偏角法整正曲線在線路大中修作業中的應用

劉良超,張玉明

(鄭州鐵路局南陽工務段，河南南陽 473000)

1 概述

近年來,在線路大中修作業時,作為一種對線路,尤其是對經多年運營、維修后既有曲線平面位置產生錯動后,恢復到設計位置的測量撥正方法,偏角法有其準確、方便等優勢，為其他方法所不及。但在使用偏角法時,一味地按傳統的測量、計算程序進行,而不對現場情況及使用目的進行認真分析,便很難達到理想的效果；同時,因鐵路提速的需要,線路需要更為精確的定位,對于偏角法整正曲線方法的應用,應更為靈活,在新的要求中起到更準確的指導作用。另外,隨著鐵路維修機械化程度的進一步提高,大、中型搗固車在線路維修中的普遍使用,一旦發生曲線要素點位置偏差,便會導致曲線終端連接不順,出現“鵝頭”或“反彎”,對線路曲線的要素點位置提出了更為精確的要求。

2 偏角法整正曲線的分析

2.1 偏角法作業順序

偏角法測量既有曲線,在第一階段,一般要測出每個20 m測點的偏角,即切線方向與置鏡點到各測點弦線間的夾角；移動置鏡點后的各個測段,要測出置鏡點間弦線與置鏡點到每個20 m測點弦線間的夾角；最后一個置鏡點,要測出置鏡點間弦線與切線方向的夾角。則既有曲線的轉角等于上述各角的總和。

第一個置鏡點與最后一個置鏡點,應設在曲線范圍之外,在直緩點與緩直點外側0～60 m的20 m測點上；第二個與倒數第二個置鏡點,最好在緩圓點與圓緩點附近的20 m測點上。其余置鏡點應保證通視與觀測清晰,置鏡點間距離一般不宜長于200～300 m。

2.2 計算撥距的條件

前提條件：既有曲線撥正到設計位置,曲線長度應基本保持不變,才能保證必要的計算精度。所以該辦法適用于將錯動的既有曲線撥正為規則線形,以及撥動前后曲線長度不會大量變化的改建設計。若既有曲線的轉角較大,且要增大曲線半徑,則改建后線路長度縮短；若采用一般方法計算撥距,就會產生很大誤差,需要用特殊方法計算撥距。

保證終切線不撥動,首先,要保證既有曲線的轉角不變動,以免終切線發生扭轉。所以設計時應保證設計曲線的轉角與既有曲線的轉角相等。其次,還必須使既有曲線測量終點的撥距為零,以免引起終切線的扭轉或平行移動,所以設計時應使測量終點設計曲線和既有曲線的漸伸線長度相等。

2.3 偏角法應用中存在問題分析

(1)一般曲線轉向角的測定

在利用偏角法進行曲線測量時,最難以掌握和容易出現差異的是對兩側直線方向的確定。就以上偏角法作業順序看,第一個和最后一個置鏡點需在曲線范圍以外,首尾外側0～60 m。這是考慮到曲線首尾經列車作用及日常維修保養作業的影響,可能會出現一定偏差,產生曲線首尾不在切線方向的現象,為保證測量結果精確,把第一個置鏡點放置在這個范圍。但目前的情況是相當一部分既有線都不同程度地存在較大的“鵝頭”或反彎,根據近年來既有線動態檢查資料顯示,這些反彎大多被動態檢查車判定為曲線,長度在20～80 m,半徑多在14 000 m左右,如果在這種情況下,按要求把第一個置鏡點放置在上述范圍內,依然難以準確測定出切線的方向,所測出的結果顯然與實際需要不符,所以,以上辦法在實際操作時難以準確測出一條曲線的轉向角。另外,《既有鐵路測量技術規則》中規定在曲線外40～80 m選置鏡點,所有測量數據均參加計算,這樣便增加了直線范圍內的計算工作。

(2)對切線的控制

通過對曲線撥距條件的分析可以發現,前提條件要求保證既有曲線長度基本保持不變,這在對產生錯動后的既有曲線進行作業過程中,一般不會發生改變其長度的情況。但保證終切線不撥動,在現場作業時便難以掌握。在人工撥道作業時,曲線首尾易發生變化,難以掌握準確的切線位置,現場的實際情況是曲線首尾大都與設計位置存在一定的偏差,測量結果難以保證曲線轉角與設計轉角相等,這樣就保證不了終切線不發生扭轉,當測量中發現轉角不等時,便需要通過調整終切線方向,使其與設計方向一致,這個調整的幅度便是終切線需要撥動的距離,所以在“計算撥距條件”中所要求的“必須使既有曲線測量終點撥距為零”前提便無法實現。

另外,對于一條單曲線,因其兩側直線方向相對固定,轉角客觀上是一定的。但對于連續曲線,因曲線與曲線間的夾直線長度相對較短,在日常作業時,未能對曲線進行全面把握,很易造成曲線首尾及夾直線方向扭曲,在這種情況下單純考慮一條曲線的撥正已經不能滿足現場的需要,要對幾條相關曲線進行全面考察,綜合考慮,以實現曲線布局合理,夾直線方向正確。

如圖1所示,設計曲線位置與現場曲線位置間存在一定的偏差,如果單純地以曲線頭尾的實際切線方向為依據來對該條曲線進行測量并撥正,那可以預見,作業的結果可以保證曲線的圓順,但卻會導致曲線與兩側直線連接不暢順。

圖1 既有曲線與設計曲線位置偏差示意

(3)撥距計算表的設置

目前使用的撥距計算表,是經過多年使用,同時也是多年來進行現場撥距計算和偏角法教學通用的計算表格,但這種表格的設計是在無計算機時代,所有計算僅靠人工計算完成的,在目前計算機已經普及的情況下,再按該表格設計的形式進行撥距計算,便會感到有很大的不便。如表1所示,該表為目前通用的曲線撥距計算表格,目前教材仍采用此類表格,在不使用計算機中電子表格計算,僅靠人對每個數據逐個進行計算時,未顯有何不便,但目前普遍采用計算機利用電子表格計算時,此表設計的不足之處便顯現出來了,如在現場角度測量時,采用的是60進制的°、′、″的形式進行測量和記錄,利用電子表格時可以在表格中顯示出°、′、″的形式,卻不能直接參加計算,這便難以發揮計算機的優勢,增加了計算的工作量及人工計算時易出現錯誤的幾率。

3 偏角法整正曲線時存在問題的解決辦法

3.1 一般曲線轉向角的測定

就以上所分析的結果,對于偏角法整正曲線應用中存在的問題,要考慮從整體上來解決,而不是只單純以整正曲線的思路來解決,要將曲線、曲線兩側的直線,必要時還要同夾直線較短的相鄰的曲線一同進行綜合考慮。如圖1所示,因曲線的理論位置與實際曲線位置間存在的差異,在確定直線方向時,不宜以曲線兩側0～60 m的直線方向來確定曲線的切線方向,而應在設計曲線頭、尾附近選擇一點,然后在自直線方向(一般應在該點向直線方向150 m以外)架設儀器,選定直線方向,以此為切線方向,測出所選定的點(圖1中的A、B點)偏離直線方向的距離,并以A、B點所對應的直線方向點為基點,按曲線偏角法的測量步驟進行測量計算。對于A、B兩點外側的直線方向點,不必參加計算,可直接用儀器測定出各點偏離直線方向的距離,按所測結果撥正直線方向便可。曲線偏角的測量可把儀器放置在A點或B點,對中點在前側該點的直線點上,其與既有線的偏差便為該點的撥動量,后視對前側直線方向,然后倒鏡測定曲線各點的偏角。這樣便可減少計算量并使轉向角的測定更為準確。

3.2 連續曲線切線方向的確定

對于連續曲線,中間夾直線較短的曲線組合(圖2),如果單純地對曲線1、曲線2進行測量計算,進行整正,必然造成兩曲線中間的夾直線方向不能保證,直線扭曲。可行的方法應當是把曲線1、曲線2及中間夾直線同時進行測量,首先按照3.1中的辦法確定出曲線1、曲線2外側切線方向,并以此為依據,測量出曲線1、曲線2外側直線間的夾角,進而對該夾角進行合理分配,可得到夾直線與兩側曲線外切線間的夾角,以此夾角確定夾直線的方向,當夾直線方向確定之后,按3.1辦法,分別對兩曲線進行測量、計算并撥正。在這種處理辦法中,并不強調曲線首尾不撥動,其現場首尾可根據其與直線大方向的偏移情況進行校正,校正后的方向便為切線方向,此時的切線方向是不可撥動的,這就是“計算撥距條件”中所指的“終切線方向不撥動”。而對于測量終點撥距為零,可以理解為對于圖1中所示的B點利用曲線外直線大方向進行校正后B點撥距為零,而不可單純地理解為現場B點撥距為零。事實上在現場實際作業時,大都片面的強調首尾不可撥動,造成測定結果不合邏輯,與理論數據存在較大的差異。例如，在2004年復測隊移交焦柳線復測資料后要求按復測資料變更技術賬,但復測資料顯示大部分附帶曲線轉角都與轍叉角不等,這樣的結果便明顯是切線方向選擇不對造成的,若將此資料作為臺賬資料并以此指導生產,將會造成線路技術管理混亂。

3.3 撥距計算表的優化

為便于使用電子表格,降低人工計算中易出現的錯誤和降低勞動強度,可對目前使用的計算表格進行優化。第一，對第3欄的現場轉角測量記錄進行優化,°、′、″不放在1個單元格中,將其分別放置在3個單元格中,以便于在后續計算時能進行直接計算。第二，把第4欄中的β(°′″)轉化成α(°),并且少了β(°′″)中對測量總轉角的計算,把這一步放到第5欄進行。第3、第5欄β(rad)中的計算并不單純是對前一欄進行弧度轉換,而讓其在轉換的同時融入對總轉角進行計算的功能,也就是在每個置鏡點處利用轉換的弧度值進行向下累加,這樣便可順利解決傳統計算表格在電子表格中的應用問題。

圖2 連續曲線示意

4 偏角法整正曲線的現場應用

在偏角法整正曲線的測量及計算過程中,只是對測量點(如表1,一般為每20 m點)進行了撥量計算,而對于計算結果中的一些特殊點,如ZH、HY等點,則無相應的撥移量(如表1所示),計算結果中的QZ點里程為K10+189.618,而在所計算的撥量點中,只有其前端的K10+180及其后的K10+200,該點距其前后點距離分別是9.618 m和10.382 m,無法根據測量及計算結果確定出QZ點的準確平面位置。目前,隨著鐵路行車速度的大幅度提高,要求對線路設備進行精細化管理,工務系統要求對線路設備加設控制樁,對于曲線的一些要素點,要在其對應處設置控制樁,所以對這些特殊點的平面位置必須進行精確定位。另外,因偏角法整正曲線作業中,其相鄰點并不像繩正法那樣存在數據上的關聯,所以,對于線路中已經存在的特殊點的控制樁,可在不破壞原測量點位置的情況下,把這些點加進去進行同步計算確定,如目前對于電氣化地段,工務部門可以接觸網柱作為線路控制樁,便有必要在接觸網柱對應點加設1個測量點,并計算出該點的撥移量,進而確定出該點與其對應控制樁的平面位置關系。對于曲線的ZY、QZ等要素點,都是在對曲線進行測量計算后才確定出來的,在測量之前這些點無法確定。對于測量前尚無法確定的曲線要素點位置,便無法在測量時一并測出,這便需要在測量結果出來之后,進行計算,找到相關要素點位置,然后再進行二次測量,把數據加入到第一次的測量數據中進行計算得出對應點需要撥移距離。如表1中的QZ點,在測量計算之前,無法得知該點的具體位置,可在測量數據及計算結果出來之后,把儀器架設在K10+100處,按計算里程量處QZ點的縱向位置,并在現場作明顯標記,然后用儀器對準K10+180,測量出K10+180與K10+200間夾角為1°8′50″,與上次測量結果進行對比,結果一致,回撥測出K10+180與K10+189.618間的夾角為0°33′6″,把測量所得的角度數據加上其上次測量的K10+180處角度數據為9°30′26″,與距離數據填寫在表K10+180之下(表1),并根據其夾角與距離計算出QZ點的撥移量,根據此撥移量設置QZ點控制樁,把控制樁與該QZ點的平面位置關系注明,以此控制QZ點的平面位置。此辦法可同時解決其他相關曲線要素點的平面位置確定問題。

表1 既有曲線撥距計算

注：本表省略了對設計曲線漸伸線長度的計算內容。

5 結語

在進行線路空間位置整正作業時,不宜只考慮具體的單一的整治對像,而應統籌考慮,合理解決。以上情況并不是單純在曲線定位和現場作業時存在,在對線路進行復測時也存在類似的問題。就焦柳線這兩年的復測結果及利用該結果所編制的大修文件來看,在兩線并行地段,因地形限制出現了連續曲線之后,兩線又重新并行,理論上非并行地段曲線的轉角和應當是相等的,而在復測結果及大修文件中,此類情況下轉角和不相等的占多數,雖說其測量結果可以滿足測量誤差的需要,并與現場實際情況相吻合,但其發生的邏輯錯誤,難以指導日常的養護維修工作,并不利于線路狀態的改善、恢復。另外,對于一些多年使用的一些記錄計算方法和習慣,也要對其進行分析、調整,以使其同目前新的數據處理方法相融合,使我們的工作也能及時分享科技發展的成果,降低勞動強度,提高工作效率。

[1]易思蓉.鐵路選線設計[M].成都：西南交通大學出版社，2006.

[2]范俊杰.現代鐵路軌道(第二版)[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[3]張 未.GJ-4型軌道檢查車的原理與應用[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

[4]TB10082—2005 J448—2005，鐵路軌道設計規范[S].

[5]鐵道部令第2號，鐵路技術管理規程[S].

[6]鐵基[1989]3號，既有鐵路測量技術規則[S].