武廣鐵路客運專線無砟軌道平順性評估

周全能,潘正風

(武廣鐵路客運專線有限責任公司咨詢項目部,武漢 430060)

1 概述

為保證高速列車在客運專線鐵路上運行的安全性,以及乘坐旅客的舒適度,高速客運專線的軌道必須具備高平順性和高穩定性。武廣鐵路客運專線無砟軌道全線以雙塊式無砟軌道為主。雙塊式無砟軌道施工是先逐段精確調整工具軌以固定軌道位置,再在鋪設長軌后進行軌道的精調。精確調整工具軌對保證軌道的平順性極為重要,因為這時軌道位置已基本固定,長軌所能調整的量是很小的(向下最大為4 mm,左右最大為8 mm),即便在可調的范圍內也要更換軌道扣件才能調整。無砟軌道的平順性,一方面依賴于建立高精度控制網和對軌道的精確測量,即在CPⅠ、CPⅡ和二等水準的基礎上,建立無砟軌道施工測量CPⅢ控制網,并利用高精度全站儀和軌道幾何狀態測量儀來測定軌道的幾何狀態,對軌道進行精確調整。另一方面需要根據軌道的幾何狀態測量數據對軌道平順性作出正確的評估,給出適合無砟軌道特點的軌道平順性評估方法。根據研究,軌道平順性不僅有短距離平順性(短波平順性)的要求,還有較長距離平順性(長波平順性)的要求。

2 無砟軌道初始不平順性產生的原因

無砟軌道的平順性應滿足短波平順性和長波平順性。一般來說,初始的短波不平順性和長波不平順性主要由軌道的測量誤差產生的。進一步的分析可以知道,軌道的短波不平順性主要是由一個測站測量軌道的誤差引起的,在兩個相鄰測站中間連接處的不平順性還與測站之間的相對誤差有關。軌道的長波不平順性主要是由CPⅡ和CPⅢ的點位誤差引起的。

(1)軌道短波不平順性與測量軌道誤差的關系

如圖1所示,A、B、C為同一測站測量的等間隔(5 m或10 m)的軌道點,點B作AC的垂線交點為D,則BD稱為矢高。軌道短弦的實際矢高與設計矢高不符(即矢高誤差)將產生軌道短波不平順性。為討論方便,假定線路方向和X坐標方向一致。

圖1 軌道短弦的矢高

由圖1可知,矢高誤差與A、B、C3點的y坐標誤差有關,假定三點的y坐標分別為ya,yb,yc,則矢高V為

轉換成真誤差關系式

換成中誤差關系式

假設各點的mya、myb、myc相等,并等于my,則矢高中誤差為

軌道點位由全站儀測量、軌道幾何狀態測量儀測量和調整來確定的,按等影響原則,由全站儀測量誤差產生的矢高的中誤差為

在軌道測量時,全站儀大致安置在AB方向線上,則全站儀測量產生的矢高誤差主要受方向誤差影響,則

由式(2)可知,短弦矢高的誤差與全站儀測量方向誤差和測量距離成正比,但與弦的長短無關。若全站儀測量方向中誤差小于2″,則所產生的短弦矢高誤差將不大0.5 mm。

(2)相鄰測站連接處軌道的不平順性與測站間相對橫向誤差的關系

假設由兩個相鄰測站測量軌道中間連接處的3個點分別為P11、P12、P13和P21、P22、P23(圖2),取測量點的平均位置P1、P2、P3來確定軌道位置。由圖2可看出,相鄰測站相對橫向誤差所產生的矢高誤差f等于相鄰測站相對橫向誤差的1/4。

圖2 測站相對橫向誤差對軌道矢高的影響

全站儀相鄰測站的相對橫向誤差所產生的矢高誤差也不應大于0.58 mm,因此,設站點相對橫向中誤差應不大于4×0.58 mm=2.3 mm。可見,若相鄰測站間相對橫向中誤差小于2 mm,則在連接處所產生的矢高中誤差將不大于0.5 mm。

(3)軌道的長波不平順性與CPⅢ點位誤差的關系

軌道的長波不平順性是以較長弦的矢高誤差來衡量的。相隔較長距離的軌道點是在不同的測站上測量的,而測站的位置是通過全站儀觀測周圍的一組CPⅢ點確定的。因此,軌道的長波不平順性主要決定于CPⅢ點組之間的相對誤差。

也即任意3個相鄰CPⅢ點(中間點到兩邊點的距離為150 m)的角度中誤差應不大于8″。這一要求實際上比相鄰測站間相對橫向中誤差小于2 mm的要求要低一些。

3 無砟軌道平順性的評估

由以上分析,軌道平順性是由軌道施工測量來保證的。但在無砟軌道鋪設時,只是依據高精度測量控制網對軌道進行逐段、逐點的測量和調整,而實際軌道能否滿足無砟軌道平順性的要求是不知道的。因此,在軌道鋪設調整后,需要測定軌道的幾何狀態對軌道平順性作出正確的評估。下面介紹幾種軌道平順性評估的方法。

(1)2 mm/10 m軌道短波平順性評估方法

2 mm/10 m軌道短波平順性評估方法如圖3所示,即10 m弦(P1～P3)中間軌向偏差(矢高設計值和實際值之差),時速大于250 km時不大于2 mm。下一評估段從P3開始,兩評估段之間沒有重迭。

圖3 不重迭2 mm/10 m軌道短波平順性評估(單位：m)

這種軌道短波平順性評估方法,適用于有砟軌道平順性評估,但缺少許多無砟軌道評估的數據,無砟軌道評估需要有每塊軌枕的設計矢高和實際矢高數據。因為,對于無砟軌道結構來說,每塊軌枕都有可能產生變形從而成為線路不平順的原因。而對有砟軌道結構,由于其剛度較無砟軌道小,使得有砟軌道不會在每塊軌枕處產生變形。

(2)重迭2 mm/10 m/20 m軌道短波平順性評估方法

如圖4所示,與2 mm/10 m軌道短波平順性評估方法不同的是,下一評估段從P2開始,兩評估段之間重迭10 m。這種軌道短波平順性評估方法也不能滿足每塊軌枕處有檢測數據的需要。

圖4 重迭2 mm/10 m/20 m軌道短波平順性評估

(3)2 mm/5 m/30 m軌道短波平順性評估方法

武廣鐵路客運專線無砟軌道平順性的評估方法采用德國2 mm/5 m/30 m軌道短波平順性評估方法,如圖5所示,這種軌道平順性評估方法可以檢查每一塊軌枕處的變形,滿足無砟軌道平順性的評估。30 m弦包含有49個軌枕(軌枕間隔為0.625 m),要求對P2至P48的每一軌枕處的矢高進行計算,按式(3)計算偏差dV,且不大于2 mm。下一評估段為P40～P88。

圖5 2 mm/5 m/30 m軌道短波平順性評估方法(單位：m)

(4)10 mm/150 m/300 m軌道長波平順性評估方法

10 mm/150 m/300 m軌道長波平順性評估方法,其計算原理與2 mm/5 m/30 m軌道短波平順性評估方法相同。

4 結論

客運專線無砟軌道鋪設必須進行高精度的施工測量,使軌道位置滿足平順性的要求。為無砟軌道鋪設施測的CPⅢ控制網,必須滿足相鄰設站點的相對橫向中誤差(軌向偏差)小于2 mm。由全站儀測量軌道,測量距離不大于70 m,方向中誤差小于2″。

無砟軌道平順性評估應有每一軌枕處的設計矢高和實際矢高,檢查每一塊軌枕。因此,無砟軌道平順性評估宜采用2 mm/5 m/30 m軌道短波平順性評估方法和10 mm/150 m/300 m軌道長波平順性評估方法。

[1] 李青岳,陳永奇主編.工程測量學(修訂版)[M].北京：測繪出版社,1995．

[2] 鐵建設[2006]189號，客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規定[S]．

[3] 武廣鐵路客運專線咨詢聯合體.專題咨詢報告(SCR—ST039)[R].武漢：武廣鐵路客運專線咨詢項目部,2009．