孫和金，張杰

（南寧鐵路局，廣西 南寧 530029）

高速鐵路有砟軌道不平順的解決方法

孫和金，張杰

（南寧鐵路局，廣西 南寧 530029）

高速鐵路高低和軌向不平順直接影響列車運(yùn)行安全性和舒適性。從高速鐵路有砟軌道平順性檢測(cè)內(nèi)容、影響軌道平順性的主要指標(biāo)和根據(jù)TQ I值確定線路綜合維修任務(wù)方面論述確定高速鐵路有砟軌道不平順區(qū)段；針對(duì)線路平縱斷面偏差數(shù)據(jù)采集，從測(cè)量設(shè)站原則、設(shè)站精度要求和數(shù)據(jù)采集間隔要求方面進(jìn)行闡述；從平縱斷面優(yōu)化原理、平縱斷面起撥道量計(jì)算、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化處理和確定維修作業(yè)數(shù)據(jù)方面分析起撥道量數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的作業(yè)條件、作業(yè)數(shù)據(jù)和作業(yè)效果進(jìn)行分析。

高速鐵路；有砟軌道；不平順；解決方法；偏差數(shù)據(jù)采集；起撥道量

0 引言

高速鐵路高低和軌向不平順直接影響列車運(yùn)行的安全性和舒適性。無砟軌道具有整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、維修工作量少等特點(diǎn)，具有高平順性[1]。有砟軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與無砟軌道有較大區(qū)別，與無砟軌道相比其平順性不容易保持，經(jīng)高速列車碾壓沖擊后，線性線位容易發(fā)生變化，特別是曲線地段和道岔區(qū)域。為確保有砟軌道的高平順性，需要合理安排周期性綜合維修，采取精測(cè)與精搗的維修模式，以保證軌道結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定及恢復(fù)線路平縱斷面的平順度。因此，探討利用軌道精測(cè)控制網(wǎng)測(cè)量線路平縱斷面的起撥道量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次優(yōu)化，通過研究高速鐵路有砟軌道不平順區(qū)段的解決方法，實(shí)現(xiàn)線路精細(xì)化修理、提高作業(yè)效率、改善線路的平順性、延長(zhǎng)綜合維修周期，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 高速鐵路有砟軌道不平順區(qū)段確定

1.1 平順性檢測(cè)內(nèi)容

我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，高速鐵路軌道檢測(cè)設(shè)備不斷更新，檢測(cè)手段也日益先進(jìn)、成熟。目前，國(guó)內(nèi)高速鐵路軌道平順性檢測(cè)主要分為靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

（1）靜態(tài)檢測(cè)。利用0級(jí)電子道尺、0級(jí)軌道檢查儀、弦線、軌道測(cè)量小車等設(shè)備對(duì)軌道的軌距、水平、三角坑、高低、軌向、曲線正矢、線路平縱斷面的絕對(duì)偏差量進(jìn)行靜態(tài)檢測(cè)，具有檢測(cè)精度較高、位置準(zhǔn)確等特點(diǎn)，檢測(cè)數(shù)據(jù)是確定高速鐵路線路綜合維修的主要依據(jù)。

（2）動(dòng)態(tài)檢測(cè)。利用動(dòng)態(tài)檢測(cè)車、車載式線路檢查儀、便攜式線路檢查儀，周期性對(duì)軌道的軌距、水平、三角坑、高低、軌向、垂向加速度、橫向加速度等進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，主要反映軌道在列車運(yùn)行時(shí)幾何尺寸的變化狀態(tài)及列車運(yùn)行的舒適性，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)的綜合值表示線路的基本狀態(tài)。

1.2 影響軌道平順性的主要指標(biāo)

從軌道平順性靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的檢查項(xiàng)目可以看出，影響軌道平順性的指標(biāo)主要為軌距、水平、軌向、高低、扭曲5項(xiàng)，由此衍生的指標(biāo)有軌道復(fù)合不平順、垂向加速度、橫向加速度、軌距變化率等。軌道平順性指標(biāo)的靜態(tài)檢測(cè)與動(dòng)態(tài)檢測(cè)是相輔相成和互相關(guān)聯(lián)的，在此主要研究利用動(dòng)態(tài)檢測(cè)綜合管理值解決軌道不平順問題，同時(shí)結(jié)合靜態(tài)檢測(cè)指標(biāo)，分析軌道的變化情況及平縱斷面的偏差情況。高速鐵路有砟軌道動(dòng)態(tài)不平順主要通過動(dòng)態(tài)檢測(cè)車檢測(cè)，其平順性指標(biāo)綜合值表示為均值，是反映軌道質(zhì)量指數(shù)（TQI）的數(shù)值（見表1）。TQI管理值的中、高、低和軌向按左右股鋼軌同時(shí)統(tǒng)計(jì)，其他項(xiàng)目不分鋼軌股別[2]。

表1 有砟軌道TQI管理值 mm

1.3 根據(jù)TQI值確定線路綜合維修任務(wù)

我國(guó)速度200～250 km/h的高速鐵路以有砟軌道線路為主，軌道在精調(diào)及聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，最高檢測(cè)速度按設(shè)計(jì)速度提高10%，即設(shè)計(jì)速度250 km/h的線路最高動(dòng)態(tài)檢測(cè)速度275 km/h。對(duì)我國(guó)開通的設(shè)計(jì)速度200～250 km/h的有砟軌道線路進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，一般從軌道精調(diào)到動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)束，平均TQI值基本控制在3.5 mm左右，線路開通初期，軌道具有相對(duì)較高的平順性。線路平均TQI值越低，軌道平順性越好，反之相反。隨著高速列車的運(yùn)行，軌道平均TQI值逐步升高，為保持軌道的高平順性，需要周期性對(duì)線路進(jìn)行精調(diào)。

高速鐵路有砟軌道的綜合維修任務(wù)主要根據(jù)軌道平均TQI值、日常靜態(tài)檢測(cè)等數(shù)據(jù)確定，軌道質(zhì)量指數(shù)管理值中的軌距需要人工改道調(diào)整，其他指標(biāo)大型養(yǎng)路機(jī)械綜合維修可以解決，平均TQI值按200 m長(zhǎng)線路為管理單元，根據(jù)近2～3個(gè)月的平均TQI值測(cè)算，對(duì)設(shè)計(jì)速度200～250 km/h的高速鐵路有砟軌道，一般對(duì)平均TQI值大于3.6 mm的區(qū)段安排綜合維修（大型養(yǎng)路機(jī)械綜合維修及軌距調(diào)整），以保持軌道的高平順性；對(duì)綜合維修區(qū)段平均TQI值的確定，應(yīng)結(jié)合線路等級(jí)及線路狀態(tài)等實(shí)際情況合理確定，不能一概而論，避免造成線路過修或欠修。

2 線路平縱斷面偏差數(shù)據(jù)采集

2.1 測(cè)量設(shè)站原則

高速鐵路建設(shè)時(shí)期布設(shè)了軌道精測(cè)控制網(wǎng)（CPⅢ），運(yùn)營(yíng)期可利用CPⅢ控制點(diǎn)測(cè)量設(shè)站（見圖1）建立統(tǒng)一坐標(biāo)系，并采集線路平縱斷面的絕對(duì)偏差及三維坐標(biāo)值，一般采用三腳架或測(cè)量小車將智能全站儀架設(shè)于距測(cè)量起點(diǎn)（或終點(diǎn)）120～150 m內(nèi)的軌道中心任意位置（可選取4～8個(gè)位置）。CPⅢ控制點(diǎn)測(cè)量設(shè)站完成即可開始數(shù)據(jù)采集。

2.2 設(shè)站精度要求

高速鐵路對(duì)軌道測(cè)量有較高的精度要求，數(shù)據(jù)采集時(shí)必須對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行限制，一般情況下東北平面坐標(biāo)及軌道高程精度限差不大于1 mm，方位角限差不大于2″，測(cè)量過程中轉(zhuǎn)站搭接誤差不大于2 mm，線路搭接長(zhǎng)度不小于10 m。

圖1 CPⅢ控制點(diǎn)測(cè)量設(shè)站示意圖

2.3 數(shù)據(jù)采集間隔要求

目前，常用的線路平縱斷面偏差測(cè)量小車主要為普通型和慣導(dǎo)快速型。采用普通型軌道測(cè)量小車采集數(shù)據(jù)時(shí)，一般按約5 m間隔采集線路中線坐標(biāo)及平縱斷面絕對(duì)偏差數(shù)據(jù)；采用慣導(dǎo)快速型測(cè)量小車采集數(shù)據(jù)時(shí)，按不大于1 m間隔設(shè)置，并自動(dòng)采集線路中線坐標(biāo)及平縱斷面絕對(duì)偏差數(shù)據(jù)，以提高線路平縱斷面擬合精度。

3 起撥道量數(shù)據(jù)優(yōu)化處理

3.1 平縱斷面優(yōu)化原理

不論是采用三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，還是線路平縱斷面絕對(duì)偏差數(shù)據(jù)，均可采用最小二乘法原理進(jìn)行擬合。直線部分一般采用直線上多個(gè)測(cè)點(diǎn)擬合出實(shí)際最優(yōu)線性，獲取線路平縱斷面最小動(dòng)道量；曲線部分采用曲線半徑和緩和曲線長(zhǎng)逐次逼近整體優(yōu)化方法（見圖2），優(yōu)選出最佳曲線半徑和緩和曲線長(zhǎng)，使各測(cè)點(diǎn)撥量平方和最小。同時(shí)曲線半徑和緩和曲線長(zhǎng)應(yīng)滿足規(guī)范要求。線路縱斷面的優(yōu)化基本與平面優(yōu)化相同，設(shè)有豎曲線的部分按圓曲線優(yōu)化原理優(yōu)化。最小二乘法原理及算法在許多文獻(xiàn)中均有介紹，在此不再贅述。

圖2 曲線半徑和緩和曲線長(zhǎng)逐次逼近整體優(yōu)化方法示意圖

3.2 平縱斷面起撥道量計(jì)算

（1）直線段。按最小二乘法原理擬合出最佳線性，通用直線方程式為Ax+By+C=0。式中的A、B、C可根據(jù)實(shí)測(cè)已知點(diǎn)坐標(biāo)求得，任意測(cè)點(diǎn)的起撥道量可按點(diǎn)到直線的距離公式計(jì)算：

式中：i=±1，左右撥道量或起落道量根據(jù)實(shí)際使用情況定義。

（2）緩和曲線段。設(shè)P為緩和曲線外任意測(cè)點(diǎn)，其直緩點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)為（x，y），對(duì)應(yīng)的緩和曲線長(zhǎng)（簡(jiǎn)稱緩長(zhǎng)）設(shè)為l，則P點(diǎn)的撥量計(jì)算公式：

式中：Alp為緩長(zhǎng)l對(duì)應(yīng)的中樁點(diǎn)到P點(diǎn)的方位角；（xl，yl）和βl分別為緩長(zhǎng) l 對(duì)應(yīng)的中樁坐標(biāo)和緩和曲線角。

（3）圓曲線段計(jì)算。各測(cè)點(diǎn)的撥量等于圓曲線半徑減去測(cè)點(diǎn)到圓心點(diǎn)的距離，表示公式為：

設(shè)有豎曲線的縱斷面起落道量可按式（3）計(jì)算。

3.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化處理

根據(jù)線路平縱斷面優(yōu)化原理，需要采集線路中心線的三維坐標(biāo)或平縱斷面絕對(duì)偏差數(shù)據(jù)，線路坐標(biāo)及偏差數(shù)據(jù)格式排列見表2。由于優(yōu)化擬合計(jì)算較為繁瑣，通常根據(jù)3.1及3.2所述原理，采用計(jì)算機(jī)編程計(jì)算。計(jì)算機(jī)編程具體內(nèi)容在此不再敘述，只列出精測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)優(yōu)化擬合計(jì)算流程（見圖3）。

表2 線路坐標(biāo)及偏差數(shù)據(jù)格式排列

3.4 確定維修作業(yè)數(shù)據(jù)

利用實(shí)測(cè)三維坐標(biāo)值或絕對(duì)偏差值優(yōu)化計(jì)算出一組最優(yōu)的起撥道量值，按大型養(yǎng)路機(jī)械搗固數(shù)據(jù)格式提交。一般情況下，為滿足大型養(yǎng)路機(jī)械維修作業(yè)要求，確保線路平縱斷面的平順性，應(yīng)按不大于5 m的間距提供作業(yè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式排列為里程、撥道量、起道量、點(diǎn)號(hào)，文件后綴名為*.ver的文本文件，里程單位km或m，起撥道量單位m或mm。單位的選取主要根據(jù)大型養(yǎng)路機(jī)械所需數(shù)據(jù)格式，可靈活設(shè)置。

圖3 精測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)優(yōu)化擬合計(jì)算流程

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件

有砟軌道因大型養(yǎng)路機(jī)械周期性的起道及撥道作業(yè)，造成軌道平面及縱斷面位置發(fā)生變化，與原絕對(duì)位置不再重合。為確保軌道的平順性及道床的穩(wěn)定性，需對(duì)軌道絕對(duì)偏差值進(jìn)行優(yōu)化，而后進(jìn)行作業(yè)。高速鐵路受接觸網(wǎng)影響，對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械起撥道作業(yè)有嚴(yán)格要求，一次起撥道量不得大于30 mm；橋梁、隧道等地段作業(yè)后應(yīng)滿足高速鐵路限界要求。

4.2 作業(yè)數(shù)據(jù)分析

選取某高速鐵路有砟軌道一段線路，其作業(yè)前后實(shí)測(cè)絕對(duì)偏差與優(yōu)化后偏差對(duì)比見圖4。圖4中A線為優(yōu)化后實(shí)際作業(yè)數(shù)據(jù)，B線為實(shí)測(cè)線路絕對(duì)偏差數(shù)據(jù)，粗實(shí)線表示作業(yè)后實(shí)際線路中心線位置。對(duì)實(shí)測(cè)絕對(duì)偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該段線路縱斷面起道量值均大于30 mm，不能滿足高速鐵路線路大型養(yǎng)路機(jī)械起道作業(yè)要求；平面偏差平均撥道量值約為15 mm，且向曲線外股連續(xù)撥道，不利于線路的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)優(yōu)化后起撥道作業(yè)量大幅減少，并保證了線路平順性及道床穩(wěn)定性；優(yōu)化后最大起道量約為30 mm，撥道量最大約為10 mm，優(yōu)化后作業(yè)數(shù)據(jù)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖4 實(shí)測(cè)絕對(duì)偏差與優(yōu)化后偏差對(duì)比

4.3 作業(yè)效果分析

南寧鐵路局管內(nèi)柳南與南昆客運(yùn)專線及南廣線精測(cè)精搗區(qū)段優(yōu)化作業(yè)前后TQI值對(duì)比見圖5。優(yōu)化作業(yè)后線路動(dòng)態(tài)檢測(cè)平均TQI值比作業(yè)前平均下降0.6 mm，線路質(zhì)量提升幅度較大，達(dá)到高速鐵路有砟軌道綜合維修目標(biāo)值，滿足高速鐵路軌道平順性要求。

圖5 優(yōu)化作業(yè)前后TQI值對(duì)比

5 結(jié)論與展望

通過對(duì)軌道不平順解決方法的研究，有效提高了大型養(yǎng)路機(jī)械維修作業(yè)質(zhì)量，解決了因軌道不平順造成的線路病害，減少了現(xiàn)場(chǎng)工作量，確保了高速鐵路有砟軌道的高平順性及安全性。通過對(duì)設(shè)計(jì)速度200～250 km/h的高速鐵路有砟軌道線路TQI值的分析表明，當(dāng)TQI值大于3.6 mm時(shí)，應(yīng)安排大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行精測(cè)精搗及人工精調(diào)軌距；宜按優(yōu)化起撥道量數(shù)據(jù)進(jìn)行大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)；綜合維修周期應(yīng)控制在1.5～2.0年，高速鐵路低速區(qū)段（設(shè)計(jì)速度小于160 km/h）維修周期應(yīng)控制在1.0年。作業(yè)方法和作業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及鐵路線路維修作業(yè)相關(guān)規(guī)范要求。

高速鐵路有砟軌道不平順解決方法也適用于普速鐵路的大型養(yǎng)路機(jī)械綜合維修養(yǎng)護(hù)作業(yè)。由于普速鐵路沒有精測(cè)控制網(wǎng)，無法測(cè)量線路平縱斷面的絕對(duì)偏差，不同于高速鐵路有砟軌道中線三維坐標(biāo)測(cè)量采用的相對(duì)測(cè)量方法，但其優(yōu)化原理及作業(yè)方法與高速鐵路有砟軌道相同。

[1] 潘超．新型軌道不平順波形檢測(cè)系統(tǒng)研究[J]．中國(guó)鐵路，2013(3)：55-57.

[2] 鐵運(yùn)〔2013〕29號(hào) 高速鐵路有砟軌道維修規(guī)則 （試行）[S]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.

Solutions to Irregularities o f HSR Ballasted Track

SUN Hejin，ZHANG Jie
(Nanning Railway Adm inistration，Nanning Guangxi 530029，China）

The longitudinal level and irregularity of high speed railway are two factors directly in fluencing the running safety and com fort of high speed trains. the testing content for HSR irregularity and main factors determining the track irregularity are introduced and relevant maintenance program is prepared according to the TQI (track quality index); data is collected for plan and pro file deviations and requirements on measurement station establishment principles, accuracy and data collection intervals are elaborated; the track lining process is optimized by plan and pro file optimization, data calculation, actually measured data optimization and maintenance data analysis; the onsite operation conditions, operation data and operation effect are analyzed as well.

high speed railway；ballasted track；irregularity；solution；deviated data collection；track lining volume

U216

A

1001-683X（2017）09-0047-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.09.047

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016G003-E）

孫和金（1981—），男，工程師，本科。E-mail：sunhejin2006@126.com

責(zé)任編輯 李葳

2017-05-11