高速鐵路軌道幾何狀態(tài)控制指標(biāo)及檢測(cè)技術(shù)探討

王國(guó)祥 高 俊 盧建康

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031;2.成都四維縱橫測(cè)繪技術(shù)有限公司，四川成都 610072)

1 概況

高速鐵路軌道的平順性和空間位置包括軌距、軌向、高低、水平、扭曲等相對(duì)平順性指標(biāo)，以及軌道的平面、高程與設(shè)計(jì)值的偏差等，統(tǒng)稱軌道幾何狀態(tài)。其中軌向、高低通常采用30m弦短波及300m弦長(zhǎng)波不平順性指標(biāo)。

我國(guó)對(duì)軌道幾何狀態(tài)的測(cè)量研究，最初是為解決普通鐵路的軌道形位病害，采用的是相對(duì)測(cè)量方式的軌檢儀，測(cè)量效率雖高，卻不易解決測(cè)量精度和可靠性問(wèn)題，其測(cè)量精度不能滿足高速鐵路軌道平順性的要求。因此，京津、武廣、鄭西等最初建設(shè)的高速鐵路，主要依靠進(jìn)口設(shè)備，采用絕對(duì)測(cè)量模式進(jìn)行軌道幾何狀態(tài)的測(cè)量。隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的大規(guī)模實(shí)施，國(guó)內(nèi)開始生產(chǎn)軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x并在高速鐵路建設(shè)中應(yīng)用。中鐵二院根據(jù)高速鐵路軌道精調(diào)需求，結(jié)合多年來(lái)在軌道精調(diào)作業(yè)中積累大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研制出了新型的軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)xSGJ－I－TEY－1，并形成了軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x的生產(chǎn)、驗(yàn)收和測(cè)量的企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)近幾年軌道精調(diào)作業(yè)的實(shí)踐發(fā)現(xiàn):目前軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x的有關(guān)技術(shù)性能和軌道精調(diào)作業(yè)控制指標(biāo)存在一些精度匹配不合理，指標(biāo)控制不到位，絕對(duì)測(cè)量和相對(duì)測(cè)量指標(biāo)區(qū)分不明確的現(xiàn)象，本文將通過(guò)一些工程實(shí)踐案例的分析，提出一些問(wèn)題和解決思路，以期提高軌道幾何狀態(tài)的檢測(cè)水平。

2 絕對(duì)測(cè)量軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)的基本原理

絕對(duì)測(cè)量型軌檢小車采集的原始數(shù)據(jù)信息包括:棱鏡中心的三維坐標(biāo)(X，Y，Z)，軌距值和超高值，如圖1所示。

圖1 絕對(duì)測(cè)量軌檢小車基本原理(單位:mm)

絕對(duì)測(cè)量軌檢小車根據(jù)上述三項(xiàng)原始采集數(shù)據(jù)，依據(jù)線路參數(shù)模型，先通過(guò)棱鏡的三維坐標(biāo)，計(jì)算出棱鏡位置里程，根據(jù)里程計(jì)算出理論的左軌頂、右軌頂、線路中心三維坐標(biāo)，然后根據(jù)軌檢小車的結(jié)構(gòu)參數(shù)(棱鏡高、棱鏡偏距)和實(shí)測(cè)的軌距、傾角，進(jìn)行連續(xù)投影計(jì)算(如圖1所示)，分別得到左軌頂、右軌頂、線路中心的實(shí)測(cè)坐標(biāo)，即可實(shí)時(shí)得到鋼軌的絕對(duì)偏差值。其余的平順性指標(biāo)，如軌向、正矢、高低、扭曲、軌距變化率等均由上述數(shù)據(jù)通過(guò)后處理軟件計(jì)算出來(lái)，且計(jì)算的基準(zhǔn)可自由設(shè)定，更便于鋼軌的模擬調(diào)整，對(duì)控制不同類型、不同時(shí)速軌道的質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。

3 關(guān)于軌道幾何狀態(tài)控制指標(biāo)的探討

我國(guó)軌道幾何狀態(tài)控制指標(biāo)如表1所示。

表1 高速鐵路軌道幾何狀態(tài)控制指標(biāo)

從表1可以看出，我國(guó)對(duì)高速鐵路軌道控制指標(biāo)比較嚴(yán)格，特別是關(guān)于相對(duì)平順性指標(biāo)，如軌向、高低、扭曲等。實(shí)際上，德國(guó)安伯格軌道檢測(cè)系統(tǒng)還有一項(xiàng)相對(duì)平順性指標(biāo):鄰點(diǎn)遞變率，其建議指標(biāo)為0.7 mm，而在我國(guó)規(guī)范中尚未規(guī)定。鄰點(diǎn)遞變率指相鄰兩點(diǎn)或固定基長(zhǎng)的軌向、高低變化率，與軌距變化率、扭曲相似。筆者在長(zhǎng)期軌道精調(diào)作業(yè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn):橫向和高程的鄰點(diǎn)遞變較易控制，出現(xiàn)較大值(＞0.6 mm/m)的情況非常少。出現(xiàn)較大值一般有兩種情況，一是短波軌向及高低超限或出現(xiàn)連續(xù)多波不平順(如圖2所示);二是數(shù)據(jù)異常(如圖3所示)。

圖2 連續(xù)多波不平順性波形

圖2和圖3是某線軌道精調(diào)作業(yè)的軌道平順性波形，從圖中可以看出:鄰點(diǎn)遞變的變化不大，但鄰點(diǎn)遞變差之差，離散度相對(duì)較大，控制好鄰點(diǎn)遞變差之差，對(duì)減少軌道的連續(xù)多波不平順性和分析異常數(shù)據(jù)很有幫助。圖3所示的軌道幾何狀態(tài)，僅從短波軌向、高低等指標(biāo)來(lái)看，并未超出表1的要求，但明顯存在軌道異常，或測(cè)量偏差。后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查實(shí)，該處為鋼軌連接處焊縫打磨不到位引起的。因此，完全根據(jù)表1的指標(biāo)，不通過(guò)鄰點(diǎn)遞變或鄰點(diǎn)遞變差之差，則無(wú)法從指標(biāo)上控制鋼軌可能存在的問(wèn)題。

由于筆者前期未收集到動(dòng)檢車橫向、垂向加速度的與該指標(biāo)的驗(yàn)證資料，無(wú)法進(jìn)行鄰點(diǎn)變化及鄰點(diǎn)變化差之差控制指標(biāo)與橫向、垂向加速度的相關(guān)分析，只能根據(jù)“鋼軌靜態(tài)連續(xù)多波不平順與動(dòng)檢晃車點(diǎn)相關(guān)性”有關(guān)文獻(xiàn)，并根據(jù)筆者積累的500余公里鋼軌靜態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)和國(guó)外控制指標(biāo)，建議對(duì)鄰點(diǎn)遞變和鄰點(diǎn)遞變差之差進(jìn)行控制，建議指標(biāo)如下。

橫向、高程鄰點(diǎn)遞變:±0.6 mm/m;

鄰點(diǎn)遞變差之差:±0.4 mm。

圖3 異常數(shù)據(jù)波形

4 目前軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

筆者對(duì)武廣、京滬、石武、京石、廣深港等線路的軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)情況進(jìn)行了跟蹤分析，除發(fā)現(xiàn)控制指標(biāo)不足的問(wèn)題外，還發(fā)現(xiàn)軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x使用中的一些問(wèn)題，并未在相關(guān)規(guī)范及要求中提及，這些問(wèn)題將可能影響到最終的軌道平順性和動(dòng)檢效果。

4.1 關(guān)于軌檢小車檢定問(wèn)題

軌檢小車是用于軌道幾何狀態(tài)測(cè)量的主要設(shè)備，屬于計(jì)量設(shè)備，JJG(鐵道)191—2006《鐵路軌道檢查儀檢定規(guī)程》，也充分說(shuō)明軌檢小車應(yīng)納入計(jì)量設(shè)備的管理。但在軌檢小車的使用過(guò)程中，軌檢小車并未按計(jì)量設(shè)備的有關(guān)要求，嚴(yán)格進(jìn)行周期檢定或使用前檢定，多數(shù)廠家只在出廠前進(jìn)行了檢定，提供的普通檢定臺(tái)也僅能進(jìn)行軌距和水平(超高)的檢校。圖4為某線軌檢小車上道前室外檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)。

圖4 某線軌檢小車上道前室外檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

該檢測(cè)結(jié)果充分表明:由于長(zhǎng)途運(yùn)輸、搬運(yùn)、使用磨損等客觀情況均有可能對(duì)軌檢小車的測(cè)量精度產(chǎn)生較大影響，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)軌檢小車的測(cè)量偏差，軌檢小車的測(cè)量結(jié)果將不能真實(shí)反映軌道的幾何狀態(tài)。筆者曾用一臺(tái)新的軌檢小車和一臺(tái)舊軌檢小車進(jìn)行過(guò)對(duì)比測(cè)試(未做任何參數(shù)調(diào)整)。測(cè)試時(shí)氣象條件良好，全站儀做完自由設(shè)站后，保持不動(dòng)，僅更換軌檢小車，在同一軌道上推行，其平順性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 同一軌道新舊軌檢小車檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

僅從表2的結(jié)果來(lái)看，新舊軌檢小車的結(jié)果相似度非常高，其波形圖也非常一致(如圖5所示)。

圖5 同一軌道新舊軌檢小車檢測(cè)波形圖對(duì)比

圖5所示兩臺(tái)軌檢小車的波形圖重合度很高，但在高低的絕對(duì)偏差上存在明顯的系統(tǒng)差，說(shuō)明兩臺(tái)軌檢小車所測(cè)同一位置的高程值不同，后用水準(zhǔn)儀對(duì)該段軌道進(jìn)行了10個(gè)承軌槽的測(cè)量，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 采用水準(zhǔn)儀與軌檢小車檢測(cè)軌頂高差值比較

從表3的驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，新舊軌檢小車均與水準(zhǔn)測(cè)量成果存在系統(tǒng)偏差，除去水準(zhǔn)尺安置軌頂?shù)钠?該偏差約1 mm)，和全站儀自由設(shè)站與幾何水準(zhǔn)的偏差外，新舊軌檢小車的高程存在著明顯的系統(tǒng)差。經(jīng)檢測(cè)，舊軌檢小車結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生了變化，其走行輪系統(tǒng)、棱鏡安裝位置等均存在著較明顯的磨損，修正后，兩臺(tái)軌檢小車的高程值符合度大大提高。

以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果及測(cè)試結(jié)果說(shuō)明:軌檢小車使用前按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行一致性、重復(fù)性檢定十分必要。按國(guó)家計(jì)量器具技術(shù)監(jiān)督的一般規(guī)定，計(jì)量器具應(yīng)在一定周期內(nèi)進(jìn)行檢定或校正，如全站儀必須每年進(jìn)行一次檢定。考慮到軌檢小車使用的特殊性，建議在軌檢小車上線前進(jìn)行一次全面的檢定，并在使用過(guò)程中按一定周期(如3天或5天)，使用輔助工具(0級(jí)道尺或廠家提供的簡(jiǎn)易標(biāo)定器等)，對(duì)軌檢小車進(jìn)行校驗(yàn)，確保軌檢小車的測(cè)量正確性，特別對(duì)于購(gòu)買時(shí)間較長(zhǎng)，保養(yǎng)不善的軌檢小車，更應(yīng)注意小車的正確性校驗(yàn)。

4.2 關(guān)于軌檢小車測(cè)站間搭接處理

相關(guān)規(guī)范對(duì)軌檢小車進(jìn)行軌道幾何狀態(tài)測(cè)量的要求，比較簡(jiǎn)單，僅對(duì)測(cè)量距離、測(cè)量步長(zhǎng)、換站搭接的長(zhǎng)度進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明，并未規(guī)定搭接數(shù)據(jù)的處理方式，因此不同廠家采用了不同的處理方式。

(1)現(xiàn)場(chǎng)搭接方式

在全站儀換站采集時(shí)就進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)搭接，使一個(gè)里程僅有一個(gè)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，并未進(jìn)行搭接后處理。由于現(xiàn)場(chǎng)搭接僅能對(duì)搭接區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行搭接，并未考慮搭接區(qū)段的前后延續(xù)，往往會(huì)造成波形圖和平順性指標(biāo)的失真，特別對(duì)于換站偏差較大的數(shù)據(jù)，可能產(chǎn)生誤分析。圖6所示是某線的一處換站搭接區(qū)段波形圖，軌向和高低均存在較明顯的軌道不平順，且存在明顯的前后區(qū)段整體差異。經(jīng)核查為換站后搭接偏差影響，橫向搭接偏差1.7 mm，高程搭接偏差2.9 mm。

圖6 換站搭接區(qū)段波形

(2)后處理搭接方式

全站儀換站，不進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)搭接，將同一里程在前后兩站的數(shù)據(jù)全部記錄。因此，搭接區(qū)同一里程點(diǎn)有兩組數(shù)據(jù)，在后處理計(jì)算時(shí)，再進(jìn)行搭接處理，以下是兩個(gè)搭接后處理方式。

分開處理:分開處理是在波形圖的處理上進(jìn)行分開處理，即將搭接區(qū)的數(shù)據(jù)分別與搭接區(qū)前段或后段組成波形圖，使搭接區(qū)分別與前段或后段組成完整區(qū)段進(jìn)行平順性分析。平順性指標(biāo)則按選擇的搭接處理方式進(jìn)行處理，使檢測(cè)區(qū)段的平順性數(shù)據(jù)得以延續(xù)和統(tǒng)一。

綜合處理:綜合處理就是將波形圖和平順性指標(biāo)進(jìn)行綜合處理，將搭接前后的曲線均在波形圖上顯示出來(lái)，平順性指標(biāo)對(duì)應(yīng)搭接后數(shù)據(jù)。對(duì)于個(gè)別因搭接偏差較大產(chǎn)生的平順性指標(biāo)超限問(wèn)題，可在波形圖上得到驗(yàn)證，并可根據(jù)搭接前數(shù)據(jù)波形圖對(duì)軌道平順性進(jìn)行評(píng)估。目前看來(lái)，筆者認(rèn)為該搭接處理方式為最佳方式，能有效處理搭接區(qū)段平順性問(wèn)題(如圖7所示)。

圖7 搭接區(qū)綜合處理波形

以上數(shù)據(jù)分析說(shuō)明:對(duì)搭接區(qū)數(shù)據(jù)采用不同的處理方式，將直接影響對(duì)軌道平順性的評(píng)估結(jié)論。目前，相關(guān)規(guī)范未明確規(guī)定測(cè)站間搭接處理方式，筆者通過(guò)大量的工程實(shí)踐認(rèn)為:波形圖加平順性指標(biāo)的綜合處理搭接方式效果較好。建議相關(guān)部門對(duì)測(cè)站間搭接技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究、分析，并在相關(guān)規(guī)范中明確搭接處理方式，以保證軌道平順性在換站搭接區(qū)的一致性。

4.3 關(guān)于軌檢數(shù)據(jù)的整體處理

軌道精調(diào)原則中有“先整體、后局部”的要求，但在實(shí)際操作過(guò)程中，此原則往往存在理解不到位的情況，一些施工單位在軌道精調(diào)時(shí)一般僅按日前數(shù)據(jù)分析，忽視了對(duì)軌道整體數(shù)據(jù)的把握。如圖8所示軌道，僅從平順性指標(biāo)來(lái)看，均基本滿足表1的要求，但按“先整體，后局部”的原則來(lái)看，框內(nèi)區(qū)域(約150m)應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，否則根據(jù)動(dòng)檢車測(cè)量原理分析，該區(qū)域?qū)⒖赡軐?dǎo)致垂向加速度偏大。如不進(jìn)行整體把握，僅就小區(qū)域來(lái)看，不便于發(fā)現(xiàn)此軌道的平順性問(wèn)題。

由于一些施工單位忽視“軌道的整體平順性”，缺乏對(duì)軌道幾何狀態(tài)的整體評(píng)估，造成較大隱患，導(dǎo)致后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作不易開展，建議增加軌道幾何狀態(tài)的評(píng)估工序，按整體到局部的方式，對(duì)軌道幾何狀態(tài)進(jìn)行全面的質(zhì)量監(jiān)控。

圖8 大區(qū)段鋼軌精調(diào)整體分析波形

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)在軌道幾何狀態(tài)測(cè)量過(guò)程中，建議增加“橫向、高程鄰點(diǎn)遞變”控制指標(biāo)，以期減少連續(xù)多波不順對(duì)脫軌系數(shù)TQI的影響，并發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。

(2)在使用軌檢小車進(jìn)行軌道幾何狀態(tài)測(cè)量前，建議按計(jì)量設(shè)備管理要求，對(duì)軌檢小車的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能進(jìn)行檢定，確保軌檢小車采集數(shù)據(jù)的真實(shí)和可靠，并在使用過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)軌檢小車性能指標(biāo)的檢驗(yàn)。

(3)由于絕對(duì)測(cè)量的軌檢小車不可避免的存在全站儀換站問(wèn)題，在處理?yè)Q站數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)注意不同處理方法對(duì)分析結(jié)果的影響，以避免誤分析和誤調(diào)整。建議相關(guān)規(guī)范明確換站搭接處理方式。

(4)對(duì)軌道幾何狀態(tài)的評(píng)估，應(yīng)有整體觀念，先從整體上使軌道相對(duì)平順性，再解決局部的平順性指標(biāo)問(wèn)題，建議建立鋼軌精調(diào)評(píng)估機(jī)制。

［1］科技基［2008］86號(hào) 客運(yùn)專線軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x暫行技術(shù)條件［S］

［2］科技基［2008］182號(hào) 客運(yùn)專線軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x暫行技術(shù)條件檢測(cè)實(shí)施細(xì)則［S］

［3］TB10601—2009 高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范［S］

［4］鐵建設(shè)［2009］674號(hào) 高速鐵路無(wú)砟軌道工程施工精調(diào)作業(yè)指南［S］

［5］王志堅(jiān)，劉彬．武廣鐵路客運(yùn)專線無(wú)砟軌道精調(diào)關(guān)鍵技術(shù)［J］．鐵道建筑，2010(1):1-6

［6］左玉良．軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究［D］．上海:同濟(jì)大學(xué)，2007