張齊勇

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司， 陜西西安 710043)

為提高列車在高速運行條件下的穩(wěn)定性和平順性,減少軌道維修量,世界各國研究和開發(fā)了多種結(jié)構(gòu)形式的無砟軌道[1]。其中,CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)更具有軌道鋪設(shè)精度高、平順性高、穩(wěn)定性好、少維修的顯著特點[2,3],在我國的鐵路建設(shè)中采用較多。在CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)中,無砟軌道測量的施工斷面放樣數(shù)據(jù)是施工與精調(diào)的基礎(chǔ),準(zhǔn)確計算斷面放樣數(shù)據(jù)是實現(xiàn)無砟軌道承載層施工的前提,而在軌道板精調(diào)過程中,板精調(diào)數(shù)據(jù)的計算又是實現(xiàn)軌道板精調(diào)至預(yù)定位置的前提,軌道板精調(diào)數(shù)據(jù)作為斷面數(shù)據(jù)的一種,同樣可以納入斷面計算。在CRTSⅡ型板式無砟軌道的施工斷面計算中,需要計算的斷面數(shù)據(jù)主要有：路基與隧道部分的混凝土支承層斷面數(shù)據(jù)、橋梁底座板斷面數(shù)據(jù)、軌道板橫接縫處的軌道基準(zhǔn)點放樣數(shù)據(jù)、精調(diào)時用到的精調(diào)數(shù)據(jù)。在隧道與路基都可直接根據(jù)線路幾何參數(shù)與軌道斷面幾何關(guān)系推導(dǎo)求出,在橋梁上由于存在橋梁變形(如橋梁收縮與徐變、橋梁頂面地面溫差、超高、軌道板自重等引起的變形),這使得理論位置與實際位置不符合。因此，橋梁上的斷面計算必須考慮橋梁變形對斷面數(shù)據(jù)計算的影響[4]。

CRTSⅡ型板系統(tǒng)是一種新近出現(xiàn)的無砟軌道技術(shù),施工斷面計算等實際工作都還依賴國外的商業(yè)化軟件。有鑒于此,本文對CRTSⅡ型板式無砟軌道定位測量中的橫斷面計算進(jìn)行研究,通過研究斷面與線路幾何參數(shù)的相互關(guān)系,首先定義施工斷面,然后對橋梁上設(shè)計荷載對斷面數(shù)據(jù)的高程影響量進(jìn)行研究,給出了考慮設(shè)計荷載施工放樣數(shù)據(jù)的計算模型,最后與現(xiàn)有商業(yè)軟件進(jìn)行對比,證明計算正確。本文給出的考慮設(shè)計荷載的斷面計算模型，為實現(xiàn)CRTSⅡ型板式無砟軌道定位測量系統(tǒng)國有化提供了一種解決思路,具有較強的科學(xué)研究與實用價值。

1 橫斷面設(shè)計與計算

1.1 斷面計算基準(zhǔn)確定

在CRTSⅡ型板式無砟軌道施工橫斷面中,存在多個施工橫斷面,如隧道與路基支承層、橋梁底座板、軌道基準(zhǔn)點、精調(diào)數(shù)據(jù)等。從CRTSⅡ型板式無砟軌道的定義可知，軌道斷面主要存在兩個不同的斷面傾斜方向(見圖1所示)：鋼軌頂面與軌道板頂面。這兩個頂面在軌道橫斷面內(nèi)存在0.5%的坡度傾斜,為便于其后的斷面計算,定義鋼軌頂面基準(zhǔn)面與板頂面基準(zhǔn)面。鋼軌頂面基準(zhǔn)面在橫斷面內(nèi)以左右鋼軌頂面連線為基準(zhǔn)定義,根據(jù)軌道結(jié)構(gòu),板頂面則與鋼軌頂面基準(zhǔn)面存在0.5%的坡度傾斜。目前,絕大部分施工橫斷面如隧道與路基支承層、橋梁底座板、軌道基準(zhǔn)點等以板頂面為基準(zhǔn)面定義,精調(diào)數(shù)據(jù)計算則以鋼軌頂面基準(zhǔn)面定義。

圖1 鋼軌頂面基準(zhǔn)面與板頂面基準(zhǔn)面的關(guān)系(單位：m)

在確定計算基準(zhǔn)面后,定義斷面計算基準(zhǔn)點：鋼軌頂面基準(zhǔn)面對應(yīng)的斷面計算基準(zhǔn)點為P1,板頂面基準(zhǔn)點為P2。其中,P1基準(zhǔn)點即為線路中線點,P1基準(zhǔn)點的坐標(biāo)可根據(jù)線路平曲線參數(shù)與坡度曲線參數(shù)計算求出,基準(zhǔn)點P2的坐標(biāo)可根據(jù)CRTSⅡ型板式無砟軌道的幾何特征由基準(zhǔn)點P1推導(dǎo)求得。

1.2 斷面定義與計算

選定基準(zhǔn)點后,即可在橫斷面內(nèi)根據(jù)需要計算的斷面點與基準(zhǔn)點的相對偏移關(guān)系定義施工斷面。在一個斷面中,最多定義五個斷面點(左1、中2、右3、左4、右5)或者三個斷面點(左1、中2、右3),見圖2。

圖2 斷面點定義示意

斷面點定義原則為：中2點的dz偏移量根據(jù)基準(zhǔn)點P1、P2定義,其dy偏移量為0；左1、右3點的在斷面內(nèi)的偏移量相對于中2點定義；左4點的偏移量相對于左1定義,右5的偏移量相對于右3定義。

在實際中,由于根據(jù)實際需要,存在多種斷面計算方式,因此,斷面點的計算可以沿斷面坡向計算或者水平方向計算,或者dy沿水平方向、dz沿斷面坡向計算,即以下幾種基本的斷面計算方式,其余斷面計算皆可由以下三種方式組合而成。

計算方式1：斷面點相對與基準(zhǔn)點的dy、dz偏移均沿斷面坡向計算,見圖3。

圖3 斷面坡向示意

計算方式2：dy、dz偏移均按照水平方向計算。此方式即計算方式1的特殊情況,此時傾斜角j=0；

計算方式3：dy采用水平、dz沿著斷面坡向計算。

在計算方式1中,如上圖所示M1M2的傾斜方向即為斷面方向,也即基準(zhǔn)點P對應(yīng)的斷面方向,j表示M1M2與水平面的夾角。由于基準(zhǔn)點可根據(jù)線路幾何參數(shù)求出,而在斷面方向內(nèi),基準(zhǔn)面在斷面方向上的傾斜度由該斷面里程處的線路幾何參數(shù)與軌道結(jié)構(gòu)定義即可求出。因此,即可根據(jù)斷面點的偏移量計算出斷面點的坐標(biāo)。

1.3 施工橫斷面示例說明

以橋梁底座板斷面為例，說明如何根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)與基準(zhǔn)面定義橋梁底座板。橋梁底座板在軌道結(jié)構(gòu)中的關(guān)系如圖4所示,需要計算的斷面點位1～5號點,根據(jù)基準(zhǔn)點定義可知,中2即為基準(zhǔn)點P2,因此其dy與dz偏移值均為0 m,而1、3點則在斷面方向相對于中2點dz偏移0.23 m,dy方向內(nèi)偏移1.475 m,4號點則相對于1號點dz偏移0 m,dy方向內(nèi)偏移0.15 m,則1～5號點定義見表1。

表1 橋梁底座板斷面(P2基準(zhǔn)) m

圖4 橋梁底座板斷面示意(單位：mm)

2 考慮設(shè)計荷載的橫斷面計算

在第1小節(jié)中討論了軌道橫斷面的計算,此為一種理想狀態(tài)下的計算,由于實際現(xiàn)場施工條件復(fù)雜,在很大程度上會影響斷面坐標(biāo)值。尤其是在橋梁結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)板式軌道時,由于橋梁受天氣影響和承重結(jié)構(gòu)中的運動而引起不斷變化,造成橋梁在不同情況下具有不同的變形。因此,必須對建筑物進(jìn)行監(jiān)測,并不斷匹配和重新計算放樣及板精調(diào)坐標(biāo),以確保滿足高速鐵路內(nèi)外部幾何的要求。在進(jìn)行所有必要的用于測量、放樣、施測以及幾何檢測的坐標(biāo)計算時,必須考慮橋梁結(jié)構(gòu)在測量時的特定狀態(tài)。這些狀態(tài)可通過不同的設(shè)計荷載情況來描述。

在橋梁上的荷載具有多種,如橋梁徐變、橋梁頂面與地面溫差影響、軌道板自重、聲屏障等多種荷載都可以對橋梁變形產(chǎn)生影響,使之在里程方向產(chǎn)生高程上的變形。因此,在橋梁上施工必須考慮荷載對施工的影響。以溫度引起的橋梁變形加以說明,其他荷載計算方法相同。在僅考慮溫度的情況下,若跨梁頂面較底面溫度高,造成跨梁向上隆起,產(chǎn)生變形,變形值的單位為mm,水平軸x軸為理論值,無變形的情況,即變形為0。變形值為理論值減去實際值,跨梁向上隆起為負(fù),反之變形值為正,具體見表2、表3和圖5。

表3 32 m跨梁的部分變形值示例(頂面較底面溫度低5°)

圖5 32 m跨梁變形

橋梁上荷載對斷面點的影響體現(xiàn)在高程方向上,因此,要計算特定里程的荷載變形值,只需要計算待求點在跨梁中的局部位置,直接根據(jù)已知的荷載分布數(shù)據(jù)內(nèi)插即可。若存在多個荷載,則需計算出每單個荷載的變形值,將這些單個荷載變形量疊加即可得到多個荷載影響下的變形量。計算出該里程處設(shè)計荷載引起的變形量后,對應(yīng)斷面點的高程采用該變形量改正,即可完成考慮設(shè)計荷載的斷面計算。在施工斷面計算中,軌道板精調(diào)數(shù)據(jù)其本質(zhì)也是一斷面,故橋梁上的考慮荷載的軌道板精調(diào)數(shù)據(jù)計算與加荷載的施工斷面計算相同。

3 數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計說明

通過本文的研究與探討,給出了考慮設(shè)計荷載的斷面數(shù)據(jù)計算方案。為驗證本次研究,選取京滬線上長約2.5 km的線路對考慮設(shè)計荷載的斷面數(shù)據(jù)計算進(jìn)行驗算,該段線路包含直線、緩和曲線與圓曲線。對該段線路計算考慮設(shè)計荷載的左右線橋梁底座板、軌道基準(zhǔn)點與鋪設(shè)錐等斷面數(shù)據(jù),將計算結(jié)果與現(xiàn)有商用軟件計算結(jié)果進(jìn)行對比,其坐標(biāo)差值統(tǒng)計結(jié)果見表4至表7。

表4 左線橋梁底座板放樣坐標(biāo)數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計結(jié)果

表5 右線橋梁底座板放樣坐標(biāo)數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計結(jié)果

表6 左線軌道基準(zhǔn)點與鋪設(shè)錐放樣坐標(biāo)數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計結(jié)果

表7 右線軌道基準(zhǔn)點與鋪設(shè)錐放樣坐標(biāo)數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計結(jié)果

從表4到表7可以看出,考慮設(shè)計荷載的橋梁底座板斷面、軌道基準(zhǔn)點與鋪設(shè)錐斷面放樣數(shù)據(jù)計算結(jié)果與現(xiàn)有商業(yè)軟件計算結(jié)果幾乎一致,所有坐標(biāo)分量差值皆小于0.015 mm。

4 結(jié) 論

對CRTSⅡ型板式無砟軌道斷面進(jìn)行研究,通過定義基準(zhǔn)面,結(jié)合軌道結(jié)構(gòu)與線路幾何參數(shù)的關(guān)系，給出了施工斷面定義的方法,在此基礎(chǔ)上給出了斷面計算的主要思路。通過分析設(shè)計荷載對斷面計算的影響,給出了考慮設(shè)計荷載的斷面數(shù)據(jù)計算方法。最后將研究成果與現(xiàn)有的商業(yè)軟件進(jìn)行比較驗證,計算結(jié)果一致,對實現(xiàn)自主化的CRTSⅡ型板式無砟軌道定位測量軟件有較大的借鑒意義。

[1]何華武.無砟軌道技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2005

[2]盧建中.博格式軌道板預(yù)制關(guān)鍵技術(shù)探討[J].鐵道建筑技術(shù),2007(3):4-8

[3]續(xù)海龍.京津城際無砟軌道施工關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].山西建筑,2008,34(15):262-263

[4]孫立功,楊江朋.橋梁工程(鐵路)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2007