多模式測量下普速鐵路軌道精搗作業及效果評估

王鵬 樓梁偉，3 張也 何復壽 葉曉宇

1.北京鐵科特種工程技術有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081

隨著鐵路技術進步和改革的不斷深入，普速鐵路精細化維修已成為必然趨勢。對于普速鐵路參考高速鐵路軌道精測精調作業模式［1］，依據精測數據制定大型養路機械維修方案并指導大型養路機械精確搗固，可實現對軌道長波不平順以及線形線位的有效控制，提高普速鐵路線路測量和維修質量，延長線路設備維修周期［2-3］。

我國運營普速鐵路搗固作業多采用近似法，即根據搗固車檢測系統檢測到的線路水平、軌向誤差指導起撥道作業，使線路達到近似平順狀態［4］。受搗固車自身檢測弦長限制，采用近似法只能基本滿足平順性要求，不能完全消除線路軌向、高低等幾何參數的偏差。如當前國內最先進、精度最高的DWL-48型搗固穩定車，其起道弦線長度僅15.0 m，撥道弦線長度僅16.7 m，無法檢測出對旅客乘坐舒適性有較大影響的長波不平順［5-6］。盡管部分廠家在搗固穩定車上配置了二維激光準直系統［7-8］，但其僅能在長大直線段作業，且存在準備時間長、激光對準效率較低等問題，與我國鐵路天窗時間緊、作業效率要求高的現狀不符，在現場施工中不適用。此外，部分工務段采用水平尺和水準儀測量線路水平、高差等數據，通過人工計算得到起撥道量，在搗固車作業前按一定間隔標注在軌枕上，該方法存在人工干擾因素大、作業效率低等問題［9］。總之，目前我國運營普速鐵路搗固維修作業主要存在控制網年久失修，無法應用于軌道精確測量；大型養路機械搗固沒有軌道精測數據支持，線路形位的恢復達不到理想效果。鑒于此，本文結合京廣鐵路實際維修情況，建立多模式測量和數字化搗固為核心的普速鐵路精測精搗作業方案，從軌道幾何狀態和動力學性能改善兩方面評估作業方案的應用效果。

1 普速鐵路精測精搗作業方案

普速鐵路測量精度要求相對較低，若完全沿用高速鐵路測量控制體系則投入過高。為此，本文提出精測精搗作業方案：①在普速鐵路合理采用衛星定位、激光定位、慣性測量等技術進行多模式軌道測量；②結合有砟軌道線路特征和平順性控制要求，科學制定起撥道量調整方案，將其輸入搗固車計算機系統實施數字化搗固。

1.1 多模式軌道測量

近年來軌道慣性測量儀廣泛應用于高速鐵路養護維修工作中。在普速鐵路引入高速鐵路相對+絕對的測量理念，提出適用于運營普速鐵路的多模式軌道測量技術。具體如下：①在衛星觀測條件良好地段，按15～20 km間距布設北斗基準站（可布設在車間或工區院內）。軌道測量采用衛星定位+慣性測量組合模式，通過慣性測量單元和高精度傳感器完成軌道軌跡測量，測量儀每行進一定距離（通常為100～150 m）后進行衛星定位，獲取控制點處軌道中心坐標，并利用這些坐標和軌道軌跡得到軌道各點的絕對坐標，最終實現軌道中線各點三維絕對坐標的快速、精準測量，如圖1（a）所示。②在隧道、車站道岔區、無砟道床過渡段等區段布設固定樁控制網。軌道測量采用激光定位+慣性測量組合模式，測量儀每行進一定距離后需在控制點斷面處停留，搭載的斷面儀發射激光束測量標靶，獲取控制點處軌道中心坐標，結合軌跡得到軌道中線各點的三維絕對坐標，如圖1（b）所示。

圖1 多模式軌道測量

1.2 數字化搗固

1.2.1 線形擬合

通過多模式軌道測量獲取軌道中線各點三維絕對坐標后，根據原有線路設備技術臺賬對線路平縱斷面進行重構，擬合得到與軌道實測線形相吻合的線形參數。具體擬合流程如下：①根據線路原始臺賬，結合線路設計規范和現場要求確定圓曲線半徑、坡度等參數的限值。②確定一定長度的弦，由測點坐標計算各弦所在直線斜率的變化率，按照直線段、緩和曲線段和圓曲線段斜率變化規律，大致確定直線段與圓曲線段包含的測點，按正交最小二乘數學模型擬合直線及圓曲線。③計算交點坐標、曲線偏角等曲線要素及線路中線偏差。④判斷擬合前后分段點坐標差是否小于閾值，若小于，則完成線路線形擬合；若不小于，則重新調整分段點位置進行擬合，直至小于閾值。

1.2.2 起撥道量調整方案的制定

普速鐵路線路養護維修主要依據TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規則》，其中指出軌道短波平順性以10 m弦矢高4 mm管理值控制，但為進一步控制長波不平順，目前普速鐵路采用70 m弦矢高10 mm管理值控制［10］。除需滿足軌道平順性控制要求外，還需考慮起撥道量調整范圍及比例、順坡率、建筑限界、線間距、橋梁偏心等約束條件，對線路平縱斷面進行優化，最終生成滿足搗固車要求的起撥道量調整方案。

具體要求：

1）軌道平順性須滿足

式中：H(A)、H（i）和H(B)分別為線路調整后檢測弦的起點、中點和終點位置的平（縱）斷面剩余偏差；α為檢測弦長對應的管理幅值。

2）擬調整量須滿足

式中：t（i）為擬調整量；tmax、tmin分別為考慮約束條件后調整量的上限和下限。

1.2.3 搗固作業流程

普速鐵路線路養護維修多采用單搗+單搗+穩定作業模式。兩次單搗作業時，將起撥道量調整方案輸入到搗固車計算機系統，在作業過程中對搗固車檢測弦前端偏差進行補償，從而實現精確起撥道作業，有效改善軌道高低、軌向長波不平順。在兩次單搗作業后通過動力穩定車對軌道產生壓力和振動，改善道砟顆粒的排列，在短時間內增強道床橫向阻力，從而達到提高道床穩定性的目的。為實現數字化搗固，作業時應滿足以下要求：①搗固作業前應檢查搗固車標定記錄，確保搗固車作業精度滿足要求。②正確選擇加載軌，曲線段加載超高軌，直線段可加載任意一股鋼軌。③搗固作業時應完全采用起撥道量調整方案，由搗固車計算機系統實施自動化作業。④作業過程中工務人員應在控制點處核對搗固車作業里程與起撥道量調整方案中里程的一致性。當里程誤差大于0.5 m時，必須轉動測距輪或修正搗固車計算機系統中的里程以消除誤差。

2 工程驗證

2.1 精測精搗作業方案的制定

選取京廣鐵路上行線K565+800—K567+800精測精搗作業區段為試驗段，分別從軌道幾何狀態和動力學性能改善兩個方面評估精測精搗作業方案的應用效果。該區段線路速度等級為120（不含）～160 km/h，由于沿線衛星信號較好，軌道測量采用衛星定位+慣性測量組合模式，搗固作業采用DWL-48連續式搗固穩定車，搗固作業模式為單搗+單搗+穩定。

根據軌道測量結果，對試驗段平縱斷面參數進行優化。由于該區段線形線位狀況較好，平面參數中僅對曲線樁點里程進行調整，縱斷面參數保持不變。優化前后線路平面參數見表1。曲線方向左偏右偏是面向大里程而言。

現場由于受供電設備、開通條件等因素限制，制定起撥道量調整方案時單次起道量不超過30 mm，撥道量不超過15 mm。為保證作業效果，基本起道量為10 mm。現場搗固起撥道量調整方案如圖2所示。

圖2 現場搗固起撥道量調整方案

2.2 作業效果分析

目前，我國鐵路工務部門主要采用軌道質量指數（track quality index，TQI）、不平順指標幅值［11］來量化精測精搗作業效果。

試驗段精搗作業前后各項不平順指標及TQI對比見表2。可知：精搗后試驗段TQI由8.61 mm降至5.04 mm，改善率為41.5%；七項不平順指標中軌向、高低改善率較明顯，在45.8%～55.0%；水平改善率39.8%，三角坑改善率為35.8%；軌距無明顯變化，這是因為搗固作業無法對軌距進行調整。

表2 試驗段精搗作業前后各項不平順指標及TQI對比 mm

試驗段精搗前后左軌不平順指標分布對比見圖3。以軌向、高低為例，精搗作業對軌道不平順的改善效果明顯，不平順指標分布范圍顯著變窄，整體向零線靠攏。左軌軌向絕對值的平均值由1.44 mm降至0.69 mm，降幅52.1%；左軌高低絕對值的平均值由1.07 mm降至0.53 mm，降幅50.5%。

圖3 精搗前后左軌不平順指標分布對比

3 車軌動力學性能仿真分析

3.1 模型的建立

采用動力學仿真方法，建立普速鐵路車輛與軌道動力分析模型。車輛模型由車體、構架、輪對和軸箱多個剛體組成。該車輛模型共有50個自由度，各剛體通過一系懸掛和二系懸掛相連。車輪采用LMA型車輪踏面，鋼軌采用60 kg/m軌，采用Kalker簡化滾動接觸理論計算輪軌蠕滑力和蠕滑力矩，采用Fastsim算法計算輪軌作用力。因僅分析精測精搗作業對運營普速鐵路列車運行安全性的改善效果，故未考慮軌道結構、基礎的影響。采用實測的搗固前后線路不平順作為激勵，仿真模擬車輛以160 km/h通過試驗段。

3.2 結果分析

精搗前后列車動力學性能指標對比見表3。表中數據均為各項指標絕對值。可知：精搗后脫軌系數、輪重減載率、車體振動加速度整體上均呈下降趨勢。脫軌系數最大值降幅達到40.0%，輪重減載率最大值降幅達到38.6%。車體橫向振動加速度最大值降幅達到80.5%，車體垂向振動加速度最大值降幅達到31.6%。

表3 精搗前后列車動力學性能指標對比

4 結論

1）結合京廣鐵路實際維修情況，提出了以多模式軌道測量和數字化搗固為核心的普速鐵路精測精搗作業方案。經工程驗證，精搗試驗段TQI改善率42%；軌向、高低、水平、三角坑不平順指標改善率在36%～55%。可見，該作業方案適用于運營普速鐵路日常養護維修。

2）動力學仿真分析結果顯示，精搗作業后脫軌系數、輪重減載率最大值降幅約40%，車體垂向振動加速度最大值降幅約31.6%，車體橫向振動加速度最大值降幅80.5%，有效改善了列車運行安全性。