板式無砟軌道底座板頂面高程及平整度控制的新方法

李　強(qiáng)　王明剛

(中鐵四局五公司技術(shù)中心， 江西九江　332000)

板式無砟軌道主要應(yīng)用于客運(yùn)專線和高速鐵路，由混凝土支承層或鋼筋砼底座板、CA砂漿層、預(yù)制軌道板、鋼軌和扣件等四大部分組成。在板式無砟軌道施工中，底座板頂面高程及平整度控制直接影響CA砂漿層的厚度。如CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)CA砂漿層厚度設(shè)計(jì)要求為2～4 cm之間，如果底座板頂面高程測(cè)量控制不到位，會(huì)造成砂漿厚度超出設(shè)計(jì)規(guī)定，導(dǎo)致底座板返工現(xiàn)象。這種情況在京滬、京石、石武等高速鐵路施工中曾經(jīng)造成大量的整修工作，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)诱`工期，對(duì)施工單位造成不良影響。

目前，在國內(nèi)無砟軌道施工中，底座板頂面高程施工控制采用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量方法來控制模板高程，再利用亂尺或掛線法來找平整個(gè)頂面，人工工作量很大，效率較低，且成本較高。研究一套新穎、快捷、精確、智能化控制底座板頂面高程的測(cè)量方法是施工單位必須研究的課題。

1　傳統(tǒng)測(cè)量方法

底座板頂面高程控制傳統(tǒng)的測(cè)量方法一般采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量。測(cè)量步驟：

①在已知水準(zhǔn)點(diǎn)上立尺，電子水準(zhǔn)儀測(cè)讀并記錄數(shù)據(jù)(h1)，為后視點(diǎn)水準(zhǔn)視線高；②儀器設(shè)置為中間點(diǎn)測(cè)量模式，在待測(cè)的模板頂上(或檢測(cè)的底座板頂面)上立尺，電子水準(zhǔn)儀測(cè)讀并記錄數(shù)據(jù)(h2)，為中間觀測(cè)點(diǎn)水準(zhǔn)視線高；③中間觀測(cè)點(diǎn)(待測(cè)點(diǎn))的高程計(jì)算：H待測(cè)=H已知+h1-h2。

2　底座板頂面高程控制新方法

底座板頂面高程測(cè)量新方法是集全站儀自動(dòng)跟蹤三維測(cè)量技術(shù)、無線電臺(tái)控制技術(shù)及超聲波非接觸測(cè)量技術(shù)于一體的先進(jìn)測(cè)量技術(shù)。測(cè)量系統(tǒng)主要由全站儀和測(cè)量標(biāo)架組成。

其測(cè)量原理是：①利用周圍的2～3對(duì)CPⅢ點(diǎn)進(jìn)行自由建站，解算得到建站點(diǎn)的三維坐標(biāo)；②全站儀跟蹤測(cè)量標(biāo)架上的棱鏡，解算得到測(cè)量標(biāo)架上棱鏡中心位置的三維坐標(biāo)；③測(cè)量標(biāo)架上的傾斜傳感器測(cè)量標(biāo)架的傾斜角，測(cè)量標(biāo)架上的超聲波傳感器測(cè)量底座板頂面(砼面)至標(biāo)架橫梁中心的垂直距離；④通過無線電臺(tái)將全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至安裝在測(cè)量小車上的控制器(電腦)，同時(shí)傾斜傳感器和超聲波傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送至控制器；⑤控制器將接收的測(cè)量數(shù)據(jù)通過預(yù)裝的測(cè)量軟件及線形數(shù)據(jù)，分別計(jì)算出觀測(cè)斷面處的里程和觀測(cè)斷面各點(diǎn)的設(shè)計(jì)高程，同時(shí)結(jié)合測(cè)量小車各部位結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算出觀測(cè)斷面各測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際高程，以及實(shí)際高程和設(shè)計(jì)高程之差值(如圖1、圖2所示)。

圖1　底座板頂面高程測(cè)量新方法原理(全站儀三維測(cè)量)

圖2　底座板頂面高程測(cè)量新方法原理(超聲波測(cè)量)

3　測(cè)量標(biāo)架的結(jié)構(gòu)組成

測(cè)量標(biāo)架是底座板高程測(cè)量新方法應(yīng)用中的核心部分，定位棱鏡、標(biāo)架姿態(tài)檢測(cè)的傾斜傳感器、相對(duì)距離測(cè)量的超聲波傳感器、標(biāo)架行走滑輪以及數(shù)據(jù)控制器均安裝在標(biāo)架上，元件之間的幾何位置關(guān)系均進(jìn)行精細(xì)測(cè)量和精密加工制造，具體組成如圖3所示。

圖3　底座板高程程測(cè)量標(biāo)架結(jié)構(gòu)

4　底座板頂面實(shí)測(cè)高程計(jì)算方法

測(cè)量標(biāo)架放置在需要測(cè)設(shè)的底座板頂面上任一位置，通過全站儀測(cè)量標(biāo)架上的棱鏡坐標(biāo)、棱鏡中心與標(biāo)架各測(cè)量元件之間的幾何關(guān)系以及傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)，即可計(jì)算出被測(cè)頂面處的實(shí)際高程，因測(cè)量標(biāo)架上安裝了四個(gè)超聲波傳感器，這里僅以其中一個(gè)傳感器的位置計(jì)算一個(gè)點(diǎn)位的實(shí)測(cè)高程(如圖4)。

圖4　底座板頂面實(shí)測(cè)高程計(jì)算示意

P為棱鏡中心位置，其三維坐標(biāo)由全站儀自由建站精確測(cè)得，設(shè)為P(X0、Y0、Z0)，Z0即為棱鏡中心的高程(測(cè)量值)；

Q為底座板上被測(cè)量的高程點(diǎn)，即為其中一個(gè)超聲波對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，由標(biāo)架所架設(shè)位置而隨機(jī)產(chǎn)生，Q點(diǎn)位置的高程需根據(jù)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到，設(shè)為Zn(計(jì)算值)；

H0為棱鏡安裝高度(固定值)；

l0為超聲波傳感器安裝位置至棱鏡中心的距離(固定值)；

S為超聲波測(cè)量的距離，即待測(cè)量點(diǎn)Q至超聲波傳感器中心的距離(測(cè)量值)；

α為傾斜傳感器測(cè)量標(biāo)架的傾角(測(cè)量值)。

根據(jù)圖4中各觀測(cè)元件之間幾何關(guān)系及測(cè)量數(shù)據(jù)，可計(jì)算出待測(cè)底座板任意斷面處的高程，計(jì)算公式如下

b1=l0×tanα

(1)

b2=h0-b1=h0-l0×tanα

(2)

h1=(b2+s)cosα

(3)

Zn=Z0-h1=Z0-((h0-l0×tanα)+S)×cosα

(4)

5　底座板頂面高程測(cè)量新方法的優(yōu)點(diǎn)

(1)數(shù)據(jù)計(jì)算自動(dòng)化。數(shù)據(jù)控制器(電腦)中編制了線路計(jì)算程序和坐標(biāo)反算程序，通過軟件自動(dòng)計(jì)算出測(cè)量標(biāo)架任意位置處的設(shè)計(jì)高程，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算出對(duì)應(yīng)斷面處的實(shí)測(cè)高程，從而得到底座板頂面設(shè)計(jì)高程與實(shí)際控制高程之差值，減少了人工進(jìn)行大量數(shù)據(jù)計(jì)算的工作量，減少了人為因素出錯(cuò)的機(jī)率。

(2)高程測(cè)量自動(dòng)化。整個(gè)測(cè)量過程中全站儀會(huì)自動(dòng)跟蹤測(cè)量標(biāo)架上的棱鏡，無需人工瞄準(zhǔn)目標(biāo)，只需一人操作測(cè)量標(biāo)架，就能輕松快速地測(cè)量出底板任意位置的高程。

(3)一次就可測(cè)出一個(gè)斷面上的多個(gè)高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量“面”的新概念。通過安裝在測(cè)量標(biāo)架上多個(gè)超聲波感器(如圖5所示)，一次就能同時(shí)測(cè)量一個(gè)斷面上n個(gè)點(diǎn)位的高程，軟件將各點(diǎn)高程測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并與設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)反映該斷面頂面的平整度情況，指導(dǎo)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行及時(shí)修正。

圖5　測(cè)量底座板頂面平整度

(4)非接觸測(cè)量。采用了超聲波測(cè)量技術(shù)，混凝土在未凝固之前就能實(shí)時(shí)測(cè)量其頂面的高程，從而對(duì)高程控制不到位的部位及時(shí)進(jìn)行修整。

6　底座板頂面高程測(cè)量新方法的應(yīng)用前景

該測(cè)量技術(shù)不僅應(yīng)用于底座板施工過程的高程控制，還用于成形的底座板頂面高程檢測(cè)，同時(shí)在公路路面檢測(cè)、CPTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的箱梁預(yù)制時(shí)梁面平整度控制，以及防水施工前的梁面高程及平整度檢測(cè)驗(yàn)收等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

7　結(jié)束語

針對(duì)目前底座板施工工藝，本文闡述的快速測(cè)量新方法及整套測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用，特別是在底座板砼澆筑工序過程中、砼凝固之前，快速測(cè)量底座板上表面的高程偏差，為施工人員提供可視化準(zhǔn)確依據(jù)，通過及時(shí)的修整、收面來整改高程的偏差，將高程及平整度的控制放在凝固之前，避免等到軌道板鋪板前或精調(diào)時(shí)才發(fā)現(xiàn)高程誤差太大，需要對(duì)底座板進(jìn)行銑刨、打磨等整修施工，為施工單位帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。

本套系統(tǒng)集全站儀自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、非接觸檢測(cè)技術(shù)、無砟軌道設(shè)計(jì)文件、基于數(shù)字測(cè)量的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)于一體，形成一套使用輕巧方便的硬件和具有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、計(jì)算、顯示、存儲(chǔ)功能的軟件系統(tǒng)，快速、即時(shí)檢測(cè)、即時(shí)評(píng)估，為無砟軌道施工提供了一套專門的質(zhì)量控制設(shè)備，提高了施工效率，降低了施工成本，提升了板式無砟軌道施工的科技水平。

[1]徐忠陽.全站儀原理與應(yīng)用[M].北京：解放軍出版社，2003

[2]胡伍生，潘慶林，等.土木工程施工測(cè)量手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，1998

[3]鐵建設(shè)[2006]189號(hào) 客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測(cè)量暫行規(guī)定[S]

[4]科技基[2008]86號(hào) 客運(yùn)專線軌道集合狀態(tài)測(cè)量儀暫行技術(shù)條件[S]

[5]練松良.軌道工程[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2006