無砟軌道誤差合成分析與應對措施

鄒振中,趙東田,劉 偉

(1.鐵道部宜萬鐵路建設指揮部,湖北恩施 445000;2.鐵道部工程管理中心,北京 100844; 3.中鐵十八局集團公司技術中心,天津 300222;4.武漢鐵路局,武漢 430071)

無砟軌道誤差合成分析與應對措施

鄒振中1,2,趙東田1,3,劉 偉1,4

(1.鐵道部宜萬鐵路建設指揮部,湖北恩施 445000;2.鐵道部工程管理中心,北京 100844; 3.中鐵十八局集團公司技術中心,天津 300222;4.武漢鐵路局,武漢 430071)

根據誤差理論和現場數據統計分析,可認為軌道幾何參數誤差呈正態分布,將無砟軌道各施工階段的誤差源組成進行了簡單剖析,定量或定性地分析了制造產生的誤差、測量儀器系統誤差、施工操作誤差、混凝土澆筑產生的影響誤差,提出選擇合理施工方案、重視扣件系統管理和保證軌道測量可靠等是使合成誤差盡可能降低的控制措施。

宜萬鐵路;無砟軌道;誤差;評價;改進措施

1 概述

無砟軌道具有“高精度、高平順性、耐久性”的結構特點,從施工方案選擇、底板施工、軌枕(板)鋪設、混凝土(CA砂漿)澆筑、換鋪長鋼軌、鋼軌預打磨,到軌道的動態檢測和順利運營,其觀測數值和精度受到諸多確定和隨機性因素的影響[1～3],需要提高施工過程中的精度控制,也就是最大可能地降低誤差,通過對誤差源和誤差傳遞規律系統分析,使其合成誤差最小或者說達到最優程度。本文以施工控制最為復雜的CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道為例,結合宜萬線、秦沈線、溫福線、武廣、福廈線、襄渝二線等鐵路的數據統計進行分析,并提出應對措施。

2 雙塊式無砟軌道設計及施工現狀

2.1 結構形式

軌道結構按跨區間無縫線路設計,道床板為耐久性C40鋼筋混凝土,60kg/m無螺栓孔500m新鋼軌, WJ-7A型扣件,軌道結構斷面見圖1。

圖1 CRTSⅠ型雙塊式無擋肩無砟軌道結構斷面(單位:mm)

2.2 特點

結構穩定的無砟軌道是高速度鐵路軌道的首選形式[4～12],但其對技術要求極高,從測量控制、施工過程等方面都需要嚴格控制誤差,以最大可能減少合成誤差來滿足以下要求。

(1)提供穩定的軌道結構和平順的運行表面。

(2)保證旅客舒適度。高速行車時,車體發生共振,橫向加速度增大,不僅要控制10m弦長的線路不平順,也要消除相應敏感波長的線路不平順。

2.3 施工現狀

由于對無砟軌道施工誤差產生、各種誤差傳遞缺乏判識或重視程度不夠,出現了許多值得思考的教訓,如CRTSⅡ型雙塊式的測量多次傳遞誤差、較大的扣件誤差;一些線路上的錯誤使用軌道幾何狀態測量儀、未正確處理重疊搭接段數據,造成一些周期性不平順、降低了過程控制精度,放大了誤差等,導致無砟軌道初始精度不高,后續調整工作量大;某些項目的無砟軌道施工完畢后,初始精度不高,鋪軌后的軌道調整工作量很大,扣件更換件多,前后軌道整理時間達6個月甚至更長,以至于某些無砟軌道調整扣件量達到20%以上。

3 誤差及誤差傳遞

誤差是某未知量的觀測值與其真值的差數。該差數稱為真誤差。測量工作中,對某個未知量進行觀測必定會產生誤差。一般情況下,某未知量的真值無法求得,此時計算誤差時,用觀測值的最或然值代替真值(觀測值的最或然值是接近于真值的最可靠值)。

根據無砟軌道施工過程、動態檢測和我國廣大鐵路專家學者的研究,為便于分析,從系統誤差和隨機誤差等方面以目標函數形式來表示最終誤差。

式中 Ki——影響權值;

φ——系統誤差;

ε——隨機誤差;

n——誤差存在項數。

3.1 誤差源

靜態檢測主要指標分為軌距、水平、中心線、軌向和弦長,根據無砟軌道各施工階段存在誤差特點,其誤差主要存在項主要有:選擇的施工方案、精密控制網精度、底部的沉降變形、軌枕定位和軌排組裝誤差、扣件系統誤差、鋼軌偏差、測量儀誤差、混凝土澆筑影響、道床板質量影響、長鋼軌鋪設和線路鎖定影響、行車的影響,靜態與動態測量數據的檢測差異等。

3.2 誤差的組成及分析

軌道最終的誤差是各階段產生的各種各樣誤差的組合,也稱為合成誤差,無論是理論分析還是實踐驗證,各種誤差對軌道軌距、中線、波長等參數的影響權值是不同的,需要分開研究。為便于綜合認識無砟軌道的誤差產生,下面從設備、測量、施工和人員方面等四大類來分析。

3.2.1 制造產生的誤差

(1)鋼軌。包括作為中介工具循環使用的工具鋼軌(即工裝)和換鋪到線路上的正式鋼軌2類。

作為高速鐵路和客運專線上使用的鋼軌,斷面尺寸和制造工藝比一般線路用鋼軌嚴格得多,影響較大的項目和允許偏差:高度允許偏差±0.6mm,斷面不對稱—軌頭≤0.5mm、底≤1mm,軌頭寬度±0.5mm,軌底寬度±1mm,軌底平整度—凹陷≤0.3mm;端面垂直度≤0.6mm。

因此,作為軌道上的正式鋼軌,可控制的是選擇合格供應商和按照檢驗頻率檢查,并在現場定期、定批復查確認,包括出場檢驗的可靠性、吊運中有無損傷、焊接質量是否符合要求等,在動態驗收和運營前采取對鋼軌進行打磨措施,盡可能消除鋼軌頭部的裂紋萌生區、鋼軌周期性和非周期性短波不平順。

而作為施工過程中的工具鋼軌,是循環使用的,呈周期性,它對軌道結構最終的合成誤差影響大,因此所占權值要大,誤差控制也要更加嚴格。為了便于現場工人的操作和減少誤差積累,可把工具鋼軌的主要指標定為:高度允許偏差0.3mm,軌頭斷面不對稱≤0.5mm,軌頭寬度0.5mm,軌底寬度0.5mm,軌底坡1∶(40±2)。

(2)扣件。包括鐵墊板、絕緣緩沖墊板、軌下橡膠墊板、軌距塊、彈條等。

設計中,鐵墊板軌底坡1∶40,鐵墊板、絕緣緩沖墊板、軌下橡膠墊板的厚度均是定值,彈條扣壓力根據部位和低阻力、標準阻力要求分為達到 100～120N·m和300～350N·m等。由于鐵墊板為鑄鐵制造,工藝所限,其離散性是比較大的,根據檢測統計,有60%的偏差達到0.4～0.7mm,5%的偏差達到0.8～1.2mm,個別甚至達到2mm,同時絕緣緩沖墊板和軌下橡膠墊板也存在一定量的小偏差。

由于鐵墊板上的螺栓孔是橢圓形,其軌距調整量可在+12～-12mm范圍內無級調整,若不加以控制,其安裝導致的軌距和中線偏差40%～60%也會達到2～6mm,最大的甚至超過12mm。

綜上所述,扣件系統安裝雖然是一道很簡單的工序,但它可能產生的誤差卻很大,因此,應當將組裝軌排用的扣件原位保留,通過軌排精調將該系統可能產生的不利影響消除在道床板混凝土澆筑前。

3.2.2 測量儀器的系統誤差

按測量誤差對觀測結果影響性質的不同,測量誤差分為系統誤差和偶然誤差兩大類。系統誤差是指在相同的觀測條件下,對某量進行的一系列觀測中,數值大小和正負符號固定不變,或按一定規律變化的誤差。無砟軌道施工,控制它的是三級精密控制網和目前精度最高的軌檢儀(由全站儀和測量小車兩部分組成),軌檢儀可提供內部的相對軌道幾何狀態(軌距、超高、高低、軌向)和外部的絕對軌道幾何狀態(高程、中線)。

系統誤差具有累積性,對觀測結果的影響很大,但它們的符號和大小有一定的規律。因此,系統誤差可以采用適當的措施消除或減弱其影響。通常可采用以下3種方法。

(1)觀測前對儀器進行檢校。如,確保儀器的幾何軸線關系的正確性,確保水平的平穩性。

(2)采用適當的觀測方法,如,全站儀盡量在CPⅢ點中間設站,困難條件下,全站儀距離最近CPⅢ點的最短長度也不能小于15m;換站測量時要聯測3對CPⅢ點。

(3)研究系統誤差的大小,對觀測值加以改正。如,根據現場溫度改正溫度差影響,通過研究建模形式和公式來提高對測量結果的評判和合理處理數據。

3.2.3 施工操作誤差

現代管理理論認為,人的因素是第一位的,先進的設備和儀器是基礎,而測量人員的思想素質、技術水平則是保證檢測質量的重要保證[13]。總結武廣線的精調經驗[14],甚至可以說,軌道調整工作的成敗,不取決于對精調技術掌握的熟練程度,而決定于現場管理的嚴謹性和管理水平。可以從測量示值誤差和調整到位程度來說明這個問題。

(1)測量示值誤差

如果測量人員沒有嚴格執行班前儀器檢核、補償,儀器由于搬運振動會造成示值的不真實而產生大的誤差或者說錯誤。如,水平沒有檢核,現場甚至出現過10mm的錯誤示值;雙軸補償縱、橫向指標差(l,t),垂直編碼度盤指標差(i),水平視準差(c),水平軸傾斜誤差(a),自動目標識別的瞄準誤差(ATR)值的檢核補償不到位,高程、中線的示值與真值間的偏差會超過2mm。

大風、強烈陽光、灰塵,人員流動性較大,施工現場各種非可控因素的影響等惡劣環境,會造成補償器穩定性較差,造成儀器對話框提示數據出現錯誤或者較大的數據偏差。

對CPⅢ復測、棱鏡安裝質量、儀器支立狀態不細致、嚴格,達不到操作要求的情況下,測量數據也會出現偏離其真值2mm以上的粗大誤差。

(2)軌道的調整誤差

根據偏差逐步消除的原則[15],將軌道調整分為準確就位、粗調和精調3個工步;準確就位目的是減少粗調工作量、提高整體施工效率和減少排架變形;粗調目的是使軌道分級逐步逼近設計位置,精調目的是使軌道結構達到較精確的三維定位、整體趨于均勻和平順。如果軌道調整次數過少,會導致一次調整量大,使工具軌產生塑性變形、牽動前后調整點發生變化,增加了誤差。不合理的操作一般會增大誤差值0.3,甚至達到1.0mm。

3.2.4 混凝土澆筑產生的影響誤差

包括施工方案和無砟軌道工程特點產生的誤差,不同的方案產生的擾動值不同。

(1)工具軌法,該工法是將鋼軌作為工具用于現場組裝軌排,通過精密螺桿調節器和地錨、軌距調節器、邊撐等來調整和固定軌排。操作人員和混凝土澆筑對軌距、中線、高程、軌向等參數的影響比較大,如,混凝土澆筑前后變化幅值軌距有的達到1.5mm,中線達到1.0mm。

(2)軌道組合排架法[15～16],該工法是將軌排框架作為工具用于現場組裝軌排,軌向、軌距和水平等參數通過工廠精確加工的組合排架來自動滿足軌道內部幾何狀態,其集成化性能好、剛度大,軌道調整、固定系統由軌排框架螺柱支腿和軌向鎖定器(無級調整)完成。軌距誤差可嚴格控制在1mm以內,操作人員和混凝土澆筑對中線、高程、軌向等參數的影響也可控制在0.3～0.5mm以內。該工法對合成誤差的影響取決于排架加工誤差和使用中的組合與調整。

3.3 誤差傳遞

在實際測量工作中,某些量的大小往往不能直接觀測到的,未知量的值是由直接觀測值通過一定的函數關系間接計算求得的。因此,觀測值的誤差必然使得其函數帶來誤差。如有2個隨機量之和的方差為

式中:Kx1x2為x1、x2的相關矩。

3.3.1 靜態

(1)軌距,為相對幾何參數。最終誤差主要由測量示值誤差和混凝土澆筑影響組成。

(2)中線,為絕對幾何參數。最終誤差主要由測量示值誤差、扣件制造安裝誤差、儀器系統誤差、測量操作誤差、混凝土澆筑影響和數據順接處理誤差組成。

(3)高程,為絕對幾何參數。最終誤差主要由測量示值誤差、儀器系統誤差、測量操作誤差、扣件和鋼軌制造誤差、混凝土澆筑影響和數據順接處理誤差組成。

(4)軌向,為相對幾何參數。最終誤差主要由測量示值誤差、鋼軌制造誤差、混凝土澆筑影響和數據順接處理誤差組成。

(5)高低,為相對幾何參數。最終誤差主要由測量示值誤差、扣件制造誤差、混凝土澆筑影響和數據順接處理誤差組成。

(6)水平,為相對幾何參數。最終誤差主要由測量示值誤差、鋼軌制造誤差、混凝土澆筑影響產生的誤差組成。

3.3.2 動態

軌道動態調整是在聯調聯試期間根據軌道動態檢測情況對軌道局部缺陷進行修復,對部分區段幾何尺寸進行微調,對軌道線形進一步優化,使輪軌關系匹配良好,進一步提高高速行車的安全性、平穩性和乘座舒適度,是對軌道狀態和精度進一步完善、提高的過程,使軌道動、靜態精度全面達到高速行車條件。一般來講,當靜態檢測良好、精度控制比較高、扣件聯結狀況優良,過程施工控制都到位的情況下,動態檢測也是容易過關的,動態檢測可以在動態中發現過程控制中的部分錯誤和較大誤差的復合超限。

4 減少合成誤差的相應措施

可采用控制論的手段來系統把握各施工環節,保證無砟軌道綜合施工質量。

4.1 減少各分項誤差

(1)仔細研究編制施工方案,吸收目前國內比較成熟的技術與經驗,起點要高,減少各分項誤差,使得其變化幅值小,明確每一工序的精度控制指標,盡量減少誤差積累。

(2)合理選擇、使用和保護好工裝設備。一是測量儀器、混凝土檢測設備;二是混凝土澆筑設備;三是軌道精調支撐固定系統。

(3)認真進行工藝性試驗段建設和全面分析總結,仔細觀測和研究工裝設備、操作人員、混凝土品質、測量方法對無砟軌道施工精度的影響(誤差)。

(4)按照施工工藝精細、規范作業,保證軌排調整精度,正確處理支撐位置、間距、接頭順接,工具軌清洗干凈等細節。

(5)WJ -7型扣件原位留用,并注意組裝順序及操作要點。

①清除軌枕或軌道板承軌面的泥污。②絕緣緩沖墊板孔與預埋套管孔對中。③鐵墊板螺栓孔中心與套管孔中心對正(圖2,右圖)。④使平墊塊距圓孔中心較長一側朝內。⑤錨固螺栓螺紋部分涂滿鐵路專用防護油脂旋入預埋套管中;在錨固螺栓擰緊前調整鐵墊板位置使鐵墊板上標記線與平墊塊上的標記線對齊。⑥用專用扳手按照扭矩要求上緊螺栓,扣件與軌枕頂、鋼軌底密貼,彈條前端3點要與軌距塊密貼(雙控措施)(圖2,左圖);⑦復查此軌排的螺栓安裝質量及軌枕間距;⑧檢查軌距方向,如有不適,橫向挪動鐵墊板予以調整,必要時將平墊塊調頭使用。

圖2 WJ-7型扣件T型螺栓安裝

(6)高度重視每個環節的測量工作。①CPⅢ按要求測設、評估、驗收和批準后方可用于無砟軌道測量施工;②軌道幾何狀態測量儀要檢驗校定合格,按照說明書要求,進行日常校驗和比對校驗;③全站儀后視CPⅢ的點數和上一階段的重疊點數要滿足要求(通常不少于3對),按規定方法進行平差,平差不滿足要求,不得進行下一步測量;④軌排的調整定位分步進行,精度控制指標宜逐步達到;⑤正確處理搭接段施工,下一步段施工測量時,一定要搭接復測上一施工段,較大偏差要按精度要求順平。

(7)高度重視軌道測量人員的素質,確保測量數據真實可靠。測量人員必須經過專業培訓;測量儀器檢校補償滿足精度要求;測量方法、設站精度等必須科學、合理。

(8)換鋪長鋼軌工序應規范,鋼軌焊接滿足平順標準。

鋪軌之前,必須對扣件進行全面、徹底清理,經監理檢查驗收后,方可進行鋪軌施工。無縫線路放散、鎖定后,將扣件作為主要項目嚴格按照規定標準進行驗收。軌道靜態調整之前,應對鋼軌、扣件狀態進行全面檢查確認后方可進行測量和調整,否則,測量的數據是不真實的,據此調整的精度是不可靠的。提高焊縫打磨精度,無縫線路鎖定后,應對所有焊縫進行全面檢查,不合格接頭必須重新處理。

(9)聯調期間應安排計劃全面檢查,軌道調整后必須對扣件狀態進行復查確認。要保證扣件安裝正確,無缺少、無損壞、無污染、無空吊,扭力矩達到設計標準(±10%),彈條中部前端下頦與軌距塊凸臺間隙≯0.5mm,軌底外側邊緣與軌距塊間隙≯0.3mm,擋肩與軌距塊間隙≯0.3mm。

4.2 重視信息收集和反饋

建立反饋控制、現場控制、預先控制的綜合控制系統,形成閉環控制。

(1)加強技術管理。通過設立的施工先行段試驗來總結掌握技術,調整補充和固定工藝、方法。

(2)加強對扣件和焊縫的檢查。扣件、焊縫的局部缺陷對靜態精度和低速行車的影響甚微,但對于高速行車(250km/h以上)影響非常大,甚至危及行車安全。動力學檢測中出現的減載率、脫軌系數偏大的主要原因是焊縫平順性不好,扣件扣壓力不足和墊板不密貼等。

(3)嚴格標準化,分工明確,規范程序化作業,精細化作業,制定獎懲措施,做到管理到邊到底。

4.3 重視理論分析,提高對現場各項數據的綜合評判和正確處理能力

觀測值接近真值的程度,稱為準確度,愈接近真值,其準確度愈高。

系統誤差對觀測值的準確度影響極大,在觀測前,應認真檢校儀器,觀測時采用適當的觀測法,觀測后對觀測的結果加以計算改正,消除系統誤差或減弱至最低可以接受的程度。一組觀測值之間相互符合的程度(或其離散程度)為精密度。準確度與精密度兩者均高的觀測值才稱得上高精度的觀測值。

偶然誤差作為主要研究對象,根據其統計特性,當對某量有足夠多的觀測次數時,其正負誤差可以互相抵消。因此,可以采用多次觀測,并取其算術平均值的方法,來減少偶然誤差對觀測結果的影響而求得較為可靠的結果。

根據偶然誤差的特性對該組觀測值進行數學處理,求出最接近于未知量真值的估值,根據觀測值的偶然誤差大小,來評定觀測結果的質量,即評定精度。

在一定的觀測條件下,偶然誤差的絕對值不會超過一定的限度。根據數理統計和誤差理論,在大量等精度觀測中,偶然誤差絕對值大于1倍中誤差出現的概率為32%;大于2倍中誤差出現的概率僅為4.6%;大于3倍中誤差的出現的概率僅為0.3%。在實際測量中觀測次數很有限,絕對值大于2倍或3倍的誤差出現機會很小,取2倍中誤差作為容許誤差,如果觀測值超出上述限值的偶然誤差,可視該觀測值不可靠或出現了錯誤,應舍去不用,尤其是在鋼軌接頭部位,應據現場實際情況綜合判斷、正確取值。

5 結語

由以上分析可看出,無砟軌道施工精度是軌道精度的基礎,是控制的源頭,關注重點是選擇合理的施工方案、扣件系統的管理,軌道測量的可靠。無砟軌道施工精度對后期的軌道調整影響巨大,施工精度高,則調整工作量小,調整件用量少,容易獲得較高軌道精度和綜合質量。所以,將無砟軌道施工精度嚴格控制在允許范圍內是科學、合理和必要的,而精度控制的關鍵和實質是對各子系統誤差的控制和最大可能的減少,從而達到最終合成誤差最小的目的。因此,降低誤差的主要措施可認為是以工程控制技術主線,將程序、標準貫徹落實到每個工作崗位,解決人員素質、設備工具導致的可避免的誤差傳遞,解決主要矛盾、減少次要矛盾。

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U213.2+44

A

1004 -2954(2010)08 -0041 -05

2010 -05 -10

鄒振中(1967—),男,高級工程師,1991年畢業于石家莊鐵道學院橋梁專業。