以將靜態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)通用，不僅能對(duì)精調(diào)效果予以靜態(tài)評(píng)估，還可預(yù)測(cè)精調(diào)作業(yè)的動(dòng)態(tài)評(píng)估結(jié)果，促進(jìn)精調(diào)作業(yè)快速滿(mǎn)足靜動(dòng)態(tài)軌道幾何不平順的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 反演數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差異值的累計(jì)分布率

3 無(wú)砟軌道精調(diào)作業(yè)效果評(píng)估

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，由于高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)平面的橫向穩(wěn)定性較強(qiáng)，線(xiàn)路軌向不平順的超限很少。絕大多數(shù)的精調(diào)作業(yè)主要是解決高低不平順問(wèn)題，并進(jìn)行軌向不平順的調(diào)整。一高速鐵路線(xiàn)路某段區(qū)段精調(diào)前后的波形對(duì)比見(jiàn)圖6。

圖6 某區(qū)段精調(diào)前后單項(xiàng)高低、軌向波形對(duì)比

由圖6可見(jiàn)，單項(xiàng)高低（左高低或右高低）精調(diào)前后變化明顯，軌向只是稍有變化。精調(diào)區(qū)段前后單項(xiàng)高低不平順?lè)狄?jiàn)圖7。可見(jiàn)，所有區(qū)段單項(xiàng)高低精調(diào)后幅值的分布范圍都有明顯的變窄，幅值最大值都有所降低，精調(diào)后單項(xiàng)高低不平順改善明顯。

對(duì)京滬、蘭新、滬寧、沈大高速鐵路精調(diào)作業(yè)區(qū)段高低標(biāo)準(zhǔn)差改善量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，精調(diào)后單項(xiàng)高低標(biāo)準(zhǔn)差改善量的累計(jì)分布率見(jiàn)圖8。可知目前單項(xiàng)高低標(biāo)準(zhǔn)差最大改善量為1.0 mm，改善量分布見(jiàn)表1。

圖7 精調(diào)區(qū)段前后單項(xiàng)高低不平順?lè)迪渚€(xiàn)

圖8 精調(diào)后單項(xiàng)高低標(biāo)準(zhǔn)差改善量的累計(jì)分布率

表1 精調(diào)后單項(xiàng)高低標(biāo)準(zhǔn)差改善量的累計(jì)分布率

精調(diào)前單項(xiàng)高低標(biāo)準(zhǔn)差與精調(diào)改善量的關(guān)系見(jiàn)圖9，基本遵循精調(diào)前單項(xiàng)高低標(biāo)準(zhǔn)差大，精調(diào)后改善量大的規(guī)律。

圖9 精調(diào)改善量與精調(diào)前單項(xiàng)高低標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系

兩者之間呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，能夠用線(xiàn)性很好地?cái)M合。擬合式為

由式（2）可知，當(dāng)單項(xiàng)高低標(biāo)準(zhǔn)差在0.3～0.4 mm時(shí)精調(diào)作業(yè)基本無(wú)效果；當(dāng)單項(xiàng)高低標(biāo)準(zhǔn)差為0.5 mm時(shí)精調(diào)作業(yè)后改善量約0.1 mm；當(dāng)單項(xiàng)高低標(biāo)準(zhǔn)差為1.0 mm時(shí)精調(diào)作業(yè)后改善量約0.5 mm。

4 結(jié)論

1）提出了用靜態(tài)精測(cè)數(shù)據(jù)反演動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)的方法，能將靜態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)通用，能夠?qū){(diào)效果進(jìn)行評(píng)估，促進(jìn)精調(diào)作業(yè)快速優(yōu)質(zhì)地完成，節(jié)省成本。

2）單項(xiàng)高低（左高低或右高低）精調(diào)前后變化明顯，軌向只是稍有變化。

3）對(duì)京滬、蘭新、滬寧、沈大高速鐵路精調(diào)作業(yè)區(qū)段高低標(biāo)準(zhǔn)差改善量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可知目前單項(xiàng)高低標(biāo)準(zhǔn)差最大改善量約1.0 mm。

4）精調(diào)前單項(xiàng)高低標(biāo)準(zhǔn)差與精調(diào)改善量之間呈現(xiàn)良好的相關(guān)性。當(dāng)單項(xiàng)高低標(biāo)準(zhǔn)差在0.3～0.4 mm時(shí)精調(diào)作業(yè)基本無(wú)效果，為0.5 mm 時(shí)精調(diào)作業(yè)后改善量約0.1 mm，為1.0 mm 時(shí)精調(diào)作業(yè)后改善量約0.5 mm。