全順喜,王 平,伍 曾

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

隨著我國客運(yùn)專線的大規(guī)模建設(shè),無砟軌道已成為軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢。在無砟軌道的施工過程中為保證無砟軌道的施工質(zhì)量和精度,需要采用先進(jìn)的測量手段對軌道的位置和高程等幾何形位進(jìn)行精確測量和調(diào)整[1～2]。對于無砟軌道道岔,在道床板混凝土施工以后及其運(yùn)營維護(hù)的精調(diào)過程中,一方面由于可調(diào)整的范圍極其微??；另一方面由于道岔結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性,其幾何形位在線路縱向和橫向相互影響,調(diào)整一個(gè)位置的幾何形位,將引起鄰近部分的幾何形位發(fā)生變化,這使得在道床板混凝土施工以后及其運(yùn)營維護(hù)過程中無砟軌道道岔的精調(diào)相對于普通線路來說要復(fù)雜得多,若只通過工程技術(shù)人員憑借自身的經(jīng)驗(yàn)給出調(diào)整值,不但效率低,而且不能保證整個(gè)道岔系統(tǒng)的幾何形位快速達(dá)到相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此,有必要開發(fā)客運(yùn)專線無砟軌道道岔幾何形位精調(diào)系統(tǒng),科學(xué)、快速的計(jì)算出各鋼軌在對應(yīng)軌枕處的調(diào)整值,為無砟軌道道岔在道床板混凝土施工以后及其運(yùn)營維護(hù)過程的精調(diào)提供幫助。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 調(diào)整后道岔幾何形位的模擬

為判斷調(diào)整方案是否合理,需要對調(diào)整后道岔的幾何形位進(jìn)行模擬。鑒于國內(nèi)外無砟道岔鋪設(shè)和維修的經(jīng)驗(yàn),系統(tǒng)在岔區(qū)所考慮的幾何形位如表1所示[3]。其中軌道的平面偏差、高程偏差、軌距、水平、軌距變化和扭曲調(diào)整后模擬值的計(jì)算比較簡單,在此不再詳述,而重點(diǎn)介紹軌向和高低調(diào)整后模擬值的計(jì)算。

表1 岔區(qū)軌道所考慮的幾何形位

假定軌枕間距為0.625 m,則間隔為5 m的檢測點(diǎn)剛好是軌枕間距的8倍,軌向和高低的檢測如圖1所示。圖中以c1到c49表示軌枕編號(hào),則c25與c33間的軌向和高低的檢測按式(1)計(jì)算。

(1)

圖1 30 m弦軌道平順性檢測示意

從式(1)可以看出，30 m弦長相隔5 m的正矢差的實(shí)質(zhì)是30 m弦長相隔為5 m的測點(diǎn)的矢距偏差的差值。根據(jù)軌檢小車的實(shí)測數(shù)據(jù)和調(diào)整值容易得出每一個(gè)測點(diǎn)高程偏差、平面偏差的模擬值,以p1到p49表示,則各個(gè)測點(diǎn)矢距偏差的模擬值為：Δpi≈pi-[(49-i)×p1+(i-1)×p49]/48,i表示測點(diǎn)枕號(hào),且1≤i≤49。由于需要的是相隔為5 m的測點(diǎn)的矢距偏差的差值,且Δp1與Δp49為零,故此次拉弦可得測點(diǎn)2到40的矢距偏差的差值,如式(2)所示。新的弦線從已檢測的最后一個(gè)點(diǎn)40開始,高低和軌向模擬值的計(jì)算類似。

(2)

1.2 調(diào)整方案分析

由于無砟道岔在現(xiàn)場初步鋪設(shè)完成后,其本身結(jié)構(gòu)決定了在道岔的轉(zhuǎn)轍器區(qū)和轍叉區(qū)直、側(cè)股鋼軌是相互影響的,但為了確保道岔直股的平順性,將直股作為重點(diǎn),通過調(diào)整先使直股各幾何形位都符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),然后在直股各幾何形位滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的前提下調(diào)直股就側(cè)股,最后給出最終調(diào)整方案。

(1)直股調(diào)整方案。在直股的調(diào)整過程中,以高程偏差、平面偏差、高低和軌向作為控制基準(zhǔn)軌空間絕對坐標(biāo)的基本元素,并以水平、軌距、平面扭曲、軌距變化來控制同股軌道另一鋼軌的幾何狀態(tài)。為得到直股各測點(diǎn)的調(diào)整值,先調(diào)整基準(zhǔn)軌使基準(zhǔn)軌高程偏差、平面偏差、高低和軌向達(dá)到設(shè)定的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),在保證基準(zhǔn)軌精度后,通過調(diào)整本直股的另一鋼軌使直股的水平、軌距、平面扭曲和軌距變化達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求,其調(diào)整值的計(jì)算流程為：記錄平面偏差、高程偏差達(dá)標(biāo)時(shí)基準(zhǔn)軌的調(diào)整值→記錄高低和軌向達(dá)標(biāo)時(shí)基準(zhǔn)軌的調(diào)整值→記錄水平、軌距達(dá)標(biāo)時(shí)非基準(zhǔn)軌的調(diào)整值→記錄扭曲、軌距變化達(dá)標(biāo)時(shí)非基準(zhǔn)軌的調(diào)整值→形成直股調(diào)整方案。

在調(diào)整過程中,由于只考慮了直股,當(dāng)某軌枕處測量數(shù)據(jù)超標(biāo)后,可以有多種調(diào)整方法使此處數(shù)據(jù)滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),但是為了減少調(diào)整工作量,應(yīng)做到在調(diào)整工作量最小的情況下使道岔各幾何形位都滿足要求。為此可通過減少調(diào)整值的大小和選擇合理的調(diào)整位置來實(shí)現(xiàn)。圖2為一種為減少調(diào)整值大小的算法(圖中abs表示取絕對值,fix表示去掉小數(shù)部分),通過此算法確定的調(diào)整值既保證了模擬值在調(diào)整后滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求，又保證了調(diào)整值最小。

圖2 調(diào)整值大小的計(jì)算

在高低和軌向、扭曲和軌距變化超標(biāo)后需要選擇合理的調(diào)整位置和調(diào)整值來保證調(diào)整工作量達(dá)到最小,例如,以軌枕號(hào)從小到大依次判斷高低和軌向是否超標(biāo),當(dāng)在第i枕超過驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)時(shí),由式(2)知,可以通過調(diào)整第i枕和第i+8枕處的基準(zhǔn)軌使其滿足要求,圖3是一種為了獲取第i枕和第i+8枕基準(zhǔn)軌最優(yōu)調(diào)整值的算法,可以看出其實(shí)質(zhì)是在保證高低和軌向滿足要求的同時(shí),盡量使調(diào)整處的軌距和軌距變化也滿足要求,以減少下一步調(diào)整的工作量。

圖3 高低、軌向超標(biāo)時(shí)調(diào)整值的計(jì)算

(2)最終調(diào)整方案。在道岔的轉(zhuǎn)轍器區(qū)和轍叉區(qū),在直股的可調(diào)范圍之內(nèi)調(diào)直股就側(cè)股,使側(cè)股也盡量滿足要求；在其他區(qū)域,按照直股的調(diào)整方法計(jì)算側(cè)股各枕鋼軌需要調(diào)整值,形成最終調(diào)整方案。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

客運(yùn)專線無砟軌道道岔精調(diào)系統(tǒng)是針對客運(yùn)專線無砟道岔鋪設(shè)和運(yùn)營維護(hù)過程中道岔幾何形位的精調(diào)而開發(fā)的,須與客運(yùn)專線測量系統(tǒng)(測量控制網(wǎng)-全站儀-軌檢小車)配合使用,以無砟軌道測量文件作為數(shù)據(jù)文件。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程是：以高精度的測量儀器對道岔直側(cè)股軌道的平面偏差、高程偏差、軌距、水平、扭曲、軌向、高低等幾何形位進(jìn)行檢測[4～6],系統(tǒng)根據(jù)道岔本身的相關(guān)信息對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和處理,這包括數(shù)據(jù)的可視化顯示、調(diào)整值的計(jì)算、調(diào)整后道岔幾何形位的模擬、道岔幾何形位圖形的繪制等,同時(shí),在手動(dòng)修改各軌枕處鋼軌的調(diào)整值后,道岔幾何形位能夠在線模擬,這為技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場需要而修正調(diào)整方案提供了極大的方便。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

客運(yùn)專線無砟軌道道岔精調(diào)系統(tǒng)的主界面由一個(gè)水平菜單和兩個(gè)表格組成。其中兩個(gè)表格可以顯示測量數(shù)據(jù)、模擬后數(shù)據(jù)和調(diào)整值,水平菜單由文件、道岔屬性、窗口、調(diào)整建議和幫助5個(gè)子菜單組成,分別實(shí)現(xiàn)不同的功能,系統(tǒng)的功能模塊如圖5所示,主要功能模塊簡要介紹如下。

圖5 系統(tǒng)功能模塊

(1)數(shù)據(jù)輸入模塊。客運(yùn)專線無砟軌道道岔精調(diào)系統(tǒng)需要提交兩種不同類型的數(shù)據(jù),一種是道岔幾何形位的測量數(shù)據(jù),一種是道岔本身的屬性數(shù)據(jù)。其中測量數(shù)據(jù)包括直側(cè)股各軌枕處鋼軌的平面偏差、高程偏差、軌距和水平,此時(shí)讀入由測量系統(tǒng)導(dǎo)出的“*.csv”格式的數(shù)據(jù)文件即可；道岔本身的屬性數(shù)據(jù)包括所調(diào)道岔的名稱、道岔的開口(左開、右開)、道岔號(hào)、方向和高低的基準(zhǔn)軌、道岔起終點(diǎn)里程、轉(zhuǎn)轍器區(qū)和轍叉區(qū)的起終點(diǎn)枕號(hào)以及各幾何形位的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),此時(shí)需用本系統(tǒng)中的道岔屬性信息輸入窗口來實(shí)現(xiàn)此數(shù)據(jù)的錄入。

(2)數(shù)據(jù)處理模塊。①數(shù)據(jù)的表格顯示：根據(jù)各軌枕處鋼軌的平面偏差、高程偏差計(jì)算出軌道的30 m弦相隔為5 m的測量點(diǎn)的矢距偏差的差值,以每一行對應(yīng)一個(gè)軌枕號(hào)的形式將所有數(shù)據(jù)和調(diào)整值以兩個(gè)表格進(jìn)行顯示,并且以不同的底紋提示超限處。②直股調(diào)整建議值：給出只對應(yīng)于直股的調(diào)整值,并模擬出直側(cè)股調(diào)整后的相關(guān)數(shù)據(jù)。此調(diào)整方案只針對直股,調(diào)整后直股數(shù)據(jù)都會(huì)小于驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),且調(diào)整量少,但由于沒考慮側(cè)股數(shù)據(jù),可能會(huì)導(dǎo)致側(cè)股數(shù)據(jù)會(huì)超過驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),需要技術(shù)人員進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。③直側(cè)股調(diào)整建議值：給出對應(yīng)于直側(cè)股的調(diào)整值,并模擬出直側(cè)股調(diào)整后的相關(guān)數(shù)據(jù)。此調(diào)整方案在側(cè)重直股幾何形位的前提下還綜合考慮了側(cè)股幾何形位,追求在調(diào)整值最小的前提下使直、側(cè)股的幾何形位同時(shí)滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。故此時(shí)的建議調(diào)整值是相對于直側(cè)股的測量數(shù)據(jù)而給出的,一些調(diào)整值都是為了滿足側(cè)股的要求。④基于經(jīng)驗(yàn)的手工調(diào)整的功能：技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場具體情況手動(dòng)修改各軌枕處鋼軌的調(diào)整值,直側(cè)股調(diào)整后的相關(guān)數(shù)據(jù)能夠在線模擬。⑤圖形顯示：圖形中以岔枕號(hào)為水平軸,分別顯示了直側(cè)股調(diào)整前后的絕對偏差以及調(diào)整后的相對偏差。

(3)其他功能模塊。系統(tǒng)還具有打開、保存、另存為和打印調(diào)整方案以及手動(dòng)輸入調(diào)整值時(shí)剪切、復(fù)制、粘貼和刪除多個(gè)單元格等功能。

3 工程實(shí)例

2009年6月在武廣鐵路客運(yùn)專線韶關(guān)西站利用本系統(tǒng)指導(dǎo)了德國BWG18號(hào)無砟道岔在澆完混凝土后的精調(diào)工作,其測量數(shù)據(jù)由安博格公司的GRP1000測量系統(tǒng)所采集,現(xiàn)以2號(hào)道岔直股為例,其調(diào)整方案如下。

由于2號(hào)道岔直導(dǎo)軌在轍叉區(qū)有1處凹坑和1處凸坑,存在軌向不良,按照系統(tǒng)計(jì)算給出的調(diào)整值,經(jīng)過更改不同規(guī)格的偏心調(diào)節(jié)錐后,其軌向調(diào)整前后對比如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)經(jīng)過調(diào)整達(dá)到了削峰填谷的目的。

圖6 韶關(guān)西站2號(hào)道岔直股平面偏差調(diào)整前后對比

直股在89～92號(hào)枕、115～126號(hào)枕都存在軌距偏小的問題。按照系統(tǒng)計(jì)算給出的調(diào)整值,經(jīng)過更改不同規(guī)格的偏心調(diào)節(jié)錐后,其軌距調(diào)整前后對比如圖7所示。

圖7 韶關(guān)西站2號(hào)道岔直股軌距偏差調(diào)整前后對比

岔區(qū)各軌枕平面位置的調(diào)整值如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn),在89～96號(hào)枕在調(diào)整直股軌向時(shí)同時(shí)也調(diào)整了軌距超標(biāo)項(xiàng),且調(diào)整值的大小都是在調(diào)整工作量最小的情況下給出的,即達(dá)到了減少調(diào)整工作量的目的。

表3 韶關(guān)西站2號(hào)道岔各枕木平面位置實(shí)際調(diào)整值

4 結(jié)語

客運(yùn)專線無砟軌道道岔精調(diào)系統(tǒng)以測量文件作為數(shù)據(jù)文件,能夠方便的用圖表顯示出道岔各幾何形位并提示出超限之處,具有快速的給出一個(gè)比較合理調(diào)整方案以及基于經(jīng)驗(yàn)的手工調(diào)整的功能,整個(gè)系統(tǒng)用戶界面友好,可操作性好,響應(yīng)速度快,所計(jì)算出的調(diào)整建議值科學(xué)合理。它的研究與應(yīng)用不僅能夠減少現(xiàn)場技術(shù)人員計(jì)算各枕號(hào)調(diào)整值的時(shí)間而提高其工作效率,而且還減少了調(diào)整工作量,提高了現(xiàn)場的施工效益。實(shí)踐表明,本系統(tǒng)對于無砟軌道道岔在道床板混凝土施工以后的精調(diào)和運(yùn)營維護(hù)過程中的精調(diào)都具有重要的實(shí)際工程意義,便于實(shí)際工程的應(yīng)用和推廣。

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