基于GRP1000的無砟軌道精調測量研究

郝亞東，趙 杰，樊廷春

（1.黃河水利職業技術學院，河南開封475003;2.開封市規劃勘測設計研究院，河南開封475000;3.菏澤市測繪研究院，山東菏澤274000）

一、引 言

隨著我國高速鐵路的快速發展，無砟軌道已成為高鐵鐵路中廣泛使用的新型軌道。軌道的任務是確保列車安全平穩，為了確保軌道的高平順性，滿足列車高速行駛安全性和舒適性的要求，需要對軌道進行精確調整。軌道精調的目的是控制軌道平面和高程位置的高精度和水平變化率，確保直線順直、曲線圓順、過渡順暢。因此，軌道幾何狀態應保持與列車運行相匹配的規定狀態。列車運行速度越高，軌道幾何形位允許偏差越小。傳統的軌道檢測工具已不能滿足檢測精度要求，使用現代檢測設備——軌檢小車測量軌道幾何形位勢在必行，其也是鐵路檢測工具現代化的重要標志之一。

二、基于GRP1000的無砟軌道精調測量原理及內容

1.GRP1000精調測量原理

GRP1000軌檢小車集電測傳感器、專用便攜式計算機等先進檢測設備和數據處理設備于一體，用于檢測靜態軌道的不平順性。其在檢測靜態軌道的不平順性時，能夠及時檢測軌道間距、軌道水平、軌道高低、軌道扭曲及軌向等軌道不平順參數，可廣泛應用于高速鐵路無砟軌道整道鋪設精度檢測。

GRP1000檢測小車測量系統主要由手推式軌檢小車和分析軟件包兩大部分組成。既可單獨測量軌道水平、軌距等相對結合參數，也可配合Leica TPS全站儀進行平面位置和高程的絕對定位測量。絕對定位是對線路起點到終點的兩條軌道的絕對坐標進行測量。采用絕對定位測量時，首先測量出兩條軌道起點、終點的絕對坐標;然后再測量軌道起點、終點及軌道上各觀測點的相對坐標;最后利用起點、終點的絕對坐標和相對坐標，采用坐標轉換把軌道上各觀測點的相對坐標轉化成絕對坐標，并根據測出的軌道實際值和軌道設計值求出軌道幾何形狀偏差量。絕對定位測量通過全站儀的自動目標照準功能并與GRP1000之間持續無線電通信來完成。軌道絕對定位測量結束后，軌檢小車的輸出系統能夠顯示軌道幾何位置的各種參數信息，作業人員可以有選擇地輸出所需要的軌道幾何位置的各種參數，并計算出軌道幾何形態偏差量，作為軌道精調的數據依據。GRP1000軌檢小車測量精度見表1。

表1 GRP1000軌檢小車測量精度

2.軌道精調測量內容及檢測方法

（1）軌道中線位置及軌面高程檢測

軌道中線位置和軌面高程的檢測，是對軌道線路工程質量狀況最基本的評價。軌道中線實際位置和軌面高程檢測時，實地測定軌道中線的絕對坐標和軌面的絕對高程，并與軌道中線和軌面高程理論值進行比較，求出它們的差值，計算出軌道幾何形態偏差量。幾何形態偏差量可以作為評價軌道鋪設質量好壞和精度高低的評定指標，如圖1所示。

圖1 中線位置測量示意圖

檢測方法如下:①用精密全站儀實測出軌檢小車上棱鏡中心的絕對坐標;②根據軌檢小車的定向參數、軌檢小車的幾何參數及其他參數計算該點的中線位置及軌面高程;③與該點處軌道中線和軌面高程理論值進行比較，求出它們的差值，計算出軌道幾何形態偏差量;④根據規范要求對軌道鋪設質量和位置精度評定。

（2）軌距檢測

軌距指兩股鋼軌頭部內側軌頂面下16 mm處兩作用邊之間的最小間距。我國高速鐵路標準軌距的規定值是1435 mm，如果軌道間距滿足不了規定值的誤差限定要求，車輛行駛過程會產生較強的振動。軌道間距誤差檢測方法有:① 軌距測量，使用軌檢小車上的軌距傳感器完成軌道間距測量;②誤差檢測，根據軌距傳感器測定的實際長度與軌距的理論長度比較，求出差值。如圖2所示。

圖2 軌距檢測示意圖

（3）水平（超高）檢測

高速列車通過曲線軌道時，由于離心作用，曲線外軌道受到強大的擠壓力，這種情況加速了外軌道的磨損，嚴重時還會擠翻外軌道致使列車側翻。解決離心作用的方法是在曲線軌道上設置外軌超高。對外軌超高鋪軌時需要進行檢測，檢測方法如下:①使用軌檢小車上的水平傳感器測定小車的橫向傾角;②根據兩軌道頂面中心間的間距，計算線路超高;③將實測超高與理論超高進行比較，求出差值，判定是否滿足規范限定誤差要求。軌道水平超高檢測示意圖如圖3所示。

圖3 水平(超高)檢測示意

（4）短波和長波不平順檢測

①短波不平順

假定軌枕間距為0.625 m，軌道采用30 m弦線，在30 m弦線上每5 m布設一對檢測點，兩支承點間距為0.625 m，它的8倍為5 m，等于兩檢測點的間距。短波不平順檢測如圖4所示。

圖4 短波檢測示意圖

圖4中，點 P1～P49為鋼軌支承點的編號，在30 m弦線上每任意一對檢測點間距均為5 m，如圖中P25與P33作為一對檢測點，進行軌向檢測，其短波不平順檢測可按下式計算

Δh=|(h25設計-h33設計)-(h25實測-h33實測|≤2 mm

由于在30 m弦線上鋼軌支承點P1(起點)與P49(終點)的正矢為零，故可檢測從P2(對應點P10)到P40(對應點P48)的軌向。下一個弦線則從最后一個支承點P48開始。

②長波不平順

軌枕間距為0.625 m，軌道采用300 m弦線，在300 m弦線上每150 m布設一對檢測點，兩支承點間距為0.625 m，它的240倍為150 m，等于兩檢測點的間距。長波不平順檢測如圖5所示。

圖5 長波檢測示意圖

圖5中的點P1～P481是鋼軌支承點的編號。P25與P265作為一對檢測點，進行軌向檢測，其軌向檢測按下式計算

由于P1(起點)與P481(終點)的正矢為零，故可檢測P2(對應點P242)到P240(對應點P480)的軌向。下一個弦線則從已檢測的最后一個點P240開始。

三、基于GRP1000的無砟軌道精調測量實施

1.GRP1000設置

（1）軌檢小車軟件設置

點擊軟件設置中的選項對話框，彈出一個界面，界面包括常規、通信、限差、測量數據、全站儀和斷面儀，其中前5個跟精調機有關。

（2）測量項目設置

每個工程項目都有設計的數據，精調機需要的數據有平曲線、豎曲線和設計超高信息。

平曲線需要4大樁坐標，當前點的“線型”取決于大里程方向的元素類型;緩和曲線需要輸入緩和曲線長度;圓曲線需要輸入半徑，沿著里程增大的方向右轉曲線半徑為正值，左轉曲線半徑為負值。

豎曲線需要曲線的半徑、變坡點的里程及高程信息，豎曲線上凸的半徑為正，下凹的半徑為負。超高輸入時只需輸入與平曲線對應點的里程和超高值，超高單位為m。

（3）讀取配置及超高校準

新建一個測量文件，建完以后需要進行超高校準。讀取小車配置信息并進行超高校準，小車重新組裝或發生碰撞，超高傳感器需要重新校準，校準完后如果想檢核超高傳感器的校準是否滿足要求，可按如下步驟操作:架設好全站儀且設站成功后，測量一個超高值;然后調轉小車再測量一次超高值，若正負相反，且絕對值之差在0.3 mm以內，則證明超高值是準確的，超高校準很好。

2.全站儀設站

1)全站儀設站采用后方交會完成。在設站時，為了保證設站精度，最好使用8個后視點進行，現場條件假如不能滿足8個后視點要求，最少必須保證有6個控制點能夠使用。X、Y、Z(高程)設站中誤差均應小于1 mm，方向中誤差小于2″。

2)為了保證軌道線形的平順性，下一區間采用后方交會法進行全站儀設站時，應保證所使用的后方交會控制點必須有4個點和上一區間重合。

3)與軌檢小車同向的控制點自由設站計算時是否棄用要謹慎。

4)將一個CPⅢ點當做水準點用水準儀復核軌面高程時，應使用自由設站，且應選用高程殘差最小的CPⅢ點。

3.軌道數據采集

設站完成就開始軌道精調數據采集，打開電腦的測量界面，根據軌道板上面的編號推小車，每次推0.65 m;然后點擊測量，自動記錄之后由電腦自動處理數據，全站儀距離小車大約60 m，因此每一站小車前進10塊板。

4.數據處理

使用軌檢小車自帶的軟件對所測數據進行處理。數據處理完畢后，輸出每一個扣件系統所在位置的鋼軌方向、高低、軌距、扭曲、水平等信息;用波形圖檢測不合格地段;用數據表來確定調整量，將需要調整的數據整理出來作為現場交接資料。

四、影響GRP1000無砟軌道精調測量精度的因素及控制措施

GRP1000軌檢小車作為檢測靜態軌道不平順的檢測工具，在檢測過程中由于受到各種因素影響，會產生各種各樣的誤差。為了保障高速列車運行安全、保證軌道的高平順性，在無砟軌道精調測量作業中要注意分析影響精度的因素及控制措施。

1.影響軌道精調測量的各種因素

影響軌道精調測量的主要因素有:控制點精度不夠;全站儀定位誤差;測量過程中的誤差，如太陽照射到測量桿或三腳架上造成的全站儀的誤差、測量過程受到其他施工作業的干擾、地面不穩等;全站儀沒有校準;最大目標距離超限(如100 m);測量過程中大氣折射的影響等。

2.誤差控制措施

選用高精度控制點，并進行定期復測;全站儀工作之前要適應環境溫度，定位后要進行檢核;觀測時使用測傘，防止太陽照射測桿或三腳架;合理安排施工，確保測量過程不受干擾;觀測時將全站儀安置在地面穩定的地;所有的全站儀都要定期校準以確保測量成果準確、可靠;目標距離嚴格控制在60 m以內;惡劣天氣條件下禁止作業。

五、結束語

無砟軌道精確調整測量是高鐵無砟軌道施工中的一個重要環節，也是施工測量人員面臨的一個新課題。結合我國高鐵施工實際，采用先進設備——GRP1000軌檢小車，借鑒國外先進技術和經驗，在無砟軌道新建和維修施工中推廣應用，可大大提高無砟軌道精確調整測量效率，降低軌道精確調整測量成本。

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