劉　科

(廣州鐵路集團，廣東廣州　580002)

Study on the New Measurement Method for the Track Lifting and Drawing Amount of Ballasted Track

LIU Ke1　MA Wen-jing2

新建有砟鐵路粗搗起撥道量快速測量方法研究

劉科

(廣州鐵路集團，廣東廣州580002)

Study on the New Measurement Method for the Track Lifting and Drawing Amount of Ballasted Track

LIU Ke1MA Wen-jing2

摘要提出一種利用單軌棱鏡夾進行軌道測量并通過計算獲取起撥道量的新方法，工程應用實踐表明，該方法測量精度滿足粗搗要求，提高了搗固車作業(yè)效率，在新建有砟鐵路粗搗階段有推廣應用價值。

關鍵詞有砟鐵路粗搗起撥道量搗固車

1概述

在軌道工程施工階段，需要利用搗固車進行線路整正作業(yè)，使竣工軌道與設計位置的偏差及平順性指標滿足一定的要求，時速250 km的高速有砟鐵路，其軌道靜態(tài)幾何平順性指標規(guī)范[1]有明確的規(guī)定。高平順性軌道的搗固作業(yè)，需要軌道起撥道量數(shù)據(jù)進行指導。搗固車自身安裝有弦線測量系統(tǒng)，然而該系統(tǒng)僅能提供短波平順性數(shù)據(jù)，不能提供對高速鐵路而言更為重要的長波平順性及絕對位置數(shù)據(jù)，不能滿足搗固作業(yè)對數(shù)據(jù)的要求。因此，需要基于外部參考對軌道進行測量，以獲得滿足要求的起撥道量數(shù)據(jù)，從而指導搗固車進行作業(yè)。

新線的搗固作業(yè)一般分粗搗和精搗兩個階段。粗搗時，由于軌道偏離設計位置的量還比較大，對軌道測量數(shù)據(jù)的精度要求較低；精搗時，軌道與設計位置已經(jīng)較為吻合，對軌道測量數(shù)據(jù)的精度要求也較高。目前，精搗階段一般采用軌檢小車進行軌道測量，其作業(yè)流程如圖1所示。

圖1　軌檢小車作業(yè)流程

利用智能型全站儀，基于線路兩邊的CPIII控制網(wǎng)進行自由設站[2]，然后觀測軌檢小車上的棱鏡，通過專業(yè)軟件計算獲得測量位置處的軌道幾何參數(shù)。該方法精度高，能夠滿足搗固車精搗對數(shù)據(jù)的要求，然而效率偏低，且由于軌檢小車價格昂貴，因此該方法的作業(yè)成本也較高。粗搗階段對數(shù)據(jù)精度要求較低，故不適宜采用軌檢小車來進行軌道測量，而傳統(tǒng)的利用方尺分中進行中線測量、水準抄平進行高程測量的方法則過于繁瑣且效率不高，同樣不宜采用。針對上述不足，提出一種基于單軌測量獲取線路起撥道量的測量方法，能夠快速進行軌道測量并獲取起撥道量，設備簡單，操作方便，測量精度能夠滿足粗搗階段的使用需求。

2單軌測量的原理及軟硬件設計

2.1　軌道斷面模型的建立

線路測量的目的在于獲取軌道的實際空間位置，并與設計位置相比較而得到起撥道量。其中線路的設計位置已知，因此難點在于如何測量軌道的實際位置。單軌測量的原理是通過建立測量中心與軌道特征點的空間位置關系，由測量中心解算得到軌道特征點的一種測量方法。以CHN60鋼軌斷面模型為基礎，建立單軌測量方法的軌道斷面模型如圖2所示。

圖2　單軌測量方法軌道斷面模型

圖2所示為右偏曲線之左軌軌頭:D為軌距定義點，O為軌道中心點，則OD為標準軌距的一半；OD的延長線與鋼軌中心線相交于M，N為軌頭頂面中線點，則M、N的連線為鋼軌中心點；P為實測點，該點的空間三維坐標為(XP，YP，HP)，且位于鋼軌中心線上，也即M、N、P三點共線，PN為測量設備高度，其值事先確定為已知；∠APB與∠CMD為設計超高引起的角度，其值為θ，設計超高不同，該值也會不同；∠NPA為設計軌底坡引起的角度，其值為α，由于設計軌底坡為常數(shù)，因此該值也為常數(shù)。

2.2　軌道特征點設計值計算

由軌道斷面模型可知，N點的高程及D點的平面坐標為需要計算的設計值。由于P點三維坐標已知，可將該點平面坐標向設計平曲線投影，得到投影點也即O點的平面坐標，并得到O點在線路前進方向的方位角ε，計算原理如圖3所示。

圖3　基于設計平曲線的投影計算模型

軌道線路設計線形有三種，分別是直線、緩和曲線及圓曲線[3]，與之對應，投影點計算也有三種數(shù)學模型。

(1)直線地段的投影點較容易計算，在確定直線方程以后，解求過實測點且與已知直線垂直的另一直線，即兩條直線交點的投影點。

(2)圓曲線地段的投影點求解算法如下：解求實測點與圓心的連線跟圓曲線的交點，則該交點即為所求的投影點。

(3)緩和曲線的參數(shù)方程如式(1)所示，基于該參數(shù)方程[4-6]，也可較為方便地求得實測點在緩和曲線上的投影點。

(1)

O點的平面坐標得到以后，即可計算D點的平面坐標。由于D點位于O點的軌道法向方向，可通過下式計算D點的設計平面坐標

(2)

2.3　軌道特征點實測值計算

由圖2可知，N點的實測高程可通過下式計算

(3)

式(3)中，HP為實測點P的高程，通過測量得到；NP為實測點距離鋼軌頂面中心的高度，可通過事先測量得到。

D點的實測平面坐標可通過如下方程組計算

(4)

式(4)中，MN為軌距定義點D與鋼軌頂面中心點N之間的高度，由鋼軌斷面模型確定，是一個已知值；MD為軌距定義點D與鋼軌中心線之間的距離，同樣由鋼軌斷面模型確定，是一個已知值；XP及YP為實測點P的北坐標及東坐標，通過測量得到；其余各變量的含義在上文中已經(jīng)說明，因此可通過式(4)計算D點的實測平面坐標。

2.4　軌道起撥道量計算

N點的設計高程及實測高程與D點設計平面坐標及實測平面坐標解算完成后，即可通過如下方程組計算該里程處的軌道起撥道量

(5)

式(5)中，VN及SD分別代表該里程處的軌道起道量及撥道量。對于起道量而言，VN正值，表示軌道實際高程比設計高程大，需要落道；VN為負值時，表示軌道實際高程比設計高程小，需要起道。對于撥道量而言，式(5)僅給出了SD的絕對值，此時還需要根據(jù)D點的實測平面坐標與設計平面坐標間的相互位置關系，并結(jié)合該里程處的前進方位角ε來判斷實測值位于設計值的左邊還是右邊，以便確定軌道的撥道方向。

2.5　單軌測量系統(tǒng)的軟硬件設計

根據(jù)上述單軌測量的原理，對單軌測量系統(tǒng)的硬件進行了設計，設計原則是使測量點距離鋼軌頂面的距離不應太大，以控制計算誤差；同時保證該裝置能夠穩(wěn)定地卡住鋼軌，并兼顧方便實用。單軌測量裝置如圖4所示。

圖4　單軌測量裝置

在外業(yè)測量時，利用全站儀測量棱鏡的三維坐標并保存；為了區(qū)分測點，可事先在軌道上的待測點位置寫標，則在測量時可按照標記來命名測量點的點名。外業(yè)完成后，將測量數(shù)據(jù)輸出并進行內(nèi)業(yè)處理。

為進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，根據(jù)單軌測量原理開發(fā)了專用數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件具有項目建立、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)解算、左右軌自動判別、高低軌自動判別、圖形顯示、報表輸出等功能，能夠方便快捷地完成數(shù)據(jù)處理工作。在數(shù)據(jù)輸出方面，除了一般的文本格式或EXCEL格式外，還專門開發(fā)了適合搗固車自動識別的GEO及VER文件格式，并能夠根據(jù)測量成果自動輸出，從而方便搗固車根據(jù)軌道數(shù)據(jù)進行自動化作業(yè)[7]。搗固車GEO及VER數(shù)據(jù)格式如圖5所示。

圖5　搗固車GEO及VER文件

3單軌測量系統(tǒng)的精度

為了確定單軌測量系統(tǒng)的精度，在某無砟軌道客運專線上進行了測試。在選定軌道段利用軌檢小車進行了精密軌道檢測，得到檢測點高程偏差及平面偏差，并將其作為真值。然后利用單軌測量系統(tǒng)對相同的軌道點進行測量，通過數(shù)據(jù)處理得到高程及平面偏差，并與軌檢小車的檢測數(shù)據(jù)進行對比，以此評價單軌測量系統(tǒng)的檢測精度。單軌測量系統(tǒng)與軌檢小車對同一段軌道檢測數(shù)據(jù)的比較情況如圖6所示。

圖6　單軌測量系統(tǒng)與軌檢小車數(shù)據(jù)比較

由圖6可知：在該測試段約250 m的范圍內(nèi)，單軌測量系統(tǒng)與軌檢小車分別測得的撥道量較差及起道量較差絕大部分位于±3 mm以內(nèi)，最大值均不超過5 mm；撥道量較差的均值為0.51 mm，均方差為1.49 mm；起道量較差的均值為0.30 mm，均方差為1.68 mm；單軌測量系統(tǒng)測得的軌道起撥道量與軌檢小車數(shù)據(jù)吻合較好，其測量精度完全能夠滿足有砟軌道粗搗階段的要求。

4應用案例

在廣州南站樞紐有砟軌道的粗搗中，采用了單軌測量系統(tǒng)進行軌道檢測，提高了作業(yè)效率，在緊張的工期內(nèi)完成了軌道檢測任務，且相較于傳統(tǒng)的軌道檢測方法，有效地改善了軌道粗搗的質(zhì)量。

圖7及圖8為選擇的某段長約2 km的軌道第三道與第四搗起撥道量數(shù)據(jù)對比。由圖7可見，由單軌測量系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)并經(jīng)搗固后，第四搗數(shù)據(jù)比第三搗數(shù)據(jù)得到了明顯改善，軌道的軌向平順性也得到了控制；由圖8可見，在預留80 mm起道量的情況下，第四搗起道量數(shù)據(jù)的均值即在-80 mm左右，軌道的高低平順性同樣也得到顯著控制。上述結(jié)果表明，應用單軌測量系統(tǒng)在有砟軌道粗搗階段進行軌道檢測并配合大機作業(yè)，搗固效果及精度良好。

圖7　第三搗與第四搗撥道量比較

圖8　第三搗與第四搗起道量比較

參考文獻

[1]鐵建設[2009]196號高速鐵路工程測量規(guī)范[S]

[2]張忠良，楊友濤，劉成龍.軌道精調(diào)中后方交會點三維嚴密平差方法研究[J].鐵道工程學報，2008(5)：33-36

[3]郝瀛.鐵道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2002

[4]張正祿.工程測量學[M].武漢：武漢大學出版社，2005

[5]王兆祥.鐵道工程測量[M].北京：中國鐵道出版社，1998

[6]高淑照.緩和曲線非線性方程的快速解算[J].測繪通報，2006(3)

[7]傅文智，毛必顯.抄平起撥道搗固車[M].北京：中國鐵道出版社，2010：64-70

中圖分類號：U212.24

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)01-0010-04

作者簡介：劉科(1974—)，男，1996年畢業(yè)于長沙鐵道學院，工學學士，工程師。

收稿日期：2014-12-12