高鐵重點監(jiān)測地段軌道變形測量評估分析方法研究

劉 林

中船勘察設(shè)計研究院有限公司 上海 200063

高鐵軌道應(yīng)注重重點地段的質(zhì)量控制，針對軌道變形情況展開測量，降低誘發(fā)因素對軌道變形的影響，保證軌道變形情況的控制效果。軌道變形測量需要對誤差進行控制，合理對測量方法進行使用，降低測量過程中存在的阻礙因素，形成完善的軌道變形測量環(huán)境。軌道變形屬于軌道質(zhì)量控制常見問題，需要注重相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，提高軌道變形的檢測水平。

1 高鐵重點監(jiān)測地段軌道變形誘發(fā)因素分析

高鐵重點地段存在軌道變形的風(fēng)險，需要明確軌道變形的誘發(fā)因素，提高軌道變形測量的針對性，保證列車能夠在軌道上平穩(wěn)運行。軌道變形受到周邊環(huán)境的影響，造成地面出現(xiàn)一定程度的下沉，使得軌道與地面存在縫隙，在高鐵重力作用下，軌道的損耗將會增加，并且會引起向下彎曲變形，導(dǎo)致高鐵行駛過程中存在顛簸感。地質(zhì)結(jié)構(gòu)是引起軌道變形的關(guān)鍵因素，將會影響到高鐵運行的穩(wěn)定性，需要明確地質(zhì)結(jié)構(gòu)的控制條件，降低軌道發(fā)生變形的風(fēng)險。高鐵長期運行環(huán)境下，軌道的損耗情況將會增加，并且對地表承載力造成破壞，成為軌道變形的誘發(fā)因素。軌道變形將會增加高鐵運行的風(fēng)險，需要對重點地段采取監(jiān)測措施，做好軌道變形的評估工作，避免軌道處理過程中發(fā)生問題，保障高鐵軌道建設(shè)能夠符合安全規(guī)定，提高變形檢測的測量評估水平[1]。

2 高鐵重點監(jiān)測地段軌道變形測量評估方法

2.1 控制點測量

軌道變形測量需要對地面控制點進行選擇，根據(jù)施工放樣情況選擇控制點，對地面測量環(huán)境進行把控，確保地面控制點檢測的嚴(yán)格性。地面控制點選擇應(yīng)在開闊的位置，地面高度角15°以內(nèi)不能存在遮擋，否則將會影響到對控制點的識別，無法將控制點集中在有效區(qū)域。地面控制點測量運用到GPS技術(shù)，按照《高速鐵路工程測量規(guī)范》（TB10601-2009）標(biāo)準(zhǔn)展開測量，需要做好測量精度方面的控制，測量環(huán)境應(yīng)遠(yuǎn)離無線電，距離不能低于200m，形成良好的測量環(huán)境。地面控制點檢測需要注重基線邊的控制，一般不能低于300m，邊長過短不利于精度的把控，將會影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性?？刂泣c測量需要設(shè)置加密編號，便于沿著軌道方向?qū)Φ孛纥c進行描述，通過連續(xù)編號采取分段測量的方式，有助于軌道地段局部變形的判斷。

2.2 軌道線形測量

軌道線形測量可確定軌道的變形情況，對軌道當(dāng)前狀態(tài)進行評估，獲得軌道的質(zhì)量信息。軌道線形測量采用車載全站儀、GNSS軌道測量儀等測量工具，對軌道的線形進行連續(xù)測量，具有較高的軌道測量效率，滿足高精度的測量條件。實際上，軌道線形測量注重多種設(shè)備的結(jié)合，全站儀與導(dǎo)軌測量聯(lián)合使用，使測量條件更加完善，確保導(dǎo)軌測量方法的有效性。軌道線形測量示意圖如圖1所示，軌道測量過程中選擇4對控制點，車載全站儀慣導(dǎo)型導(dǎo)軌測量儀完成線形測量，確定軌道的拱度和沉降情況，保證導(dǎo)軌測量工作能夠有序開展。軌道線形測量設(shè)站間距通常在60-100m之間，采取段距離分布的測量方式，提高軌道測量的規(guī)范性，并且需要對站點誤差進行控制，其中橫向、縱向、高程誤差不能超過1mm，方向角誤差不能超過2″，確保軌道具有良好的線形，提高對軌道精度的控制水平[2]。

2.3 線路中線調(diào)整

軌道變形將會引起線路紅線的變化，通過中線偏差可判斷軌道的變形情況，為軌道偏差的調(diào)整提供依據(jù)。對于存在彎度的軌道，隨著高鐵行駛過程的累積，軌道將會向外側(cè)彎曲，導(dǎo)致線路中線向軌道外側(cè)偏移。線路中線是診斷軌道變形的有效措施之一，可結(jié)合中線情況對軌道進行調(diào)整，發(fā)揮出軌道測量的作用。線路中線偏移是軌道變形判斷的基準(zhǔn)條件，需要注重基準(zhǔn)線的選取，以軌道的設(shè)計中線位置為依據(jù)，確保軌道測量過程能夠發(fā)揮作用，實現(xiàn)對線路中線的合理運用。軌道實際中線的確定通常采用描點法，若軌道為直道，可在軌道一側(cè)作垂線尋找軌道的中心點，將多組對應(yīng)點連接形成中線；若軌道為彎道，可在外側(cè)軌道作一條法線，通過法線及另一側(cè)軌道確定中心點，接著由多組對應(yīng)點確定中線位置。

2.4 軌道不平順性

軌道變形可通過幾何狀態(tài)進行判斷，變形后將會影響到軌道的平順性，導(dǎo)致區(qū)段內(nèi)軌道質(zhì)量下降，需要做好軌道的處理工作，結(jié)合軌道幾何特征展開分析，確定軌道平順性所處條件。軌道平順性可采用質(zhì)量指數(shù)進行衡量，確定不同區(qū)段軌道的特征情況。軌道質(zhì)量指數(shù)計算公式如下：

式中，xij為200m區(qū)段內(nèi)各項平順性指標(biāo)；為單項幾何不平順性指標(biāo)均值；σj為單項幾何不平順性指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差；i取值為1,2,…,n；j取值為1,2,…,7。通過這種方式，可對軌道的線形特征進行量化，提高軌道線形評估的精準(zhǔn)性。軌道不平順性評估可確定軌道的變形情況，評測方法上具有一定的復(fù)雜性，通常每200m作為一個測量分段，圍繞軌道不平順性進行評估。其中，不平順性指標(biāo)越大，說明軌道的變形情況越嚴(yán)重，易于對軌道變形特征進行判斷[3]。

2.5 測量精度評定

測量精準(zhǔn)評定是實現(xiàn)軌道精準(zhǔn)測量的關(guān)鍵，需要借助三維空間坐標(biāo)進行精度上的評估，滿足測量精度的評定要求。軌道變形測量分為直接測量和間接測量，其中，采用檢測儀器得到的測量結(jié)果為直接測量，自動對軌道的測量數(shù)據(jù)進行記錄，減少軌道變形測量環(huán)節(jié)的中間過程；間接測量需要對軌道數(shù)據(jù)進行采集，采用數(shù)學(xué)方法得出測量結(jié)果，注重評估過程的具體實現(xiàn)，便于針對測量評估環(huán)節(jié)展開設(shè)計。無論采用何種軌道變形測量方式，均需要對測量精度進行控制，將偏差影響控制在較低水平，使測量精度控制能夠發(fā)揮作用。由于軌道變形測量基于空間坐標(biāo)進行，需要注重水平與垂直方向的誤差分析，需要對誤差情況進行嚴(yán)格評定，如垂直沉降測量誤差不能超過1.0mm、水平位移測量誤差不能超過1.5mm，做好測量環(huán)節(jié)的偏差控制，提高變形測量評估的精度控制效果。

3 高鐵重點監(jiān)測地段軌道變形測量評估案例

3.1 工程概況

滬蓉快速鐵路通道六安～獨山區(qū)間，全長2065.74m。采用32m及跨度24m跨度雙線混凝土簡支梁，混凝土圓端實體橋墩，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。該工程采用車載全站儀、GNSS軌道測量儀對軌道變形情況進行評估，每200m作為一個測量路段，對軌道變形情況進行全面檢測，配出軌道工程中存在的變形風(fēng)險，保障高鐵能夠在軌道上穩(wěn)定行駛，基于軌道變形隱患進行防范，使高鐵軌道質(zhì)量得到了有效控制。

3.2 軌道線形檢測

軌道線形決定著列車的運行質(zhì)量，需要對線形進行檢測和復(fù)驗，通過全站儀、GNSS對軌道線形進行檢測，明確軌道線形的控制條件。軌道線型檢測對重點地段進行了劃分，采取具有針對的檢測措施，提高對重點地段軌道變形的防范作用，對變形測量數(shù)據(jù)進行嚴(yán)格把關(guān)。軌道線形檢測需要把控數(shù)據(jù)的質(zhì)量，結(jié)合測量數(shù)據(jù)進行集成評估，對軌道變形數(shù)據(jù)進行瀏覽，注重軌道變形檢測成果的展示，便于對軌道變形情況進行處理。軌道線形數(shù)據(jù)應(yīng)輸入到監(jiān)測系統(tǒng)中，用于對軌道數(shù)據(jù)進行綜合處理，提高對軌道數(shù)據(jù)的處理效率，便于對軌道變形情況進行總結(jié)，實現(xiàn)軌道變形信息的匯總。軌道變形監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，實現(xiàn)重點地段軌道數(shù)據(jù)采集、分析、監(jiān)控全過程，軌道變形數(shù)據(jù)匯總將更加集成化，將全站儀、GNSS與監(jiān)測系統(tǒng)建立連接，使軌道線形監(jiān)測更具有可靠性。軌道線型檢測注重多點預(yù)測，構(gòu)建穩(wěn)定性較強的數(shù)據(jù)檢測條件，結(jié)合指標(biāo)限定條件對軌道變形情況進行預(yù)警，便于對軌道變形情況進行監(jiān)測，實現(xiàn)軌道變形情況的整體把控[4]。軌道線形檢測能夠形成多方面的預(yù)警，將軌道信息錄入到監(jiān)測系統(tǒng)中，在檢測方法上將更具有全面性，提高軌道變形信息的處理效率，全面提高軌道變形的控制能力，基于軌道的整體情況進行考量，提高軌道線形檢測的智能化水平。

3.3 測量精度校驗

測量精度校驗在軌道變形分析中具有必要性，需要滿足軌道變形的精度控制條件，確保變形檢測誤差的可控性。軌道檢測應(yīng)注重橫向偏差及縱向偏差的控制，關(guān)注軌道線形變化的累積情況，將偏差維持在1.0mm范圍內(nèi)，防止產(chǎn)生較大的偏差變化量。測量精度校驗主要分為兩種方法：第一，對重點地段鐵軌變形情況進行多次測量，通過取平均值的方式降低誤差，直至精度控制到達(dá)1.0mm標(biāo)準(zhǔn)。第二，采用上下行測量方法，沿著相反方向?qū)φ`差進行校驗，將上下行誤差作用于相同地段，取上下行測量的均值提高變形測量精度。通過測量精度校驗?zāi)軌蚋纳栖壍赖臏y量質(zhì)量，提高軌道精度的控制效果，降低偶然因素對軌道測量結(jié)果的影響。精度校驗可明顯改善測量質(zhì)量，確保測量結(jié)果接近于實際情況，為軌道線形調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持，提高軌道偏差控制的標(biāo)準(zhǔn)化水平。

3.4 軌道平順性分析

通過平順性分析可對軌道質(zhì)量進行衡量，對軌道的質(zhì)量指數(shù)進行判斷，滿足軌道質(zhì)量分析的控制要求。軌道平順性指標(biāo)受到高鐵時速的影響，本工程高鐵設(shè)計時速為160km/h，結(jié)合T200軌道不平順質(zhì)量指標(biāo)TQI管理值標(biāo)準(zhǔn)要求，軌道質(zhì)量指數(shù)應(yīng)控制在11mm以內(nèi)，保障軌道具有良好的平順性。以某路段上下行軌道檢測為例，上行檢測TQI值為5.98mm＜11mm，下行檢測TQI值為6.08mm＜11mm，說明該段軌道的平順性滿足指標(biāo)要求。軌道平順性分析在變形控制中具有重要作用，有助于改善軌道質(zhì)量的控制條件，提供軌道質(zhì)量控制的量化依據(jù)，可作為軌道線形改善的判斷依據(jù)，保障高鐵軌道具有良好的線形狀態(tài)。

本工程中，軌道平順性采用主動控制方法，針對軌道不平順情況進行防范，保證軌道能夠保持平順狀態(tài)。平順控制過程中，需要考慮到材料自身的影響，確保材質(zhì)潔凈、強度匹配，做好軌道鋼材的選擇工作，防止材料自身的出現(xiàn)問題。鋼軌尺寸精度采用水平、垂直復(fù)合校驗的方式，通過激光測量、計算機在線分析進行調(diào)整，采用具有先進性的檢測技術(shù)，使不平順性能夠得到精準(zhǔn)識別。平順性良好的鋼軌可降低對輪軸的沖擊作用，保證軌道能夠與高鐵相契合，使平順性能夠得到充分考量，降低平順性指標(biāo)的綜合影響。平順性控制需要注重核心要素的掌控，主要包含以下控制參數(shù)：

第一，軌距。對軌頂面下16mm點間距離進行檢測，判斷同一軌道橫截面內(nèi)左右鋼軌之間的最短距離，確定軌距的變化率情況，使軌距控制能夠發(fā)揮顯著作用，對軌道平順性變化進行控制。第二，軌向。通常分為左右軌向兩種，需要控制好方形上的偏差，從正反兩個方向進行分析，確定空間方向上的范圍情況，實現(xiàn)從軌道方向上的誤差校正。第三，高低。軌道垂直方向上具有高低之分，在偏差較大的情況下，將會造成不平順性的增加，在空間上則表現(xiàn)出軌道的不連續(xù)性，導(dǎo)致偏差控制無法滿足要求。第四，水平。同一軌道橫截面需要處于同一水平面上，理論上不能產(chǎn)生高度差，保證軌道橫截面能夠穩(wěn)定銜接，基于橫截面控制對軌道平順性進行考量。第五，三角坑。三角坑是影響平順性的重要因素，檢測間隔5m的相鄰矢高差情況，若超過超過設(shè)計矢高差的2mm，則認(rèn)為軌道處于不平順狀態(tài)。

4 結(jié)語

綜上所述，軌道變形是實現(xiàn)高鐵安全營運的關(guān)鍵，需要對測量方法引起重視，合理對測量方法進行使用，實現(xiàn)全站儀、GNSS的有效運用，并且與軌道變形監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合起來，實現(xiàn)軌道變形數(shù)據(jù)的集成化處理。軌道變形測量注重對精度的控制，將測量誤差控制在允許范圍內(nèi)，對軌道線形狀態(tài)進行檢驗，為高鐵的安全運營提供技術(shù)支持，進而促進鐵路行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。