談Amberg GRP1000S系統在無砟軌道精調測量中的應用

馬貴武

摘 要：高速列車行車的安全性與舒適性的最終體現就是軌道的平順性，軌距、水平、高低和軌向這些因素都起著決定性的作用。全面、合理地對軌道的平順狀態進行分析是保證鐵路安全運營的必要條件之一。無砟軌道測量的主要任務是采用必備的測量設備，依據軌道設計參數和CPIII控制點，通過精調測量的方法，使軌道幾何尺寸變得更加準確，最終實現軌道的平順性。

關鍵詞：高速鐵路；精調測量；Amberg GRP1000S系統；無砟軌道

中圖分類號：U213.244 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.005

Amberg GRP1000S軌道一體化測量系統是由瑞士Amberg公司生產的用于軌道檢測的設備。它根據預先輸入的設計線型，能夠自動檢測線路中線位置、軌頂高程、軌距、超高等軌道靜態參數，并自動記錄、整理輕型軌道檢測設備。軌道測量對于高速鐵路長軌的鋪設、精調和后期維護有著重要意義。

在自動化的軌道測量產生之前，對軌道的測量主要由人工完成，主要的工具是道尺和人工弦線。由于人工工作效率低，不能對軌道信息進行系統、全面的測量，特別是在高鐵快速發展的今天，運用道尺和人工拉弦的測量方法已跟不上時代的發展。軌道一體化測量系統的出現極大地提高了作業效率，保證了作業精度。由于中國高鐵起步較晚，因此配套的測量設備和技術都比較落后，目前主要的一體化測量系統均從國外引進，包括德國GEDO CE軌檢小車、瑞士安伯格GRP1000S軌道一體化測量系統等。經過一段時間的使用，國內一批優秀的企業通過積極吸收、消化、學習、改進這些技術，也自主設計研發了多種型號的軌檢小車，主要有江西日月明實業有限公司生產的日月明軌檢小車、鄭州辰維科技股份有限公司研發的TRIG1000鐵路軌道檢測儀、南方高速鐵路測量技術有限公司生產的南方高鐵軌檢系統和成都普羅米新科技有限責任公司生產的SGJ-I-CDP-3軌檢小車等。但是，由于我國的研發剛剛起步，因此測量精度和儀器易用性方面還有很多不足，在重要的高速鐵路建設上，主要應用得還是國外的設備，其中，Amberg GRP1000S軌道一體化測量系統就是比較常用的一種，在京津城際鐵路、武廣高鐵、曾創造“世界第一速度”的滬杭高鐵和京滬高鐵等項目上都得到了廣泛的應用。由于此設備在中國應用時間較短，所以對其的研究較少，本文的一手資料大多來自各施工單位的施工手冊，旨在對Amberg GRP1000S軌道一體化測量系統進行系統、全面的介紹。

1 高速鐵路精調測量平順性的分析

高速鐵路與普通鐵路不同，普通鐵路軌道主要是由鋼軌、軌枕、道床組成，荷載從鋼軌通過軌枕和道床傳遞到路基，道床是一些不同力學性質的材料以不同的方式組合起來的。普通鐵路的軌道結構使列車很難達到很高的速度，隨著社會的發展，高速鐵路的出現成為必然，由于普通的軌道結構不能滿足列車高速運行的需要，因此，目前高速鐵路采用的是無砟軌道，而相對應的普通鐵路軌道被稱為有砟軌道。無砟軌道克服了普通軌道道砟粉化嚴重、線路維修頻繁的缺點。利用軌道板雖然能減少道渣等因素對軌道平順性的影響，但是如果要更好地提高軌道的平順性，就要對軌道進行高精度的調整，而軌道高精度的調整就需要采用Amberg GRP1000S系統來進行。

平順性就是指兩根鋼軌在高低和左右方向與鋼軌理想位置幾何尺寸的偏差，數據測量的方式有動態檢測方式和靜態檢測方式兩種。動態檢測設備可以測量軌道的幾何狀態、線路標志、鋼軌斷面、鋼軌磨耗、環境視頻等，動態檢測數據中對無砟軌道平順性分析有用的包括高速軌道檢查數據和低速軌道檢查數據。動態檢測的優點是快速，能更真實地反映軌道的現狀。根據動檢數據，我們就可以標定問題區段，并找到其大概位置，然后對這一位置進行靜態測量。由于動檢數據的特殊性，并不能直接根據動檢數據調整軌道的平順性，所以動檢后還要進行靜態檢測，對動檢標定出的問題區間，利用GRP1000S系統進行靜態軌道的三維測量。靜態測最的數據包括平面位置的偏差、高程的絕對偏差、超高偏差、軌距偏差等，它們是計算軌道調整璉的基礎。表1和表2分別是動態檢測和GRP1000S軌道一體化測量系統的檢測參數。

2 高速鐵路精調的影響因素

2.1 影響列車運行速度與安全的因素

2.1.1 脫軌系數

車輛運行時，在線路狀況、運用條件、車輛結構參數和裝載等因素最不利的組合條件下可能導致車輪脫軌。評定防止車輪脫軌穩定性的指標可用“脫軌系數”。計算公式為：

式（1）中：Q為作用在車輪上的橫向力；P為作用在車輪上的垂向力；μ為輪緣處的摩擦系數；α為車輪的輪緣角。

脫軌系數越大，列車越容易脫軌。脫軌系數的界限值如下表3所示。

2.1.2 影響脫軌系數的因素

根據公式（1）可知，在車輛荷重特定的情況下，輪軌間橫向壓力的大小是決定脫軌系數大小的主要因素——輪軌間橫向壓力越大，脫軌系數越大；反之，輪軌間橫向壓力越小，脫軌系數越小。輪軌間橫向壓力的大小與軌道的平順性有關。平順性可分為總體平順性和局部平順性。

總體平順性是指軌道的曲率半徑，列車速度越小、曲率半徑越大、輪軌間橫向壓力越小，列車脫軌系數越小；反之，列車速度越大、曲率半徑越小，輪軌間橫向壓力越大，列車脫軌系數越大。

目前的高速鐵路都盡可能增大曲率半徑，例如滬杭高速鐵路，87%的線路在橋上就是為了保證線路有足夠的曲率半徑。

局部平順性是指軌道在一定范圍內的平順狀態，通俗的講，就是在短距離內軌道是否出現超范圍的錯位。如果軌道在短距離內出現過大的錯位，就會極大地增加輪軌間的橫向壓力，造成列車脫軌。相比較總體平順性，有時局部平順性更重要，因為即使由于客觀原因導致軌道總體的曲率半徑比較小，但是只要保證嚴格的局部平順性，列車就會在各個路線段均保持橫向壓力較小，也不容易出軌。

由此可見，要保證列車的高速運行和安全，必須對軌道進行平順性調整。

2.1.3 軌道的平順性調整

由以上的分析可看出，軌道的平順性決定著列車的安全運行和運行速度的提升，因此，高速鐵路對軌道的平順性有著嚴格要求。軌道鋪設施工完成后，由于各種原因，軌道并不能像設計的那樣保持高度的平順性，因此需要對軌道進行平順性調整，軌道平順性參數如表4所示。

2.2 高速鐵路精調的意義

由上面的結論可知，高速鐵路軌道除了在設計階段根據實際情況增大曲率半徑之外，必須進行軌道的平順性調整，使之滿足高速鐵路運行的需要。高速鐵路軌道精調就是對軌道的平順性進行調整。軌道精調是根據軌道測量數據對軌道進行的精確調整，使軌道精度達到規范標準，滿足高速行車條件。通過調整，使軌道趨于平順，不僅能保證列車運行的安全，還能提高列車的速度。

2.3 軌道精調測量的原理

軌道精度可分為絕對精度和相對精度。絕對精度是指軌道實測中線、高程與設計理論值的偏差，偏差越小，精度越高；相對精度是指軌道各項幾何尺寸的偏差和變化率。相對精度控制包括軌道幾何尺寸控制和軌道線型控制（平順性）。對軌道進行精調必須依據現有的軌道幾何基本狀態，包括其與設計線路的偏差，而軌道精調測量就是軌道精調的必要前提。軌道精調測量為軌道調整提供原始的數據，同時，嚴格的測量程序和科學的測量方法在高速鐵路調整方面是十分重要的。

3 高速鐵路精調測量的方法

3.1 動弦檢測

國內傳統使用的是固定弦長（比如直線上10 m，曲線上20 m）來評價中間點的矢度，如果要評價下一點的矢度，則要將該弦線前移至下一點，被評價點始終對應弦線的中間位置。該方法在后文中簡稱為“動弦檢測”。該方法在我國有砟鐵路施工和工務維護中沿用至今，它的檢測示意圖如圖1所示。

其數學模型為：

3.2 定弦檢測

隨著無砟軌道技術的引進，另一種軌道平順性的檢測方法逐漸被國內相關工作人員所接受。就是拉一條長弦，將其固定，然后逐點評價弦線范圍內所有點的矢度，繼而分析其相對偏差，該方法后文中簡稱“定弦檢測”。

圖2中的點是鋼軌支承點的編號，以P1～P49表示。P25～P33間的平順性檢測按下式計算：

Δh=（h25設計- h33設計）-（h25實測-h33實測）. （3）

由于P1與P49的正矢為0，因此可檢測P2（對應點P10）到P40（對應點P48）的平順性。新的弦線則從已檢測的最后一個點P40開始。

經過專家論證，定弦檢測（30 m弦，2 mm/5 m）的軌道短波不平順限差要求比動弦檢測（10 m弦，2 mm/5 m）的限差要求更為嚴格，新建的無砟軌道平順性的調整都采用定弦進行檢測。

4 Amberg GRP1000S軌道一體化測量系統介紹

4.1 組成

Amberg精調小車測量系統設備 Amberg GRP1000S軌道一體化測量系統主要由兩部分組成，分別為徠卡1201+型全站儀和GRP1000S精調機。在軌道數據采集時，GRP1000S精調小車放置于軌道上的待測量區域，小車電腦裝載GRP測量軟件，通過GRP軟件的指令分別與全站儀、精調小車連接的Modem來實現全站儀與精調小車之間的數據傳輸，同時，GRP測量軟件將實時接收全站儀的測量數據，并通過軟件計算后將軌道當前三維幾何形態表示出來。

4.2 工作原理

4.2.1 軌距測量原理

根據軌檢小車上的軌距測量傳感器直接測量軌距。

4.2.2 水平（超高）測量原理

使用內置傾角儀測傾角，然后用基準長度換算得出軌道的超高。

4.2.3 平面位置和高程的測量原理

使用全站儀實測得到軌檢小車上棱鏡的三維坐標，然后結合標定的軌檢小車集合參數、小車的定向參數、水平傳感器所測橫向傾角和實測軌距，即可換算出對應里程處的設計平面位置，并與軌面高程進行比較，得到其偏差，用于指導軌道調整。

5 GRP1000S的工作方法和步驟

5.1 工作流程

GRP1000S的工作流程如圖3所示。

5.2 工作步驟

5.2.1 組裝，軟件設置，檢校

首先，將軌檢小車的兩部分進行組裝，并放置于軌道上，注意要將雙輪放置在低軌上。打開GRP win軟件，如圖4所示。

在數據采集前，必須將線路設計數據輸入到軟件中，以便軟件對線路的任意點進行計算，得出任意位置的軌道設計數據，然后與采集數據進行對比，得出任意點的差值。

測量項目線路數據的輸入是測量項目建立的一部分，在新

建測量項目下一次點擊“屬性—測量文件—絕對—使用單軌”，然后在彈出的新對話框中點擊文件夾圖標。新建的設計中線文件名最好與測量項目名相同。然后輸入線路數據，依次輸入平曲線、豎曲線和超高數據。另外，遇見有斷鏈的地方，其線路資料分別輸入。

最后在GRP win中導入CPⅢ控制點信息，點擊“數據導入—打開控制點文件—導入”，在數據文件類型中選擇“控制點ASCII-GSI”，如圖5所示。

執行“屬性—測量文件—使用控制點—打開控制點文件”。

小車校準：每次測量時，小車的斜率校準要按照“測量文件—設置—斜率校準向導”，根據向導對小車進行斜率校準。小車校準后在氣溫沒有急劇變化、沒有受到碰撞的情況下再次測

量時可不進行校準，直接執行“測量文件—設置—讀取配置”。

5.2.2 全站儀自由設站

首先在小車前后CPⅢ控制點上各安置4個棱鏡，共8個（如果條件允許，可以安置10個，在條件不滿足的情況下最少安置6個）。將全站儀安置在距離軌檢小車60～80 m處自由設站，全站儀前后不得少于一對大于60 m以上的CPⅢ控制點，距離全站儀15 m以內的CPⅢ控制點不得采用。將全站儀整平之后選擇“設站”程序，用后方交會的方法觀察CPⅢ控制點上的棱鏡，觀察完后點擊“計算”全站儀可自動計算出東坐標、北坐標、高程和方向等信息。一般情況下，各種信息的限差應保持在東坐標：0.7 mm，北坐標：0.7 mm，高程：0.7 mm，方向：1.5″，在CPⅢ控制點精度不夠或數最少為6個時，其限差也不應超過東坐標：1 mm，北坐標：1 mm，高程：1 mm，方向：2″，否則要重新設站。

5.2.3 測量

在全站儀設站完成之后，可進行測量。將全站儀對準小車棱鏡，打開全站儀modem 和小車modem，并使之連接，連接成功后用GRP win軟件進行一次采集，可得出軌檢小車目前所處里程。如果此里程不是此次任務目標里程，可推動軌檢小車至目標里程處進行采集。一般可間隔3 m采集下一根軌枕，在

道岔處，每根軌枕都需要采集。

5.2.4 搬站

應在軌檢小車與全站儀相距3 m范圍處停止采集，并將全站儀搬至距離小車60～80 m處的下一站，注意在將全站儀搬至下一站進行自由設站時，要使用4個上一站的CPⅢ控制點。

設站完成后用第一次采集的數據與上一站最后一點的采集數據對比，如果相差大于2 mm，則需重新設站，如果多次重新設站均不能滿足要求，則可能是前一站測量時出現了問題，需從前一站位置處重新測量，直至滿足要求。

5.2.5 輸出報表

執行 “報表—選擇表格—選擇名稱與路徑—選擇所需要的值—運行”，以輸出報表。

5.3 軌道精調的注意事項

軌道精調的注意事項主要有：①在設置GRP win軟件時，在主界面有正方向和負方向的選項，面朝大里程方向雙輪在左為正雙輪，在右為負，面朝小里程方向則相反。②在測量前，需保證軌道的清潔，軌面上不應有雜物。③全站儀的測量精度受天氣影響較大，應避免陽光直射，白天測量時用遮陽傘等為全站儀擋住陽光。對于白天溫度高、天氣變化較大的地區，如果條件允許，可在晚上測量。④要經常校準全站儀，以免影響測量精度。⑤應避免在有較大震動的情況下進行數據采集，例如有火車經過、搗固機搗固等。

參考文獻

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〔編輯：王霞〕