龔志強 侯俊嶺

(1.四川西南交大鐵路發(fā)展有限公司，四川成都 610031;2.中鐵工程設計咨詢集團鄭州設計院，河南鄭州 450000)

鐵路軌道準確的幾何尺寸是保證列車安全運行的基本條件，高速鐵路的理論研究和實踐分析表明，只有在高平順的軌道上才能實現高速行車。高速鐵路軌道有別于一般鐵路軌道的主要特點就是具有高平順性，而軌道精調作業(yè)就是保證軌道平順性的最后一環(huán)，在整個施工階段具有特殊重要的意義。在作業(yè)過程中采用專用的檢測設備—軌道幾何狀態(tài)測量儀(以下簡稱“測量儀”)進行數據采集，從而獲得軌道的平面位置、高程、軌距、超高等一系列幾何尺寸信息，并對軌道的幾何平順性作出分析，對軌道線形進行優(yōu)化調整，合理控制軌距、水平、軌向、高低等變化率，使軌道靜態(tài)精度滿足高速行車條件［1］。

軌道線形調整是一件非常精細的工作，所用的設備和工具精度要有保證，并定期檢查標定。精調過程中最重要的儀器設備—測量儀的工作狀態(tài)直接影響到精調工作進行順利與否、精調結果是否滿足規(guī)范要求。而我們使用的測量儀多數為轉場設備，存在諸多不足:機械部件老化、破損，傳感器初始零位漂移、增益不準確等諸多問題，部分新購置儀器缺乏系統(tǒng)標定、外業(yè)磨合。這些儀器直接投入到軌道精調作業(yè)中，勢必影響到軌道精調的準確性及正確性。因此，在開展軌道精調以前對測量儀進行全面系統(tǒng)的檢測就顯得尤為重要。

1 檢測方法

依據鐵道部科技基［2008］86號文、科技基［2008］182號文，以及科技基［2008］123號文，對體現測量儀測量精度的主要結構參數與技術指標進行檢測，檢測工作分為室內檢測和室外檢測兩部分［2］。

1.1 室內檢測

室內檢測主要包括結構參數檢測及計量特性檢測，結構參數檢測包括:測量儀輪系的工作精度，包括跳動量、共面性，棱鏡桿(或棱鏡座)重復拆裝的位置度，測量儀重復拆裝對精度的影響。

(1)棱鏡支架位置度

將測量儀拼裝好后，平穩(wěn)放置于檢定臺上;將兩磁性表座分別放置于安裝好的輔助裝置上;調整千分表，使兩千分表測頭垂直接觸棱鏡支架，并成垂直角度，重復測量5次，并計算其5次測量值的極差即為測量儀棱鏡支架位置度(要求極差小于0.1 mm)。

(2)軌距測量點的有效高度

將測量儀倒置，測量距測量工作面下緣與走行輪最低母線的有效距離，要求有效距離在15.7～16 mm之間。

(3)測量輪及走行輪的全跳動

將測量儀倒置，調整千分表，使千分表測頭垂直接觸被測輪外徑最高點，用手輕輕轉動被測輪，查看千分表變化量，這個變化量即是被測輪的全跳動;要求:首檢變化量小于0.01 mm，后續(xù)檢測走形輪小于0.02 mm，測量輪小于0.015 mm。

(4)重復拼裝

將測量儀拼裝好后，平穩(wěn)放置于檢定臺上，啟動后，記錄測量儀軌距、水平動態(tài)測試值;再將測量儀關機、拆開，重復拼裝復位后，兩次記錄值之差即為重復拼裝復位可靠性;要求兩次差值小于0.2 mm。

(5)走行輪共面性

將測量儀拼裝好后，平穩(wěn)放置于檢定臺上;使各走行輪與檢定臺測量工作平面接觸，使用0.5 mm塞尺測量儀各走行輪與測量工作平面的間隙，如塞尺無法塞入所有走行輪與測量工作平面的間隙，則測量儀的走行輪共面性符合要求。

計量特性檢測主要檢測軌距與水平的量程、示值誤差、重復性、零位的準確性、掉頭差等。

①軌距零位正確性:將測量儀電源開關打開，打開測量儀數據分析系統(tǒng)，進入檢定界面，選擇軌距傳感器項，單擊啟動按鈕，查看軌距動態(tài)測試值，此時檢定界面所顯示軌距動態(tài)測試值即為軌距零點位;要求差值在±0.15 mm之間。

②軌距示值與軌距重復性:分別調節(jié)軌距加載器至以下檢定點:－25，－15，－5，0，5，15，25，35;分別記錄測量儀顯示軌距動態(tài)測試值與檢定臺軌距顯示儀表值，并計算兩者之差，其中最大誤差值為測量儀軌距示值誤差，要求在±0.3 mm之間。在以上除0以外任何測量點，擠壓測量儀伸縮軸，重復5次，記錄5次測量儀顯示軌距動態(tài)測試值，并計算5次最大值與5次平均值之差，即為軌距重復性;要求差值在±0.15 mm之間。

③水平零位正確性:將檢定臺軌距調整至標準軌距，并將檢定臺軌距鎖緊裝置鎖緊，使檢定臺軌距保持不變;檢定臺處于水平狀態(tài)下，記錄測量儀顯示水平動態(tài)測試值;再將測量儀調轉180°平穩(wěn)放置在檢定臺上，再次記錄調頭后顯示水平動態(tài)測試值，并計算測量儀兩次顯示水平動態(tài)測試值之差的一半即為測量儀水平零位;要求在±0.15 mm之間。

④水平示值誤差、掉頭誤差、水平重復性:分別調節(jié)水平(超高)升降裝置至以下檢定點:0，30，60，90，120，150，180;分別記錄測量儀顯示水平動態(tài)測試值與檢定臺水平顯示儀表值，并計算兩者之差，其中最大誤差值為測量儀水平示值誤差;要求在±0.3 mm之間。在以上除0以外任何測量點，擠壓測量儀伸縮軸并提起脫離檢定臺側臂，重復5次，記錄5次測量儀顯示水平動態(tài)測試值，并計算5次最大值與5次平均值之差，即為水平重復性;要求差值在±0.2 mm之間。

檢定臺升至檢定180 mm時，將測量儀調轉180°平穩(wěn)放置在檢定臺上，再分別按上述檢定點依次下降，記錄調頭后的水平動態(tài)測試值，并計算對應調頭后與調頭前測量儀水平動態(tài)測試值絕對值之差，其中最大差值即為測量儀水平調頭誤差;要求差值在±0.3 mm之間。

1.2 室外檢測

室外檢測包括重復性檢核及一致性檢核，其中重復性檢核是將已測的軌距、水平、軌向、高低、中線橫向偏差與高程偏差等數據測量結果進行重復性檢測，各次測量的示值與該點平均值的差值滿足示值誤差要求的結果不應少于95%。一致性檢核是根據實際測量路段總長，采用同等或更高準確度的標準測量手段對線路進行測量并記錄數據，將此數據作為軌道已知數據，評定測量儀中線橫向偏差及軌距、水平、軌向和高低精度;測量得到的數據與軌道已知數據之差，所有差值除以K后，符合示值誤差規(guī)定的結果數不應少于95%。

其中Δ表示測量儀的最大允許誤差(單位mm)，Δ0表示標準測量手段的最大允許誤差(單位mm)。

2 實際應用

在某高速鐵路軌道幾何狀態(tài)測量儀檢測過程中，首先建立實驗室及選擇室外檢測場地。

2.1 測試線路選址

室外測試線路選定在某高速鐵路正線(DK683+599～DK683+898，直緩點里程 DK683+685.898，直線段長86.898 m，其余部分為緩和曲線)，長約300 m的CRTSⅡ型板式無砟軌道線路。在測試軌道上精確標記測量點位并編號，每根軌枕一對點，共460對點。該區(qū)段已經按照《高速鐵路工程測量規(guī)范(TB10601—2009)》的要求設置了CPⅢ控制網，進行了外業(yè)測量，并完成了數據處理，結果顯示該區(qū)段CPⅢ控制點精度滿足檢測要求［3］。

2.2 測試線路基準軌道幾何狀態(tài)獲取

室外檢測包括重復性檢測及一致性檢測，其中一致性檢測需要將采集數據與基準數據進行對比，而基準值采集的正確性直接關系到一致性比較的結果。鑒于獲取手段有限，采取數理統(tǒng)計的方法，通過對多次采集的基準數據進行數據處理，從而求得最或然值來替代標準場地軌道幾何狀態(tài)的真值。

采用經檢定合格的0級數軌距尺對檢測區(qū)段的軌距、水平(超高)進行3次重復測量，經數據統(tǒng)計分析得出單次測量的中誤差，如滿足精度要求，則用3次測量結果的平均值視作區(qū)段軌距、水平的比對基準值(最或然值)。

檢核參數“軌向(正矢)、高低、中線橫向偏差、高程偏差與扭曲(三角坑)”的比對基準值(最或然值)基于已有的觀測數據，通過如下的數據分析與統(tǒng)計方法進行確定:

(1)逐一對不同的檢核參數和不同的測量儀，利用整條測試線點對樣本的兩次測量值的差值Δ(真誤差)進行差值Δ中誤差的統(tǒng)計。計算公式如下

(2)依據統(tǒng)計到得的差值中誤差mΔ，對點對樣本觀測值進行篩選，凡是Δ大于等于兩倍mΔ的觀測值判定為異常觀測值，將其剔除(需保證數據剔除率小于5%)，之后重新計算mΔ，并再次進行基于Δ數值判定的觀測值篩選。反復迭代進行，直至沒有新的觀測值被剔除為止。

(3)利用差值中誤差mΔ計算觀測值的中誤差m。計算公式如下

(4)將觀測值中誤差m與相應規(guī)定的限差標準m限進行比較，如果m小于等于0.5m限，則判定當前測量儀對當前檢核參數的觀測值(有效觀測值)內符合精度滿足規(guī)定要求，可以進行到下一步的數據分析與處理。反之，觀測值精度較差，應予以排除，不能進行到下步數據處理。

(5)在完成對所有檢核參數的上述數據分析與處理后，對于每一個點對，利用不同測量儀的有效觀測值，按檢核參數類型進行加權算術平均值的計算，并以此作為當前點對檢核參數的比對基準值(最或然值)。在進行加權算術平均值計算時，必須先對不同測量儀之間觀測數據的一致性進行判定，即測值離差(最大值與最小值之差)的絕對值小于時，才可進行該組觀測值的加權算術平均值的計算。否則，需要先剔除和均值差異最大的觀測值再重新判定，直至條件滿足為止。加權算術平均值計算公式如下

(6)上式中，i用以區(qū)分“針對某一點對的具有有效觀測值li的不同測量儀”，i并不恒定，其數值在不同點對處可能發(fā)生變化，i從1開始，依次遞增;^l代表某一點對處的某一檢核參數的比對基準值(最或然值);mi指第i臺測量儀的檢核參數的中誤差。

2.3 數據采集處理及分析

(1)室外檢測測量過程

①控制點數據文件調入備用。

②輸入測試線路的設計線性參數，確定線路設計中線的理論位置。

③進行自由設站，確定站點坐標。

④逐點完成軌道標記點處軌道內、外部幾何狀態(tài)測量，保存數據。

⑤全站儀搬站后，按不同儀器類型特點重復步驟③、④后，進行重疊段測量數據檢核計算，記錄測量數據。

⑥重復以上步驟直到線路全部測完。

⑦按上述流程在該線路測量1次，掉向后再按原線路測量1次。

(2)數據處理及分析

將現場采集的數據導出存檔，檢查采集數據完整性及是否存在因操作不當造成的粗差，對粗差予以剔除;按照要求逐項計算重復性、一致性，并結合室內檢測項目情況，綜合判定測量儀是否滿足線上作業(yè)要求。全線共檢測了111臺測量儀，檢測合格為90臺，合格率為81.1%。下面對合格率較低的檢測分項進行統(tǒng)計和分析。

①室內檢測項目

測量輪全跳動量、走行輪全跳動量限差要求小于0.01 mm，送檢儀器整體合格率偏低，僅為16.22%和3.60%。

原因分析:送檢儀器以國外品牌為主，而國外相關規(guī)范中對此要求不高，導致合格率偏低。

走行輪共面性合格率為80.18%。

原因分析:不合格的儀器均為陳舊的轉場設備，這些設備缺乏必要的維護及保養(yǎng)，在使用及運輸過程中機械部件嚴重磨損甚至損壞。

②室外檢測項目

軌距負方向一致性合格率較正方向偏低，正方向合格率96.40%，負方向合格率90.99%。

原因分析:儀器陳舊，在以往的使用過程中操作員不注意操作要求，粗暴使用而且缺乏必要的日常維護和保養(yǎng);轉場次數較多，長距離的運輸對儀器的準確度和正確性都有較大的影響。軌距測量裝置中，由于液壓桿壓力大小不合適造成部分小車在檢測過程中出現脫軌現象以及與鋼軌接觸不嚴密，因而影響到軌距測量的準確性和正確性。

超高及水平的重復性、一致性分別為93.69%、95.50%。

原因分析:在室外檢測過程中，超高結果不僅受傾斜傳感器影響，而且還受儀器本身的幾何結構影響，如:走行輪全跳動量、共面性、測量輪全跳動量等。由于儀器本身的幾何結構缺陷及不同程度的破損，造成超高及水平的重復性、一致性合格率不高。

3 結論

大量實驗證明，用數理統(tǒng)計的方法通過對多次采集的基準數據進行數據處理，從而求得最或然值來替代標準場地軌道幾何狀態(tài)真值的方法完全可行。

檢定合格的測量儀精調作業(yè)后，軌道平順性完全滿足高速行車要求。

由于國內外檢測標準的區(qū)別，國外測量儀要完全適應我國高鐵建設的需要，還需進一步改進、完善。

數據導出格式及部分參數的計算方法，各個生產廠商還未完全統(tǒng)一，在后續(xù)的研發(fā)過程中還需完善。

［1］王國民，馬文靜．高速鐵路軌道靜態(tài)精調精密檢測若干技術問題探討［J］．鐵道勘察，2010(6)

［2］科技基(2008)86號 客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀暫行技術條件［S］

［3］鐵建設(2009)196號 高速鐵路工程測量規(guī)范［S］

［4］科技基(2008)182號 客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀暫行技術條件檢測實施細則［S］

［5］科技基(2008)123號 關于印發(fā)客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀技術認證審查實施規(guī)則的通知［S］