運營高鐵重點監測地段軌道變形測量評估分析方法

李 昊 唐浩耀 鄭旭東 陳 錚 譚社會 張獻州

(1.西南交通大學地球科學與環境工程學院，成都 611756； 2.中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071)

軌道是鐵路運輸的基礎，軌道的高平順性是列車能夠高速行駛的前提條件[1]。在高速鐵路運營期間，受自然環境變化、橋梁和路基的沉降、列車荷載以及鐵路周邊施工等因素的影響，導致軌道線形發生變化，致使列車左右搖擺和上下顛簸，影響列車運行的安全性、平穩性、舒適性[2]。為了使線路平順性滿足運營的需要，必須對軌道進行測量及養護維修。目前，眾多的學者對軌道平順性檢測展開了研究，董志國[3]等采用遞推測量法原理對軌道的不平順性進行檢測，給出了利用遞推測量法計算鐵軌高度方向上幾何量的具體算法。陳強[4]等提出基于車載近景攝影采集軌道數字圖像以檢測軌道線形的方法，該方法采用軌面移動平臺搭載數碼相機采集連續高分辨率數字影像，使用近景攝影測量空間解析幾何模型，平差解算軌道測點三維坐標。在運營期高速鐵路咨詢評估方法上，張宇昕[5]等提出了運營期高速鐵路重點地段綜合變形監測評估方法。黃雨微[6]等結合運營高鐵精測網復測與基礎變形監測項目，探討了運營高鐵精測網復測與基礎變形監測咨詢評估管理模式。但目前針對運營高鐵重點監測地段軌道變形測量評估分析方法的研究較少，且我國運營期高速鐵路軌道線形檢測具有復雜性、周期性、長期性等特點，因此，建立一套完整的運營高鐵受環境變化影響的軌道變形測量數據質量控制與變形分析的評估方法，更好地分析評價軌道幾何狀態，以滿足高速列車對軌道平順性的要求，是當前亟需解決的問題之一。

1 線形測量數據檢核內容及標準

高速鐵路線路是由路基、軌道、涵洞、橋梁和隧道建筑物等部分構成的整體工程[7]。線形是指鐵路中心線的空間位置，由線路平面和縱斷面上的直線及曲線組成。高速鐵路線路的中心線在水平面上的投影稱為線路平面，表示線路在平面上的曲直變化狀態。線路平面由直線段、緩和曲線段和圓曲線段構成。高速鐵路中心線沿鉛垂剖面縱向展直后所得的立面稱為線路縱斷面[8]，體現了線路的高低起伏情況。線路縱斷面由直線段和圓曲線段構成。

1.1 車載全站儀免置平設站軌道線形測量

目前運營鐵路工務部門運營維護中采用的軌道線形測量方式有4種模式：(1)車載全站儀慣導型軌道測量儀；(2)GNSS慣導型軌道測量儀；(3)里程計慣導型軌道測量儀；(4)掃描儀慣導型軌道綜合測量儀。其中，車載全站儀慣導型軌道測量儀是兼顧高精度與效率的“相對測量”和“絕對測量”在機械、電子、軟件、信息、功能等方面的一體化集成軌道測量方式[9]，該模式在進行軌道測量時，首先通過車載免置平全站儀自由設站測量，觀測沿線布設的4對CPⅢ控制點，見圖1，獲得軌道測量儀的絕對位置，并通過慣導系統獲取軌道測量儀的初始姿態[10]。當軌道測量儀獲得起始位置信息后，快速推動軌道測量儀前行，通過陀螺儀或慣導模塊采集線路相對軌跡，使用軌道絕對位置信息(即全站儀免置平設站成果，免置平設站間距為60～100 m)對線路相對軌跡進行約束，從而得整條線路每個軌枕處的絕對位置信息和軌道平順性信息。

圖1 車載全站儀慣導型軌道測量儀作業示意

利用全站儀進行自由設站時，自由設站點的精度及全站儀完成自由設站后，CPⅢ控制點的坐標不符值應滿足表1的要求[11]。

表1 全站儀自由設站點精度指標

1.2 軌道變形測量的內容及其精度評定

軌道線形測量是掌握高速鐵路軌道線形質量狀態的主要手段，也是指導鐵路線路現場養護維修的主要依據。根據測量方式的不同，線形測量可分為直接測量和間接測量[12]，直接測量數據包括依靠軌檢儀自身集成的距離、傾角傳感器，記錄軌道的軌距、水平(超高)，以及通過CPⅡ、CPⅢ等外部控制測量基準測量軌道的三維空間坐標。間接測量是以直接測量的成果為基礎，借助線路設計參數，通過數學方法計算獲得的，間接測量數據主要包括里程、中線偏差、軌面高程偏差、軌向、高低、扭曲(三角坑)等指標。

以上指標可以評價軌道平面及縱斷面的相對位置關系，并且為高速鐵路軌道的整正工作提供理論依據。TB10601—2009《高速鐵路工程測量規范》對高速鐵路平順性指標作了相應的規定[13]。對線形測量數據進行精度評定，評定的主要內容有外業測量數據的內幾何尺寸、外幾何尺寸、搭接精度等[14]。

內幾何尺寸主要包括編碼差、軌距粗差率、水平粗差率等，其中編碼差指編碼器采集的測點里程與計算出的測點里程之差的絕對值。軌距粗差率是指作業中軌距的均值與逐個測點的軌距值之差中粗差占總測點數的比例。水平粗差率是指作業中水平(超高)的均值與逐個測點的水平值之差中粗差占總測點數的比例。

外幾何尺寸主要包括最大間距、距離修正點、垂向修正點、橫向修正點等，其中最大間距是指在全站儀跟蹤測量期間，全站儀自動暫停時軌檢儀推行距離。距離修正點是指相鄰測點間距過大，在計算中對相鄰測點間距進行修正的點。垂向修正點指測點高程與附近測點趨勢不符，小波計算時進行垂向修正的測點。橫向修正點指測點平面與附近測點趨勢不符，小波計算時進行橫向修正的測點。

1.3 軌道不平順性

為科學有效的評價鐵路軌道的幾何質量狀態，我國鐵路部門通過對軌道實測數據進行數學統計計算，以此來對區段軌道質量狀態進行評價[15]。該方法充分利用待評價軌道區段范圍內所有樣點數據的指標特征值，對相應范圍內的軌道質量幾何狀態進行評價，是我國評價軌道不平順性的先進技術手段。

由于無砟軌道和時速200 km及以上有砟軌道鐵路平順性和軌道養護精調精度要求高，因此該類型的線路應進行軌道靜態平順性分析，對于采用軌道測量儀測量的時速200 km以下有砟軌道鐵路可根據需要進行軌道靜態平順性分析。目前我國動檢車軌檢主要采用軌道質量指數(TQI)來描述鐵路軌道的平順性，TQI通過計算200 m區段范圍內軌距、水平、扭曲、左右軌向和高低七項軌道不平順指標的標準差之和[16]，來綜合判定該區段范圍內的軌道平順性，TQI指數反映了200 m區段范圍內軌道的平順性，相應的TQI值越大，表明軌道平順性質量越差，對列車的運行安全越不利[17]。TQI計算公式為

(1)

(2)

(3)

針對不同速度的軌道線路，鐵路管理部門相應的設定了不同的TQI質量評價指標[18]，見表2。

表2 高速鐵路軌道靜態平順度允許偏差

平順性分析成果有利于工務部門評估線路的運行質量。無砟軌道鐵路線路復測主要以相對定位平順性檢測為主，絕對坐標主要用于評價線路的變形。

雙線并行地段上下行同斷面橫向及垂向偏差對比，對于分析線路結構的整體性及是否存在橫向差異沉降具有較為重要的作用，在重點段落還可進一步結合軌道控制網CPⅢ的建網和復測成果進行分析，通過多源數據對比以增加分析結果的可靠性。

2 軌道變形測量評估分析方法

針對區域變形重點監測地區、并涉鐵施工、大機搗固等復雜線路工況下鐵路局運營高鐵軌道變形測量數據質量控制與變形分析咨詢評估項目，結合多條線路的實踐經驗，全面系統的總結了一套行之有效的運營高鐵重點監測地段軌道變形測量數據質量控制與變形分析評估方法，其流程見圖2。

圖2 軌道變形測量評估分析流程

運營高速鐵路軌道線形測量作業具有安全壓力大、天窗時間短、質量要求高、數據處理快捷等特點。為此，積極運用信息化管理手段開展測量作業與數據分析，以更好地指導鐵路的養護維修生產，針對某鐵路局運營高鐵軌道變形測量數據質量控制與變形分析咨詢評估項目，開發了“運營鐵路技術咨詢評估服務平臺”，該平臺是集線形數據處理和數據管理于一體的服務平臺。平臺采用B/S系統結構，在瀏覽器中對軌道變形測量數據進行評估，平臺主要功能有工作完成統計、工程分段信息、兩遍數據比較、成果數據展示、作業數據管理、質量進度管理、作業評估結果等，見圖3。

圖3 作業成果數據展示

在測量項目部將線形數據傳至評估單位后，評估人員使用分配的賬號、密碼登錄“運營鐵路技術咨詢評估服務平臺”系統。登錄主界面后，點擊軌道線形監測中相應的項目類型，選擇相應工程，點擊作業數據管理，選擇作業數據上傳，進入作業數據上傳頁面；點擊導入數據，選擇線路類型(有砟、無砟)，填寫作業遍次，選取計算軟件生成的壓縮包，填寫操作日志，點擊保存，完成文件上傳。

評估結果頁面有本作業的分數和評估結果，數據成功上傳后，進入評估信息界面，查看作業評估結果、搭接信息、精度分析、建站精度分析等，見圖4。

圖4 作業評估結果

為進一步驗證軌道線形測量的精度，在利用平臺對線形數據評估的基礎上，結合前后數期軌道線形測量數據，對雙線并行地段上下行同斷面橫向及垂向偏差對比分析。同時，通過計算每200 m區段范圍內軌距、水平、扭曲、左右軌向和高低七項軌道不平順指標的標準差之和，得到該區段的軌道質量指數，以輔助評估軌道線形測量的精度。

3 案例分析

杭深線正線全長約360 km，設計時速250 km，沿線穿越海積平原及海灣灘涂地等大量不良地質帶，力學性質差，地質條件復雜。溫州鹿城環貿港項目選址位于杭深線甌江特大橋西側，里程K582+350～K582+700范圍內，為評估溫州鹿城環貿港項目施工過程中，對臨近鐵路帶來的影響，特對該線路K582+100～K582+900區段范圍進行線形監測，并對其大機搗固后的一期(2020年9月21日)線形測量數據進行質量控制和變形分析。

3.1 軌道線形檢測建站精度分析

在該期軌道線形測量任務中，上下行共完成19次全站儀自由設站。對全站儀自由設站點精度進行統計分析可知，所有全站儀自由設站的站心三維坐標中誤差均小于1 mm。對參與全站儀自由設站的CPⅢ控制點的坐標不符值進行統計可知，共有28個點參與平差計算，CPⅢ線路橫向不符值最大值為2.068 mm，共2個點超過限差；CPⅢ線路縱向不符值最大值為-4.584 mm，均在限差以內。因此，就整體而言，上下行不整平自由設站滿足精度控制的指標要求。

3.2 線形測量數據精度檢核

為檢核大機搗固后該段線形測量數據的精度，將原始線形測量數據導入運營鐵路技術咨詢評估服務平臺。數據上傳成功后，進入作業管理界面，查看作業評估結果、作業搭接結果、作業精度分析等。對該期上下行線形數據各項指標進行統計，見表3。

表3 上下行線形精度指標統計

由表3可知，該區段上下行線形測量數據滿足精度控制的指標要求。

3.3 軌道橫向及垂向偏差對比分析

為進一步說明軌道線形測量的精度，更好的反應大機搗固前后軌道線形的變化，結合該區段大機搗固前的一期(2020年6月17日)軌道測量數據和大機搗固后的兩期軌道測量數據(2020年9月21日期次和2020年11月4日期次)，并對三期上下行橫向及垂向累計變化量進行分析，見圖5、圖6。

圖5 大機搗固工程整治結果分析

由圖5、圖6可知，大機搗固前，上行線和下行線橫向累計變化量最大值分別為-36.51，-31.68 mm，垂向累計變化量最大值分別為-37.58，-37.21 mm；大機搗固后，2020年9月21日期次和2020年11月4日期次，該區段上行線和下行線橫向變化、垂向變化趨勢相近。由此可見，該區段在大機搗固前軌道橫向、垂向變化顯著，軌道幾何質量狀態較差，經過大機搗固后軌道線形質量得到明顯的改善，鄰近涉鐵施工未對區段軌道造成明顯影響，軌道線形狀態保持良好。

圖6 大機搗固工程整治結果分析

3.4 軌道平順性分析

軌道質量指數(TQI)一般由動檢車給出，由于未得到動檢TQI相關佐證數據，為了輔助說明大機搗固后軌道線形改善情況，這里利用大機搗固后軌檢儀三維監測的上行K582+093～K582+911、下行K582+103～K582+911段數據計算軌道質量指數(TQI)，得到每200 m區段左高低、右高低、左軌向、右軌向、軌距、水平、三角坑等七項軌道尺寸不平順指標的標準差及標準差之和即(TQI)，參考規范規定設計速度為200～250 km/h的軌道質量指數(TQI值應在8 mm內)，具體計算指數見表4。

表4 大機搗固后上下行軌道質量指數

由表4可知，該區段上下行TQI均在8 mm以內，可見經過線形維護后，線形較上次觀測線形平順性明顯改善。

4 結論

基于某鐵路局運營高鐵軌道變形測量數據質量控制與變形分析咨詢評估的實踐經驗，提出了一套完整的運營高鐵重點監測地段軌道變形測量評估分析方法。該方法首先利用運營鐵路技術咨詢評估服務平臺對原始線形數據進行建站精度和作業精度進行評估，待上述精度符合相應規范要求后，結合多期軌道線形測量數據，對雙線并行地段上下行同斷面橫向及垂向偏差對比分析，同時通過計算每200 m區段范圍內的TQI，以輔助分析軌道線形測量的精度。實驗結果如下。

(1)利用服務平臺對原始線形數據進行建站精度分析和作業精度分析合格后，計算該線路每200 m區段范圍內的TQI均在8 mm以內，結合雙線并行地段上下行同斷面橫向及垂向偏差對比分析，該區段軌道在大機搗固后，鄰近涉鐵施工未對區段軌道造成明顯影響，軌道線形狀態保持良好。

(2)提出的運營高鐵重點監測地段軌道變形測量評估分析方法，能夠有效分析評價軌道幾何狀態，為區域變形重點監測地區、涉鐵施工、大機搗固等復雜線路工況條件下保障高速鐵路運營安全提供技術支撐。