宜萬(wàn)鐵路雙塊式無(wú)砟軌道的測(cè)量控制與精度效果分析

彭學(xué)理

(鐵道部宜萬(wàn)鐵路建設(shè)指揮部,湖北恩施 445000)

宜萬(wàn)鐵路雙塊式無(wú)砟軌道的測(cè)量控制與精度效果分析

彭學(xué)理

(鐵道部宜萬(wàn)鐵路建設(shè)指揮部,湖北恩施 445000)

宜萬(wàn)鐵路精密網(wǎng)的布控和軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x的正確應(yīng)用,指導(dǎo)了220km無(wú)砟軌道的施工;野三關(guān)隧道無(wú)砟軌道的應(yīng)用實(shí)踐證明了精密測(cè)量方法和施工精度的可靠、可控,分析結(jié)果表明,測(cè)量數(shù)據(jù)最大可能地接近其真實(shí)數(shù)值,使得平面測(cè)量數(shù)據(jù)精度在0.5mm內(nèi)、高程精度一般在0.8mm內(nèi)、軌道平順度在0.6‰內(nèi),保證了軌道三維定位的準(zhǔn)確和高平順的連續(xù)性。

宜萬(wàn)鐵路;無(wú)砟軌道;測(cè)量;精度

無(wú)砟軌道具有穩(wěn)定性、剛度均勻性、精度高,耐久性好、維修工作量顯著減少等特點(diǎn),目前世界上高速鐵路發(fā)達(dá)的德國(guó)、日本和法國(guó)等國(guó)家其線(xiàn)路基本上都采用這種結(jié)構(gòu)。其“高精度,高平順性,一次性成型”的技術(shù)特點(diǎn)決定了必須高度重視施工機(jī)械、測(cè)量控制網(wǎng)、施測(cè)方法和施工工藝,否則將導(dǎo)致無(wú)砟軌道精度不能完全滿(mǎn)足驗(yàn)標(biāo)要求。

宜萬(wàn)鐵路是一條地形、地質(zhì)復(fù)雜的山區(qū)鐵路,為保證其按速度目標(biāo)值開(kāi)通以及減少后期的軌道維修,在長(zhǎng)度大于3000m的隧道中采用CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu),無(wú)砟軌道長(zhǎng)度累計(jì)達(dá)220km,本文對(duì)測(cè)量控制實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)和歸納。

1 精密控制網(wǎng)的布設(shè)和測(cè)量

旅客列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)安全性和舒適度的重要指標(biāo)是鐵路軌道的平順度,其包含縱向和橫向2個(gè)分量,需要局部高平順和線(xiàn)路整體上的高平順。

重點(diǎn)是解決精密控制網(wǎng)設(shè)置、測(cè)設(shè)方法、埋設(shè)高精度元器件的原理和操作上的困難,使得CPⅢ測(cè)量軌道精度誤差控制在1mm以?xún)?nèi),為無(wú)砟軌道施工提供精確三維定位技術(shù)。

1.1 三級(jí)精密控制網(wǎng)布設(shè)和誤差計(jì)算

鐵路軌道的平順度是評(píng)價(jià)列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)旅客安全性和舒適度的重要指標(biāo)。對(duì)于高速度的鐵路線(xiàn)路,建立CPⅠ、CPⅡ和CPⅢ三級(jí)高精度的測(cè)量控制網(wǎng),來(lái)作為勘察、設(shè)計(jì)、施工、交付運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的基準(zhǔn)網(wǎng)。其中CPI為第一級(jí)基礎(chǔ)平面控制網(wǎng),為勘測(cè)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供坐標(biāo)基準(zhǔn);CPⅡ?yàn)榈诙?jí)為線(xiàn)路控制網(wǎng),為勘測(cè)和施工提供控制基準(zhǔn);CPⅢ為第三級(jí)為基樁控制網(wǎng),為鋪設(shè)無(wú)砟軌道和運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供控制基準(zhǔn),各級(jí)平面控制網(wǎng)布網(wǎng)要求見(jiàn)表1。

表1 各級(jí)平面控制網(wǎng)布網(wǎng)要求_____________

假定導(dǎo)線(xiàn)縱向誤差等于橫向誤差,則可計(jì)算最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差分別約為5mm和15mm。

相鄰兩點(diǎn)的相對(duì)中誤差計(jì)算,GPS測(cè)量的精度要求規(guī)定見(jiàn)表2。

表2 GPS測(cè)量的精度要求

1.2 平面控制網(wǎng)的建立

(1)CPⅠ、CPⅡ布測(cè)和測(cè)量方法

CPⅠ沿線(xiàn)路走向每隧道進(jìn)出口各設(shè)1對(duì)點(diǎn),按鐵路B級(jí)GPS測(cè)量要求施測(cè)。基線(xiàn)邊方向中誤差不大于1.3″,最弱邊相對(duì)中誤差為1/170000。CPⅡ在CPⅠ的基礎(chǔ)上采用導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量方法施測(cè),點(diǎn)間距離800m左右,導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量等級(jí)為四等,測(cè)角中誤差2.5″,相對(duì)閉合差為1/40000。

(2)CPⅢ控制點(diǎn)布測(cè)方法

CPⅢ控制點(diǎn)的元器件采用工廠精加工元器件,用不易生銹及腐蝕的金屬材料制作,CPⅢ控制點(diǎn)標(biāo)志重復(fù)安置精度達(dá)到0.3mm,布置距離為60m左右,且不大于80m(圖1),點(diǎn)布設(shè)高度與軌道面高度保持一致。

圖1 CPⅢ控制點(diǎn)布置示意

(3)CPⅢ控制點(diǎn)的測(cè)量

采用自由設(shè)站后方交會(huì)方法,自由測(cè)站測(cè)量;每次自由測(cè)站,以2×3個(gè)CPⅢ點(diǎn)為觀測(cè)目標(biāo),保證每個(gè)點(diǎn)測(cè)量3次。

1.3 高程控制測(cè)量

(1)采用精密水準(zhǔn)。每一測(cè)段至少與3個(gè)二等水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè),形成檢核。聯(lián)測(cè)時(shí),往測(cè)時(shí)以軌道一側(cè)CPⅢ水準(zhǔn)點(diǎn)為主線(xiàn)貫通,另一側(cè)的CPⅢ水準(zhǔn)點(diǎn)在進(jìn)行貫通水準(zhǔn)測(cè)量設(shè)站時(shí)就近觀測(cè)。返測(cè)時(shí)以另一側(cè)CPⅢ水準(zhǔn)點(diǎn)為主線(xiàn)貫通,對(duì)側(cè)的水準(zhǔn)點(diǎn)在設(shè)站時(shí)就近聯(lián)測(cè)。

(2)CPⅢ控制點(diǎn)高程測(cè)量數(shù)據(jù)處理。CPⅢ控制點(diǎn)高程測(cè)量須嚴(yán)密平差,平差計(jì)算取位按表3中精密水準(zhǔn)測(cè)量要求執(zhí)行。

表3 精密水準(zhǔn)測(cè)量計(jì)算取位

1.4 效果分析

建立和應(yīng)用三級(jí)精密控制網(wǎng)進(jìn)行精確測(cè)量為鐵路修建提供了高精度過(guò)程控制理論和實(shí)踐依據(jù),尤其是使用CPⅢ作為軌道測(cè)量控制網(wǎng)可以將軌道精調(diào)時(shí)絕對(duì)誤差控制在1.0mm以?xún)?nèi),為無(wú)砟軌道提供了精確三維定位技術(shù),達(dá)到了高平順目標(biāo)。

2 無(wú)砟軌道的施工測(cè)量控制

2.1 技術(shù)原理

將軌道調(diào)整分為準(zhǔn)確就位、粗調(diào)和精調(diào)3個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)的偏差逐步縮小原則。提高整體施工效率、減少排架變形、分級(jí)逐步接近、使排架整體受力均勻的工藝原理。

2.2 控制精度的關(guān)鍵

(1)軌排中工具軌的選用和合理的調(diào)整方法是保證。

(2)測(cè)量的綜合控制原則。

(3)綜合考慮因素有:CPⅢ精度、全站儀設(shè)站精度、測(cè)段長(zhǎng)度、可靠的平順連續(xù)測(cè)量原則,搭接測(cè)量順接過(guò)渡的處理措施和數(shù)據(jù)綜合評(píng)判。

2.3 粗調(diào)

全站儀自由設(shè)站法定位,觀測(cè)附近4個(gè)固定在隧道邊墻上的控制點(diǎn)棱鏡確定坐標(biāo);調(diào)整原則以先中線(xiàn)后水平的順序循環(huán)進(jìn)行。

2.4 精調(diào)

全站儀測(cè)站距離宜為10～80m,前后測(cè)站范圍內(nèi)的測(cè)量搭接長(zhǎng)度為10m。

2.4.1 步驟

(1)確定全站儀坐標(biāo)。邊角后方交會(huì)法測(cè)量,觀測(cè)工作面附近8個(gè)CPⅢ,自動(dòng)平差,計(jì)算全站儀坐標(biāo)。下一測(cè)站測(cè)量時(shí),交叉觀測(cè)上一測(cè)站使用過(guò)的6個(gè)CPⅢ。

(2)測(cè)量軌道數(shù)據(jù)。測(cè)量小車(chē)在鋼軌上走行,連續(xù)檢測(cè)并實(shí)時(shí)顯示軌道軌距、水平、軌道平順性、平面位置及高程偏差。

(3)調(diào)整高程。用普通六角螺帽扳手,旋轉(zhuǎn)豎向螺桿,調(diào)整軌道水平、超高。高度盡量往上調(diào)整,不下調(diào)。

(4)調(diào)整中線(xiàn)。采用雙頭調(diào)節(jié)扳手,左右同時(shí)調(diào)整軌向鎖定器。

2.4.2 方法應(yīng)用

(1)全站儀采用自由設(shè)站法定位,精調(diào)測(cè)量和復(fù)測(cè)時(shí),至少交叉觀測(cè)后方利用過(guò)的6個(gè)控制點(diǎn)。為提高測(cè)量精度和綜合評(píng)判的準(zhǔn)確性,需要記錄每次全站儀的設(shè)站位置,保證在精調(diào)測(cè)量、復(fù)測(cè)檢查和后期的軌道綜合整理測(cè)量控制中,全站儀的設(shè)站位置和測(cè)量范圍相同。由于儀器的頻繁搬動(dòng),要求測(cè)量?jī)x器不僅定期全面校核,在每工班作業(yè)前,還必須對(duì)軌道檢測(cè)小車(chē)進(jìn)行水平和軌距校核、對(duì)全站儀進(jìn)行方向和水平校核。

(2)為了得到較為準(zhǔn)確可靠的測(cè)量數(shù)據(jù),使用軌道檢測(cè)小車(chē)進(jìn)行精調(diào)測(cè)量時(shí),需要按照“定點(diǎn)定位,兩點(diǎn)一線(xiàn),順序進(jìn)行,由遠(yuǎn)及近”的原則進(jìn)行,并結(jié)合“測(cè)點(diǎn)距離、平差精度、同測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)測(cè)量偏差值”來(lái)綜合判斷測(cè)量數(shù)據(jù)的精度和可靠性。在沒(méi)有日光直接影響的隧道內(nèi),距離測(cè)站10～80m(為提高精度等級(jí),曲線(xiàn)段可取10～60m)長(zhǎng)度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確度,搭接測(cè)量段長(zhǎng)度宜為5～10m,順接段內(nèi)的數(shù)據(jù)遞減值宜為0.2～0.4mm/每枕;測(cè)量時(shí),測(cè)站位置、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)的分析判斷很重要,要求技術(shù)負(fù)責(zé)人、軌道工程師和測(cè)量工程師都參與評(píng)判。

(3)順接過(guò)渡方法:以2個(gè)設(shè)站區(qū)間為例。相鄰設(shè)站點(diǎn)間隔60m,精調(diào)測(cè)量區(qū)間為距設(shè)站點(diǎn)第10～80m范圍,每?jī)蓚€(gè)設(shè)站點(diǎn)之間必須考慮搭接測(cè)量段和順接過(guò)渡段。

①原理:因使用了不同的CPⅢ控制點(diǎn),全站儀設(shè)站測(cè)量平差的精度也有所不同,對(duì)過(guò)渡段的測(cè)量點(diǎn)使用不同的設(shè)站進(jìn)行測(cè)量,所得到的軌道偏差數(shù)據(jù)有所不同;因?yàn)橥c(diǎn)位,不同設(shè)站點(diǎn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)不同,為保證軌道的高平順性,需要設(shè)立順接段對(duì)相鄰測(cè)點(diǎn)進(jìn)行順接過(guò)渡處理;順接過(guò)渡段的設(shè)置長(zhǎng)度與測(cè)點(diǎn)的兩組數(shù)據(jù)偏差值大小有關(guān),根據(jù)測(cè)量偏差值的大小來(lái)確定順接過(guò)渡段的長(zhǎng)度,測(cè)量偏差量越大,設(shè)置的順接過(guò)渡段長(zhǎng)度越大,一般可取10m。

②順接過(guò)渡方法:在CPⅢ點(diǎn)精度、設(shè)站精度、全站儀精度、軌檢小車(chē)精度符合規(guī)范要求的情況下,兩設(shè)站點(diǎn)測(cè)量同測(cè)點(diǎn)的高程偏差值不會(huì)大于1.5mm;若站點(diǎn)1、站點(diǎn)2測(cè)量的偏差值大于2mm,則需要檢查設(shè)站點(diǎn)1和設(shè)站點(diǎn)2的設(shè)站精度,如設(shè)站精度沒(méi)有問(wèn)題,則需要對(duì)CPⅢ控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè);順接過(guò)渡段從搭接段后的第一根軌枕開(kāi)始,采用內(nèi)插法,下一根軌枕依次比上一根軌枕數(shù)據(jù)偏差遞減,直到絕對(duì)偏差約為零(圖2,圖中以偏差值0.5mm為例)。

圖2 中心線(xiàn)和高程偏差處理示意

2.5 軌道過(guò)程控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),制定的過(guò)程控制標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)就位精度:高程-10～0mm,中心線(xiàn)±10mm。

(2)粗調(diào)精度:高程-2～0mm,中心線(xiàn)±1mm。

(3)精調(diào)后支撐點(diǎn)處的精度:高程-0.5～+0.5 mm,水平-0.5～+0.5mm,中心線(xiàn)±0.5mm,軌距-0.1～+0.5mm。

(4)精調(diào)后軌道全面復(fù)測(cè)精度:高程-0.8～+0.8mm,水平-0.5～+0.5mm,中心線(xiàn)±0.5mm,軌距-0.1～+0.5mm。

(5)搭接段的兩次設(shè)站數(shù)據(jù)差值:高程-1.0～+1.0mm,水平-0.5～+0.5mm,中心線(xiàn)±0.5mm,軌距-0.1～+0.5mm。

(6)軌道精調(diào)固定后,盡早澆筑混凝土,若軌道精調(diào)固定后24h以上或環(huán)境溫度變化超過(guò)15℃時(shí),需再次進(jìn)行軌道幾何的檢測(cè)、調(diào)整。

3 效果分析

該測(cè)量和精度技術(shù)首先在野三關(guān)隧道無(wú)砟軌道施工中成功應(yīng)用,而后全面推廣。最后換鋪500m長(zhǎng)鋼軌及線(xiàn)路鎖定后的檢測(cè)表明軌道結(jié)構(gòu)形位都滿(mǎn)足了驗(yàn)標(biāo)要求,99%的數(shù)據(jù)偏差都在1.0mm以?xún)?nèi),實(shí)現(xiàn)了施工過(guò)程中“提高一級(jí)控制精度”的目標(biāo)(偏差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4),后期軌道不需要增加扣件調(diào)整,消除了軌道的永久性缺陷。

表4 偏差統(tǒng)計(jì)mm

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U213.2+44

A

1004 -2954(2010)08 -0046 -03

2010 -05 -10

彭學(xué)理(1962—),男,高級(jí)工程師,1986年畢業(yè)于上海鐵道學(xué)院鐵道工程專(zhuān)業(yè)。