張銀虎

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

跨坐式單軌是一種中等運量的軌道交通系統(tǒng)[1]。其車輛采用橡膠車輪，跨行于梁軌合一的軌道梁上；除走行輪外，在轉(zhuǎn)向架的兩側(cè)尚有導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪，夾行于軌道梁的兩側(cè)。相較于常規(guī)城市軌道交通的高架橋梁，跨坐式單軌交通軌道梁既是承重構(gòu)件，又是引導(dǎo)單軌列車運行的軌道。作為單軌列車的運行基礎(chǔ)，軌道梁安裝定位精度是決定列車能否高速穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。其中，橋墩蓋梁中錨箱(對于連續(xù)剛構(gòu)體系則是軌道梁梁端定位點)的定位精度是軌道梁安裝精度的關(guān)鍵。對于跨坐式單軌交通軌道梁架設(shè)安裝，已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，譚立新等闡述了軌道梁拼裝及體系轉(zhuǎn)換的作業(yè)流程和調(diào)整原則[2-3]，李小果對軌道梁架設(shè)調(diào)整測量的內(nèi)容及方法進(jìn)行了研究[4]。

依據(jù)跨坐式單軌交通施工及驗收要求，架設(shè)完成后的軌道梁應(yīng)連接成連續(xù)、平直、圓順的線路[5-6]，以確保列車的安全平穩(wěn)運行。在軌道梁線形檢測方面，現(xiàn)行的《城市軌道交通工程測量規(guī)范》中僅提出了相應(yīng)的測量允許誤差要求，尚無明確的測量方法和作業(yè)技術(shù)要求。

在對國內(nèi)跨坐式單軌交通項目技術(shù)調(diào)研和分析研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合高速鐵路軌道工程測量控制及線形檢測的相關(guān)技術(shù)[7]，提出了基于“軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)”的軌道梁定位測量和線形檢測新方法，總體技術(shù)路線如下：

(1)軌道梁架設(shè)作業(yè)前，在線路兩側(cè)布設(shè)軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)，采用自由測站邊角交會的方法進(jìn)行平面測量，采用精密幾何水準(zhǔn)測量的方法進(jìn)行高程測量，建立一套相鄰點位相對精度小于±1.5 mm的高精度三維控制網(wǎng)。

(2)軌道梁架設(shè)安裝時，基于測設(shè)完成的軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)，用自由設(shè)站邊角交會的方法進(jìn)行全站儀設(shè)站，再對錨箱定位點及軌道梁定位點進(jìn)行放樣測量。

(3)對放樣點測量設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，研發(fā)了一套精密對中基座，以提高放樣點的定位精度。

(4)軌道梁架設(shè)完成后，基于軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)，對成橋后軌道梁的平面位置、高程以及工作面線形進(jìn)行檢測和評價。

2 軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)測量方法研究

2.1 控制網(wǎng)布網(wǎng)方法

(1)常規(guī)導(dǎo)線測量方法

在精密導(dǎo)線網(wǎng)的基礎(chǔ)上測設(shè)施工導(dǎo)線加密網(wǎng)，作為軌道梁下部結(jié)構(gòu)施工的基礎(chǔ)控制網(wǎng)。施工導(dǎo)線加密網(wǎng)一般沿線路進(jìn)行敷設(shè)，測量網(wǎng)形近似為直伸附合導(dǎo)線。

受觀測網(wǎng)形和數(shù)據(jù)平差計算方法的限制，導(dǎo)線點的相對精度較低(±8 mm)[5]，且導(dǎo)線形式也會造成測量過程中粗差不易被發(fā)現(xiàn)和測量誤差的累積。在后續(xù)軌道梁定位測量時，錨箱和軌道梁梁端定位點的測量放樣精度也很難提高。

另外，跨坐式單軌交通以橋梁結(jié)構(gòu)為主[8-9]，橋墩大多設(shè)置在市政道路的綠化帶中，施工導(dǎo)線加密網(wǎng)一般直接布設(shè)在橋墩兩側(cè)市政道路路面。當(dāng)下部結(jié)構(gòu)及軌道梁施工完成，地面導(dǎo)線點很難保留，無法滿足后續(xù)軌道梁安裝定位檢測和運營維護(hù)檢測的需要。

(2)新的布網(wǎng)方法

針對施工導(dǎo)線加密網(wǎng)存在的不足，借鑒高速鐵路軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)測量方法，對軌道梁下部結(jié)構(gòu)施工控制網(wǎng)測量方法進(jìn)行了優(yōu)化，提出了布設(shè)軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)的新方案：在下部結(jié)構(gòu)施工完成后，采用強制對中標(biāo)志布點，利用智能型全站儀和精密電子水準(zhǔn)儀布設(shè)高精度三維網(wǎng)。

軌道梁基礎(chǔ)控制點沿線路按30～60 m間距成對布設(shè)，點位設(shè)置在線路兩側(cè)穩(wěn)定的既有構(gòu)筑物上(如表1所示)。采用自由測站邊角法進(jìn)行平面測量(如圖1所示)，采用精密水準(zhǔn)法進(jìn)行高程測量。

表1 軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)布網(wǎng)要求

圖1 自由測站邊角交會測量網(wǎng)形

2.2 控制點布設(shè)

結(jié)合軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)布網(wǎng)方法以及橋梁、隧道、車站等下部結(jié)構(gòu)形式和施工方式[10]，提出了軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)的點位設(shè)置方案。

(1)橋梁段控制點布設(shè)

①控制點沿線路成對布設(shè)，點對間距30～60 m；

②每一對控制點左右側(cè)里程差不宜大于5 m，橫向間距不宜小于6 m；

③一側(cè)控制點布設(shè)在已施工完成的橋墩側(cè)面(在高于地面1 m的位置鉆設(shè)橫向孔，用于埋設(shè)測量預(yù)埋件)；

④另一側(cè)控制點布設(shè)在同側(cè)道路面或綠化帶中(采用專用混凝土立柱，在其頂面豎向鉆孔并埋設(shè)測量預(yù)埋件)。

(2)隧道段控制點布設(shè)

在隧道段，軌道梁基礎(chǔ)控制點布設(shè)在隧道側(cè)墻上。應(yīng)根據(jù)線路設(shè)備的設(shè)計位置進(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)測量的位置進(jìn)行布點。

(3)車站控制點布設(shè)

在高架和地下車站，軌道梁基礎(chǔ)控制點應(yīng)布設(shè)在線路兩側(cè)的站臺廊檐或隧道側(cè)墻上。

2.3 控制網(wǎng)測量精度指標(biāo)

(1)錨箱定位安裝

依據(jù)《跨坐式單軌交通施工及驗收規(guī)范》， 蓋梁、支座、預(yù)埋件定位安裝與設(shè)計值的允許誤差應(yīng)符合表2的要求。

表2 蓋梁、支座、預(yù)埋件安裝精度要求

由表2可知，錨箱基座板的平面橫縱向定位限差(Δ橫、Δ縱)均為±5 mm，則點位定位限差為

(1)

代入已知數(shù)值，Δp=±7.1 mm。

根據(jù)工程測量要求，測量誤差應(yīng)小于與設(shè)計值偏差的1/3[5]。錨箱定位精度計算如下。

①取錨箱基座板點位定位限差的1/3作為平面定位測量誤差，取整后確定錨箱基座板平面定位測量允許誤差(為±3 mm)；

②取錨箱基座板高程限差的1/3作為高程定位測量誤差，確定錨箱基座板的高程定位測量允許誤差(為±2 mm)。

(2)平面測量精度指標(biāo)分析

軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)平面測量采用自由測站邊角交會法，其測量精度應(yīng)滿足錨箱定位安裝測量放樣的要求。結(jié)合錨箱定位測量精度指標(biāo)分析，取錨箱平面定位測量允許誤差的1/2作為軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)相鄰點的相對點位中誤差限差(1.5 mm)。

軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)與高速鐵路CPⅢ網(wǎng)平面測量同為自由測站邊角交會網(wǎng)，結(jié)合《高速鐵路工程測量規(guī)范》相關(guān)技術(shù)要求，軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)相鄰點相對點位中誤差取為高速鐵路CPⅢ網(wǎng)(相對點位中誤差≤1 mm)的1.5倍。因此，對于軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)，其平面測量方向觀測中誤差、距離觀測中誤差及其他各項觀測平差計算指標(biāo)，也按高鐵CPⅢ網(wǎng)的1.5倍設(shè)置，如表3、表4所示。

表3 軌道梁控制網(wǎng)平面測量的主要技術(shù)要求

表4 軌道梁控制網(wǎng)平面網(wǎng)約束網(wǎng)平差后的主要技術(shù)要求

為了進(jìn)一步驗證表3觀測精度的可靠性，把平面網(wǎng)方向觀測中誤差設(shè)計為2.5″、距離觀測中誤差設(shè)計為1.5 mm，并增加擾動方向誤差2.5″、測距誤差1.5 mm進(jìn)行仿真計算。經(jīng)過三組仿真數(shù)據(jù)計算，其相鄰點的相對點位中誤差均滿足≤1.5 mm的要求(如表5所示)。

表5 相鄰點相對點位中誤差仿真計算結(jié)果統(tǒng)計

(3)高程測量精度指標(biāo)分析

對于軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)，結(jié)合錨箱定位的測量精度指標(biāo)，取錨箱定位高程測量允許誤差的1/2作為軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)相鄰點高差中誤差的限差(±1 mm)，為高鐵CPⅢ網(wǎng)(相鄰點的高差中誤差≤0.5 mm)的2倍。

城市軌道交通二等水準(zhǔn)測量與高鐵精密水準(zhǔn)測量的技術(shù)要求基本一致，各等級水準(zhǔn)測量的區(qū)別主要體現(xiàn)在觀測視距的不同。因此，對于軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)高程測量，仍采用城市軌道交通二等水準(zhǔn)測量的精度等級進(jìn)行觀測。

3 軌道梁定位測量方法

軌道梁安裝定位時，采用自由設(shè)站邊角交會的方法進(jìn)行全站儀設(shè)站，再對錨箱定位點進(jìn)行放樣測量。

3.1 全站儀自由設(shè)站作業(yè)方法及精度指標(biāo)分析

(1)高架橋梁段

在高架橋梁段，全站儀宜架設(shè)在橋墩蓋梁頂面，采用單邊控制點自由設(shè)站方法[12]對前后橋墩頂?shù)腻^箱進(jìn)行測量定位(如圖2所示)。觀測的控制點數(shù)不宜少于4個，且相鄰設(shè)站點間應(yīng)重復(fù)觀測3個以上的控制點。

圖2 全站儀單邊控制點自由設(shè)站示意

(2)隧道及車站段

在隧道段及車站段，全站儀宜架設(shè)在線路中線位置，采用點對控制點自由設(shè)站的方法對前后錨箱進(jìn)行測量定位(如圖3所示)。每個測站觀測的控制點不宜少于4對，相鄰測站重疊觀測的控制點不應(yīng)少于3對。

(3)全站儀自由設(shè)站的精度指標(biāo)分析

由軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)測量精度分析可知，其測量誤差為高速鐵路CPⅢ控制網(wǎng)的1.5倍。對于基于軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)的全站儀自由設(shè)站的精度指標(biāo)，其定向坐標(biāo)中誤差及方向中誤差也取為高速鐵路CPⅢ網(wǎng)的1.5倍，如表6所示。

圖3 全站儀點對控制點自由設(shè)站示意

表6 軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)全站儀自由設(shè)站精度要求

3.2 放樣點測量設(shè)備的設(shè)計研發(fā)

對于錨箱基座板中心點及四角的定位點測量放樣[13]，一般采用常規(guī)鋁合金棱鏡、對中桿、三角架進(jìn)行。測量過程中，存在對中桿易彎曲變形、整平精度低、棱鏡高量取精度較差等問題。為了提高錨箱基座板定位點的測量精度，研發(fā)了可實現(xiàn)精確對中和整平的精密測量基座(如圖4所示)。

圖4 精密測量基座

精密測量基座包括1個基座板和3個支撐腳(3個支撐腳包括1個對中軸和2個調(diào)整腳)，頂部安裝有精密測量棱鏡。精密測量基座為不銹鋼材質(zhì)，各部件之間組裝精度較高(機械加工精度為±0.05 mm)?；迳习惭b有1個圓水準(zhǔn)氣泡和2個成90°的管水準(zhǔn)氣泡，可實現(xiàn)對基座水平姿態(tài)的精確調(diào)整控制。

利用精密測量基座進(jìn)行錨箱基座板定位測量和放樣，可極大地減少測量棱鏡的對中和整平誤差，顯著提高定位點測量和放樣精度。

4 軌道梁線形檢測方法研究

4.1 軌道梁線形檢測內(nèi)容

根據(jù)單軌車輛類型的不同，跨坐式單軌軌道梁線形檢測的內(nèi)容亦有所差異[14]。依據(jù)《跨坐式單軌交通施工及驗收規(guī)范》和《車輛與土建的接口文件》，主要包括軌道梁中線位置、軌面高程、軌面橫坡、走行面垂直度、軌道梁側(cè)面距離中心的偏差、工作面(走行面、導(dǎo)線面、穩(wěn)定面)線形、工作面縱向平整度，以及軌道梁銜接處平面線形矢高、豎向線形矢高、水平面變化率、側(cè)面變化率等。以某類型跨坐式單軌為例，其軌道梁線形檢測的主要內(nèi)容和技術(shù)要求如表7所示。

表7 軌道梁線形檢測內(nèi)容及限差要求

4.2 檢測點布設(shè)與測量

(1)檢測斷面及檢測點設(shè)置

軌道梁線形檢測作業(yè)時，首先在軌道梁上沿線路縱向布設(shè)檢測斷面，每個檢測斷面布設(shè)7個檢測點(軌道梁頂面布設(shè)3個點，內(nèi)外側(cè)面分別布設(shè)2個點)，如圖5所示。

(2)檢測點測量

檢測點測量時，以軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)點為起算點，采用自由設(shè)站后方交會的方法進(jìn)行全站儀設(shè)站，觀測控制點3個以上，設(shè)站點X、Y、H各分量中誤差≤2 mm，方向中誤差≤3″。設(shè)站完成后，進(jìn)行控制點的坐標(biāo)不符值檢核，X、Y、H各分量不符值≤2 mm。

圖5 檢測斷面中各檢測點布設(shè)位置示意

采用極坐標(biāo)法對1號～7號各檢測點進(jìn)行平面和高程測量。每個檢測點應(yīng)重復(fù)測量2次，相鄰測站應(yīng)有1個斷面進(jìn)行重疊測量。

4.3 檢測數(shù)據(jù)處理與軌道梁線形分析

首先結(jié)合設(shè)計平曲線、縱斷面及軌道梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算出每個檢測斷面7個檢測點的設(shè)計數(shù)據(jù)，然后將檢測點的觀測數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對軌道梁的架設(shè)安裝精度及工作面線形進(jìn)行檢測分析[16]。

(1)中線偏差分析

結(jié)合設(shè)計平曲線以及每個檢測斷面2號點的平面測量坐標(biāo)，計算出2號點與設(shè)計線位的橫向偏距，并對軌道梁的中線偏差進(jìn)行分析。

(2)軌面高程偏差分析

結(jié)合設(shè)計縱斷面資料以及每個檢測斷面1號、2號、3號點的測量高程值，計算出檢測點的實測高程與設(shè)計高程值的偏差，并對軌道梁走行面的高程偏差進(jìn)行分析。

(3)橫向偏距偏差分析

根據(jù)軌道梁實測中心坐標(biāo)及4號、5號、6號、7號各檢測點的實測坐標(biāo)，計算出各檢測點與軌道梁中心的橫向偏距，并與設(shè)計橫向偏距進(jìn)行對比分析。

(4)工作面線形分析

根據(jù)測點到梁長矢距實測值與設(shè)計值的偏差，對軌道梁的走行面、導(dǎo)向面、穩(wěn)定面線形進(jìn)行檢測。走行面線形精度通過1號、3號點的豎向矢距偏差進(jìn)行分析，導(dǎo)向面線形通過計算4號、6號點的橫向矢距偏差進(jìn)行分析，穩(wěn)定面線形通過5號、7號點的橫向矢距偏差進(jìn)行分析。

(5)工作面縱向平整度分析

通過3 m和20 m弦矢距實測值與設(shè)計值偏差的對比分析，對軌道梁的走行面、導(dǎo)向面、穩(wěn)定面的縱向平整度進(jìn)行檢測。走行面縱向平整度通過1號、3號點的豎向矢距偏差進(jìn)行分析，導(dǎo)向面線形通過4號、6號點的橫向矢距偏差進(jìn)行分析，穩(wěn)定面線形通過5號、7號點的橫向矢距偏差進(jìn)行分析。

(6)軌道梁銜接處平面線形及豎向線形矢高分析

在軌道梁銜接處，從頂部走行面及側(cè)部導(dǎo)向面，以兩軌道梁連接處為中點拉一弦線，直線段弦線長4 m、曲線段弦長20 m，根據(jù)測點到弦線的矢距實測值與設(shè)計值的偏差，對銜接處平面及豎向線形矢高進(jìn)行檢測[15]。對于導(dǎo)向面及穩(wěn)定面平面線形矢高檢測，可通過4號、5號、6號、7號點的橫向矢距偏差進(jìn)行對比分析。對于走行面豎向線形矢高檢測，可通過1號點與3號點的豎向矢距偏差進(jìn)行對比分析。

5 應(yīng)用案例

結(jié)合國內(nèi)某城市跨坐式單軌項目，對該軌道梁定位測量及線形檢測方法進(jìn)行應(yīng)用測試。

(1)軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)測量

試驗段長度約1.2 km，線路近似南北走向，全部為高架橋梁段，軌道梁設(shè)計為先簡支后連續(xù)3×30 m變高度連續(xù)剛構(gòu)PC軌道梁。軌道梁基礎(chǔ)控制點沿線路走向布設(shè)，縱向間距為50～70 m，全段共計布設(shè)控制點44個。

軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)平面測量采用Leica TS30智能型全站儀，按照自由測站邊角交會法施測，高程測量采用幾何水準(zhǔn)測量的方法施測，觀測設(shè)備為Trimble Dini03電子水準(zhǔn)儀。采用專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行測量數(shù)據(jù)處理及平差計算，平差后的精度指標(biāo)如表8、表9所示。

表8 平面網(wǎng)約束網(wǎng)平差精度統(tǒng)計

(2)軌道梁定位點測量精度分析

本段軌道梁為連續(xù)剛構(gòu)軌道梁，采用預(yù)制施工、先簡支后連續(xù)的架設(shè)施工方法。軌道梁架設(shè)完成后，基于軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)，在蓋梁上進(jìn)行全站儀自由設(shè)站，

表9 高程網(wǎng)平差精度統(tǒng)計 mm

然后利用精密測量基座對前后軌道梁的梁端定位點進(jìn)行測量，進(jìn)而指導(dǎo)軌道梁的安裝調(diào)整。

為檢核軌道梁定位測量精度，選擇了Z48～Z50共3孔梁，采用重復(fù)測量的方法，對9個定位點的測量精度進(jìn)行檢核，如表10所示。

表10 軌道梁梁端定位點測量精度檢核統(tǒng)計

由表10可知。

①軌道梁定位點重復(fù)測量X方向較差最大值為2.7 mm，Y方向較差最大值為2.8 mm，高程H方向較差最大值為2.9 mm，平面及高程重復(fù)測量較差均小于±3 mm。

②平面測量中誤差MX為1.9 mm、MY為1.8 mm、MP為2.6 mm，滿足《跨坐式單軌交通施工及驗收規(guī)范》中“平面定位測量允許誤差為3 mm”的驗收要求。

③高程測量中誤差MH為1.9 mm，滿足《跨坐式單軌交通施工及驗收規(guī)范》中“高程定位測量允許誤差為2 mm”的驗收要求。

(3)軌道梁線形檢測

在軌道梁架設(shè)調(diào)整完成后，以軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)為基礎(chǔ)，開展了軌道梁線形檢測工作。

結(jié)合本段線路軌道梁設(shè)計平曲線及縱斷面數(shù)據(jù)，采用Leica TS60全站儀及專業(yè)測量設(shè)備，共完成了右線22片軌道梁的線形檢測工作。利用自主研發(fā)的軌道梁線形檢測數(shù)據(jù)處理與分析軟件進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)處理和軌道梁線形分析，共完成了中線偏差、軌面高程偏差、橫向偏距偏差、工作面線形、工作面縱向平整度、銜接處平面線形矢高及豎向線形矢高的檢測分析。經(jīng)過檢測，除部分檢測點中線偏差略大外，其余檢測指標(biāo)均滿足驗收要求(如圖6、圖7所示)。

圖6 軌道梁中線偏差統(tǒng)計

圖7 軌道梁軌面高程偏差統(tǒng)計

6 結(jié)束語

跨坐式單軌交通軌道梁既是車輛、系統(tǒng)設(shè)備和梁體自身的承重構(gòu)件，又是引導(dǎo)單軌列車運行的軌道。軌道梁的安裝定位精度和線形平順性是單軌列車安全平穩(wěn)運行的基礎(chǔ)。為提高軌道梁的安裝定位和線形控制精度，提出一種基于軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)的軌道梁定位測量和線形檢測的新方法，并對相關(guān)測量作業(yè)方法及精度指標(biāo)進(jìn)行了探討。通過實際工程應(yīng)用測試，驗證了作業(yè)方法和測量指標(biāo)的可行性，結(jié)合軌道梁安裝后的線形檢測與偏差分析，證明該方法能夠明顯提高軌道梁的架設(shè)安裝及線形控制精度。