地鐵營業線幾何線形病害整治全過程測量技術應用研究

管新權

（中鐵四局集團有限公司第八工程分公司，安徽 合肥）

隨著城市軌道交通的持續發展，列車運行過程中對速度及舒適性的追求逐步突出。但早期建設線路受限于修建時的技術水平及長久以來的撥道式維保，其軌道幾何姿態均出現了不同程度的病害，直接影響列車運行安全性、平穩性和舒適性[1]，對城市軌道整體形象產生了一定的負面影響。

早期建設地鐵線路存在控制網缺失，既有線路嚴重偏離設計線形，維修改造施工天窗點時間緊、任務重。針對維保作業對測量任務的需求，諸多人員已進行了一系列探索。王鵬，潘正風[2]在深入研究控制網與軌道平順性的關系后，提出要嚴格把控CPⅢ點位精度。張登科等[3]發現在較差的軌道幾何狀態下，列車引起建筑物室內振動明顯增加。楊成寬[4]利用GEDO CE 軌道檢測系統進行軌道檢測及精調施工，薛卓鵬[5]研發了基于卡爾曼濾波技術的組合測量系統，有效提高了檢測精度。然而，針對控制網缺失、需重建幾何線形數學模型的全過程測量控制技術有待開展深入研究。

本文為適應早期營業線路整治施工對高精度、高效率、智能化技術的迫切需求，研究了獨立空間兩級控制技術，開發三維幾何線形擬合系統，并貼合現場施工需求，提出一套線形病害整治施工測量控制方法。

1 獨立空間兩級控制技術

傳統地下空間控制網測量方案，首先需要對地面控制網進行復測，再做聯系測量，將地面控制點引至地下空間后，再進行區間貫通測量，最后測設任意設站控制網。相對于無聯測需求的獨立線路地下空間，整套技術程序復雜、存在工作量冗余，可以在兼顧效率和精度方面進一步優化。

1.1 首級控制技術

在原單導線的基礎上，優化形成附帶第三邊檢核的單導線測量技術（見圖1）。本技術將每個測站向前后各延伸一條觀測邊，進行每點連續觀測，構建了第三邊檢核條件，觀測時可以有效控制不同測站間方位角和邊長綜合變形值，避免誤差累積。以AB 作為起算邊，并依次推定后續控制點坐標，通過增加檢校，實現對導線測量數據結果的可靠保證，導線測量技術要求詳見表1。

圖1 附帶第三邊檢核的單導線測量技術示意

表1 附帶第三邊檢核的單導線測量技術要求

考慮投影變形導致的數據偏差，參考《城市軌道交通工程測量規范》（GB/T50308-2017）限差要求，在邊長及高斯投影變形的綜合值大于15 mm/km 時，采用抵償高程面建立配套獨立城市坐標系統。同時，在測量過程中，將每段控制網長度控制在2 km 以內，以弱化投影綜合變形值對于數據成果的影響。

高程首級控制網測設方面，將平面點與高程點合用，并以二等水準測量為標準進行往返觀測，首級控制網中高程控制測量精度要求詳見表2。

表2 水準測量技術要求

1.2 任意設站控制網測設技術

任意設站控制網測設按照《城市軌道交通工程測量規范》（GB/T50308-2017）進行控制（見圖2）。

圖2 任意設站控制網

為保證控制網在獨立坐標系下的穩定性，需要增加兩個控制指標：（1）考慮約束平差成果中尺度K 值；（2）導線網坐標結果與任意設站控制網起算點的三參數轉換坐標差值應小于10 mm，以上兩個指標可驗證獨立空間兩級控制網狀態的穩定性。

2 三維幾何線形擬合系統

2.1 系統設計

為實現幾何線形病害數據處理自動化，研發3D track line fitting system（以下簡稱TLFS 系統）。本系統以Visual Studio 2017 為開發平臺，基于.Net Framework4.6 框架，采用C＃語言進行開發，能夠適配于Windows7 以上系統版本，除安裝過程需要進行激活外，系統使用全過程無需網絡連接。

TLFS 系統包含數據錄入及預處理、軌道幾何線形擬合、軌道調整方案生成及顯示輸出三大模塊，實現了外業數據一鍵導入、參數自定義及數據自動化處理。

2.2 核心功能

TLFS 系統以基于三維散點集的空間線形曲線擬合優化技術為核心，根據間接平差原理，以正交最小二乘為準則，針對性構建空間曲線參數預估模型見式（1）、式（2）。

以空間曲線參數預估模型為核心，對現場采集數據進行幾何參數估計，擬合出局部最優軌道幾何線形，并利用迭代算法求取全局最優幾何線形，并以此線形基準自動生成病害維修整治方案。

3 技術應用

3.1 工程概況

本文依托武漢地鐵1 號線頭道街站～黃浦路站上行線開展研究，為標準“兩站一區間”，共計1.218 km。該段線路隨服役年限的不斷延長，幾何線形病害發展逐步加劇，現階段采取的線路調整、加強等措施不能從根本上解決問題。為了提升線路質量，預控可能的安全風險，現階段正有計劃地實施線路維修改造工作。

3.2 控制網測設及軌道數據采集

采用獨立空間兩級控制技術，首先詳細收集線路相關資料、安排實地踏勘，并完成控制網點位埋設；接著分別成立導線組及水準組，同步構建軌道首級控制網；最后在首級控制網的基礎上，測設軌道任意設站控制網。

采用鐵四院SYADJ 平差軟件進行控制網平差，平面網相對精度K=1/136 816＜1/35 000，水準線路高差閉合差為0.64 mm＜ ±8 L=9.17 mm，任意設站控制網精度指標詳見表3，由此可看出，本文所述測量方法的各項平差指標精度均遠高于規范要求，能夠適用于現場施工。

表3 任意設站控制網平面約束網平差后的精度要求

在任意設站控制網基礎上，以TS60 全站儀自由設站，實時定位軌道幾何狀態測量儀絕對位置，實現每枕木位置軌道狀態多維度數據的高精度采集。測量全過程主要儀器配置見表4。

表4 主要測量儀器設備配置

地鐵營業線運營期天窗時間一般為3 h，控制點打孔埋設效率為0.4～0.5 km/天窗點，首級控制網測設效率為1～1.5 km/天窗點，任意設站控制網測設效率0.7～0.8 km/天窗點，0.5～0.6 km/天窗點。根據天窗點調度安排，從踏勘至數據采集完成共計2 周，共采集1 898 個軌道狀態數據。

3.3 線形擬合

采用具有自主知識產權的TLFS 系統，建立項目文件，將GRP 1000 外業測量數據導出后傳入本系統，設置誤差探測及擬合優化參數后，以調整量最小為準則自動擬合出的最優三維軌道線形，相關調整量結果及設計線形可輸出顯示（見圖3）。

圖3 TLFS 系統

以擬合優化幾何線形為基準，自動計算現狀軌道調整量。經統計，平面調整量＜2 cm 點位1 815 個，占比95.6%，高程調整量＜2 cm 點位1 699 個，占比89.5%（見圖4）。

圖4 平面（左）及高程（右）調整量

3.4 幾何線形病害整治施工測量

調整量方案復核無誤后，測量人員將調整量數據標記在對應位置鋼軌面上，再根據調整量的大小，分區段針對性地進行扣配件調整、枕木擴孔及道床鑿除改造施工。病害整治全過程需保持全站儀自由設站，實時進行作業指導及復核，最終以相對小車采集數據，進行軌道平順性評估（見圖5）。

圖5 幾何線形病害整治施工測量

4 結論

獨立空間兩級控制技術加強了獨立控制網導線的內部穩定性，減少了單導線無法對中間測點提供有效約束的問題。由于不與地面控制網聯測，可以避免打開地鐵運營車站上蓋，有效降低測量成本，同時減少了地面控制網和聯系測量的誤差傳遞。該方法適用于地下單線隧道內施測，相對普通單導線，測量精度大大提高；相對隧道雙導線，空間需求更低，布點位置也更加靈活。

開發的三維幾何線形擬合系統，其數學模型嚴謹可靠，能夠極大程度上減少內業處理過程中對人的依賴性，推進了維保施工數字化建設，相對現有技術減少30%工作量，可在今后的運營期線路維修過程中推廣使用，但在系統的用戶交互、界面美觀及運算效率等方面仍有較大提升空間。