譚社會(huì)

(上海鐵路局工務(wù)處,上海 200071)

高速鐵路無砟軌道精調(diào)質(zhì)量控制技術(shù)研究

譚社會(huì)

(上海鐵路局工務(wù)處,上海 200071)

由于軌道設(shè)備狀態(tài)“記憶”特性和生命周期管理的需要,在施工建設(shè)階段開展軌道精調(diào)質(zhì)量控制、提高軌道幾何狀態(tài)平順性已成為能否進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)試、實(shí)現(xiàn)高速行車的關(guān)鍵。針對目前無砟軌道精調(diào)作業(yè)中的不足提出“絕對+相對”精密測量模式和“先基準(zhǔn)后非基準(zhǔn)”精細(xì)調(diào)整模式,在杭長高速鐵路的軌道精調(diào)作業(yè)中開展實(shí)踐,效果良好,全線的軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)為2.1 mm,所采取的軌道精調(diào)控制技術(shù)可為今后無砟軌道精調(diào)質(zhì)量控制提供借鑒。

高速鐵路；無砟軌道；精密測量；精細(xì)調(diào)整；質(zhì)量控制

高速鐵路的高速、平穩(wěn)、安全運(yùn)營要求其線下基礎(chǔ)具有高平順性、高穩(wěn)定性、高精度、小變形、少維修等特點(diǎn)[1-2]，無砟軌道結(jié)構(gòu)由于其整體性可以為高速鐵路列車提供更平順、穩(wěn)定的運(yùn)行界面，已成為我國高速鐵路的主要結(jié)構(gòu)形式。但無砟軌道大多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，我國近幾年對無砟軌道的運(yùn)營管理實(shí)踐表明：無砟軌道并不是真正意義上 “免維修”或“少維修”的，病害一旦出現(xiàn)，維修改造的難度和代價(jià)比傳統(tǒng)有砟軌道更大。除此之外，鐵路設(shè)備狀態(tài)具有“記憶性”[3]，即過去的劣化狀態(tài)會(huì)影響當(dāng)前狀態(tài)以及未來狀態(tài)的變化。基于上述兩點(diǎn)認(rèn)識(shí)，高速鐵路無砟軌道的質(zhì)量管理已漸漸突破傳統(tǒng)僅針對運(yùn)營階段的局限，而開始向前延伸至施工建設(shè)階段。

無砟軌道精調(diào)作業(yè)是指通過對軌道工程質(zhì)量進(jìn)行全面檢查，對無砟道床、扣件系統(tǒng)、鋼軌等存在的問題進(jìn)行整改；基于軌道精密精測，制定精細(xì)調(diào)整方案，模擬計(jì)算軌道幾何調(diào)整量；最后通過更換扣件零部件或線形優(yōu)化，使軌道狀態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求[4-5]。精調(diào)作業(yè)是確保按期開展靜態(tài)驗(yàn)收與聯(lián)調(diào)聯(lián)試的基礎(chǔ)與關(guān)鍵[6-7]，提高軌道精調(diào)質(zhì)量對于高速鐵路順利開通及運(yùn)營維護(hù)有著至關(guān)重要的作用。

本文基于杭長高速鐵路軌道精調(diào)作業(yè)的實(shí)踐，從精密測量和精細(xì)調(diào)整兩個(gè)方面分析目前我國在高速鐵路無砟軌道精調(diào)作業(yè)中存在的問題及相應(yīng)的對策措施，對高速鐵路無砟軌道精調(diào)質(zhì)量控制具有一定參考價(jià)值。

1 無砟軌道平順性要求

無砟軌道的高舒適性和高穩(wěn)定性依賴于其高幾何平順性，體現(xiàn)在軌道外部幾何尺寸和內(nèi)部幾何尺寸兩類指標(biāo)上。外部幾何尺寸描述軌道空間位置，通過軌道絕對位置和高程來體現(xiàn)，即線路絕對平順性；內(nèi)部幾何尺寸描述軌道相對位置，通過軌距、軌向、高低、水平和三角坑等指標(biāo)體現(xiàn)，即線路相對平順性。

外部幾何尺寸反映的是無砟軌道整體線形與周圍構(gòu)筑物間的空間關(guān)系，而內(nèi)部幾何尺寸則直接決定列車在高速運(yùn)行下的安全性和舒適性。因此當(dāng)外部幾何尺寸調(diào)整與內(nèi)部幾何尺寸調(diào)整相互矛盾時(shí)，應(yīng)首要保證軌道的相對平順性?！陡咚勹F路工程測量規(guī)范》(TB10601—2009)[8]中給出了高速鐵路軌道靜態(tài)平順度允許偏差，見表1。

表1 高速鐵路無砟軌道靜態(tài)平順度允許偏差

注：表中a為扣件節(jié)點(diǎn)間距，單位為m。

無砟軌道高平順性要求的實(shí)現(xiàn)，基于高精度的軌道精密測量技術(shù)和軌道精細(xì)調(diào)整技術(shù)。精密測量技術(shù)是高平順性實(shí)現(xiàn)的前提和基礎(chǔ)，精細(xì)調(diào)整技術(shù)是高平順性實(shí)現(xiàn)的途徑和手段，二者相輔相成缺一不可。軌道精密測量技術(shù)和精細(xì)調(diào)整技術(shù)不僅是施工精調(diào)階段軌道質(zhì)量控制的關(guān)鍵，也直接影響運(yùn)營階段軌道質(zhì)量狀態(tài)的維護(hù)。

2 無砟軌道精密測量

為實(shí)現(xiàn)高速鐵路軌道的高平順性，除了對線下工程和軌道工程的設(shè)計(jì)施工有特殊要求外，還必須依賴于一套與之相適應(yīng)的精密工程測量體系，貫穿包括勘測、施工、運(yùn)營維護(hù)在內(nèi)的高速鐵路整個(gè)生命周期。

2.1 傳統(tǒng)測量模式

過去由于我國鐵路建設(shè)的速度目標(biāo)值較低，對軌道平順性的要求不高，勘測、施工和運(yùn)營維護(hù)各級控制網(wǎng)測量的精度指標(biāo)僅根據(jù)線下工程施工控制要求制定。

這種僅靠定測確定交點(diǎn)、直線控制樁、曲線控制樁進(jìn)行控制的測量模式，往往導(dǎo)致較差的線路測量可重復(fù)性，當(dāng)出現(xiàn)中線控制樁連續(xù)丟失后，很難進(jìn)行恢復(fù)。此外由于導(dǎo)線方位角測量精度要求低，施工單位復(fù)測時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)曲線偏角超限問題，施工單位只能通過改變曲線要素的方法進(jìn)行施工，導(dǎo)致較低的測量精度。而軌道鋪設(shè)按照線下工程的施工現(xiàn)狀采用相對定位進(jìn)行鋪設(shè)，由于測量誤差的積累，往往造成軌道的幾何參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)相差甚遠(yuǎn)。因此傳統(tǒng)測量模式已不能滿足高速鐵路高精度的測量要求。

2.2 三級精密測量控制網(wǎng)

為實(shí)現(xiàn)高速鐵路軌道精確的幾何線形參數(shù)，將平順性控制在mm級范圍內(nèi)，不僅要求測量控制網(wǎng)的精度滿足線下工程施工控制測量要求，還必須滿足軌道鋪設(shè)的精度要求，即同時(shí)滿足軌道絕對平順性和相對平順性的要求。為此應(yīng)按分級控制的原則建立軌道精密測量控制網(wǎng)，通過各級平面高程控制網(wǎng)組成的測量系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)軌道位置的精確定位。

高速鐵路工程測量平面控制網(wǎng)分三級，三級控制網(wǎng)的作用和精度各不相同。第一級為基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPⅠ)，主要為勘測、施工、運(yùn)營維護(hù)提供坐標(biāo)基準(zhǔn)，沿線路走向布設(shè)，為全線各級平面控制測量的基準(zhǔn)。第二級為線路控制網(wǎng)(CPⅡ)，主要為勘測和施工提供控制基準(zhǔn)，在CPⅠ的基礎(chǔ)上沿線路附近布設(shè)，是勘測、施工階段的線路平面控制和無砟軌道施工階段樁基控制網(wǎng)起閉的基準(zhǔn)。第三級為基樁控制網(wǎng)(CPⅢ)，主要為鋪設(shè)無砟軌道和運(yùn)營維護(hù)提供控制基準(zhǔn)，起閉于CPⅠ或CPⅡ，一般在線下工程施工完成后施測，是無砟軌道鋪設(shè)和運(yùn)營維護(hù)的基準(zhǔn)。三級平面控制網(wǎng)間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 高速鐵路三級平面控制網(wǎng)示意(單位：m)

2.3 “絕對+相對”精密測量技術(shù)

無砟軌道絕對測量是指以高速鐵路軌道控制網(wǎng)為基準(zhǔn)利用智能軌道檢查儀對無砟軌道線路空間位置進(jìn)行測量。其優(yōu)點(diǎn)是可以得到軌道上各測量點(diǎn)在同一基準(zhǔn)網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)里的位置坐標(biāo)。但由于CPⅢ基準(zhǔn)點(diǎn)自身點(diǎn)位精度對無砟軌道絕對測量結(jié)果的影響，在對軌道進(jìn)行連續(xù)測量更換CPⅢ基準(zhǔn)點(diǎn)的過程中，搭接區(qū)的軌道測量點(diǎn)不可避免地存在位置差異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理難度增加。此外，由觀測儀器和觀測條件產(chǎn)生的大量偶然誤差，會(huì)降低軌道上各測量點(diǎn)的點(diǎn)位精度，增大相鄰點(diǎn)的相對點(diǎn)位誤差，即鋼軌橫、縱向鄰點(diǎn)遞變出現(xiàn)大值，導(dǎo)致軌道連續(xù)多波不平順性的出現(xiàn)，直接影響軌道平順性。

無砟軌道相對測量利用0級軌道檢查儀以軌道上的某一點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)來測量另一些點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是可以通過較少的觀測環(huán)節(jié)、較快的測量速度，以較高的測量精度獲取軌道上其他點(diǎn)的參數(shù)。但相對測量無法對軌道整體線形進(jìn)行總體把控，容易導(dǎo)致軌道實(shí)際中心沿設(shè)計(jì)中心呈無規(guī)律偏離狀態(tài)。

考慮到絕對測量可以精確測定軌道的空間位置，控制軌向、高低和長波不平順，而相對測量能很好地解決微小不平順問題，控制軌距變化率和短波不平順，在杭長高速鐵路無砟軌道精測精調(diào)作業(yè)實(shí)踐中，提出“絕對+相對”的測量模式，即以絕對測量為主、相對測量檢校補(bǔ)缺的模式。作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 “絕對+相對”軌道精密測量作業(yè)流程

隨著列車運(yùn)行速度的提高，長波對運(yùn)行舒適性的影響以及短波對輪軌高頻振動(dòng)、輪軌噪聲的影響日益嚴(yán)重。通過絕對測量確定軌道空間位置，保證線路絕對平順性；在此基礎(chǔ)上輔以相對測量確定軌道相對位置，保證線路相對平順性。結(jié)合絕對測量對中長波不平順控制和相對測量對短波不平順控制的優(yōu)點(diǎn)，“絕對+相對”的精密測量模式不僅可以提高軌道精測質(zhì)量，也是保證測量數(shù)據(jù)有效、提高精測效率的關(guān)鍵。

3 無砟軌道精細(xì)調(diào)整

3.1 現(xiàn)存問題

軌道精密測量是基礎(chǔ)，其最終目的是通過軌道精細(xì)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)高速鐵路軌道的高平順性。在已有的軌道線形精測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，編制軌道精調(diào)方案，通過人工配合進(jìn)行線路線形調(diào)整。

但目前對于高速鐵路無砟軌道精調(diào)尚未有成熟的調(diào)整順序和方法，軌道精調(diào)質(zhì)量不能完全控制，且精調(diào)效率低下，往往會(huì)出現(xiàn)調(diào)整完1遍后再進(jìn)行復(fù)測時(shí)又出現(xiàn)線路幾何狀態(tài)不滿足規(guī)范要求，需要反復(fù)測量反復(fù)調(diào)整的情況。不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響軌道精調(diào)甚至聯(lián)調(diào)聯(lián)試的整體進(jìn)度，而且反復(fù)的調(diào)整作業(yè)也會(huì)對扣件造成巨大浪費(fèi)。

3.2 “先基準(zhǔn)后非基準(zhǔn)”精細(xì)調(diào)整技術(shù)

為提高軌道精調(diào)作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率，在杭長高速鐵路無砟軌道精調(diào)作業(yè)實(shí)踐中，以靠近兩線間的鋼軌(上行左股、下行右股)為基準(zhǔn)股，采用“先基準(zhǔn)后非基準(zhǔn)”的軌道精細(xì)調(diào)整模式，即先把基準(zhǔn)股調(diào)整到位，再進(jìn)行非基準(zhǔn)股的調(diào)整。作業(yè)流程如圖3所示。

圖3 “先基準(zhǔn)后非基準(zhǔn)” 軌道精細(xì)調(diào)整作業(yè)流程

軌道精調(diào)通過兩輪調(diào)整實(shí)現(xiàn)，其中第一輪調(diào)整基于1遍絕對測量和3遍相對測量，對基準(zhǔn)股進(jìn)行1次調(diào)整、2次修正，對非基準(zhǔn)股進(jìn)行1次調(diào)整、1次修正，是精調(diào)質(zhì)量控制的關(guān)鍵。

基于往返各1遍的絕對測量結(jié)果，對基準(zhǔn)股進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，保證基準(zhǔn)股實(shí)際線形接近設(shè)計(jì)線形。在基準(zhǔn)股整體線形滿足絕對平順性要求的情況下，進(jìn)行第1遍相對測量，根據(jù)第1遍相對測量的結(jié)果對基準(zhǔn)股進(jìn)行局部微小修正，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)股的相對平順性。在基準(zhǔn)股絕對平順性和相對平順性均滿足要求的情況下，進(jìn)行第2遍相對測量，以基準(zhǔn)股為基準(zhǔn)，基于軌距及軌距變化率、水平、超高變化率及扭曲對非基準(zhǔn)股進(jìn)行第1次調(diào)整。最后通過第3遍相對測量，對局部微小不平順進(jìn)行微量調(diào)整，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)股的第2次修正和非基準(zhǔn)股的第1次修正，至此完成第1輪調(diào)整作業(yè)。

第2輪調(diào)整是查漏補(bǔ)缺精益求精的過程，利用1遍絕對測量的結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場復(fù)核情況對短、中、長波的軌向和高低不良地點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，再利用軌檢儀對調(diào)整地點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)證。最后建立測量及扣件相關(guān)電子臺(tái)賬。

按照上述先絕對后相對、先整體后局部、先軌向后軌距、先高低后水平的精調(diào)作業(yè)思路，基本可以通過兩輪調(diào)整作業(yè)使軌道幾何狀態(tài)滿足軌道精調(diào)驗(yàn)收及動(dòng)態(tài)允許偏差指標(biāo)。

4 無砟軌道精調(diào)質(zhì)量控制實(shí)踐

4.1 精調(diào)前后軌道平順性分析

在杭長高速鐵路浙江段(K173+495～K429+194.262)進(jìn)行軌道精調(diào)作業(yè)前后，分別用智能軌道檢查儀對全線進(jìn)行絕對測量，檢測項(xiàng)目包括左右股橫向偏差、左右股垂向偏差、水平和軌距。為分析采用“絕對+相對”精密測量模式和“先基準(zhǔn)后非基準(zhǔn)”精細(xì)調(diào)整模式下的軌道精調(diào)作業(yè)效果，從檢測數(shù)據(jù)單項(xiàng)幅值及200 m區(qū)段內(nèi)單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)差兩個(gè)角度進(jìn)行評價(jià)分析。各單項(xiàng)幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，200 m區(qū)段內(nèi)各單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表2 精調(diào)作業(yè)前后各單項(xiàng)幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果(杭長線上行)

表3 精調(diào)作業(yè)前后各單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)結(jié)果(杭長線上行)

單項(xiàng)幅值代表的是軌道實(shí)際線形與設(shè)計(jì)線形的絕對偏差，從表2可知，在軌道鋪設(shè)完成后精調(diào)作業(yè)前，軌道橫向和垂向偏差較大，水平和軌距偏差較小。精調(diào)作業(yè)對水平、軌距的調(diào)整和修正體現(xiàn)在不僅大幅度“削去”峰值，還降低了均值。而對左右股橫向偏差的調(diào)整主要體現(xiàn)在對大值的修正，對左右股垂向偏差的調(diào)整則體現(xiàn)在對均值的改善。

以200 m區(qū)段為單元長度計(jì)算各單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)差，實(shí)際是從相對平順性的角度評估軌道質(zhì)量狀態(tài)。從表3可知，精調(diào)作業(yè)后各單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)差的均值和標(biāo)準(zhǔn)差均大幅度降低，說明精調(diào)作業(yè)對軌道質(zhì)量狀態(tài)的改善不僅體現(xiàn)在對局部地段也就是短波不平順的修正上，還體現(xiàn)在對線路整體線形即長波不平順的控制和調(diào)整上。在“絕對+相對”精密測量和“先基準(zhǔn)后非基準(zhǔn)”精細(xì)調(diào)整的無砟軌道精調(diào)模式下，精調(diào)作業(yè)質(zhì)量控制良好、對軌道質(zhì)量狀態(tài)的改善效果顯著。

4.2 不同線路開通時(shí)TQI比較

“絕對+相對”精密測量和“先基準(zhǔn)后非基準(zhǔn)”精細(xì)調(diào)整的無砟軌道精調(diào)模式漸漸形成于滬寧、滬杭和京滬高速鐵路的軌道精調(diào)過程，并首次應(yīng)用實(shí)踐于杭長高速鐵路浙江段。4條高速鐵路(動(dòng)態(tài)驗(yàn)收速度350 km/h)開通時(shí)的軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)見表4。

表4 高速鐵路線路開通時(shí)TQI平均值 mm

線路開通前，列車重復(fù)性荷載對線路的破壞作用尚未施加，無砟軌道結(jié)構(gòu)病害尚未形成。線路質(zhì)量狀態(tài)主要取決于線路鋪設(shè)及精調(diào)作業(yè)質(zhì)量，因此軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)可以直接體現(xiàn)軌道精調(diào)作業(yè)質(zhì)量。

從表4可知，隨著我國高速鐵路的建設(shè)發(fā)展，新線開通時(shí)的初始平順性越來越高。尤其是新開通的杭長高速鐵路，在新的軌道精調(diào)模式下，開通時(shí)的TQI數(shù)值控制在了相當(dāng)高的標(biāo)準(zhǔn)上，此外上下行的TQI數(shù)值差異比先建的幾條線路更小。由此說明“絕對+相對”精密測量和“先基準(zhǔn)后非基準(zhǔn)”精細(xì)調(diào)整的無砟軌道精調(diào)模式更適用于高標(biāo)準(zhǔn)的高速鐵路建設(shè)。

5 結(jié)語

采用“絕對+相對”精密測量模式，相比于過去僅采用“絕對”測量模式，有利于短波不平順的控制和測量成果的互相校核，提高了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。而且作業(yè)過程中可采用與相對測量統(tǒng)一的檢測平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了精調(diào)過程中質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)化。采用“先基準(zhǔn)后非基準(zhǔn)”精細(xì)調(diào)整模式，不僅避免了誤差的疊加，而且精調(diào)作業(yè)環(huán)節(jié)中可檢調(diào)分開，步步校核，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化的質(zhì)量控制。

無砟軌道精調(diào)工作作為施工質(zhì)量的直接體現(xiàn)者，也是系統(tǒng)工程的一部分，還需從組織機(jī)構(gòu)、體系建設(shè)、制度落實(shí)、安全管理、溝通協(xié)調(diào)等方面開展落實(shí)。

“絕對+相對”精密測量和“先基準(zhǔn)后非基準(zhǔn)”精細(xì)調(diào)整的無砟軌道精調(diào)模式在杭長高速鐵路的軌道精調(diào)作業(yè)實(shí)踐中取得了良好的作業(yè)效果，實(shí)現(xiàn)了2.1 mm的軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)，可為我國今后無砟軌道精調(diào)作業(yè)的質(zhì)量控制提供參考和借鑒。

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Quality Control Technologies in Fine Adjustment of High-Speed Railway Ballastless Track

TAN She-hui

(Track Department, Shanghai Railway Bureau, Shanghai 200071, China)

Due to the“memory” property of equipment status and the requirement of equipment lifecycle management, quality control of track fine adjustment and improvement of rack geometry during construction are critical in integration test and commissioning and high speed operation. This paper points out those insufficiencies existing in current fine adjustment process, and proposes the precision measurement model based on both absolute and relative measurements. The fine adjustment model adjusts the fiducial rail first and then adjusts the non-fiducial one. The new precision measurement model and fine adjustment model work well on Hangzhou-Changsha high-speed railway with Track Quality Index (TQI) reaching 2.1 mm. The practices may offer

for future quality control of ballastless track fine adjustment.

High-speed railway; Ballastless track; Precision measurement; Fine adjustment; Quality control

2015-05-04；

2015-06-01

譚社會(huì)(1973—)，男，高級工程師，1995年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：672699091@qq.com。

1004-2954(2015)12-0018-04

U213.2+44； U215.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.005