激光長弦軌道檢查儀在京滬高鐵病害整治中的應用

龔國甦 上海鐵路局上海工務段

徐濟松 中國鐵道科學研究院

近幾年，我國鐵路建設步入了快速發展階段，其建設規模、速度和效率，是世界鐵路建設史上罕見的。隨著武廣、鄭西、京滬等高等級線路陸續開通運營，標志著我國鐵路已經步入高鐵時代，同時也對線路養護維修工作帶來了巨大挑戰。

當前，隨著高速鐵路的開通運行，由于客觀因素，基于線路兩側的CPIII精密控制網陸續出現了滑移、沉降，甚至遭到破壞等問題，嚴重影響了進口設備的正常使用。中國鐵道科學研究院研制的激光長弦軌道檢查儀具有高精度、高效率等優點，能直接檢測線路的長短波不平順，為線路養護維修提供了科學依據。

1 激光準直技術的特點和優勢

自上世紀60年代激光問世以來，由于其強度大、方向性好，很快被用作準直光源。激光束的橫斷面能量分布呈高斯曲線型，其能量中心是一條極為理想的直線，且該光束具有亮度高、方向性好、能量集中等其它光束無法比擬的優點，因而是準直測量的理想光束。多年研究表明激光仍不失其在準直領域中最突出的地位。

激光準直技術在軌道線路檢測中具有距離遠、精度高等優點。在天氣條件良好的條件下，激光準直距離可達200 m甚至更遠，即可以檢測軌道線路200 m波長的不平順性。從而為檢測長波不平順提供很好的檢測手段，這也是其優于手工弦線檢測和其它短弦檢測的根本特性。

2 激光長弦軌道檢查儀簡介

激光長弦軌道檢查儀由鐵科院鐵建所自主研制，主要由兩部分組成：激光發射小車與激光接收小車。在激光發發射小車上安裝一臺激光發射器，能發射出一束直徑10 mm的激光束；在激光接收小車上安裝一臺兩維CCD激光接收器。如圖1所示。

圖1 激光長弦軌道檢查儀實物圖

2.1 測量原理

將激光長弦軌道檢查儀的發射小車和接收小車分別固定在軌道上的指定位置，由激光發射小車與激光接收小車之間的激光束建立“理論弦線”。在接收小車向發射小車推進的過程中，由安裝在激光接收小車上的接收器檢測出其相對于光束基準在橫向和縱向上的偏差。結合里程測量、軌距測量和超高測量的數值便可以檢測出軌道的幾何狀態參數。測量系統原理示意圖如圖2所示。

圖2 系統原理示意圖

其中，1—激光發射器；3—線路；4—理論曲線；Fr—激光束；R—曲線半徑；G—最大測量間距；A0，A1，A2，A3，A4—兩維CCD 接收器的測量點；S1，S2，S3，S4—測量間距。

式中：f0，f1，f2，f3，f4為理論曲線上的點到激光束Fr的距離，由計算機依據曲線方程及相關參數計算出。

fm0，fm1，fm2，fm3，fm4為實際曲線上的點到激光束Fr的距離，由兩維CCD接收器測得。

y0，y1，y2，y3，y4為理論曲線上的點的偏差值。

2.2 主要技術特點

（1）直接檢測軌道線路長短波不平順。

采用激光準直技術，通過激光束直接測量軌道的軌向與高低，沒有原理性誤差，并具有較高的測量精度。激光長弦的使用，有效擴大測量基準弦的長度，可以直接測量軌道的長波不平順，真實反映軌道狀態，這是優越于手工弦線和其它短弦檢測設備的最根本的特點。在天氣條件良好時一次測量距離可達200m。特別是在隧道內，其一次測量距離可達300m。

（2）測量結果不僅能指導無砟軌的調整，還能直接指導搗固車作業。

數據報表結果可以作為線路竣工驗收的設備，指導無砟軌道的調整。同時其檢測結果也可以直接用來指導有砟線路維護作業，消除軌道線路的長波不平順。

（3）具有較高的測量精度和較好的測量重復性，測量速度快。

通過大量的檢測試驗表明，該檢查儀測量速度快，數據重復性好。

（4）既可以相對測量，也可以絕對測量。

配合鋼卷尺、水準儀等輔助設備，檢測出激光發射點和接收器起點的絕對位置偏差。利用這兩個絕對偏差數據，就可以實現激光基準弦的絕對定位，從而將相對測量數值轉換為絕對偏差數值。

利用測量數據結果，既可以實現軌道線路位置的絕對控制，又可以得出內部的相對平順性的參數。這也能滿足德國標準中的對內部幾何精度和外度幾何精度的控制，內部檢測具有較高的幾何精度，外部控制能滿足絕對位置等要求。

2.3 主要檢測項目

在良好天氣條件下，直線段最大測量距離為200 m；曲線段測量距離則與曲線半徑有關。

軌道線路的高低與軌向是用激光長弦來直接檢測，可以將長弦測量數據轉化成短弦數據，弦長可靈活設定，而且短弦數據的測量精度和重復性都較好，完全能滿足客運專線的精調與維護需要。

主要檢測項目有：高低、軌向、軌距、水平、扭曲、軌距變化率與里程。

主要性能指標如表1所示。

表1 性能指標表

3 激光長弦軌道檢查儀在京滬高鐵病害整治中的應用

3.1 直接檢測線路長波不平順

2011年10月13日，上海鐵路局蚌埠工務段測量班組于天窗作業時間利用激光長弦軌道檢查儀對京滬高鐵蚌埠南站站內27519#板1#枕~27563#板10#枕約300 m區段進行了平順性檢測。測量任務由三次搭接測量完成，單次測量距離控制在120 m，搭接長度約20 m，由系統軟件將三次測量結果進行連接，并輸出最終報表，如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

圖3 27519#板1#枕~27563#板10#枕長弦軌向圖

圖4 27519#板1#枕~27563#板10#枕長弦高低圖

圖5 27519#板1#枕~27563#板10#枕水平偏差圖

圖6 27519#板1#枕~27563#板10#枕軌距偏差圖

另據現場反映，該區段已進行多次精調作業，線路狀況與檢測結果基本一致，進一步說明了激光長弦軌道檢查儀具有高效率、高精度等特點，能方便快捷查找病害點，為工務養護維修提供了科學的解決辦法。

3.2 精確指導現場精調

2011年10月10日，利用激光長弦軌道檢查儀對京滬高鐵黃渡2#道岔進行了病害整治工作。按照激光長弦軌道檢查儀測量結果，對局部線路進行了調整，調整前后如圖7所示。

圖7 京滬高鐵黃渡2#道岔作業前后軌向對比圖

由圖3~圖5可見，該測量段存在的軌向不平順被準確測量出，并被有效的消除。因此，激光長弦軌道檢查儀在病害整治中具有高效率、高精度等優點，能準確反映病害位置并可實時指導施工。

4 結束語

隨著鐵路建設的不斷發展與進步，軌道精調與維護工具也急需要進一步改善，僅靠人工肉眼和手工弦線的檢測辦法已無法滿足當前線路維護的需求。

激光長弦軌道檢查儀采用了激光準直技術，不但可以直接檢測軌道線路的長波不平順，還可以檢測短波不平順。既可以在直線區域進行檢測作業，又可以在曲線段進行。在靈活性、精度、效率上都能很好的滿足當前軌道線路的精調和維護需求。