單軌測量系統在新建有砟鐵路軌道粗搗中的應用

雷巨光

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

新建有砟鐵路完成鋼軌鋪設后，必須使鋼軌的絕對位置、平順性，以及道砟的厚度、密實程度達到規范要求，通常情況下，施工方會根據要求對線路進行兩個階段的調整搗固作業，即粗搗階段和精搗階段。

新建線路調整搗固作業的實施一般由施工單位完成，但最后驗收是鐵路局工務部門，為減少環節，許多線路精搗工作則交由相應鐵路局工務部門進行。對于精搗階段，特別是對于設計時速200 km以上有砟線路的精搗作業，文獻［1］中已做出了明確規定，且各項規定要求都比較高，因此精搗需采用先進的軌道幾何狀態測量儀(俗稱軌檢小車)進行軌道檢測［2］;粗搗階段，軌道檢測的指標要求不那么高，采用軌檢小車進行高精度軌道檢測將造成較大浪費，加之粗搗階段鋼軌上道砟較多，客觀上也不便于使用軌檢小車。因此，粗搗階段往往采用較為傳統的方法進行軌道測量檢測。

目前，粗搗階段的軌道測量主要有兩種:

(1)先在軌道上按照直線20m或50m，曲線10m或5m的間隔做標記，并編寫大致的里程，然后采用水準儀對基準軌抄平，并與軌道設計高程進行對比，得出鋼軌的起道量;使用全站儀直接測量基準軌，并與設計位置進行對比，得出鋼軌的撥道量。然后將平面數據和高程數據進行匹配，進一步得出各標記點的起撥道量。

(2)使用全站儀按照固定的間隔在線路一側進行放樣，設置大量的參考樁，通過數據處理，得出這些參考樁至鋼軌的設計支距，將實際測量的支距與該處設計支距進行比較，即可得出該處鋼軌的撥道量;采用水準儀測量出各參考樁及鋼軌的軌面高程，結合該處鋼軌的設計軌面高，即可得出該處的起道量。

在得出各處起撥道量后，在大機搗固前，將各處的起撥道量標注在軌枕上，由大型養護機械(簡稱大機)［3］地面引導人員將各標注處的起撥道量通過對講機報送給大機操作人員，然后大機操作人員采用人工方式旋轉相應的旋鈕，以控制大機的起撥道作業。

這種配合大機搗固的測量方法存在以下缺點:

①起撥道量依靠人工平面測量和高程測量的方式分別獲取，增大了外業工作量，增加了技術人員的勞動強度，檢測效率方面受到了影響［4］。

②在內業數據處理時，需對平面數據和高程數據分別進行整理，再進一步整合匹配，不僅數據處理的工作量增大，而且在匹配過程中容易出現錯誤。

2 單軌測量系統配合大機粗搗的原理和方法

2.1 原理

單軌測量系統由單軌測量裝置和全站儀組成，其中單軌測量裝置如圖1所示。

圖1 單軌測量裝置

該裝置有兩個特點:

①該裝置由輪子、棱鏡以及拉桿組成，結構簡單，成本較低，便于攜帶和使用。

②該裝置放置在鋼軌后，兩個輪子的內側與鋼軌側面自然密貼，棱鏡中心與軌面中心的連線與軌面垂直。

基于以上特點，通過全站儀后視線路兩邊的CPⅢ控制點進行自由設站［5］，然后測量該裝置上的棱鏡三維坐標，結合線路設計資料，在忽略軌距偏差的情況下，即可通過配套軟件計算出所測軌道的橫向偏差和高程偏差，即大機粗搗所需的撥道和起道量。

2.2 方法

(1)鋼軌標注與編號

鋼軌標注與編號是一項很重要的基礎工作，標注與編號不僅為后續測量指明了位置，更為大機搗固作業提供了位置和里程信息。

大機搗固作業的起道量是相對于基準軌的(水平)面設定的［6］，所以在作業之前，應首先做好基準軌(曲線地段以低軌為基準軌)的標注與編號。一般按照間隔10m左右進行編號，編號規則可采用“里程+序號”方式進行，例如:測區起點處編號為“(0149)001”，則在起始處基準軌的扣件對應軌腰處，劃出“|”線，然后在“|”旁標注“(0149)001”，然后按規定間隔(以每相鄰兩個軌枕間隔0.625m估算距離)往大里程方向依次按“002、003、004、005……”進行編號，分別在基準軌道釘對應軌腰處劃出“|”線，并在“|”旁，寫上編號。

(2)外業測量

采用全站儀自由設站，每測站通過線路兩側的CPⅢ控制點進行后方交會設站，設站精度遵照文獻［1］中的相關規定。外業測量如圖2所示。

圖2 配合大機粗搗測量示意

測量時，單軌測量裝置由小里程方向開始，在待測點處停穩后，將測量指令及點號一并報告給司鏡人員，司鏡人員確認全站儀中的點號與現場一致后，測量并保存，即完成一個點的采集工作，然后單軌測量裝置可移動到下一個待測點，并進行測量，依次類推。單軌測量裝置和全站儀的距離不應大于120m［7］。

3 單軌測量系統的效率和精度分析

3.1 作業效率

單軌測量系統測量的效率取決于全站儀測量的速度，與傳統的方法獲取粗搗數據相比，由于該系統在全站儀設站完成后，通過三維測量一次性獲取撥道和起道數據，無需分別獲取撥道和起道數據，測量步驟得到了簡化，效率明顯提高。與采用軌檢小車的方法獲取粗搗數據相比較:軌檢小車除具有結構復雜、體積大、搬運不方便、組裝費時的缺點外，在測量過程中，軌檢小車一方面需要控制全站儀進行測量并獲取數據，另一方面還需要控制其內部傳感器進行測量，并將數據反饋給軌檢小車配套軟件，以進行處理［8］。而控制傳感器進行測量，并將數據反饋和處理所需要的時間往往比全站儀單純測量數據要慢。所以，在測量人員同樣熟練的情況下，使用單軌測量系統在作業效率方面更有優勢。

3.2 精度分析

使用單軌測量系統測量的精度主要受全站儀設站精度、全站儀測量精度、單棱鏡測量裝置的加工和標定精度等因素的影響。而對于粗搗階段，一般情況下要求線路平面位置達到20 mm內即可，而高程則有50～80 mm的預留量。因此，在全站儀設站精度、單棱鏡測量裝置的加工精度和標定精度符合要求的情況下，單棱鏡測量系統能滿足粗搗的要求。

為直觀把握單棱鏡測量系統的精度情況，在廈深線某標段特地開展了單棱鏡測量系統和靜態軌檢小車進對比測試工作，對比測試數據如表1。

從表1中可以看出，單棱鏡測量系統與軌檢小車測量結果的平面偏差較差大都在3 mm以內，極個別較差超過3 mm，最大較差為3.5 mm;高程偏差較差都在2 mm以內。

表1 單棱鏡測量系統與靜態軌檢小車測量數據對比mm

粗搗階段完成后，平面偏差控制在20 mm以內即可，高程偏差控制在80 mm左右即可。因此，上述的偏差較差均可忽略不計，該裝置完全能夠滿足粗搗階段的需要。

4 工程應用案例

受施工單位委托，在廈深線某標段內使用單軌測量系統配合大機粗搗工作。根據協定，本次配合大機粗搗工作次數為三次，當次采集的數據既檢測了前次大機搗固的質量，也作為本次大機搗固數據使用。

在所負責區段內，隨機挑選了其中2.5 km左右的線路，分析其三次采集的數據，平面波形圖變化情況如圖3所示。

圖3 平面偏差分析

由圖3可以看出，經過三次測量，兩次搗固作業后，線路平面明顯改善，平面偏差大都在30 mm以內，且平順性也得到很大改善，基本滿足粗搗要求。

三次采集數據，高程波形圖變化情況如圖4所示。

圖4 高程偏差分析

由圖4可以看出，經過三次測量，兩次搗固作業后，線路高程明顯得到提升，且高程起伏狀況較之前有明顯改善。由于該段作業范圍內存在道砟不足的情況，所以有些地段高程未能很好的達到預期，但總的來說，線路高程也基本達到粗搗的預期和要求。

綜合上述平面波形圖和高程波形圖的分析可知，在該段作業線路內，使用單軌測量系統配合大機粗搗作業，取得了預期效果。

5 結論

采用傳統的方法配合大機粗搗，平面和高程需單獨測量，存在人工投入大、效率低的弊端，且數據處理工作量比較大，容易出錯，而采用單軌測量系統進行測量，一次測量即同時獲得了起撥道量數據。該測量系統具有成本低，測量原理簡單明了，可操作性強和方便、實用、效率高的特點，可以在新建線路粗搗階段推廣應用。

［1］中華人民共和國鐵道部．TB10601—2009 高速鐵路工程測量規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2010

［2］李光林，張新奎，朱利民．提速200 km/h線路長波長不平順的養護維修技術［J］．鐵道建筑，2007(4):101-102

［3］鄭中立．我國鐵路大型養路機械發展回顧［J］．鐵道建筑，2004(7):4-5

［4］曾若飛．鐵路有砟軌道自動養護測量系統研究思路探討［J］．鐵道勘察，2011(2):8-12

［5］張忠良，楊友濤，劉成龍．軌道精調中后方交會點三維嚴密平差方法研究［J］．鐵道工程學報，2008(5):33-36

［6］劉剛．搗固車起道、抄平原理分析［J］．鐵道建筑，2009(1):80

［7］王國民，馬文靜．高速鐵路軌道靜態精密檢測若干技術問題探討［J］．鐵道勘察，2010(6):7-10

［8］中鐵工程設計咨詢集團有限公司．SGJ-CEC-I型軌道幾何狀態測量儀使用說明書［R］．北京:中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2012