CPIII精測網及軌檢小車在高速鐵路軌道精調和養護中的應用

戴宗林 上海鐵路局合肥工務段

隨著我國經濟社會持續快速發展，鐵路迎來了前所未有的發展機遇期，國務院批準的《中長期鐵路網規劃》繪就了中國發展快速客運鐵路的宏偉藍圖。繼2010年7月滬寧城際建成通車，2010年11月滬杭高鐵開通運營，目前京滬高鐵正在緊張的聯調聯試之中。

高速鐵路對軌道要求有極高的平順性。無碴軌道鐵路測量技術作為無碴軌道鐵路建設成套技術的一個重要組成部分，在無碴軌道鐵路建設和運營管理過程中越來越顯示出其重要性。同樣，在后期的聯調聯試和養護運營過程中也顯示出它的必要性。

1 高速鐵路精測系統介紹

高速鐵路工程測量平面坐標系采用工程獨立坐標系統。邊長投影在對應的線路軌道設計高程面上，投影長度的變形值不大于10 mm/km。高速鐵路工程測量的平面、高程控制網，按施測階段、施測目的及功能分為勘測控制網、施工控制網、運營維護控制網。為了保證勘測、施工、運營維護各階段平面測量成果的一致性，應做到三網合一。

高速鐵路工程測量平面控制網應按分級布網的原則分四級布設。第一級為框架平面控制網（CP0），第二級為基礎控制網（CPⅠ），第三級為線路平面控制網（CPⅡ），第四級為軌道控制網（CPⅢ）。

為便于施工和數據處理，在無砟軌道施工和CPⅢ控制網測量前，將線路劃分成若干長度不等的線段。之后CPⅢ控制網按區段進行獨立測量，并通過上一級控制網進行獨立約束平差。每一CPⅢ控制網的區段長度不應短于4 km。

2 CPIII精測網特點及布設要求

2.1 精測網特點

CPⅢ平面網是一個邊角控制網，但其測量方法較傳統邊角網測量有很大差異。它采用自由測站進行邊角交會測量，而其距離只能進行單程觀測。

CPⅢ控制網的測量儀器均需采用高精度和自動化程度高的電子測量儀器。其平面網測量要求全站儀具有含電子驅動、目標自動搜索和操作系統功能的測量機器人（如LeicaTCRA1201、Trimble S6和S8系列全站儀等）；高程測量一律采用電子水準儀（如Trimble DiNi12、Leica DNA03等）。CPⅢ平面網的主要技術指標見表1。

表1 CPⅢ平面網主要技術指標

測站和測點均強制對中，測點標志要求具有互換性和重復安裝性，X、Y、Z三維互換性和重復安裝性誤差要求小于0.3mm。

控制網的使用較傳統方法有很大不同。首先是采用自由測站后方邊角交會測量的方式確定測站點的三維坐標，然后用三維極坐標測量的方式進行無砟軌道板和長鋼軌的粗調、精調和精測以及軌道的維護管理等。CPⅢ測量標志的加工和安裝精度要求見表2。

表2 CPⅢ測量標志加工和安裝精度要求

2.2 目標組件

軌道控制網（CPⅢ）點的實際空間物理位置的反射目標，由永久性的預埋件、平面測量桿、高程測量桿和精密棱鏡組成。CPIII的三維坐標點，是一個虛擬的控制點，其對應的位置是CPIII目標組件中棱鏡的幾何中心。測量棱鏡應有相應的資質認證，強制對中支架應采用抗腐蝕、耐磨的材料制成，且需易于保護（見圖1）。

圖1 目標組件

2.3 CPⅢ控制點埋設

CPⅢ控制點應沿線路布置在路基兩側的接觸網桿或基礎、橋梁防撞墻及隧道側壁上。當CPⅢ控制點布置在橋梁防撞墻上時，點位應設置在橋墩固定支座端上方的防撞墻上。

CPⅢ控制點沿線路布置時縱向間距宜為60 m左右，且不應大于70 m，橫向間距不超過結構寬度。各CPⅢ點應大致等高，其高度應在設計軌道頂面以上30 cm的地方。

(1)一般路基地段宜布置在接觸網桿上(見圖2～圖4)。

圖2 橋梁上一般布置在橋梁固定支座端防護墻上（1）

圖3 橋梁上一般布置在橋梁固定支座端防護墻上（2）

圖4 滬寧城際鐵路CPIII標志

（2）隧道內一般布置在電纜槽頂面以上50 cm左右的邊墻內襯上（見圖5）。

圖5 隧道內CPⅢ控制點布置圖

3 軌檢小車測量及數據處理

3.1 軌檢小車的概念

軌檢小車是一種通過CPIII控制網、智能型全站儀、傾角及軌距傳感器和專用測量軟件，自動檢測線路中線坐標、軌頂高程和軌距、水平、高低、扭曲和軌向等軌道靜態參數，并自動進行記錄整理的智能化輕型軌道檢測設備（見圖6）。

圖6 在滬寧城際鐵路進行軌檢小車檢測

軌檢小車的功能和精度：

軌距測量，誤差≤±0.5 mm。

超高測量，誤差≤±0.5 mm。

軌檢小車和全站儀之間建立無線數據通訊。

使用全站儀并配合CPIII、軌檢小車，可測量并計算出軌道中心的三維位置X、Y、Z，X、Y、Z的誤差均應≤±1.0 mm。

測量結果和設計位置比較后給出調整量，據此進行軌道板和軌道的粗調和精調。

3.2 軌距測量原理

軌距測量原理如圖7所示。

圖7 軌距測量原理圖

3.3 超高測量原理

超高測量原理如圖8所示。

圖8 超高測量原理圖

3.4 平面位置和高程測量原理

使用全站儀實測得軌檢小車上棱鏡的三維坐標，然后結合標定的軌檢小車幾何參數、小車的定向參數、水平傳感器所測橫向傾角及實測軌距，即可換算出對應里程處的實測平面位置和軌面高程，繼而與該里程處的設計平面位置和軌面高程進行比較，得到其偏差，用于指導軌道調整（見圖9）。

圖9 平面位置和高程的測量原理圖

3.5 軌向與高低的測量原理

軌向與高低的測量原理如圖10所示。

圖10 軌向與高低測量原理圖

3.6 長波與短波不平順計算原理

（1）30 m弦每隔5 m檢核（見圖11）。

圖11 30 m弦每隔5 m檢核圖

（2）300 m弦每隔150 m檢核（見圖12）。

圖12 300 m弦每隔150 m檢核圖

3.7 數據采集前期工作

（1）輸入并核對設計數據（平曲線、豎曲線、超高、控制點，如存在斷鏈，需分別輸入，左右線（如滬寧前期、滬杭前期）也需分別輸入；

（2）設置項目屬性，如平面位置和高程測量基準等；

（3）緩和曲線類型選擇回旋曲線（名義上為三次拋物線）；

（4）進行正確的項目屬性設置；

（5）東北坐標不要誤輸入；

（6）全站儀檢定。

3.8 數據采集注意事項

（1）對控制點進行檢查，確保控制點（平面坐標和高程）正確無誤，檢查控制點是否被破壞；

（2）螺桿調節器的功能與潤滑，扳手操作正常；

（3）全站儀和精調機工作正常，全站儀工作之前要適應環境溫度；

（4）每天開始測量之前檢查全站儀測量精度,測量過程中如對測量結果有疑問，也須及時檢查，必要時進行校準；

（5）測量時棱鏡要對準全站儀；

（6）采集數據時小車要停穩，全站儀應采用精確模式；

（7）惡劣天氣條件下禁止作業，最好是在陰天或者夜間進行，避免在陽光強烈的條件下作業，以免影響測量精度。

3.9 數據分析

一般根據現場調查結合動檢、軌檢、添乘儀的數據和人體感覺，決定需要作業的范圍和數據采集的范圍，組織專業隊伍進行數據采集。采集數據在進行模擬調整前，必須復核數據的真實、可靠性。調整原則："先整體、后局部，先軌向、后軌距，先高低、后水平"，優先保證參考軌的平順性，另外一股鋼軌通過軌距和水平控制。一般軌距控制在±1 mm以內；水平控制在1 mm以內；軌向和高低控制在2 mm以內（具體偏差要求按各線具體規定，如滬杭高鐵要求軌距控制在＋0.2 mm-0.5 mm以內；水平控制在1 mm以內；軌向和高低控制在1 mm以內），軌枕變化率控制在0.3‰以內。當試算時遇到調整量突然變化較大的地段，需注明要求現場核對或重新測量后再做調整。

軌道模擬調整的原則（見圖13～圖15）：

圖13 平面調整

圖14 高程調整

（1）生成的報表中，導向軌為"-1"表示右轉曲線，平面位置以左軌（高軌）為基準，高程以右軌（低軌）為基準；導向軌為"1"表示左轉曲線，平面位置以右軌（高軌）為基準，高程以左軌（低軌）為基準；

（2）先整體后局部：可首先基于整體曲線圖，大致標出期望的線路走向或起伏狀態，先整體上分析區間調整量，再局部精調；

（3)先軌向后軌距：軌向的優化通過調整高軌（基準軌）的平面位置來實現，低軌的平面位置利用軌距及軌距變化率來控制；

（4)先高低后水平：高低的優化通過調整低軌（基準軌）的高程來實現，高軌的高程利用超高和超高變化率來控制；

（5)在 DTS軌道精調軟件中，平順性指標可通過對主要參數（平面位置、軌距、高程、水平）指標曲線圖的"削峰填谷"原則來實現；目的：直線順直，曲線圓順。

（6）符號法則：以面向大里程方向定義左右；平面位置：實際位置位于設計位置右側時，調整量為負，反之為正；軌面高程：實際位置位于設計位置上方時，調整量為負，反之為正；水平：外軌（名義外軌）過超高時，調整量為負，欠超高時調整量為正；軌距：以大為正，實測軌距大于設計軌距時，調整量為負，反之為正。

圖15 滬杭高鐵某段模擬調整前后的平面位置對比圖

4 現場精調

（1）根據試算結果利用DTS軟件統計扣件、墊板調整的種類和數量，組織落實相應材料。

（2）材料進場后，技術人員先核對規格和數量，并熟悉不同規格調整件的辨別方法，然后組織作業人員進行交底，確保所有參與調整作業的人員能迅速辨別不同規格的調整件（如滬寧城際使用的是WJ-7型扣件，而滬杭高鐵使用的是WJ-8型扣件）。

（3）根據當天作業計劃，帶齊相應的材料、工機具等，組織作業人員到現場進行精調。作業前負責人需再次強調作業程序，各自分工及職責；要安排專人標注調整量。

（4）技術員根據提供的調整報表，準確找出需要更換扣件的軌枕位置，并用石筆標出起點和終點（左右股分別標注），并在軌枕頭或內側軌枕板位置標識平面的調整量和方向，在鋼軌頂面標識高程的調整量（見圖16）。

圖16 鋼軌頂面高程調整量

標注原則：用橫線加箭頭標注調整地段起始點，在軌枕一側用數字標注調整量（和報表顯示數據一致，平面要注意調整的方向）。為方便現場作業，可加箭頭標注改動方向。高程只需

標注數字，正負即可分辨出降低或抬高（見圖17）。

圖17 用橫線加箭頭標注調整地段起始點

（5）調整量標注完畢后進行第一次現場復核，確認調整量是否與實際情況相符。一切檢查無誤后，現場負責人組織作業人員拆換扣件。高程調整件更換需使用起道機將鋼軌稍微抬起，平面個別軌距擋塊需要使用小撬棍輔助更換。更換完畢緊固扣件前，再核對一遍是否有錯，然后按規定扭力矩上緊扣件。同一股鋼軌上扣件時，直線地段一般先緊固調整量為正的一側，再緊固調整量為負的一側；曲線地段先緊固曲線內側扣件（低的一側），再緊固另外一側（高的一側）。

（6）調整平面作業時必須把未動道前軌距與記錄在鋼軌面上的調整量相加得出調整后軌距理論值，用此軌距控制方向股調整。調整后軌距與理論值誤差標準≯0.2 mm，相鄰軌枕間軌向遞變率≯0.3 mm；方向股調整完畢后，按上述方法調整軌距，軌距標準控制在1 434.5 mm～1 435.2 mm之間，軌距遞變率≯0.3‰（滬杭標準）。

（7）所有扣件更換完畢后，現場負責人再次檢查確認更換效果并做第二次現場復核，然后做好詳細記錄，以便匯報工作量和日后備查。

（8）清理回收更換下來的扣件和墊板，清理現場，做到工完料盡。

5 相關注意事項

嚴格按照下述作業流程圖進行整個精調作業（見圖18）。

圖18 精調作業流程圖

（1）所有作業按照營業線施工規定管理，加強安全教育和安全防護知識培訓，做好駐站和現場防護，備齊防護用品，重點做好人身安全防護和設備安全防護。作業過程中，不得將手、腳放到鋼軌與墊板之間，避免擠傷或壓傷。用起道機抬升鋼軌時，注意防止機把傷人；使用撬棍撬動鋼軌或軌距擋塊時，要防止撬棍脫落傷人。作業過程中互相提醒，做到不傷自己，不傷他人，也不被他人傷害。

（2）數據采集一定要嚴謹、仔細，確保測量數據和現場實際吻合，才能為數據處理提供準確參考，否則很難將軌道調整到理想狀態。

（3）模擬調整時，要嚴格把握調整原則。要先宏觀地觀察一下整個采集區段，確定調整目標，該調整的一定要調，不該調整的堅決不調，可調可不調的要針對具體情況決定是否需要調整，主要應考慮前后的平順性。一般第一遍精調盡量將線型向設計位置調整，第二遍精調重點實現軌面的平順性。

（4）軌道精調堅持"少動、慎動、多人集中動"和"結合高低整水平，結合方向調軌距"的作業原則。

（5）調整后用弦繩復合平面是否順直和圓順，嚴禁正矢存在倒遞增遞減關系，差之差不得大于2 mm，連續差和曲線最大最小值不得大于3 mm。如遇短波不平順，可利用道尺和弦繩現場解決，遇長波不平順可用小車重新測量處理。

（6）更換扣件過程中，如果有列車通過，防護員提前通知現場負責人；負責人檢查好現場，安排作業人員、機具下道后并確認不影響行車安全后，通知防護員放行。如果單股鋼軌連續超過5根軌枕正在更換扣件而列車要通過，可以迅速先隔2個上緊1個扣件讓列車通過。

（7）各環節必須有專人負責復核，避免出錯，避免返工和不必要的損失。作業完畢后必須進行復核，一方面可以檢查調整效果是否合理，是否達到預期目的，另一方面也可為內業數據處理積累經驗，提供參考。

6 結束語

按照前述方法和現場不斷摸索總結，我們在滬杭高鐵的聯調聯試中做到了"六個消滅"，最高試驗速度達到了416.6 km/h，為今后進一步做好高鐵的精調和養護作業積累了經驗。

隨著我局管內滬寧城際、滬杭高鐵的相繼開通運營和我國高速鐵路的快速發展，無碴軌道精密測量技術將得到更加廣泛的應用，在高鐵的日常養護過程中要保持軌道的高平順、高穩定性也離不開軌道精密測量。充分發揮CPIII精測網和軌檢小車的作用，將為高鐵的前期聯調聯試和后期維護管理提供堅實的保障。