基于智能型全站儀的火箭撬滑軌平面平順性測(cè)控技術(shù)研究

羅朱檸

中鐵十一局集團(tuán)第三工程有限公司，湖北十堰430301

火箭撬滑軌是航空航天以及武器研發(fā)領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。其核心技術(shù)在于要達(dá)到百萬分之一的軌道直線性相對(duì)精度［1］，在安裝測(cè)控過程中涉及軌道的精密加工、焊接、焊縫超聲波探傷、軌道直線度測(cè)量、軌道平面和高程位置的調(diào)整等技術(shù)［2］。而其中的軌道直線度精密測(cè)量和軌道平面及高程位置的精確調(diào)整，在世界范圍內(nèi)都屬于高難度的測(cè)控技術(shù)，如今能夠建造火箭撬軌道的國家只有美國、英國、俄羅斯、法國和中國［3］。

滑軌的精密測(cè)控是火箭撬滑軌建造期的關(guān)鍵技術(shù)之一。為保證滑軌的高平順性，滑軌測(cè)控的絕對(duì)位置精度和相對(duì)位置精度都應(yīng)達(dá)到0.2 mm［4］，這對(duì)常用的測(cè)量設(shè)備和方法而言都是一種考驗(yàn)。在已建成的火箭撬滑軌工程中，有使用激光跟蹤儀測(cè)控滑軌平順性的成功經(jīng)驗(yàn)［5］，然而激光跟蹤儀價(jià)格昂貴，且對(duì)使用環(huán)境和條件限制頗多［6］。瑞士徠卡公司生產(chǎn)的TS60智能型全站儀，其水平方向測(cè)量的標(biāo)稱精度為0.5″，距離測(cè)量的標(biāo)稱精度為0.6 mm±1μm，是目前精度最高的全站儀，已經(jīng)在高速鐵路精密工程測(cè)量領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在高速鐵路軌道板和軌道平順性測(cè)量中使用高精度智能型全站儀進(jìn)行自由設(shè)站測(cè)量，其設(shè)站精度可達(dá)到亞毫米級(jí)［7］，因此智能型全站儀有望應(yīng)用于火箭撬滑軌的平順性精密測(cè)控。

本文在西南交通大學(xué)測(cè)量試驗(yàn)場(chǎng)和內(nèi)蒙古一處基地已建成的9 km火箭撬滑軌上進(jìn)行多次測(cè)量試驗(yàn)，探究使用高精度智能型全站儀在火箭撬滑軌兩側(cè)建立平面控制網(wǎng)，并采用多控制點(diǎn)后方邊角交會(huì)測(cè)量的方法，能否達(dá)到火箭撬滑軌平面平順性測(cè)控的精度要求，并驗(yàn)證此方法進(jìn)行軌道平面平順性測(cè)控的效率。

1 全站儀邊角后方交會(huì)測(cè)量設(shè)站精度

在西南交通大學(xué)測(cè)量試驗(yàn)場(chǎng)中布設(shè)了8個(gè)控制點(diǎn)組成的平面控制網(wǎng)，控制點(diǎn)成對(duì)布設(shè)，點(diǎn)對(duì)內(nèi)點(diǎn)間橫向間距為60 m，點(diǎn)對(duì)間縱向間距為80 m，如圖1所示。

圖1 西南交通大學(xué)測(cè)量試驗(yàn)場(chǎng)控制網(wǎng)測(cè)量網(wǎng)形示意

為提高控制網(wǎng)的測(cè)量精度，8個(gè)控制點(diǎn)用3個(gè)自由測(cè)站進(jìn)行邊角聯(lián)測(cè)構(gòu)網(wǎng)，其中控制網(wǎng)兩端的兩個(gè)自由測(cè)站（圖1中的cd1、cd3兩個(gè)測(cè)站）分別位于本測(cè)站的第一對(duì)和第二對(duì)控制點(diǎn)的中間位置，并僅測(cè)量靠近本測(cè)站的3對(duì)控制點(diǎn)；中間的自由測(cè)站（圖1中cd2測(cè)站）對(duì)全部4對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

為了能夠比較利用上述平面控制網(wǎng)進(jìn)行多次后方交會(huì)測(cè)量得到的設(shè)站點(diǎn)坐標(biāo)的重復(fù)性較差情況，在控制網(wǎng)的中心位置（自由測(cè)站點(diǎn)cd2）安置了一個(gè)強(qiáng)制對(duì)中樁（圖2），因此cd2點(diǎn)既是控制網(wǎng)測(cè)量時(shí)的自由測(cè)站點(diǎn)，又是后續(xù)驗(yàn)證后方邊角交會(huì)測(cè)量精度的設(shè)站點(diǎn)。

圖2 強(qiáng)制對(duì)中樁

進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)時(shí)，在各控制點(diǎn)上使用穩(wěn)定的木質(zhì)腳架架設(shè)精密棱鏡，棱鏡基座須精密整平。棱鏡中心即作為平面控制點(diǎn)，整個(gè)試驗(yàn)過程中8個(gè)控制點(diǎn)的棱鏡位置保持不動(dòng)，僅隨測(cè)站位置的變化轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)棱鏡的方向，因此整個(gè)試驗(yàn)測(cè)量過程中沒有對(duì)中誤差的影響。

為保證測(cè)量試驗(yàn)的精度，試驗(yàn)選擇在夜間進(jìn)行，按照?qǐng)D1所示網(wǎng)形對(duì)8個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行自由測(cè)站測(cè)量，建立平面控制網(wǎng)。測(cè)量過程每個(gè)測(cè)站的水平方向和距離觀測(cè)限差嚴(yán)格按照TB 10601—2009《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中的二等平面精度［8］要求執(zhí)行。外業(yè)測(cè)量完成后，以中間測(cè)站的全站儀站心（圖1中cd2點(diǎn)）為坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)平面控制網(wǎng)進(jìn)行自由網(wǎng)平差，網(wǎng)平差精度達(dá)到規(guī)范要求后，將站心坐標(biāo)系下的平差坐標(biāo)作為各個(gè)控制點(diǎn)的最終坐標(biāo)。再利用這8個(gè)控制點(diǎn)的最終坐標(biāo)，在強(qiáng)制對(duì)中樁（圖1中cd2點(diǎn)）上進(jìn)行3次獨(dú)立的邊角后方交會(huì)測(cè)量，每次測(cè)量間隔10 min左右，并且每次設(shè)站測(cè)量前均要求重新整平全站儀。最后統(tǒng)計(jì)設(shè)站點(diǎn)坐標(biāo)及其精度，3次設(shè)站測(cè)量的結(jié)果見表1。

表1 3次邊角后方交會(huì)測(cè)量設(shè)站點(diǎn)坐標(biāo)及精度

由表1可知：3次測(cè)量設(shè)站點(diǎn)的坐標(biāo)分量較差均小于0.1 mm，設(shè)站點(diǎn)的x、y坐標(biāo)中誤差也均小于0.2 mm，這說明使用智能型全站儀，在火箭撬滑軌兩側(cè)建立二等平面控制網(wǎng)，并采用多控制點(diǎn)后方邊角交會(huì)測(cè)量的方法，對(duì)火箭撬滑軌進(jìn)行平面位置測(cè)控，其精度可以達(dá)到火箭撬滑軌的精度要求（0.2 mm）。因此該方法可以應(yīng)用于火箭撬滑軌的平面平順性精密測(cè)控。

2 基于智能型全站儀的滑軌平面平順性測(cè)控方案及其現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

為進(jìn)一步驗(yàn)證基于智能型全站儀進(jìn)行火箭撬滑軌平面平順性測(cè)控的可行性，在內(nèi)蒙古一處基地長(zhǎng)度為9 km的火箭撬滑軌上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)段位于滑軌起點(diǎn)附近。這是一段軌道平面平順性已經(jīng)經(jīng)過測(cè)控并滿足要求的滑軌，但是在經(jīng)過多次的火箭撬試驗(yàn)之后可能有些段落的軌道平順性已經(jīng)發(fā)生變化而達(dá)不到要求。本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)的目的是采用本文的方法測(cè)量一段50 m左右的軌道，之后觀察測(cè)量結(jié)果是否能夠滿足相鄰測(cè)點(diǎn)橫向偏距之差小于0.2 mm的平面平順性要求，以及觀察各個(gè)測(cè)站的設(shè)站精度能否滿足x、y坐標(biāo)分量中誤差小于0.2 mm的要求。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)平面基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)情況及其起算數(shù)據(jù)

測(cè)量試驗(yàn)前，在滑軌兩側(cè)的地面上布設(shè)平面控制網(wǎng)，控制點(diǎn)成對(duì)布設(shè)，點(diǎn)對(duì)內(nèi)點(diǎn)間橫向間距、縱向間距均為80 m，共布設(shè)7對(duì)控制點(diǎn)，布設(shè)的平面控制網(wǎng)如圖3所示。仿照高速鐵路CPⅢ控制點(diǎn)的埋設(shè)方法，先在選好的點(diǎn)位埋設(shè)觀測(cè)墩，然后在觀測(cè)墩頂部埋入預(yù)埋件，再在預(yù)埋件中插入棱鏡桿，最后在棱鏡桿上安裝精密棱鏡，棱鏡中心位置即為控制點(diǎn)位置。圖3中C03—C11點(diǎn)是火箭撬滑軌的基準(zhǔn)樁，位于承軌臺(tái)東側(cè)約0.1 m處，相鄰基準(zhǔn)樁縱向間距約為60 m，由中國科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所建立并施測(cè)，具有很高的三維點(diǎn)位精度。本文的平面控制網(wǎng)測(cè)量時(shí)要求聯(lián)測(cè)這些基準(zhǔn)樁，并把這些基準(zhǔn)樁作為滑軌平面控制網(wǎng)平差計(jì)算的起算點(diǎn)，以便將平面控制網(wǎng)坐標(biāo)統(tǒng)一到火箭撬滑軌工程獨(dú)立坐標(biāo)系中。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)滑軌平面控制網(wǎng)布設(shè)情況

2.2 基于智能型全站儀的滑軌平面平順性測(cè)控方案

首先是將智能型全站儀通過工裝夾具直接架設(shè)在滑軌上，然后向兩側(cè)的至少8個(gè)平面控制點(diǎn)進(jìn)行邊角后方交會(huì)測(cè)量，之后計(jì)算出全站儀中心的平面坐標(biāo)及其精度，而通過工裝夾具的設(shè)計(jì)使全站儀的中心即為滑軌的中心，據(jù)此測(cè)量各處滑軌中心的坐標(biāo)，最后通過相鄰點(diǎn)滑軌中心的坐標(biāo)，分析滑軌的平面平順性。

為了將全站儀穩(wěn)定地架設(shè)在滑軌上，并且使全站儀中心與滑軌中心在同一鉛垂線上，本文設(shè)計(jì)了一種將全站儀安裝在滑軌上的專用工裝夾具，如圖4所示。夾具內(nèi)側(cè)面的兩個(gè)螺栓用于把夾具固定在滑軌上，并使其頂部的基座中心與軌道中心一致；夾具外側(cè)的兩個(gè)螺栓用于防止全站儀裝在夾具上意外傾倒；夾具頂部的三個(gè)螺栓用于整平夾具。使用此工裝夾具，可以將全站儀直接架設(shè)在滑軌上待測(cè)量的各個(gè)位置。

圖4 全站儀專用工裝夾具示意

為保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)的精度，本次測(cè)量試驗(yàn)仍在夜間進(jìn)行。采用自由測(cè)站邊角交會(huì)法，以中國科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所建立的基準(zhǔn)點(diǎn)C03—C11點(diǎn)作為已知控制點(diǎn)，對(duì)滑軌平面控制網(wǎng)進(jìn)行建網(wǎng)測(cè)量，獲得各個(gè)控制點(diǎn)在滑軌工程獨(dú)立坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

之后依據(jù)滑軌兩側(cè)的平面控制網(wǎng)，使用工裝夾具把智能型全站儀直接架設(shè)在火箭撬滑軌上的某一個(gè)測(cè)點(diǎn)［9］，采用多控制點(diǎn)后方邊角交會(huì)測(cè)量的方法，測(cè)量試驗(yàn)段滑軌每個(gè)扣件處的平面坐標(biāo)，每次測(cè)量需要后視測(cè)站前后各2對(duì)（共8個(gè)）的平面控制點(diǎn)，如圖5所示，并記錄每一扣件處的設(shè)站坐標(biāo)及精度。

圖5 多控制點(diǎn)后方邊角交會(huì)測(cè)量滑軌平面坐標(biāo)原理示意

2.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果及其數(shù)據(jù)分析

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量了滑軌第13—15號(hào)三片梁共計(jì)45個(gè)扣件，每一扣件處設(shè)站點(diǎn)橫向、縱向坐標(biāo)中誤差（即設(shè)站精度）統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖6。可知，所有測(cè)站測(cè)量的x、y坐標(biāo)中誤差均不超過0.2 mm，滿足火箭撬滑軌平面平順性測(cè)控的精度要求。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)各個(gè)測(cè)站設(shè)站精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由于軌道工程獨(dú)立坐標(biāo)系的y軸為軌道的縱向，x軸為垂直于軌道的橫向，因此對(duì)相鄰兩個(gè)扣件處全站儀站心坐標(biāo)中的x坐標(biāo)值求差，即得到相鄰扣件處滑軌的橫向偏距較差。

本次測(cè)量的這段軌道的橫向偏距較差見表2?；鸺嘶壠矫嫦鄬?duì)平順性精度要求是相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的橫向偏距較差應(yīng)不超過±0.2 mm。由表2可知，這段滑軌大部分位置（占77.3%）的相對(duì)平順性能夠滿足要求，個(gè)別位置相對(duì)平順性略差，橫向偏距較差最大值為0.6 mm。

表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相鄰扣件處滑軌橫向偏距較差 mm

3 結(jié)論

1）使用高精度智能型全站儀，在火箭撬滑軌兩側(cè)建立橫縱向間距均為80 m左右的平面控制網(wǎng)，并采用多控制點(diǎn)后方邊角交會(huì)測(cè)量法，對(duì)軌道平面直線度進(jìn)行測(cè)量。該方法能夠達(dá)到火箭橇滑軌調(diào)軌的精度要求，即軌道上各個(gè)測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)分量中誤差小于±0.2 mm和同一個(gè)測(cè)點(diǎn)多次獨(dú)立測(cè)量的坐標(biāo)分量較差小于0.2 mm的重復(fù)性測(cè)量較差要求。

2）采用本文方法進(jìn)行滑軌平面坐標(biāo)測(cè)量，測(cè)量一個(gè)測(cè)點(diǎn)需要150～180 s，測(cè)量速度主要取決于操作人員的熟練程度。耗時(shí)的工作主要在于全站儀專用工裝夾具的整平以及后方交會(huì)測(cè)量時(shí)人為瞄準(zhǔn)各個(gè)控制點(diǎn)的過程。所以，本方法在后續(xù)實(shí)際應(yīng)用中提高測(cè)量效率的途徑主要有：①進(jìn)一步改進(jìn)工裝夾具的整平方式以減少整平時(shí)間；②開發(fā)能夠控制智能型全站儀進(jìn)行多控制點(diǎn)后方邊角交會(huì)自動(dòng)測(cè)量的手機(jī)端APP應(yīng)用程序，以縮減全站儀瞄準(zhǔn)各個(gè)控制點(diǎn)及其測(cè)量的時(shí)間。

3）本方法的測(cè)量精度主要依賴于滑軌平面控制網(wǎng)的測(cè)量精度和全站儀工裝夾具的整平精度及全站儀的觀測(cè)精度。平面控制網(wǎng)的精度是軌道平面直線度測(cè)量的先決條件，應(yīng)采用分段測(cè)量和即測(cè)即用的模式。而全站儀的整平精度及其觀測(cè)精度則直接影響測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差。