高速鐵路軌道幾何狀態控制指標及檢測技術探討

王國祥 高 俊 盧建康

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031;2.成都四維縱橫測繪技術有限公司，四川成都 610072)

1 概況

高速鐵路軌道的平順性和空間位置包括軌距、軌向、高低、水平、扭曲等相對平順性指標，以及軌道的平面、高程與設計值的偏差等，統稱軌道幾何狀態。其中軌向、高低通常采用30m弦短波及300m弦長波不平順性指標。

我國對軌道幾何狀態的測量研究，最初是為解決普通鐵路的軌道形位病害，采用的是相對測量方式的軌檢儀，測量效率雖高，卻不易解決測量精度和可靠性問題，其測量精度不能滿足高速鐵路軌道平順性的要求。因此，京津、武廣、鄭西等最初建設的高速鐵路，主要依靠進口設備，采用絕對測量模式進行軌道幾何狀態的測量。隨著我國高速鐵路建設的大規模實施，國內開始生產軌道幾何狀態測量儀并在高速鐵路建設中應用。中鐵二院根據高速鐵路軌道精調需求，結合多年來在軌道精調作業中積累大量的實踐經驗，研制出了新型的軌道幾何狀態測量儀SGJ－I－TEY－1，并形成了軌道幾何狀態測量儀的生產、驗收和測量的企業技術標準。通過近幾年軌道精調作業的實踐發現:目前軌道幾何狀態測量儀的有關技術性能和軌道精調作業控制指標存在一些精度匹配不合理，指標控制不到位，絕對測量和相對測量指標區分不明確的現象，本文將通過一些工程實踐案例的分析，提出一些問題和解決思路，以期提高軌道幾何狀態的檢測水平。

2 絕對測量軌道幾何狀態檢測的基本原理

絕對測量型軌檢小車采集的原始數據信息包括:棱鏡中心的三維坐標(X，Y，Z)，軌距值和超高值，如圖1所示。

圖1 絕對測量軌檢小車基本原理(單位:mm)

絕對測量軌檢小車根據上述三項原始采集數據，依據線路參數模型，先通過棱鏡的三維坐標，計算出棱鏡位置里程，根據里程計算出理論的左軌頂、右軌頂、線路中心三維坐標，然后根據軌檢小車的結構參數(棱鏡高、棱鏡偏距)和實測的軌距、傾角，進行連續投影計算(如圖1所示)，分別得到左軌頂、右軌頂、線路中心的實測坐標，即可實時得到鋼軌的絕對偏差值。其余的平順性指標，如軌向、正矢、高低、扭曲、軌距變化率等均由上述數據通過后處理軟件計算出來，且計算的基準可自由設定，更便于鋼軌的模擬調整，對控制不同類型、不同時速軌道的質量起到關鍵作用。

3 關于軌道幾何狀態控制指標的探討

我國軌道幾何狀態控制指標如表1所示。

表1 高速鐵路軌道幾何狀態控制指標

從表1可以看出，我國對高速鐵路軌道控制指標比較嚴格，特別是關于相對平順性指標，如軌向、高低、扭曲等。實際上，德國安伯格軌道檢測系統還有一項相對平順性指標:鄰點遞變率，其建議指標為0.7 mm，而在我國規范中尚未規定。鄰點遞變率指相鄰兩點或固定基長的軌向、高低變化率，與軌距變化率、扭曲相似。筆者在長期軌道精調作業過程中發現:橫向和高程的鄰點遞變較易控制，出現較大值(＞0.6 mm/m)的情況非常少。出現較大值一般有兩種情況，一是短波軌向及高低超限或出現連續多波不平順(如圖2所示);二是數據異常(如圖3所示)。

圖2 連續多波不平順性波形

圖2和圖3是某線軌道精調作業的軌道平順性波形，從圖中可以看出:鄰點遞變的變化不大，但鄰點遞變差之差，離散度相對較大，控制好鄰點遞變差之差，對減少軌道的連續多波不平順性和分析異常數據很有幫助。圖3所示的軌道幾何狀態，僅從短波軌向、高低等指標來看，并未超出表1的要求，但明顯存在軌道異常，或測量偏差。后經現場查實，該處為鋼軌連接處焊縫打磨不到位引起的。因此，完全根據表1的指標，不通過鄰點遞變或鄰點遞變差之差，則無法從指標上控制鋼軌可能存在的問題。

由于筆者前期未收集到動檢車橫向、垂向加速度的與該指標的驗證資料，無法進行鄰點變化及鄰點變化差之差控制指標與橫向、垂向加速度的相關分析，只能根據“鋼軌靜態連續多波不平順與動檢晃車點相關性”有關文獻，并根據筆者積累的500余公里鋼軌靜態調整數據和國外控制指標，建議對鄰點遞變和鄰點遞變差之差進行控制，建議指標如下。

橫向、高程鄰點遞變:±0.6 mm/m;

鄰點遞變差之差:±0.4 mm。

圖3 異常數據波形

4 目前軌道幾何狀態檢測的現狀及存在的問題

筆者對武廣、京滬、石武、京石、廣深港等線路的軌道幾何狀態檢測情況進行了跟蹤分析，除發現控制指標不足的問題外，還發現軌道幾何狀態測量儀使用中的一些問題，并未在相關規范及要求中提及，這些問題將可能影響到最終的軌道平順性和動檢效果。

4.1 關于軌檢小車檢定問題

軌檢小車是用于軌道幾何狀態測量的主要設備，屬于計量設備，JJG(鐵道)191—2006《鐵路軌道檢查儀檢定規程》，也充分說明軌檢小車應納入計量設備的管理。但在軌檢小車的使用過程中，軌檢小車并未按計量設備的有關要求，嚴格進行周期檢定或使用前檢定，多數廠家只在出廠前進行了檢定，提供的普通檢定臺也僅能進行軌距和水平(超高)的檢校。圖4為某線軌檢小車上道前室外檢測結果統計。

圖4 某線軌檢小車上道前室外檢測結果統計

該檢測結果充分表明:由于長途運輸、搬運、使用磨損等客觀情況均有可能對軌檢小車的測量精度產生較大影響，如不及時發現軌檢小車的測量偏差，軌檢小車的測量結果將不能真實反映軌道的幾何狀態。筆者曾用一臺新的軌檢小車和一臺舊軌檢小車進行過對比測試(未做任何參數調整)。測試時氣象條件良好，全站儀做完自由設站后，保持不動，僅更換軌檢小車，在同一軌道上推行，其平順性統計結果見表2。

表2 同一軌道新舊軌檢小車檢測結果對比

僅從表2的結果來看，新舊軌檢小車的結果相似度非常高，其波形圖也非常一致(如圖5所示)。

圖5 同一軌道新舊軌檢小車檢測波形圖對比

圖5所示兩臺軌檢小車的波形圖重合度很高，但在高低的絕對偏差上存在明顯的系統差，說明兩臺軌檢小車所測同一位置的高程值不同，后用水準儀對該段軌道進行了10個承軌槽的測量，對比結果見表3。

表3 采用水準儀與軌檢小車檢測軌頂高差值比較

從表3的驗證結果來看，新舊軌檢小車均與水準測量成果存在系統偏差，除去水準尺安置軌頂的偏差(該偏差約1 mm)，和全站儀自由設站與幾何水準的偏差外，新舊軌檢小車的高程存在著明顯的系統差。經檢測，舊軌檢小車結構參數發生了變化，其走行輪系統、棱鏡安裝位置等均存在著較明顯的磨損，修正后，兩臺軌檢小車的高程值符合度大大提高。

以上統計結果及測試結果說明:軌檢小車使用前按有關規定進行一致性、重復性檢定十分必要。按國家計量器具技術監督的一般規定，計量器具應在一定周期內進行檢定或校正，如全站儀必須每年進行一次檢定。考慮到軌檢小車使用的特殊性，建議在軌檢小車上線前進行一次全面的檢定，并在使用過程中按一定周期(如3天或5天)，使用輔助工具(0級道尺或廠家提供的簡易標定器等)，對軌檢小車進行校驗，確保軌檢小車的測量正確性，特別對于購買時間較長，保養不善的軌檢小車，更應注意小車的正確性校驗。

4.2 關于軌檢小車測站間搭接處理

相關規范對軌檢小車進行軌道幾何狀態測量的要求，比較簡單，僅對測量距離、測量步長、換站搭接的長度進行了簡要說明，并未規定搭接數據的處理方式，因此不同廠家采用了不同的處理方式。

(1)現場搭接方式

在全站儀換站采集時就進行現場搭接，使一個里程僅有一個對應數據，并未進行搭接后處理。由于現場搭接僅能對搭接區數據進行搭接，并未考慮搭接區段的前后延續，往往會造成波形圖和平順性指標的失真，特別對于換站偏差較大的數據，可能產生誤分析。圖6所示是某線的一處換站搭接區段波形圖，軌向和高低均存在較明顯的軌道不平順，且存在明顯的前后區段整體差異。經核查為換站后搭接偏差影響，橫向搭接偏差1.7 mm，高程搭接偏差2.9 mm。

圖6 換站搭接區段波形

(2)后處理搭接方式

全站儀換站，不進行現場搭接，將同一里程在前后兩站的數據全部記錄。因此，搭接區同一里程點有兩組數據，在后處理計算時，再進行搭接處理，以下是兩個搭接后處理方式。

分開處理:分開處理是在波形圖的處理上進行分開處理，即將搭接區的數據分別與搭接區前段或后段組成波形圖，使搭接區分別與前段或后段組成完整區段進行平順性分析。平順性指標則按選擇的搭接處理方式進行處理，使檢測區段的平順性數據得以延續和統一。

綜合處理:綜合處理就是將波形圖和平順性指標進行綜合處理，將搭接前后的曲線均在波形圖上顯示出來，平順性指標對應搭接后數據。對于個別因搭接偏差較大產生的平順性指標超限問題，可在波形圖上得到驗證，并可根據搭接前數據波形圖對軌道平順性進行評估。目前看來，筆者認為該搭接處理方式為最佳方式，能有效處理搭接區段平順性問題(如圖7所示)。

圖7 搭接區綜合處理波形

以上數據分析說明:對搭接區數據采用不同的處理方式，將直接影響對軌道平順性的評估結論。目前，相關規范未明確規定測站間搭接處理方式，筆者通過大量的工程實踐認為:波形圖加平順性指標的綜合處理搭接方式效果較好。建議相關部門對測站間搭接技術進行進一步研究、分析，并在相關規范中明確搭接處理方式，以保證軌道平順性在換站搭接區的一致性。

4.3 關于軌檢數據的整體處理

軌道精調原則中有“先整體、后局部”的要求，但在實際操作過程中，此原則往往存在理解不到位的情況，一些施工單位在軌道精調時一般僅按日前數據分析，忽視了對軌道整體數據的把握。如圖8所示軌道，僅從平順性指標來看，均基本滿足表1的要求，但按“先整體，后局部”的原則來看，框內區域(約150m)應進行調整，否則根據動檢車測量原理分析，該區域將可能導致垂向加速度偏大。如不進行整體把握，僅就小區域來看，不便于發現此軌道的平順性問題。

由于一些施工單位忽視“軌道的整體平順性”，缺乏對軌道幾何狀態的整體評估，造成較大隱患，導致后期的運營維護工作不易開展，建議增加軌道幾何狀態的評估工序，按整體到局部的方式，對軌道幾何狀態進行全面的質量監控。

圖8 大區段鋼軌精調整體分析波形

5 結束語

(1)在軌道幾何狀態測量過程中，建議增加“橫向、高程鄰點遞變”控制指標，以期減少連續多波不順對脫軌系數TQI的影響，并發現異常數據。

(2)在使用軌檢小車進行軌道幾何狀態測量前，建議按計量設備管理要求，對軌檢小車的結構參數和性能進行檢定，確保軌檢小車采集數據的真實和可靠，并在使用過程中加強對軌檢小車性能指標的檢驗。

(3)由于絕對測量的軌檢小車不可避免的存在全站儀換站問題，在處理換站數據時，應注意不同處理方法對分析結果的影響，以避免誤分析和誤調整。建議相關規范明確換站搭接處理方式。

(4)對軌道幾何狀態的評估，應有整體觀念，先從整體上使軌道相對平順性，再解決局部的平順性指標問題，建議建立鋼軌精調評估機制。

［1］科技基［2008］86號 客運專線軌道幾何狀態測量儀暫行技術條件［S］

［2］科技基［2008］182號 客運專線軌道幾何狀態測量儀暫行技術條件檢測實施細則［S］

［3］TB10601—2009 高速鐵路工程測量規范［S］

［4］鐵建設［2009］674號 高速鐵路無砟軌道工程施工精調作業指南［S］

［5］王志堅，劉彬．武廣鐵路客運專線無砟軌道精調關鍵技術［J］．鐵道建筑，2010(1):1-6

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