板式無砟軌道底座板頂面高程及平整度控制的新方法

李　強　王明剛

(中鐵四局五公司技術中心， 江西九江　332000)

板式無砟軌道主要應用于客運專線和高速鐵路，由混凝土支承層或鋼筋砼底座板、CA砂漿層、預制軌道板、鋼軌和扣件等四大部分組成。在板式無砟軌道施工中，底座板頂面高程及平整度控制直接影響CA砂漿層的厚度。如CRTSⅡ型板式無砟軌道結構CA砂漿層厚度設計要求為2～4 cm之間，如果底座板頂面高程測量控制不到位，會造成砂漿厚度超出設計規定，導致底座板返工現象。這種情況在京滬、京石、石武等高速鐵路施工中曾經造成大量的整修工作，帶來巨大的經濟損失，甚至會延誤工期，對施工單位造成不良影響。

目前，在國內無砟軌道施工中，底座板頂面高程施工控制采用傳統的水準測量方法來控制模板高程，再利用亂尺或掛線法來找平整個頂面，人工工作量很大，效率較低，且成本較高。研究一套新穎、快捷、精確、智能化控制底座板頂面高程的測量方法是施工單位必須研究的課題。

1　傳統測量方法

底座板頂面高程控制傳統的測量方法一般采用幾何水準測量。測量步驟：

①在已知水準點上立尺，電子水準儀測讀并記錄數據(h1)，為后視點水準視線高；②儀器設置為中間點測量模式，在待測的模板頂上(或檢測的底座板頂面)上立尺，電子水準儀測讀并記錄數據(h2)，為中間觀測點水準視線高；③中間觀測點(待測點)的高程計算：H待測=H已知+h1-h2。

2　底座板頂面高程控制新方法

底座板頂面高程測量新方法是集全站儀自動跟蹤三維測量技術、無線電臺控制技術及超聲波非接觸測量技術于一體的先進測量技術。測量系統主要由全站儀和測量標架組成。

其測量原理是：①利用周圍的2～3對CPⅢ點進行自由建站，解算得到建站點的三維坐標；②全站儀跟蹤測量標架上的棱鏡，解算得到測量標架上棱鏡中心位置的三維坐標；③測量標架上的傾斜傳感器測量標架的傾斜角，測量標架上的超聲波傳感器測量底座板頂面(砼面)至標架橫梁中心的垂直距離；④通過無線電臺將全站儀測量數據實時傳送至安裝在測量小車上的控制器(電腦)，同時傾斜傳感器和超聲波傳感器測量數據實時地傳送至控制器；⑤控制器將接收的測量數據通過預裝的測量軟件及線形數據，分別計算出觀測斷面處的里程和觀測斷面各點的設計高程，同時結合測量小車各部位結構尺寸，計算出觀測斷面各測量點的實際高程，以及實際高程和設計高程之差值(如圖1、圖2所示)。

圖1　底座板頂面高程測量新方法原理(全站儀三維測量)

圖2　底座板頂面高程測量新方法原理(超聲波測量)

3　測量標架的結構組成

測量標架是底座板高程測量新方法應用中的核心部分，定位棱鏡、標架姿態檢測的傾斜傳感器、相對距離測量的超聲波傳感器、標架行走滑輪以及數據控制器均安裝在標架上，元件之間的幾何位置關系均進行精細測量和精密加工制造，具體組成如圖3所示。

圖3　底座板高程程測量標架結構

4　底座板頂面實測高程計算方法

測量標架放置在需要測設的底座板頂面上任一位置，通過全站儀測量標架上的棱鏡坐標、棱鏡中心與標架各測量元件之間的幾何關系以及傳感器測量的數據，即可計算出被測頂面處的實際高程，因測量標架上安裝了四個超聲波傳感器，這里僅以其中一個傳感器的位置計算一個點位的實測高程(如圖4)。

圖4　底座板頂面實測高程計算示意

P為棱鏡中心位置，其三維坐標由全站儀自由建站精確測得，設為P(X0、Y0、Z0)，Z0即為棱鏡中心的高程(測量值)；

Q為底座板上被測量的高程點，即為其中一個超聲波對應的點，由標架所架設位置而隨機產生，Q點位置的高程需根據整個測量系統所測量的數據進行計算得到，設為Zn(計算值)；

H0為棱鏡安裝高度(固定值)；

l0為超聲波傳感器安裝位置至棱鏡中心的距離(固定值)；

S為超聲波測量的距離，即待測量點Q至超聲波傳感器中心的距離(測量值)；

α為傾斜傳感器測量標架的傾角(測量值)。

根據圖4中各觀測元件之間幾何關系及測量數據，可計算出待測底座板任意斷面處的高程，計算公式如下

b1=l0×tanα

(1)

b2=h0-b1=h0-l0×tanα

(2)

h1=(b2+s)cosα

(3)

Zn=Z0-h1=Z0-((h0-l0×tanα)+S)×cosα

(4)

5　底座板頂面高程測量新方法的優點

(1)數據計算自動化。數據控制器(電腦)中編制了線路計算程序和坐標反算程序，通過軟件自動計算出測量標架任意位置處的設計高程，通過實測數據自動計算出對應斷面處的實測高程，從而得到底座板頂面設計高程與實際控制高程之差值，減少了人工進行大量數據計算的工作量，減少了人為因素出錯的機率。

(2)高程測量自動化。整個測量過程中全站儀會自動跟蹤測量標架上的棱鏡，無需人工瞄準目標，只需一人操作測量標架，就能輕松快速地測量出底板任意位置的高程。

(3)一次就可測出一個斷面上的多個高程點數據，實現了測量“面”的新概念。通過安裝在測量標架上多個超聲波感器(如圖5所示)，一次就能同時測量一個斷面上n個點位的高程，軟件將各點高程測量數據進行擬合并與設計斷面進行分析，實時反映該斷面頂面的平整度情況，指導施工現場進行及時修正。

圖5　測量底座板頂面平整度

(4)非接觸測量。采用了超聲波測量技術，混凝土在未凝固之前就能實時測量其頂面的高程，從而對高程控制不到位的部位及時進行修整。

6　底座板頂面高程測量新方法的應用前景

該測量技術不僅應用于底座板施工過程的高程控制，還用于成形的底座板頂面高程檢測，同時在公路路面檢測、CPTSⅡ型板式無砟軌道結構的箱梁預制時梁面平整度控制，以及防水施工前的梁面高程及平整度檢測驗收等方面有著廣闊的應用前景。

7　結束語

針對目前底座板施工工藝，本文闡述的快速測量新方法及整套測量系統的應用，特別是在底座板砼澆筑工序過程中、砼凝固之前，快速測量底座板上表面的高程偏差，為施工人員提供可視化準確依據，通過及時的修整、收面來整改高程的偏差，將高程及平整度的控制放在凝固之前，避免等到軌道板鋪板前或精調時才發現高程誤差太大，需要對底座板進行銑刨、打磨等整修施工，為施工單位帶來較大的經濟效益。

本套系統集全站儀自動測量技術、非接觸檢測技術、無砟軌道設計文件、基于數字測量的計算機軟件技術于一體，形成一套使用輕巧方便的硬件和具有現場測量、計算、顯示、存儲功能的軟件系統，快速、即時檢測、即時評估，為無砟軌道施工提供了一套專門的質量控制設備，提高了施工效率，降低了施工成本，提升了板式無砟軌道施工的科技水平。

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