羅文彬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

客運(yùn)專線軌道精調(diào)相鄰站平順銜接方法研究

羅文彬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

客運(yùn)專線軌道精調(diào)中,相鄰站軌道幾何狀態(tài)信息平順銜接是否合理將直接影響軌道的平順性,不同的平順銜接方法對(duì)于軌道軌向、高低長(zhǎng)短波的計(jì)算將產(chǎn)生不一樣的結(jié)果,國(guó)內(nèi)主要采用的是重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接的方法。提出一種基于平順變化率擴(kuò)展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法,在理論分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實(shí)踐,對(duì)這兩種方法進(jìn)行了綜合比對(duì)分析。結(jié)果表明:在相鄰兩站重疊區(qū)軌道量測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)較差較小的情況下,兩種方法得到的銜接平滑結(jié)果,均可以滿足軌道長(zhǎng)短波檢測(cè)的需要。而基于平順變化率擴(kuò)展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法,其順接長(zhǎng)度是根據(jù)相鄰站重疊區(qū)較差而動(dòng)態(tài)變化的,很好地保障了平順性變化率的精度要求。

客運(yùn)專線;軌道平順性;順接;重疊區(qū);軌向;高低

軌道的平順性是實(shí)現(xiàn)列車高速運(yùn)行的基本條件,為了達(dá)到在高速行駛條件下旅客列車的安全性和舒適性,要求客運(yùn)專線軌道必須具有非常高的平順性和精確的幾何線性參數(shù)[1,2]。軌道的高平順性是直接通過軌道精調(diào)來實(shí)現(xiàn)的[3]。軌道精調(diào)是根據(jù)軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x采集的線路軌道內(nèi)外部幾何狀態(tài)信息(軌距、水平、軌向、高低、軌道三維坐標(biāo)等)[4],通過扣件對(duì)軌道高低和軌向進(jìn)行調(diào)整,使軌道幾何狀態(tài)達(dá)到規(guī)范要求。為了滿足軌道幾何狀態(tài)信息采集的高精度要求,在客運(yùn)專線軌道施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)過程中,對(duì)軌道幾何狀態(tài)信息的采集需采用分站重疊測(cè)量的方法,而每一站獨(dú)立觀測(cè)的距離較短,不能滿足軌道長(zhǎng)短波平順性評(píng)價(jià)的要求,這就必然存在著測(cè)站間的平順銜接問題[5]。因此,對(duì)于軌道高低、軌向平順性的高精度不僅要求測(cè)站內(nèi)相對(duì)精度,而且應(yīng)該包括相鄰站高精度的合理平順銜接。目前,國(guó)內(nèi)主要采用的是重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接的方法[6]。本文提出一種基于平順變化率擴(kuò)展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法,在理論分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實(shí)際,對(duì)這兩種方法進(jìn)行綜合比對(duì)分析。

1 軌道幾何狀態(tài)信息采集分站重疊測(cè)量方法

如圖1所示,軌道幾何狀態(tài)信息采集采用分站重疊測(cè)量的方法,即:測(cè)量是由多個(gè)測(cè)站組成,每站測(cè)量全站儀采用自由設(shè)站法[7],自由設(shè)站時(shí)后視不少于6個(gè)軌道控制點(diǎn)(CPⅢ點(diǎn)),每站觀測(cè)距離從50～80 m不等,具體視天氣情況及線路要求精度等級(jí)而定。

圖1 分站重疊測(cè)量示意

全站儀具有測(cè)距、測(cè)角的高精度性,各站內(nèi)測(cè)量的相對(duì)精度較高,但由于每站所觀測(cè)的CPⅢ點(diǎn)不一致,每一站全站儀自由設(shè)站的精度也就不盡相同,為了提高測(cè)站之間的相對(duì)精度,相鄰測(cè)站之間的設(shè)站觀測(cè)必須保證足夠的重疊,重疊的CPⅢ點(diǎn)個(gè)數(shù)不少于2對(duì);為了盡可能地減小不同設(shè)站精度對(duì)相鄰測(cè)站間平順性的影響,對(duì)相鄰測(cè)站觀測(cè)的軌道點(diǎn)采用搭接重疊測(cè)量的方法[8,9],即:每相鄰兩站設(shè)置3～7 m的重疊區(qū),在重疊區(qū)內(nèi)前后兩站需對(duì)同一軌道量測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,將同一軌道量測(cè)點(diǎn)的橫向和高程偏差控制在一定范圍之內(nèi),對(duì)相鄰測(cè)站進(jìn)行平順銜接,以保障相鄰測(cè)站之間平順性。

2 相鄰測(cè)站平順銜接模型設(shè)計(jì)

軌道平順性測(cè)量是由多個(gè)測(cè)站組成,軌道平順性分析前需要對(duì)相鄰測(cè)站的軌道測(cè)量點(diǎn)均勻地、無拐點(diǎn)地貫穿起來,即進(jìn)行平順銜接處理[10]。軌道測(cè)量中同一測(cè)站內(nèi)測(cè)量相對(duì)精度比較容易達(dá)到要求,而相鄰測(cè)站由于換站的原因使得其測(cè)量坐標(biāo)存在偏差,如果不經(jīng)過特殊處理,勢(shì)必形成轉(zhuǎn)角或突變。為解決這個(gè)問題,相鄰測(cè)站就必須保證具有同名重復(fù)量測(cè)點(diǎn),設(shè)置重疊區(qū),將相鄰測(cè)站重疊區(qū)內(nèi)所有軌道量測(cè)點(diǎn)的橫向偏差量和高程偏差量平順分配到各點(diǎn)上。現(xiàn)主要采用余弦曲線的方法對(duì)偏差量進(jìn)行順接,如圖2、圖3所示。

圖2 重疊區(qū)平順搭接示意

圖3 擴(kuò)展重疊區(qū)平順搭接示意

相鄰測(cè)站重復(fù)測(cè)量點(diǎn)銜接處理采用余弦曲線函數(shù)加權(quán)的方法,計(jì)算公式如下

其中,L為重疊區(qū)長(zhǎng)度,重復(fù)點(diǎn)號(hào)前后各延長(zhǎng)1個(gè)點(diǎn)的里程差,I為當(dāng)前計(jì)算點(diǎn)離重合起始點(diǎn)的距離。銜接后軌道量測(cè)點(diǎn)各偏差量的計(jì)算公式如下

其中,Hi為搭接區(qū)從小里程開始第i個(gè)重復(fù)點(diǎn)搭接后的高程值,H1i為其小里程上一站的高程值,H2i為其相鄰當(dāng)前站的高程值;Pi為搭接區(qū)從小里程開始第i個(gè)重復(fù)點(diǎn)搭接后的橫向偏差值,P1i為其小里程上一站的橫向偏差值,P2i為其相鄰當(dāng)前站的橫向偏差值;z和1-z分別為其權(quán)重。

重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接的方法雖然能有效地對(duì)相鄰站無拐點(diǎn)進(jìn)行順接,但在相鄰站偏差較大時(shí),其順接的效果相對(duì)于測(cè)站內(nèi)的平順性精度并不是太理想。通過理論分析和實(shí)際工程應(yīng)用的研究,現(xiàn)提出一種基于平順變化率的擴(kuò)展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法,如圖3所示,假設(shè)相鄰測(cè)站重疊區(qū)內(nèi)所有軌道量測(cè)點(diǎn)的偏差量為S,假定軌道橫向和高程偏差量的平順變化率滿足每米變化x的要求,x取值依據(jù)線路的具體精度要求而定,則依據(jù)平順變化率可計(jì)算出擴(kuò)展重疊區(qū)順接段的長(zhǎng)度如式(4)所示

搭接后軌道量測(cè)點(diǎn)各偏差量的計(jì)算

其中,i表示擴(kuò)展重疊區(qū)順接段從小里程開始的第i個(gè)點(diǎn);Hi為第i個(gè)點(diǎn)搭接后的高程值;H1i為第i個(gè)點(diǎn)搭接前的高程值;K1i為第i個(gè)點(diǎn)的里程值;K1s為擴(kuò)展重疊區(qū)順接段第1個(gè)點(diǎn)的里程值;Pi為第i個(gè)點(diǎn)搭接后的橫向偏差值;P1i為第i個(gè)點(diǎn)搭接前的橫向偏差值。

3 工程應(yīng)用及分析

西寶客運(yùn)專線東起陜西西安,西至寶雞,是橫貫中國(guó)東西的鐵路主通道之一,為國(guó)家重大鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目,已于2013年12月正式通車。采用軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x和TS30全站儀用分站重疊測(cè)量的方法對(duì)線路軌道進(jìn)行了平順性檢測(cè),現(xiàn)選取其中兩站數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,如表1所示。在里程DK1 239+ 234.115至DK1 239+358.229內(nèi)對(duì)相鄰A、B兩站進(jìn)行觀測(cè),并重疊10個(gè)軌枕(239311065～239311074)的測(cè)量。從表1中數(shù)據(jù)可以看出,由于不同自由設(shè)站的設(shè)站精度不同,以致設(shè)站A觀測(cè)的重疊點(diǎn)坐標(biāo)與設(shè)站B觀測(cè)的重疊點(diǎn)坐標(biāo)并不相同,其產(chǎn)生的橫向較差平均值為2.0 mm,高程較差平均值為3.2 mm;從各自測(cè)站內(nèi)的橫向鄰點(diǎn)變化和高程鄰點(diǎn)變化來看,橫向鄰點(diǎn)變化最大值為0.3 mm,高程鄰點(diǎn)變化最大值為0.5 mm,其各自測(cè)站內(nèi)測(cè)量的相對(duì)精度較高。如圖4所示,分別對(duì)A測(cè)站和B測(cè)站內(nèi)的軌道高低10 m弦短波進(jìn)行了分析,從圖形可以看出,現(xiàn)場(chǎng)DK1 239+234～DK1 239+358里程段的短波高低平順性都滿足2 mm/5 m精度[11]要求的。

表1 相鄰站原始觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖4 軌道高低10 m弦短波示意

為了對(duì)軌道進(jìn)行整體的平順性分析,需對(duì)相鄰測(cè)站的軌道測(cè)量點(diǎn)貫穿起來進(jìn)行順接處理。如表2所示,分別對(duì)A、B站的平順性指標(biāo)短波軌向和高低[12]進(jìn)行了計(jì)算。從表2中可以看出,A、B站未順接前的軌向和高低短波值絕對(duì)值都小于1 mm;A、B站直接順接處理效果較差,重疊點(diǎn)短波軌向的平均值為-1.76 mm,短波高低的平均值為-2.40 mm,不能滿足短波2 mm/5 m的精度檢測(cè)要求,該處的平順性與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況明顯不符;采用重疊區(qū)余弦曲線平順銜接方法進(jìn)行順接,重疊點(diǎn)短波軌向的平均值為-1.14 mm,短波高低的平均值為-1.45 mm;采用基于平順變化率的擴(kuò)展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法進(jìn)行順接,重疊點(diǎn)短波軌向的平均值為-0.82 mm,短波高低的平均值為-0.65 mm;顯然,應(yīng)用基于平順變化率的擴(kuò)展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法效果最好,其計(jì)算結(jié)果都能滿足短波2 mm/5 m的精度檢測(cè)要求,與A、B站獨(dú)立計(jì)算的效果比較接近,與現(xiàn)場(chǎng)平順性實(shí)際情況比較吻合。如圖5所示,分別對(duì)不同順接方法計(jì)算的短波高低結(jié)果進(jìn)行了圖形分析,從圖5中可以看出,在相鄰兩站重疊區(qū)高程較差平均值為3.2 mm的情況下,其直接順接形成了明顯的轉(zhuǎn)角突變,而采用重疊區(qū)余弦曲線平順銜接方法進(jìn)行順接的效果可以消除突變的情況,但與站內(nèi)獨(dú)立處理的效果還是具有一定的差別,通過應(yīng)用基于平順變化率擴(kuò)展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法計(jì)算的平順性效果最佳,能很好地與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況保持一致。

表2 相鄰站順接處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖5 A、B站順接后軌道高低10 m弦短波波形

4 結(jié)論

(1)軌道幾何狀態(tài)信息的采集采用分站重疊測(cè)量的方法,站內(nèi)的相對(duì)精度較高,平順性效果較好,但觀測(cè)距離受限,通常都小于80 m。

(2)軌道幾何狀態(tài)信息采集時(shí),相鄰站重疊的CPⅢ點(diǎn)盡可能多,相鄰站重疊區(qū)較差就越小,則整體平順性銜接的精度越高。

(3)在相鄰兩站重疊區(qū)軌道量測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)較差較小的情況下,重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接的方法和基于平順變化率擴(kuò)展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法得到的銜接平滑結(jié)果,均可以滿足軌道長(zhǎng)短波檢測(cè)的需要。而基于平順變化率擴(kuò)展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法,其順接長(zhǎng)度是根據(jù)相鄰站重疊區(qū)較差而動(dòng)態(tài)變化的,在相鄰測(cè)站重疊區(qū)內(nèi)軌道量測(cè)點(diǎn)的橫向偏差量和高程偏差量較差相對(duì)較大的情況下,其能很好地保障平順性變化率的精度要求。

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Research on Methods of Smooth Convergence between Adjacent Stations during Track Accurate Adjustment for Railway Passenger-dedicated Line

LUO Wen-bin
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

In the process of track accurate adjustment for railway passenger-dedicated line,that weather or not the method of smooth convergence of track geometric status information between adjacent stations is reasonable will directly affect the regularity of track.Different smooth convergence methods will produce different computational results of track alignment and waves,which may be either high and low or long and short.In contrast with the smooth convergence method of overlapping region cosine function which is widely used in China at present,this paper proposed a new smooth convergence method of extended overlapping region cosine function based on regularity change rate.Furthermore,on the basis of theoretical analysis and in combination with engineering practices,a comparative analysis between the two methods was comprehensively carried out in this paper.The results show that:(a)When the coordinate discrepancy of track measurement points at the overlapping region between adjacent stations is small,the smooth convergence results obtained by both the two methods can all meet the requirement for testing the long and short waves of track.(b)If using the new smooth convergence method of extended overlapping region cosine function based on regularity change rate,the length of smooth convergence will dynamically change with the discrepancy change of overlapping region between adjacent stations,so this new method can better meet the accuracy requirement of regularity change rate.

railway passenger-dedicated line;regularity of track;smooth convergence;overlapping region;track alignment;track height

U238;U215.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.005

1004-2954(2014)08-0023-04

20140117;

201401-27

羅文彬(1981—),男,工程師,2006年畢業(yè)于西南交通大學(xué)地圖制圖學(xué)與地理信息工程專業(yè),工學(xué)碩士,E-mail:lwbswjtu@ 163.com。