梁寅 王俊東 王紅詠

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 北京 100055）

軌道控制網(wǎng)在城市軌道交通工程中的應(yīng)用

梁寅 王俊東 王紅詠

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 北京 100055）

本文利用高鐵精密工程測(cè)量技術(shù)結(jié)合城市軌道交通施工及運(yùn)營(yíng)階段的技術(shù)特點(diǎn)，研究了基于城市軌道控制網(wǎng)的工程測(cè)量及軌道平順性調(diào)整的方法。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比和分析可以看到：利用軌道控制網(wǎng)測(cè)量并進(jìn)行軌道調(diào)整后，軌道的幾何狀態(tài)無論絕對(duì)精度還是相對(duì)精度均有顯著提高，反映平順性指標(biāo)的“軌向”和“高低”提升尤為明顯。

城市軌道交通；軌道控制網(wǎng)；平順性

1 前言

軌道的不平順是引發(fā)振動(dòng)與噪聲的主要因素之一。同時(shí)，它也將直接影響到列車的安全運(yùn)行、乘客乘坐的舒適度、設(shè)備的使用壽命和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。因此，軌道的穩(wěn)定性和平順性是城市軌道交通安全行車的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的軌道施工及幾何狀態(tài)調(diào)整方法是基于精密導(dǎo)線的工作模式，由于導(dǎo)線測(cè)量單一的邊角測(cè)量方法，隨著線路的延伸容易導(dǎo)致角度及對(duì)中誤差的積累，造成成果精度的下降，影響軌道鋪設(shè)的平順性。

隨著高速鐵路及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展和日漸成熟，將高鐵精密測(cè)量技術(shù)引入城市軌道交通建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理中已成為可能。本文結(jié)合城市軌道交通的特性，在原有高鐵精密測(cè)量技術(shù)（CPⅢ）的基礎(chǔ)上形成了一套針對(duì)城市軌道交通的軌道精密工程測(cè)量技術(shù)方法，即基于軌道控制網(wǎng)的軌道測(cè)量和幾何參數(shù)調(diào)整。新方法為提高軌道平順性質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)減震、降噪、減少輪軌磨耗、確保安全運(yùn)行、提高乘客乘坐的舒適度、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命等經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益提供了可行的依據(jù)。

2 軌道控制點(diǎn)布設(shè)

城市軌道交通結(jié)構(gòu)形式的多樣化，包括圓形隧道、矩形隧道、暗埋及敞開段、一體化高架、一般高架等眾多結(jié)構(gòu)形式。軌道控制點(diǎn)應(yīng)沿線路成對(duì)布設(shè)，布設(shè)時(shí)應(yīng)考慮城市軌道交通結(jié)構(gòu)型式、疏散平臺(tái)、電纜支架、電源箱、消防水管等設(shè)備安裝因素影響。

軌道控制點(diǎn)的埋設(shè)方式應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式制定，地下段一般埋設(shè)在隧道側(cè)墻或管片結(jié)構(gòu)上?？刂泣c(diǎn)布設(shè)時(shí)應(yīng)根據(jù)限界圖中線路設(shè)備的設(shè)計(jì)位置進(jìn)行綜合比選，選擇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高度合適、便于控制網(wǎng)測(cè)量的位置進(jìn)行布點(diǎn)。控制點(diǎn)間距應(yīng)根據(jù)線路線形進(jìn)行，直線段或大半徑曲線約60m布設(shè)一對(duì)，小半徑曲線約40m布設(shè)一對(duì)，確保每站至少可觀測(cè)4對(duì)控制點(diǎn)（如圖1～4）。

圖1 地下單圓隧道區(qū)間段軌道控制點(diǎn)布設(shè)

圖2 地下矩形隧道段軌道控制點(diǎn)布設(shè)

圖3 高架區(qū)間段軌道控制點(diǎn)布設(shè)示意圖

圖4 車站軌道控制點(diǎn)布設(shè)示意圖

3 軌道控制網(wǎng)測(cè)量

軌道控制網(wǎng)與高鐵CPⅢ測(cè)量方法基本一致，但盾構(gòu)隧道內(nèi)點(diǎn)位布設(shè)后無法放置水準(zhǔn)尺，隧道內(nèi)控制網(wǎng)高程測(cè)量一般采用三角高程測(cè)量的方法進(jìn)行。

3.1 軌道控制網(wǎng)平面測(cè)量

（1）軌道控制網(wǎng)采用自由測(cè)站邊角交會(huì)的方法測(cè)量，每個(gè)自由測(cè)站觀測(cè)4對(duì)控制點(diǎn)，測(cè)站間重復(fù)觀測(cè)3對(duì)控制點(diǎn)，每個(gè)控制點(diǎn)有四個(gè)自由測(cè)站的方向和距離觀測(cè)量。

（2）軌道控制網(wǎng)平面測(cè)量時(shí)，地下段應(yīng)在每個(gè)車站或豎井、地面段及高架段每隔600～800m聯(lián)測(cè)一個(gè)高等級(jí)控制點(diǎn)，高等級(jí)控制點(diǎn)由地面控制點(diǎn)通過聯(lián)系測(cè)量方法引入。與平面起算點(diǎn)聯(lián)測(cè)時(shí)，應(yīng)至少通過兩個(gè)或兩個(gè)以上自由測(cè)站進(jìn)行聯(lián)測(cè)。

（3）平面測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算與平差時(shí)，先采用獨(dú)立自由網(wǎng)平差，再采用合格的平面起算點(diǎn)進(jìn)行固定約束平差。為保證控制網(wǎng)成果質(zhì)量，約束平差前應(yīng)對(duì)采用的平面起算點(diǎn)進(jìn)行精度檢核，采用檢核合格的起算點(diǎn)進(jìn)行約束平差計(jì)算。

（4）區(qū)段之間銜接時(shí)，前后區(qū)段獨(dú)立平差重疊點(diǎn)坐標(biāo)差值應(yīng)≤±3mm。滿足該條件后，采用余弦平滑方法進(jìn)行區(qū)段接邊處理。

圖5 軌道控制網(wǎng)平面測(cè)量示意圖

3.2 軌道控制網(wǎng)高程測(cè)量

（1）軌道控制網(wǎng)高程測(cè)量采用往返的水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行，并附合于既有水準(zhǔn)路線控制點(diǎn)上。測(cè)量過程中每1km左右應(yīng)聯(lián)測(cè)一個(gè)水準(zhǔn)控制點(diǎn)，水準(zhǔn)路線閉合長(zhǎng)度不宜大于2km。

（2）在高架段和直線敞開段，軌道控制網(wǎng)高程測(cè)量采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量的觀測(cè)方法，相鄰的兩對(duì)控制點(diǎn)之間應(yīng)構(gòu)成一個(gè)閉合環(huán)。

（3）在地下隧道段，軌道控制網(wǎng)高程測(cè)量可以利用平面測(cè)量的邊角觀測(cè)值，采用自由測(cè)站三角高程測(cè)量方法與平面測(cè)量合并進(jìn)行。

三角高程測(cè)量的誤差方程可先假定兩相鄰控制點(diǎn)i和j的高程平差值分別為，近似高程分別為Xi0和Xj0，高程改正數(shù)分別為通過自由測(cè)站到控制點(diǎn)i和j的直接高差，計(jì)算i與j兩控制點(diǎn)之間的間接三角高差為hij，其改正數(shù)為vhij，則觀測(cè)值誤差方程為：

高程平差值等于近似高程加上其改正數(shù)，式（1）可改寫為：

整理式（1）可得相鄰控制點(diǎn)之間的間接三角高差誤差方程式：

式（3）中，hij的計(jì)算未考慮三角高程測(cè)量時(shí)球氣差的影響，若考慮球氣差的影響，則其誤差方程式為：

（4）高程測(cè)量可根據(jù)需要分段測(cè)量，分段測(cè)量的區(qū)段長(zhǎng)度不宜小于2km，區(qū)段間重復(fù)觀測(cè)不應(yīng)少于2對(duì)控制點(diǎn)。

（5）區(qū)段之間銜接時(shí)，前后區(qū)段獨(dú)立平差重疊點(diǎn)高程差值應(yīng)≤±3mm。滿足該條件后，采用余弦平滑方法進(jìn)行區(qū)段接邊處理。

4 基于軌道控制網(wǎng)的軌道施工精調(diào)

采用軌道控制網(wǎng)的坐標(biāo)成果，利用軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x對(duì)軌排幾何形位調(diào)整，代替了既有軌道施工工藝中軌排調(diào)整時(shí)利用人工、機(jī)械道尺、直角道尺及弦線等精度控制方法，并增加了道床混凝土澆注后的軌道幾何狀態(tài)測(cè)量及長(zhǎng)軌精調(diào)過程。

4.1 軌排的鋪設(shè)與粗調(diào)

按照既有施工工藝，在完成軌排組裝等一系列工作后，完成軌排的架設(shè)，即可利用軌道基礎(chǔ)網(wǎng)和軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x進(jìn)行軌道粗調(diào)定位工作。

軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x采用“走—停”測(cè)量方法，即將軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x推動(dòng)到待檢測(cè)部位，由計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件計(jì)算當(dāng)前軌道位置與設(shè)計(jì)位置的偏差，并將偏差量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，人工進(jìn)行軌排平面、高程、超高的調(diào)整。

圖6 全站儀、軌檢小車基于軌道控制網(wǎng)進(jìn)行鋪軌及粗調(diào)工作原理示意圖

4.2 軌道精調(diào)

軌道精調(diào)是在粗調(diào)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步精確控制軌道的實(shí)際位置與理論位置的絕對(duì)偏移量，并在水平、軌距等軌道相對(duì)平順性的指標(biāo)上進(jìn)行優(yōu)化，使軌道鋪設(shè)質(zhì)量達(dá)到規(guī)范要求。

5 基于軌道控制網(wǎng)的長(zhǎng)軌精調(diào)

5.1 軌道幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)采集

鋼軌鋪設(shè)焊接打磨完成后，即可基于軌道控制網(wǎng)，應(yīng)用軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x進(jìn)行軌道幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。

5.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

此外，當(dāng)前高職院校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)多以二級(jí)學(xué)院專業(yè)畢業(yè)學(xué)生為主，主要是以家庭支持或者校友合作進(jìn)行。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)主要還是基于親朋好友組建，沒有良好的互補(bǔ)專業(yè)背景的成員共同創(chuàng)建。因而，這樣的團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行創(chuàng)業(yè)進(jìn)行中，難以開展以專業(yè)為核心優(yōu)勢(shì)的創(chuàng)業(yè)方向。

對(duì)外業(yè)采集的鋼軌幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出基于左右軌逐個(gè)扣件位置的軌道調(diào)整量表，從而指導(dǎo)外業(yè)進(jìn)行軌道精調(diào)。

平順性分析是軌道精調(diào)過程中的數(shù)據(jù)處理核心步驟，本著“先軌向，后軌距”，“先高低，后水平”的原則制定方案?！跋溶壪蚝筌壘唷?，軌向的優(yōu)化通過調(diào)整高軌的平面位置來實(shí)現(xiàn)，低軌的平面位置利用軌距及軌距變化率來控制；單獨(dú)軌距超限只橫向調(diào)整低軌即可；“先高低后超高（水平）”，高低的優(yōu)化通過調(diào)整低軌的高程來實(shí)現(xiàn)，高軌的高程利用超高和超高變化率（三角坑）來控制；單獨(dú)水平超限只豎向調(diào)整高軌即可。

5.3 現(xiàn)場(chǎng)軌道調(diào)整

現(xiàn)場(chǎng)軌道調(diào)整是對(duì)外業(yè)采集的鋼軌幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出基于左右軌逐個(gè)扣件位置的軌道調(diào)整量表，外業(yè)再以此調(diào)整方案為基準(zhǔn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)軌道扣件更換和調(diào)整，以達(dá)到軌道精調(diào)目的。

5.4 長(zhǎng)軌精調(diào)作用

通過長(zhǎng)軌精調(diào)，能夠?qū)壍肋M(jìn)行更加精細(xì)化的調(diào)整，彌補(bǔ)前期工序的累計(jì)誤差等各種因素對(duì)軌道平順性造成的影響，因此可以說長(zhǎng)軌精調(diào)是實(shí)現(xiàn)高平順性軌道建設(shè)的關(guān)鍵一環(huán)，具有不可替代的重要性，高速鐵路高平順性軌道的成功建設(shè)經(jīng)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。

6 軌道平順性比較實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

為比較既有施工方法與采用軌道控制網(wǎng)的鋪軌方法對(duì)軌道平順性作用，特對(duì)某市城市軌道交通采用不同技術(shù)的軌道交通線路通過軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x進(jìn)行軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)，以下為兩種測(cè)量方式控制鋪設(shè)的軌道進(jìn)行平順性分析：

對(duì)既有軌道施工工藝鋪設(shè)的軌道進(jìn)行檢測(cè)，其綜合評(píng)價(jià)表如表1所示。

表1 既有軌道施工工藝鋪設(shè)軌道檢測(cè)綜合評(píng)價(jià)表

對(duì)采用軌道控制網(wǎng)技術(shù)鋪設(shè)的軌道進(jìn)行檢測(cè)，其綜合評(píng)價(jià)表如表2。

表2 采用軌道控制網(wǎng)技術(shù)鋪設(shè)的軌道檢測(cè)綜合評(píng)價(jià)表

兩種方法不合格率比較如圖7。

圖7 兩種方法不合格率數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1～2和圖7可知，與既有鋪軌技術(shù)相比，采用軌道控制網(wǎng)技術(shù)后軌道幾何狀態(tài)的絕對(duì)精度和相對(duì)精度均有顯著提高。反映軌道平順性指標(biāo)的“軌向”和“高低”提升尤為明顯，合格率由80%左右提高到95%以上。

7 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比和數(shù)據(jù)分析可以看到利用軌道控制網(wǎng)進(jìn)行工程測(cè)量對(duì)軌道平順性的提高起到重要作用，良好的軌道幾何狀態(tài)對(duì)城市軌道交通列車的安全性和舒適性改善明顯，為運(yùn)營(yíng)后減少維修工作量打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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2016-3-11