基于相對測量調軌的高速鐵路有砟線路整道技術研究

魏 暉,吳仕鳳,朱洪濤

(1.南昌大學機電工程學院, 南昌 330031；2.南昌鐵路局工務處, 南昌 330002； 3.江西日月明鐵道設備開發有限公司,南昌 330029； 4.江西科技學院汽車工程學院,南昌 330098)

截至2012年7月底，我國高速鐵路運營總里程達6 894 km。其中時速200～250 km的高速鐵路3 324 km，時速300～350 km的高速鐵路3 570 km。

有砟軌道是鐵路的傳統結構，具有彈性良好、價格低廉、更換與維修方便、吸噪特性好等優點，故其在時速200～250 km的高速鐵路中廣泛使用。但隨著行車速度的提高，輪軌作用力將顯著增加，軌道破損和變形加劇，從而使維修工作量顯著增加，維修周期明顯縮短。文獻[1]引用德國高速鐵路的資料，當行車速度為250～300 km/h時，其線路維修費用約為行車速度為160～200 km/h時的2倍。作為高速鐵路基礎性工程，軌道的質量對于保證高速鐵路列車安全、平穩、舒適和不間斷地運行起著支配性的作用。而有砟軌道幾何平順性的易逝性，客觀要求高速鐵路除應提高工程質量外，還應加強高速鐵路運營過程中的軌道養護維修。

1 現行有砟軌道整道技術

1.1 普速及提速線路有砟軌道整道技術

在普速及提速線路中，常采用漸開線方法實現線路整正。主要包括繩正法、偏角法[2]等。其中，繩正法與偏角法是基于漸開線模型計算撥量(圖 1)。設軌道等步距測量n個點，得到實測平順性序列{vi|i=0，1，…，n-1}，并有設計平順性序列{Vi|i=0，1，…，n-1}。

圖1 軌道漸開線模型

假定軌道任一點均沿漸開線移動且移動前后軌道長度不變，并令軌道不平順

si=Vi-vi

則調整量ti

ti=2∑i-10∑i-10sk(1)

式(1)寫作向量形式

T=GS(2)

其中，T為調整量，mm；G為系統矩陣；S為軌道不平順，mm。

T=t0

t1

?

tn-1,G=2O

42

???

2n…42,S=s0

s1

?

sn-1

設si的測量等精度且獨立，則可令測量中誤差為σ(si)為σ，依據協方差傳播律[3]，測樁n處的調整量中誤差σ(tn)

σ2(tn)=∑n-1i=04(n-i)2σ2(si)=2n(n+1)(2n+1)3σ2(3)

由式(3)，在漸開線模型下，整道的調整量與測樁號間的誤差傳遞關系如圖2所示。當n=20，σ=0.1 mm時，調整量中誤差σ(tn)=10.7 mm。即意味著當長距離連續整道，其終點可能會出現鵝頭或反彎。當出現鵝頭或反彎時，如不能在維修天窗內消除，其后果可能危及行車。為避免出現鵝頭及反彎，在繩正法施工中常引入正矢和閉合的約束條件。但該條件一般情況下是難以滿足的，習慣的做法是對設計平順性Vi進行修正[4]，其結果將改變線路設計參數。故高速鐵路軌道養護中應限制漸開線方法的應用。

圖2 漸開線模型下樁號與調整量中誤差關系示意

除此之外，現場亦常采用一弦法整理直線。通過拉弦，確定整道基準，對拉弦范圍內的軌道予以整正。然而由于弦長的限制，一弦法只保證弦長范圍內的平順而未顧及兩端線路狀態，實際結果往往將線路改成折線。另當弦長及設弦位置變動，同一位置的平順性也會改變，即難以唯一確定不平順相位關系及幅值大小。因此，一弦法只適合作為輔助手段在高速鐵路整道中有限使用。

1.2 基于坐標法的高速鐵路有砟軌道整道技術

目前高速鐵路整道基本上是建立在絕對測量的基礎上[5-9]。絕對測量以全站儀為核心，以CPⅢ點為坐標基準點進行自由設站，然后利用極坐標法獲得軌道測量儀的高程/平面坐標[10]，進而通過坐標法進行軌道幾何形位的調整(如式(4)所示[11])，改善軌道平順性。

(4)

其中，ti為樁號i處調整量；(x0，y0)為圓曲線圓心坐標；(xi，yi)為樁號i處軌道坐標；vxi、vyi為樁號i處軌道既有坐標和設計坐標之差；α為直線的方位角；βi為曲線上樁號i處轉折角。

絕對測量軌道精調技術核心在于，通過軌道的外部幾何形位控制軌道的內部幾何形位。但由于依賴外部標志物的測量，故其測量效率一般不高于100 m/h。測量效率與養護要求間的矛盾直接限制了絕對測量在高速鐵路養護中的應用，故該技術主要用于重點晃車病害的整治而無法實現軌道養修的全面覆蓋。

2 相對測量調軌技術簡介

基于對現有的軌道整道技術的反思，并考慮到我國相對測量技術與裝備的比較優勢，依據迭代原理，2010年江西日月明公司開發了基于軌道平順性的相對測量調軌技術。該技術以滿足軌道平順性要求為控制目標，并將軌道整體平順性作為輸入控制信息求解整道量，圖上作業并實時顯示整道效果。

2010年相對測量調軌技術在京滬高速鐵路無砟軌道的聯調聯試中進行規模試用[12]，試用結果顯示該技術相對于其他方法，其在保證精調質量滿足高速鐵路技術規范要求的前提下，具有環境適應性好，作業效率高等特點；2012年初，該技術應用于杭深客運專線無砟軌道既有線的養護維修[13]，通過動靜對比，顯示該技術及設備能夠對高速鐵路無砟軌道運營線的幾何尺寸病害進行精確診斷，并可有效指導調整方案制定，適合于無砟軌道的日常養護維修。期間，還在哈大、石武等高速鐵路無砟軌道的聯調聯試中進行了小規模試用。

以上實驗及試用表明，該技術具有無需外部標志物、測量與解算效率高、圖上作業、病害與調整量逐枕定位、整體優化軌道平順性及環境適應性好等特點，適合于無砟軌道的精調作業及日常養護。然而，由于道床、枕木以及扣件系統的不同，有砟軌道整道有著一些顯著區別于無砟軌道整道的特性，如何進行技術銜接，是相對測量調軌技術在有砟軌道養護中應用的關鍵性問題。

3 有砟軌道整道的技術特點及相對測量調軌技術的應用

3.1 有砟軌道整道的技術特點

軌道幾何形位的定義，有砟軌道與無砟軌道基本相同。然而，由于道床、枕木以及扣件系統的不同，有砟軌道與無砟軌道的整道是有差異的。主要體現在：

(1)有砟軌道采用的是散粒體道床，其整體剛度顯著小于無砟軌道，即意味著當有砟軌道動道時，鄰近扣件節點處的軌道外部幾何尺寸將會產生變化，而無砟軌道動道主要影響的是相鄰位置的內部幾何尺寸；

(2)有砟軌道的起、落與撥道作業，軌枕將隨鋼軌移動，在此條件下左右軌的調整是非獨立的，而無砟軌道承軌臺位置固定，一股的調整不會影響相對股的幾何形位；

(3)有砟軌道的起、落與撥、改道，主要依靠是起撥道機，而無砟軌道主要是依靠扣件的調整，故有砟軌道的整道精度一般低于無砟軌道；

(4)有砟軌道作業中，鋼軌會產生回彈，作業后，道砟處于不穩定狀態，在外力作用下，易產生流動。這些都是保證作業效果時需要考慮的變量。

相對測量調軌技術源于無砟軌道的精調，故其原理與工藝是基于無砟軌道的整道設計的。其在有砟軌道應用時，必須考慮到有砟軌道與無砟軌道的差異性。

3.2 有砟軌道的相對測量調軌技術的應用

作為計算的控制目標與控制信息，相對測量調軌技術應用時首先應確定作業標準，可執行《高速鐵路有砟軌道線路維修規則(試行)》[5]作業驗收標準，主要技術指標見表1。

表1 實驗技術指標

應用中，利用0級軌檢儀的精測模式快速采集有砟軌道的平順性數據，HSRailwayCHK XP數據分析處理系統依據平順性數據指示進行圖上作業。圖上作業時，以長波平順性指導短波平順性調整，通過削峰填谷，確保調整規劃后的各項平順性波形在作業驗收標準以內，并實時顯示作業后的效果。圖上作業完成后，自動形成方案，出具作業指導書。其中，調整量規劃如圖3所示。

圖3 調整量規劃界面示意

規劃中符號定義面向大里程，垂向調整“+”號抬道，“-”號落道；橫向調整“+” 號向左撥，“-” 號向右撥。

基于有砟軌道整道的特點，相對測量調軌技術應用中應注意：

(1)整道先處理基準股的軌向、高低，再通過軌距及水平(超高)調整非基準股軌向、高低；

(2)關于調整波長順序，應嚴格按照70 m弦→20 m弦→10 m弦順序進行，自動規劃與人工干預相結合，以保證軌道的整體優化；

(3)對于基準股軌向動道量的控制，可采用一弦法。應置弦線于不受作業影響的位置，以檢測該撬規劃動道量是否作業到位，不到位，則相應位置補撬。基準股高低動道量采用軌道尺測量水平變化予以控制；

(4)現場施工時，應依據動道量確定可能的回彈量，保證作業后調整量到位；

(5)由于有砟軌道的高低不宜采用非標墊板調整，故作業方案應盡量避免落道。

4 現場規模試用

為驗證相對測量調軌技術在有砟軌道整道作業中的效率與效能，課題組于2012年8月至10月在昌九城際鐵路進行了現場試用。現場試用線長約7 km，全線為有砟軌道、跨區間無縫線路，平面線形選擇包含直線、緩和曲線及圓曲線。試用過程主要包括：靜態檢測→綜合分析→調軌規劃→方案審批→方案實施→靜態回檢。靜態檢測與回檢采用GJY-T-EBJ-3軌檢儀進行，并輔以弦線作為回檢手段。實驗顯示，該技術可以顯著改善有砟軌道的長波、短波平順性狀態，其測量效率可達2 km/h，300 m線路調整規劃時間可控制在20 min以內，可現場出方案、現場劃撬、現場回檢，作業效果好，作業效率高。作業效果通過部分靜態檢測數據、靜態回檢數據及調軌規劃數據如圖4所示，其中圖4(a)為右軌70 m弦測軌向長波的調整效果，圖4(b)為右軌10 m弦測軌向的調整效果。對于10 m弦短波不平順調整，采用一弦法進行作業量控制，整道前后現場拉弦數據見圖4(b)。回檢數據與現場拉弦對比顯示，采用相對測量調軌技術進行整道作業，可顯著改善長短波軌道平順性。

圖4 右軌平面調整比對(局部)

5 結論與展望

通過相對測量調軌技術在高速鐵路有砟軌道整道實驗，可得出如下結論。

(1)0級軌檢儀具有檢測項目全、測量精度高、測量效率快、環境適應性好等優點，并具有逐枕定位功能，能夠對軌道幾何尺寸病害進行精確診斷，適合于高速鐵路有砟軌道工務部門的日常養護與維修。

(2)實驗顯示，高速鐵路有砟軌道相對測量調軌技術其軟件界面友好、操作簡單、方案合理、規劃快捷，可實時指導高速鐵路有砟軌道的整道作業。

(3)相對測量調軌技術能夠進行高速鐵路既有線的10～70 m不同波長平順性調整方案制定，指導高速鐵路養護維修。上道實驗顯示，盡管有砟軌道與無砟軌道在道床、枕木及扣件系統存在差異，但不影響其在有砟軌道整道上的適用性。現場回檢結果顯示，軌道的長短波均有顯著改善。

(4)目前的調整量規劃軟件是按無砟軌道精調設計的，即假定左右股軌向、高低獨立。而有砟軌道整道作業中上述幾何形位并非完全獨立，應當通過軌距、水平(超高)控制非基準股的軌向、高低，如何實現技術銜接還需在實踐中不斷總結。

(5)其中部分線路作業后殘余3～4 mm長波，或與施工工藝有關。有砟軌道的軌向、高低控制并不是通過扣件系統的更換實現，現實也難以實現逐枕的劃撬，在兩撬間的作業效果只能通過弦線等進行檢查，如何在有砟軌道條件下保證整道作業量的精確性，需要在實踐中進一步完善。

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