魏 暉,吳仕鳳,朱洪濤

(1.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 南昌 330031；2.南昌鐵路局工務(wù)處, 南昌 330002； 3.江西日月明鐵道設(shè)備開發(fā)有限公司,南昌 330029； 4.江西科技學(xué)院汽車工程學(xué)院,南昌 330098)

截至2012年7月底，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)總里程達(dá)6 894 km。其中時(shí)速200～250 km的高速鐵路3 324 km，時(shí)速300～350 km的高速鐵路3 570 km。

有砟軌道是鐵路的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有彈性良好、價(jià)格低廉、更換與維修方便、吸噪特性好等優(yōu)點(diǎn)，故其在時(shí)速200～250 km的高速鐵路中廣泛使用。但隨著行車速度的提高，輪軌作用力將顯著增加，軌道破損和變形加劇，從而使維修工作量顯著增加，維修周期明顯縮短。文獻(xiàn)[1]引用德國(guó)高速鐵路的資料，當(dāng)行車速度為250～300 km/h時(shí)，其線路維修費(fèi)用約為行車速度為160～200 km/h時(shí)的2倍。作為高速鐵路基礎(chǔ)性工程，軌道的質(zhì)量對(duì)于保證高速鐵路列車安全、平穩(wěn)、舒適和不間斷地運(yùn)行起著支配性的作用。而有砟軌道幾何平順性的易逝性，客觀要求高速鐵路除應(yīng)提高工程質(zhì)量外，還應(yīng)加強(qiáng)高速鐵路運(yùn)營(yíng)過程中的軌道養(yǎng)護(hù)維修。

1 現(xiàn)行有砟軌道整道技術(shù)

1.1 普速及提速線路有砟軌道整道技術(shù)

在普速及提速線路中，常采用漸開線方法實(shí)現(xiàn)線路整正。主要包括繩正法、偏角法[2]等。其中，繩正法與偏角法是基于漸開線模型計(jì)算撥量(圖 1)。設(shè)軌道等步距測(cè)量n個(gè)點(diǎn)，得到實(shí)測(cè)平順性序列{vi|i=0，1，…，n-1}，并有設(shè)計(jì)平順性序列{Vi|i=0，1，…，n-1}。

圖1 軌道漸開線模型

假定軌道任一點(diǎn)均沿漸開線移動(dòng)且移動(dòng)前后軌道長(zhǎng)度不變，并令軌道不平順

si=Vi-vi

則調(diào)整量ti

ti=2∑i-10∑i-10sk(1)

式(1)寫作向量形式

T=GS(2)

其中，T為調(diào)整量，mm；G為系統(tǒng)矩陣；S為軌道不平順，mm。

T=t0

t1

?

tn-1,G=2O

42

???

2n…42,S=s0

s1

?

sn-1

設(shè)si的測(cè)量等精度且獨(dú)立，則可令測(cè)量中誤差為σ(si)為σ，依據(jù)協(xié)方差傳播律[3]，測(cè)樁n處的調(diào)整量中誤差σ(tn)

σ2(tn)=∑n-1i=04(n-i)2σ2(si)=2n(n+1)(2n+1)3σ2(3)

由式(3)，在漸開線模型下，整道的調(diào)整量與測(cè)樁號(hào)間的誤差傳遞關(guān)系如圖2所示。當(dāng)n=20，σ=0.1 mm時(shí)，調(diào)整量中誤差σ(tn)=10.7 mm。即意味著當(dāng)長(zhǎng)距離連續(xù)整道，其終點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)鵝頭或反彎。當(dāng)出現(xiàn)鵝頭或反彎時(shí)，如不能在維修天窗內(nèi)消除，其后果可能危及行車。為避免出現(xiàn)鵝頭及反彎，在繩正法施工中常引入正矢和閉合的約束條件。但該條件一般情況下是難以滿足的，習(xí)慣的做法是對(duì)設(shè)計(jì)平順性Vi進(jìn)行修正[4]，其結(jié)果將改變線路設(shè)計(jì)參數(shù)。故高速鐵路軌道養(yǎng)護(hù)中應(yīng)限制漸開線方法的應(yīng)用。

圖2 漸開線模型下樁號(hào)與調(diào)整量中誤差關(guān)系示意

除此之外，現(xiàn)場(chǎng)亦常采用一弦法整理直線。通過拉弦，確定整道基準(zhǔn)，對(duì)拉弦范圍內(nèi)的軌道予以整正。然而由于弦長(zhǎng)的限制，一弦法只保證弦長(zhǎng)范圍內(nèi)的平順而未顧及兩端線路狀態(tài)，實(shí)際結(jié)果往往將線路改成折線。另當(dāng)弦長(zhǎng)及設(shè)弦位置變動(dòng)，同一位置的平順性也會(huì)改變，即難以唯一確定不平順相位關(guān)系及幅值大小。因此，一弦法只適合作為輔助手段在高速鐵路整道中有限使用。

1.2 基于坐標(biāo)法的高速鐵路有砟軌道整道技術(shù)

目前高速鐵路整道基本上是建立在絕對(duì)測(cè)量的基礎(chǔ)上[5-9]。絕對(duì)測(cè)量以全站儀為核心，以CPⅢ點(diǎn)為坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行自由設(shè)站，然后利用極坐標(biāo)法獲得軌道測(cè)量?jī)x的高程/平面坐標(biāo)[10]，進(jìn)而通過坐標(biāo)法進(jìn)行軌道幾何形位的調(diào)整(如式(4)所示[11])，改善軌道平順性。

(4)

其中，ti為樁號(hào)i處調(diào)整量；(x0，y0)為圓曲線圓心坐標(biāo)；(xi，yi)為樁號(hào)i處軌道坐標(biāo)；vxi、vyi為樁號(hào)i處軌道既有坐標(biāo)和設(shè)計(jì)坐標(biāo)之差；α為直線的方位角；βi為曲線上樁號(hào)i處轉(zhuǎn)折角。

絕對(duì)測(cè)量軌道精調(diào)技術(shù)核心在于，通過軌道的外部幾何形位控制軌道的內(nèi)部幾何形位。但由于依賴外部標(biāo)志物的測(cè)量，故其測(cè)量效率一般不高于100 m/h。測(cè)量效率與養(yǎng)護(hù)要求間的矛盾直接限制了絕對(duì)測(cè)量在高速鐵路養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用，故該技術(shù)主要用于重點(diǎn)晃車病害的整治而無法實(shí)現(xiàn)軌道養(yǎng)修的全面覆蓋。

2 相對(duì)測(cè)量調(diào)軌技術(shù)簡(jiǎn)介

基于對(duì)現(xiàn)有的軌道整道技術(shù)的反思，并考慮到我國(guó)相對(duì)測(cè)量技術(shù)與裝備的比較優(yōu)勢(shì)，依據(jù)迭代原理，2010年江西日月明公司開發(fā)了基于軌道平順性的相對(duì)測(cè)量調(diào)軌技術(shù)。該技術(shù)以滿足軌道平順性要求為控制目標(biāo)，并將軌道整體平順性作為輸入控制信息求解整道量，圖上作業(yè)并實(shí)時(shí)顯示整道效果。

2010年相對(duì)測(cè)量調(diào)軌技術(shù)在京滬高速鐵路無砟軌道的聯(lián)調(diào)聯(lián)試中進(jìn)行規(guī)模試用[12]，試用結(jié)果顯示該技術(shù)相對(duì)于其他方法，其在保證精調(diào)質(zhì)量滿足高速鐵路技術(shù)規(guī)范要求的前提下，具有環(huán)境適應(yīng)性好，作業(yè)效率高等特點(diǎn)；2012年初，該技術(shù)應(yīng)用于杭深客運(yùn)專線無砟軌道既有線的養(yǎng)護(hù)維修[13]，通過動(dòng)靜對(duì)比，顯示該技術(shù)及設(shè)備能夠?qū)Ω咚勹F路無砟軌道運(yùn)營(yíng)線的幾何尺寸病害進(jìn)行精確診斷，并可有效指導(dǎo)調(diào)整方案制定，適合于無砟軌道的日常養(yǎng)護(hù)維修。期間，還在哈大、石武等高速鐵路無砟軌道的聯(lián)調(diào)聯(lián)試中進(jìn)行了小規(guī)模試用。

以上實(shí)驗(yàn)及試用表明，該技術(shù)具有無需外部標(biāo)志物、測(cè)量與解算效率高、圖上作業(yè)、病害與調(diào)整量逐枕定位、整體優(yōu)化軌道平順性及環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，適合于無砟軌道的精調(diào)作業(yè)及日常養(yǎng)護(hù)。然而，由于道床、枕木以及扣件系統(tǒng)的不同，有砟軌道整道有著一些顯著區(qū)別于無砟軌道整道的特性，如何進(jìn)行技術(shù)銜接，是相對(duì)測(cè)量調(diào)軌技術(shù)在有砟軌道養(yǎng)護(hù)中應(yīng)用的關(guān)鍵性問題。

3 有砟軌道整道的技術(shù)特點(diǎn)及相對(duì)測(cè)量調(diào)軌技術(shù)的應(yīng)用

3.1 有砟軌道整道的技術(shù)特點(diǎn)

軌道幾何形位的定義，有砟軌道與無砟軌道基本相同。然而，由于道床、枕木以及扣件系統(tǒng)的不同，有砟軌道與無砟軌道的整道是有差異的。主要體現(xiàn)在：

(1)有砟軌道采用的是散粒體道床，其整體剛度顯著小于無砟軌道，即意味著當(dāng)有砟軌道動(dòng)道時(shí)，鄰近扣件節(jié)點(diǎn)處的軌道外部幾何尺寸將會(huì)產(chǎn)生變化，而無砟軌道動(dòng)道主要影響的是相鄰位置的內(nèi)部幾何尺寸；

(2)有砟軌道的起、落與撥道作業(yè)，軌枕將隨鋼軌移動(dòng)，在此條件下左右軌的調(diào)整是非獨(dú)立的，而無砟軌道承軌臺(tái)位置固定，一股的調(diào)整不會(huì)影響相對(duì)股的幾何形位；

(3)有砟軌道的起、落與撥、改道，主要依靠是起撥道機(jī)，而無砟軌道主要是依靠扣件的調(diào)整，故有砟軌道的整道精度一般低于無砟軌道；

(4)有砟軌道作業(yè)中，鋼軌會(huì)產(chǎn)生回彈，作業(yè)后，道砟處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在外力作用下，易產(chǎn)生流動(dòng)。這些都是保證作業(yè)效果時(shí)需要考慮的變量。

相對(duì)測(cè)量調(diào)軌技術(shù)源于無砟軌道的精調(diào)，故其原理與工藝是基于無砟軌道的整道設(shè)計(jì)的。其在有砟軌道應(yīng)用時(shí)，必須考慮到有砟軌道與無砟軌道的差異性。

3.2 有砟軌道的相對(duì)測(cè)量調(diào)軌技術(shù)的應(yīng)用

作為計(jì)算的控制目標(biāo)與控制信息，相對(duì)測(cè)量調(diào)軌技術(shù)應(yīng)用時(shí)首先應(yīng)確定作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可執(zhí)行《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》[5]作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)

應(yīng)用中，利用0級(jí)軌檢儀的精測(cè)模式快速采集有砟軌道的平順性數(shù)據(jù)，HSRailwayCHK XP數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)依據(jù)平順性數(shù)據(jù)指示進(jìn)行圖上作業(yè)。圖上作業(yè)時(shí)，以長(zhǎng)波平順性指導(dǎo)短波平順性調(diào)整，通過削峰填谷，確保調(diào)整規(guī)劃后的各項(xiàng)平順性波形在作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，并實(shí)時(shí)顯示作業(yè)后的效果。圖上作業(yè)完成后，自動(dòng)形成方案，出具作業(yè)指導(dǎo)書。其中，調(diào)整量規(guī)劃如圖3所示。

圖3 調(diào)整量規(guī)劃界面示意

規(guī)劃中符號(hào)定義面向大里程，垂向調(diào)整“+”號(hào)抬道，“-”號(hào)落道；橫向調(diào)整“+” 號(hào)向左撥，“-” 號(hào)向右撥。

基于有砟軌道整道的特點(diǎn)，相對(duì)測(cè)量調(diào)軌技術(shù)應(yīng)用中應(yīng)注意：

(1)整道先處理基準(zhǔn)股的軌向、高低，再通過軌距及水平(超高)調(diào)整非基準(zhǔn)股軌向、高低；

(2)關(guān)于調(diào)整波長(zhǎng)順序，應(yīng)嚴(yán)格按照70 m弦→20 m弦→10 m弦順序進(jìn)行，自動(dòng)規(guī)劃與人工干預(yù)相結(jié)合，以保證軌道的整體優(yōu)化；

(3)對(duì)于基準(zhǔn)股軌向動(dòng)道量的控制，可采用一弦法。應(yīng)置弦線于不受作業(yè)影響的位置，以檢測(cè)該撬規(guī)劃動(dòng)道量是否作業(yè)到位，不到位，則相應(yīng)位置補(bǔ)撬?；鶞?zhǔn)股高低動(dòng)道量采用軌道尺測(cè)量水平變化予以控制；

(4)現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，應(yīng)依據(jù)動(dòng)道量確定可能的回彈量，保證作業(yè)后調(diào)整量到位；

(5)由于有砟軌道的高低不宜采用非標(biāo)墊板調(diào)整，故作業(yè)方案應(yīng)盡量避免落道。

4 現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模試用

為驗(yàn)證相對(duì)測(cè)量調(diào)軌技術(shù)在有砟軌道整道作業(yè)中的效率與效能，課題組于2012年8月至10月在昌九城際鐵路進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試用?，F(xiàn)場(chǎng)試用線長(zhǎng)約7 km，全線為有砟軌道、跨區(qū)間無縫線路，平面線形選擇包含直線、緩和曲線及圓曲線。試用過程主要包括：靜態(tài)檢測(cè)→綜合分析→調(diào)軌規(guī)劃→方案審批→方案實(shí)施→靜態(tài)回檢。靜態(tài)檢測(cè)與回檢采用GJY-T-EBJ-3軌檢儀進(jìn)行，并輔以弦線作為回檢手段。實(shí)驗(yàn)顯示，該技術(shù)可以顯著改善有砟軌道的長(zhǎng)波、短波平順性狀態(tài)，其測(cè)量效率可達(dá)2 km/h，300 m線路調(diào)整規(guī)劃時(shí)間可控制在20 min以內(nèi)，可現(xiàn)場(chǎng)出方案、現(xiàn)場(chǎng)劃撬、現(xiàn)場(chǎng)回檢，作業(yè)效果好，作業(yè)效率高。作業(yè)效果通過部分靜態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)、靜態(tài)回檢數(shù)據(jù)及調(diào)軌規(guī)劃數(shù)據(jù)如圖4所示，其中圖4(a)為右軌70 m弦測(cè)軌向長(zhǎng)波的調(diào)整效果，圖4(b)為右軌10 m弦測(cè)軌向的調(diào)整效果。對(duì)于10 m弦短波不平順調(diào)整，采用一弦法進(jìn)行作業(yè)量控制，整道前后現(xiàn)場(chǎng)拉弦數(shù)據(jù)見圖4(b)。回檢數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)拉弦對(duì)比顯示，采用相對(duì)測(cè)量調(diào)軌技術(shù)進(jìn)行整道作業(yè)，可顯著改善長(zhǎng)短波軌道平順性。

圖4 右軌平面調(diào)整比對(duì)(局部)

5 結(jié)論與展望

通過相對(duì)測(cè)量調(diào)軌技術(shù)在高速鐵路有砟軌道整道實(shí)驗(yàn)，可得出如下結(jié)論。

(1)0級(jí)軌檢儀具有檢測(cè)項(xiàng)目全、測(cè)量精度高、測(cè)量效率快、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，并具有逐枕定位功能，能夠?qū)壍缼缀纬叽绮『M(jìn)行精確診斷，適合于高速鐵路有砟軌道工務(wù)部門的日常養(yǎng)護(hù)與維修。

(2)實(shí)驗(yàn)顯示，高速鐵路有砟軌道相對(duì)測(cè)量調(diào)軌技術(shù)其軟件界面友好、操作簡(jiǎn)單、方案合理、規(guī)劃快捷，可實(shí)時(shí)指導(dǎo)高速鐵路有砟軌道的整道作業(yè)。

(3)相對(duì)測(cè)量調(diào)軌技術(shù)能夠進(jìn)行高速鐵路既有線的10～70 m不同波長(zhǎng)平順性調(diào)整方案制定，指導(dǎo)高速鐵路養(yǎng)護(hù)維修。上道實(shí)驗(yàn)顯示，盡管有砟軌道與無砟軌道在道床、枕木及扣件系統(tǒng)存在差異，但不影響其在有砟軌道整道上的適用性。現(xiàn)場(chǎng)回檢結(jié)果顯示，軌道的長(zhǎng)短波均有顯著改善。

(4)目前的調(diào)整量規(guī)劃軟件是按無砟軌道精調(diào)設(shè)計(jì)的，即假定左右股軌向、高低獨(dú)立。而有砟軌道整道作業(yè)中上述幾何形位并非完全獨(dú)立，應(yīng)當(dāng)通過軌距、水平(超高)控制非基準(zhǔn)股的軌向、高低，如何實(shí)現(xiàn)技術(shù)銜接還需在實(shí)踐中不斷總結(jié)。

(5)其中部分線路作業(yè)后殘余3～4 mm長(zhǎng)波，或與施工工藝有關(guān)。有砟軌道的軌向、高低控制并不是通過扣件系統(tǒng)的更換實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)實(shí)也難以實(shí)現(xiàn)逐枕的劃撬，在兩撬間的作業(yè)效果只能通過弦線等進(jìn)行檢查，如何在有砟軌道條件下保證整道作業(yè)量的精確性，需要在實(shí)踐中進(jìn)一步完善。

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