王暖堂

(中鐵十六局集團有限公司，100018)

一、前 言

隨著高速鐵路和城市軌道交通的不斷發(fā)展，以及城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進，軌道交通已成為交通運輸?shù)闹匾侄危瑸榇藢⑦M一步加快軌道交通工程建設(shè)。目前，我國在高速鐵路方面已成為世界上系統(tǒng)技術(shù)最全、集成能力最強、運營里程最長、在建規(guī)模最大的國家。高速鐵路精密工程測量技術(shù)是高速鐵路成功建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。高速鐵路建設(shè)與運營實踐驗證了我國高速鐵路精密工程測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性、先進性、適用性和可靠性。為滿足高速鐵路安全、高速、舒適的要求，其軌道精調(diào)技術(shù)尤為重要與關(guān)鍵，精調(diào)質(zhì)量好與壞，直接關(guān)系到旅客列車運行的安全性和舒適性，為軌道幾何尺寸保持持久、維修工作量少、經(jīng)久耐用、綜合經(jīng)濟效益等奠定基礎(chǔ)。因此，在無砟軌道施工時，如何提高無砟軌道精調(diào)技術(shù)指標(biāo)與質(zhì)量控制，對軌道交通運營安全和軌道結(jié)構(gòu)的耐久性、使用壽命具有重要意義。

以高鐵和城市地鐵工程的軌道精密測量控制為依托，經(jīng)過三年多的跟蹤調(diào)查與開發(fā)研究，結(jié)合近年來高速鐵路無砟軌道施工控制測量技術(shù)的現(xiàn)狀，針對無砟軌道施工控制測量中存在的問題及不足，展望高鐵和城市地鐵等工程領(lǐng)域軌道交通施工控制測量技術(shù)的應(yīng)用前景，并進行技術(shù)創(chuàng)新和研究開發(fā)。研究開發(fā)了軌道施工中控制測量相關(guān)軟件，無砟軌道不同板型施工控制測量通用軟件，以及制作加工軌檢小車、工裝等測量元器件。為今后在軌道施工控制測量中有效利用既有測量儀器設(shè)備，發(fā)揮既有測量儀器設(shè)備作用，以減少測量儀器設(shè)備再投入，提供有效技術(shù)支持，大大節(jié)省成本。

二、技術(shù)路線及目標(biāo)要求

1．研究目標(biāo)及要求

無砟軌道主要由鋼軌、軌枕、扣件、水泥道床、道岔等部分組成。在高速鐵路無砟軌道施工過程中，通過采用高精度測量設(shè)備、高新測量技術(shù)和與之配套的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，按照分級布網(wǎng)、逐級控制、統(tǒng)一布網(wǎng)、統(tǒng)一測量、整體平差的原則，構(gòu)建了勘察設(shè)計、施工建造和運營管理各個階段的“三網(wǎng)合一”精密工程控制測量網(wǎng)，保證其坐標(biāo)高程系統(tǒng)統(tǒng)一、起算基準(zhǔn)統(tǒng)一，滿足高速鐵路各階段對于測量點位控制足夠精度和密度的需要，進而實現(xiàn)高速鐵路無砟軌道的高平順性、高穩(wěn)定性，其研究目標(biāo)如下:

1)主要針對無砟軌道不同板型和整體道床施工測量實際，研究開發(fā)無砟軌道和整體道床施工軌道精調(diào)技術(shù)，制作生產(chǎn)相應(yīng)的軌檢小車、工裝元器件，開發(fā)軌道安裝施工中測量及相關(guān)數(shù)據(jù)采集計算處理軟件。

2)重點解決軌道安裝施工時，因趕工期所需投入軌檢小車較多，粗調(diào)周期長，影響軌道安裝施工工期。

3)結(jié)合城市軌道交通工程引入高鐵CPIII軌道安裝施工情況。生產(chǎn)加工相應(yīng)工裝元器件及數(shù)據(jù)采集計算處理軟件。

2．技術(shù)路線與設(shè)計

1)調(diào)研高速鐵路精密工程測量技術(shù)，詳盡收集包括作業(yè)辦法、實施方案、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等各個方面的相關(guān)資料;收集高速鐵路現(xiàn)行施工工藝、測量技術(shù)手段、軌道定位及調(diào)整等多方面的資料。

2)對收集的資料進行分析研究，設(shè)計高速鐵路無砟軌道精密測量技術(shù)的總體技術(shù)路線，并建立數(shù)學(xué)模型。

3)根據(jù)總體技術(shù)思路，結(jié)合既有高速鐵路的實際情況，開展軌道控制網(wǎng)的研究，研究其點位布設(shè)、外業(yè)觀測、精度控制標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理方法等多方面的內(nèi)容。

4)研究采用自由設(shè)站邊角交會測量軌道控制網(wǎng)，自由設(shè)站能避免儀器對中誤差的影響，方式靈活、基準(zhǔn)一致、精度均勻，能有效指導(dǎo)軌排精調(diào)及長軌精調(diào)各項精度。

5)研究開發(fā)軌道幾何測量儀(軌檢小車)和軌排粗調(diào)精調(diào)工裝、元器件及配套設(shè)備，提升無砟軌道粗調(diào)精度及軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)技術(shù)。

6)研究開發(fā)軌道幾何測量儀、工裝等相適應(yīng)的通用軟件，適用于不同板型、軌排的軌道幾何測量。

7)研究開發(fā)高速鐵路無砟軌道長軌精調(diào)的新工藝。該工藝?yán)密壍谰軠y量儀及軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)實現(xiàn)，研究其組織實施、人員及材料配備、與其他施工環(huán)節(jié)的銜接、工效、扣件精確調(diào)整方法、效果分析等。

8)研究采用軌道精密測量儀進行軌排精調(diào)及長軌精調(diào)的作業(yè)方法，包括自由設(shè)站時的觀測點數(shù)、設(shè)站距離、站與站之間的搭接方式及其數(shù)據(jù)處理、軌排精調(diào)的作業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及長軌精調(diào)的作業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

9)研究利用軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)復(fù)測對工程結(jié)構(gòu)工后整體形變位移的變化情況進行分析，并采用軌道幾何狀態(tài)測量儀(軌檢小車)，對軌道三維幾何線形位置、軌道平順性以及整體道床隆沉情況進行監(jiān)測。

三、技術(shù)原理及數(shù)學(xué)模型

1)鐵路軌道施工與其他道路線路施工方法類似，圍繞線路的線性設(shè)計正反算原理，配備相應(yīng)工裝及數(shù)據(jù)采集計算軟件，實現(xiàn)被安裝的軌道設(shè)備在現(xiàn)場精確安裝就位。正算是依據(jù)設(shè)計提供線路上某個斷面點所在的里程，計算該斷面上相應(yīng)點的坐標(biāo);反算就是以線路上某斷面點的坐標(biāo)求得該點對應(yīng)線路上的設(shè)計里程。

如圖1所示，鐵路線路施工就是將1號、2號鋼軌現(xiàn)場安裝就位，滿足一定幾何相對位置關(guān)系和線路設(shè)計要求，1號、2號鋼軌形成的整體幾何線形中心必須與設(shè)計線路同心，同時1號、2號鋼軌必須滿足一定的超高要求。為了安裝這個整體鋼軌設(shè)備，就需要用一定的測量手段來實現(xiàn)這項任務(wù)。

2)研究制作了的工裝，可以滿足這個線形幾何狀態(tài)鋼軌整體設(shè)備的就位。如圖2所示。圖中顯示的是1號鋼軌與2號鋼軌的一個橫截面圖形。1與2號線代表的是鋼軌頂端滿足1．435 m二根軌道間距的位置特征點。1'與2'點代表道尺棱鏡的中心位置，1'與2'點連線和1與2點的連線滿足平行關(guān)系，且在線路設(shè)計各個里程位置，1、2、1'、2'這4個點組成的圖形滿足長方形的幾何特征。由棱鏡位置計算獲取，可得到1與2點坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型及計算公式。

圖1 鋼軌幾何相對位置關(guān)系

圖2 軌檢尺鋼軌的橫截面

如圖3所示，設(shè)1'與2'棱鏡的坐標(biāo)分別為(x'1，y'1，h'1)與(x'2，y'2，h'2)。需要計算得到的1點與2點坐標(biāo)分別為(x1，y1，h1)與(x2，y2，h2)。根據(jù)圖形幾何關(guān)系，可得到如下幾個量的值。

圖3 棱鏡與鋼軌的幾何相對位置

1'點與2'點的斜距為

1'點與2'點的平距為

1'點與2'點高差為

進一步得到

最后得到1點與2點坐標(biāo)為

3)通過以上的數(shù)學(xué)公式主要測量計算得到點1與點2位置測量坐標(biāo)(x1，y1，h1)與(x2，y2，h2)，假設(shè)點1與點2的設(shè)計坐標(biāo)對應(yīng)的點為11與22，可以通過線路計算得到點11與22的坐標(biāo)為(x11，y11，h11)與(x22，y22，h22)。具體實現(xiàn)如下:一是在現(xiàn)場用架設(shè)并設(shè)站好的全站儀獲取棱鏡1'與2'的測量坐標(biāo)及連線中心點A'的坐標(biāo)。通過長方形的關(guān)系進一步計算得到點1與點2位置坐標(biāo)(x1，y1，h1)與(x2，y2，h2)及連線中心點A的坐標(biāo)。線路反算時，用A的坐標(biāo)求得該斷面對應(yīng)的距離或里程。二是用距離或里程計算獲得1與2點的理論坐標(biāo)(x11，y11，h11)與(x22，y22，h22)。這樣1與2點位置測量坐標(biāo)(x1，y1，h1)與(x2，y2，h2)，并且理論坐標(biāo)(x11，y11，h11)與(x22，y22，h22)都獲取得到。三是進一步計算代表鋼軌位置安裝精調(diào)的調(diào)整量。如圖4所示，1與2點代表鋼軌的理論位置，11與22點所代表的是調(diào)整鋼軌測量位置。鋼軌平面調(diào)整量就是A、A″點投影到水平位置距離沿線路法線方向的距離值ΔP。調(diào)整方向由偏離線路中心點的左或右來確定。高程調(diào)整量即是對應(yīng)點的高程數(shù)值差值Δh1和Δh2。

圖4 鋼軌位置安裝精調(diào)示意圖

4)距離函數(shù)模型:假設(shè)為右轉(zhuǎn)彎鐵路，圓曲線半徑R，緩和曲線長l0，如圖5所示。

以ZH點為原點，切線方向為x軸，垂直切線方向指向圓心為y軸，建立左手直角坐標(biāo)系，簡稱切線坐標(biāo)系。圖中，測點Mi與對應(yīng)線路中線點Ni的距離Di在過Ni點切線上投影長為縱向偏差、在垂直于Ni切線方向上投影長為橫向偏差。測點Mi對應(yīng)中線點Ni在緩和曲線上切線坐標(biāo)為:

式中，C=Rl0;li為中線點Ni到ZH(HZ)點的曲線長。

圖5 中線偏差示意圖

中線點Ni坐標(biāo)關(guān)于弧長li的復(fù)合Simpson公式為

測點Mi對應(yīng)中線點Ni在圓曲線的切線坐標(biāo)為

式中，αi=180°( li－l0)( Rπ )－1+β0。

如圖5所示，設(shè)切線坐標(biāo)系下測點與中線點的距離為

距離函數(shù)模型算法(distance function model algorithm，DFA)原理是當(dāng)測點Mi與Ni距離最短時，Ni點即為Mi的對應(yīng)中線點，其里程即為測點Mi對應(yīng)中線點里程。它把求取軌道測點Mi的橫向偏差問題轉(zhuǎn)化為求解相應(yīng)點Ni的曲線長li使Ni與測點Mi最近。

緩和曲線段可表示為

將式(12)代入式(14)中，得到關(guān)于緩和曲線長li的函數(shù)f(li)，分別求li一階、二階偏導(dǎo)數(shù)可得

將式(12)代入式(13)中，得曲線長li的函數(shù)f(li)，對f(li)求li一階偏導(dǎo)數(shù)，并令其為零

整理得測點對應(yīng)曲線長為

根據(jù)式(10)及滿足閾值條件的式(15)或式(12)及式(17)，可計算出緩和曲線或圓曲線上Mi的橫向偏差為

四、應(yīng)用實例

1．軌道板測試技術(shù)流程

1)精調(diào)時千斤頂?shù)陌惭b:采用4個精調(diào)調(diào)節(jié)裝置，2個雙向千斤頂和2個具有高程調(diào)節(jié)能力單向千斤頂，可以進行平面及高程調(diào)節(jié)。雙向調(diào)節(jié)千斤頂在安裝前將橫向軸桿居中，使之前后伸縮均能有大約10 mm的余量，以避免調(diào)節(jié)能力不足而影響調(diào)節(jié)質(zhì)量和調(diào)節(jié)速度。

2)全自動全站儀設(shè)站:全站儀設(shè)站時精調(diào)儀器安放位置如圖6所示。

圖6 全站儀安放位置

a．精密對中三腳架安置:將對中三腳架架設(shè)在軌道板鋪設(shè)方向的前方第一塊板和第二塊板間的基準(zhǔn)點上。將三腳架對中桿的尖端，對準(zhǔn)在GRP點上，面向需要精調(diào)的軌道板，對中整平精密三腳架。

b．全站儀架設(shè):逆時針?biāo)砷_精密對中三腳架基座上的鎖緊鈕，取下全站儀上的基座，將全站儀精確對中在三腳架基座的三個螺空內(nèi)，順時針旋轉(zhuǎn)基座的鎖緊鈕，使全站儀與對中三腳架連為一體，然而將全站儀精確整平(如圖7所示)。

圖7 全站儀安裝示意圖

c．棱鏡架設(shè):在相鄰兩塊精調(diào)完畢的軌道板間基準(zhǔn)點上架設(shè)精密對中三腳架，將棱鏡插入對中精平，照準(zhǔn)儀器方向(如圖8所示)。

圖8 定向棱鏡安設(shè)圖

d．參數(shù)設(shè)置:在軌道板精密調(diào)整系統(tǒng)軟件內(nèi)進行參數(shù)配置。主要是配置通信、連接參數(shù)、棱鏡常數(shù)，各設(shè)備常數(shù)及原始數(shù)據(jù)等，然后照準(zhǔn)目標(biāo)。

e．標(biāo)架校驗:在精調(diào)工作前，對測量標(biāo)架進行測定，在標(biāo)準(zhǔn)軌距位置經(jīng)過校核，將5套標(biāo)架分別在標(biāo)準(zhǔn)軌道板的一對承軌臺上(離全站儀約6．5 m處)，用全站儀對安裝在上面的標(biāo)架上棱鏡進行坐標(biāo)值測定，逐一進行，將棱鏡坐標(biāo)值之間的修正常數(shù)，存放在FFB．ini文件里，利用軌道板精調(diào)軟件的功能，對精調(diào)作業(yè)中的測量數(shù)據(jù)進行自動修正。

f．測量標(biāo)架架設(shè):將Ⅰ標(biāo)架架設(shè)在第1個軌枕上，面向儀器方向;Ⅱ號標(biāo)架架設(shè)在第6個軌枕上;Ⅲ號標(biāo)架安置在第10個軌枕上;Ⅳ號標(biāo)架安置在已鋪設(shè)好軌道板的第1軌枕處。該標(biāo)架用來定向和控制軌道板過渡連接。

標(biāo)架安置時，確保接觸到支點，在有超高的線段，采用彈拉機關(guān)將測量標(biāo)架繃緊在軌道固定件上。

2．軌道板精調(diào)工藝

首先對軌道板精調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)進行配置。主要配置通信、接口參數(shù)、棱鏡和設(shè)備常數(shù)，并進行初始化和原始數(shù)據(jù)輸入等步驟。所有準(zhǔn)備工作完成后，開始精調(diào)作業(yè)，其工藝流程如下:

1)測量1號和8號棱鏡:計算棱鏡1、棱鏡8與設(shè)計值的偏差，同時讀取傾斜傳感器1和8的角度。通過軟件計算出棱鏡8和棱鏡1與理論值的偏差，并將調(diào)整信息實時發(fā)送到各自對應(yīng)的顯示器上。根據(jù)顯示的調(diào)整量施工人員對軌道板的橫向、豎向進行調(diào)整。

2)測量2號和7號棱鏡:計算得出與理論值的偏差，將調(diào)整信息實時發(fā)送到各自對應(yīng)的顯示器上。根據(jù)調(diào)顯示的調(diào)整量對其進行橫向、豎向調(diào)整。

3)測量3號和6號棱鏡:計算得出與理論值的偏差，將調(diào)整信息實時發(fā)送到各自對應(yīng)的顯示器上。根據(jù)顯示的調(diào)整量對軌道板進行橫向及豎向調(diào)整。

4)測量軌道板四角:在軌道板四角分別架設(shè)1、3、6、8號棱鏡，全站儀自動照準(zhǔn)測量，完成測量后，經(jīng)軟件計算處理，軌道板四角的偏差值實時顯示在面板上，再將調(diào)整信息發(fā)送到各自對應(yīng)的顯示器上，然后根據(jù)顯示的調(diào)整量對軌道板進行調(diào)整。

5)測量完成:全站儀對軌道板上1、2、3、6、7、8的棱鏡測量采集完成后，經(jīng)計算處理，軌道板的偏差值就會顯示在軟件上，并將調(diào)整信息實時發(fā)送到各自對應(yīng)的顯示器上，根據(jù)調(diào)整調(diào)整量施工人員對軌道板進行反復(fù)調(diào)整，直到達標(biāo)。

6)數(shù)據(jù)備份:對軌道板進行四角及調(diào)整測量完成后，測量誤差滿足規(guī)范要求時，對軌道板實測位置的數(shù)據(jù)進行保存，分別在“TXT/FFE”文件中建立文檔，數(shù)據(jù)備份完畢。將軌道板精密調(diào)整系統(tǒng)的所有設(shè)備順次移到下一塊軌道板，重復(fù)上述步驟。

3．軌道板鋪設(shè)檢驗

軌道板的檢測依次在軌道板精調(diào)后和軌道板灌漿后進行。

1)測站點的選擇:①測量方法與軌道板精調(diào)過程測量相同，設(shè)站沿檢測作業(yè)方向選定，采用靠近軌道面特制不等長三腳架;②測站可使用已測的GRP點或已精調(diào)完畢的搭接點;③設(shè)站后，可在測完的軌道板尾端(左和右檢測點)進行再次定向，并進行高程檢測。消除因換站所引起的高程和平面搭接誤差。

2)檢測原則，一個測站最多可測2塊軌道板，換站時，使搭接一塊軌道板，每塊板檢測6個點。

4．軌道驗收標(biāo)準(zhǔn)

軌道板精調(diào)驗收標(biāo)準(zhǔn)及方法見表1。

表1 軌道精調(diào)測量偏差

五、結(jié)束語

本文建立了一套完整的高速鐵路無砟軌道精密測量技術(shù)體系，通過對該技術(shù)的應(yīng)用，顯著提高了軌道平順性，從而達到減振降噪、減少輪軌磨耗、提高旅客乘坐舒適度的目的，為運營后長期的平順狀態(tài)和減少維修工作量打下堅實的基礎(chǔ)。

［1］ 朱穎．客運專線無砟軌道鐵路工程式測量技術(shù)［M］．北京:中國鐵道出版社，2009．

［2］ 何華武．無砟軌道技術(shù)［M］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［3］ TB 10601—2009高速鐵路工程測量規(guī)范［S］．北京:［s．n．］，2009．

［4］ GB 50308—2008城市軌道交通工程測量規(guī)范［S］．北京:［s．n．］，2008．

［5］ TB 10101—2009鐵路工程測量規(guī)范［S］．北京:［s．n．］，2009．