軌道測量儀超高測量分析

鄧川

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

軌道測量儀超高測量分析

鄧川

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

從軌道的超高測量原理出發，對不同軌道測量設備超高測量結果不一致的原因進行研究。軌道測量儀與其他軌道測量設備超高測量結果不一致是由于超高測量面與軌道超高測線“線面不一致”。并對“線面不一致”導致的超高測量誤差進行了誤差分析和試驗驗證。基于軌道測量儀的自身結構和超高測量原理，提出了減少“線面不一致”超高測量誤差的方法和建議。

軌道測量儀 超高測量 測量基準 誤差分析

1 超高測量原理

目前，軌道的靜態超高主要是利用軌道測量儀或道尺進行測量。在檢測同一段線路的軌道超高時，不同的軌道測量設備的測量結果必須符合示值誤差要求，且應相互一致。然而，在實際工作中卻發現，不同的軌道測量設備在測量同一段線路的軌道超高時，各測量結果卻不盡相同，直接造成對軌道實際超高的誤判。因此，有必要分析不同軌道測量設備超高測量結果不一致的具體原因。

超高是指線路左右兩股鋼軌頂面的相對高差h (如圖1所示)，則超高計算公式為

式中:θ為鋼軌頂面與水平面的夾角，可由軌道測量儀或道尺內置的傾角傳感器測出;L為左右鋼軌中心的間距，是計算超高的基準長度。

圖1 超高測量原理

2 超高測量不一致分析

軌道測量儀與道尺的外形結構如圖2、圖3所示。軌道測量儀的外形呈“T”形結構，與左右股鋼軌的頂面三點接觸，測量基準為三點確定的平面。而道尺外形呈“一”字形結構，與左右股鋼軌頂面兩點接觸，測量基準為兩點確定的直線。

由于軌道設計存在坡度、曲線、超高等要素，如果未經調整，其各處幾何狀態各不相同，易使左右股鋼軌發生空間扭曲。如圖4所示，鋼軌扭曲使軌道測量儀與鋼軌接觸點A，B，C處的軌道狀態各不相同，導致其測量基準平面ABC發生傾斜，造成其超高測量軸線OC與軌道超高測線O'C不一致，其超高測量值Δh不能表征此處軌道超高。而道尺呈“一”字形結構，寬度很窄，不受左右股鋼軌空間扭曲影響，其超高測量軸線始終與軌道超高測線一致，超高測量值與軌道超高相符。因此，軌道測量儀與其他軌道測量設備超高測量結果不一致的原因是由于其超高測量面與軌道超高測線“線面不一致”。

圖2 軌道測量儀示意

圖3 道尺示意

圖4 軌道狀態對超高測量影響的示意

3 超高誤差分析

如圖4所示，設A，B，C，O'四點的高程分別為HA，HB，HC，HO'，以過O'點的水平面為投影基準，將A，B，C三點投影到基準面上，則L1，L2，L3的投影長度L'1，L'2，L'3分別為

以O'點為坐標原點，AB的投影線為X軸，O'C的投影線為Y軸，Z軸垂直于XO'Y平面構成獨立坐標系，則O'，A，B，C四點在獨立坐標系下的三維坐標分別為(0，0，0)、(-L'1，0，HA-HO')，(L'2，0，HB-HO')，(0，L'3，HC-HO')。

由解析幾何可知，平面ABC的法向量和直線CO'方向向量分別為

則平面ABC與直線CO'的夾角α的正弦值為

將式(5)代入式(1)，即可計算出“線面不一致”造成的超高測量誤差。

4 試驗驗證

將某段未開通運營的客運專線作為試驗場地，在其直線段和曲線段各選取10個軌枕進行測量試驗。首先，對試驗場地的左右股鋼軌進行清理，清除附著的鐵銹、灰塵、雜質等。然后，采用經檢測合格的軌道測量儀推行測量每個鋼軌扣件處的超高值，并用記號筆準確標記出其走行輪與鋼軌的3個接觸點。之后，再利用檢測合格的0級道尺測量每個鋼軌扣件處的超高值。最后，利用水準測量方式，依次測量出每個標記點處的高程值。

測量數據及對比結果，如表1所示。

表1 軌道測量儀、道尺和水準測量的超高值及相互差值mm

由表1可知:道尺與水準的超高測量值符合較好，差值最大為0.20 mm;而軌道測量儀與道尺的超高測量值在軌枕10和軌枕11處的差值均＞0.30 mm，但道尺與水準的超高測量值卻相符合。

由于軌道測量儀與鋼軌接觸點的高程已通過水準測量得到，且軌道測量儀的結構參數L1，L2，L3已知，則可構成獨立坐標系。軌枕10和軌枕11處各接觸點在各自獨立坐標系下的坐標如表2所示。

表2 軌枕10和軌枕11處各接觸點的坐標m

根據軌道的幾何狀態，對軌道測量儀的超高測量值進行修正，并與道尺、水準測量的超高值進行比較，如表3所示。

表3 軌道測量儀的修正超高與道尺、水準測量的超高差值mm

由表3可知，經過“線面不一致”超高誤差修正后，軌道測量儀與道尺、水準測量在軌枕10和軌枕11處的超高測量值基本一致，最大僅相差-0.07 mm，相互符合。

5 結論

軌道測量儀與其他軌道測量設備超高測量不一致的原因是由于其超高測量面與軌道超高測線“線面不一致”，其影響程度甚至超過超高測量示值誤差0.3 mm的要求。因此，為了削弱“線面不一致”對超高測量的影響，可基于軌道測量儀的自身結構和超高測量原理，采用以下幾種方法進行控制:

1)軌道測量儀需選用滿足超高測量精度要求的傾角傳感器。由于傾角傳感器的靈敏度有方向性，軌道超高測線應與其橫軸平行，因此除考慮其線性精度、溫漂、零漂等常規性能特征外，還應考慮其橫軸誤差。

2)軌道測量作業前，需對所測鋼軌表面和軌道測量儀的走行輪表面進行清理，清除附著的鐵銹、灰塵、雜質等。

3)由于軌道測量儀的外形呈“T”形結構，其正、反向測量的超高誤差符號相反、量值相等，調頭超高修正后可有效削弱“線面不一致”影響。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB 10601—2009高速鐵路工程測量規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB/T 3147—2012鐵路軌道檢查儀［S］.北京:中國鐵道出版社，2012.

［3］中華人民共和國鐵道部科學技術司.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］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［4］彭春秀.軌道坡度對測量靜態超高的影響［J］.鐵道技術監督，2014，42(3):17-19.

［5］王昆.高鐵型軌道檢查儀誤差控制的關鍵技術研究［D］.江西:南昌大學，2014.

(責任審編趙其文)

U213.2+32

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.33

1003-1995(2015)12-0127-03

2015-06-28;

2015-09-02

鄧川(1986—)，男，工程師，碩士。