無砟軌道精密測量控制系統研究與應用

王暖堂

(中鐵十六局集團有限公司，100018)

一、前 言

隨著高速鐵路和城市軌道交通的不斷發展，以及城鎮化建設的推進，軌道交通已成為交通運輸的重要手段，為此將進一步加快軌道交通工程建設。目前，我國在高速鐵路方面已成為世界上系統技術最全、集成能力最強、運營里程最長、在建規模最大的國家。高速鐵路精密工程測量技術是高速鐵路成功建設的關鍵技術之一。高速鐵路建設與運營實踐驗證了我國高速鐵路精密工程測量技術標準的科學性、先進性、適用性和可靠性。為滿足高速鐵路安全、高速、舒適的要求，其軌道精調技術尤為重要與關鍵，精調質量好與壞，直接關系到旅客列車運行的安全性和舒適性，為軌道幾何尺寸保持持久、維修工作量少、經久耐用、綜合經濟效益等奠定基礎。因此，在無砟軌道施工時，如何提高無砟軌道精調技術指標與質量控制，對軌道交通運營安全和軌道結構的耐久性、使用壽命具有重要意義。

以高鐵和城市地鐵工程的軌道精密測量控制為依托，經過三年多的跟蹤調查與開發研究，結合近年來高速鐵路無砟軌道施工控制測量技術的現狀，針對無砟軌道施工控制測量中存在的問題及不足，展望高鐵和城市地鐵等工程領域軌道交通施工控制測量技術的應用前景，并進行技術創新和研究開發。研究開發了軌道施工中控制測量相關軟件，無砟軌道不同板型施工控制測量通用軟件，以及制作加工軌檢小車、工裝等測量元器件。為今后在軌道施工控制測量中有效利用既有測量儀器設備，發揮既有測量儀器設備作用，以減少測量儀器設備再投入，提供有效技術支持，大大節省成本。

二、技術路線及目標要求

1．研究目標及要求

無砟軌道主要由鋼軌、軌枕、扣件、水泥道床、道岔等部分組成。在高速鐵路無砟軌道施工過程中，通過采用高精度測量設備、高新測量技術和與之配套的數據處理技術，按照分級布網、逐級控制、統一布網、統一測量、整體平差的原則，構建了勘察設計、施工建造和運營管理各個階段的“三網合一”精密工程控制測量網，保證其坐標高程系統統一、起算基準統一，滿足高速鐵路各階段對于測量點位控制足夠精度和密度的需要，進而實現高速鐵路無砟軌道的高平順性、高穩定性，其研究目標如下:

1)主要針對無砟軌道不同板型和整體道床施工測量實際，研究開發無砟軌道和整體道床施工軌道精調技術，制作生產相應的軌檢小車、工裝元器件，開發軌道安裝施工中測量及相關數據采集計算處理軟件。

2)重點解決軌道安裝施工時，因趕工期所需投入軌檢小車較多，粗調周期長，影響軌道安裝施工工期。

3)結合城市軌道交通工程引入高鐵CPIII軌道安裝施工情況。生產加工相應工裝元器件及數據采集計算處理軟件。

2．技術路線與設計

1)調研高速鐵路精密工程測量技術，詳盡收集包括作業辦法、實施方案、技術標準等各個方面的相關資料;收集高速鐵路現行施工工藝、測量技術手段、軌道定位及調整等多方面的資料。

2)對收集的資料進行分析研究，設計高速鐵路無砟軌道精密測量技術的總體技術路線，并建立數學模型。

3)根據總體技術思路，結合既有高速鐵路的實際情況，開展軌道控制網的研究，研究其點位布設、外業觀測、精度控制標準、數據處理方法等多方面的內容。

4)研究采用自由設站邊角交會測量軌道控制網，自由設站能避免儀器對中誤差的影響，方式靈活、基準一致、精度均勻，能有效指導軌排精調及長軌精調各項精度。

5)研究開發軌道幾何測量儀(軌檢小車)和軌排粗調精調工裝、元器件及配套設備，提升無砟軌道粗調精度及軌道基礎控制網技術。

6)研究開發軌道幾何測量儀、工裝等相適應的通用軟件，適用于不同板型、軌排的軌道幾何測量。

7)研究開發高速鐵路無砟軌道長軌精調的新工藝。該工藝利用軌道精密測量儀及軌道基礎控制網實現，研究其組織實施、人員及材料配備、與其他施工環節的銜接、工效、扣件精確調整方法、效果分析等。

8)研究采用軌道精密測量儀進行軌排精調及長軌精調的作業方法，包括自由設站時的觀測點數、設站距離、站與站之間的搭接方式及其數據處理、軌排精調的作業技術標準及長軌精調的作業技術標準。

9)研究利用軌道基礎控制網復測對工程結構工后整體形變位移的變化情況進行分析，并采用軌道幾何狀態測量儀(軌檢小車)，對軌道三維幾何線形位置、軌道平順性以及整體道床隆沉情況進行監測。

三、技術原理及數學模型

1)鐵路軌道施工與其他道路線路施工方法類似，圍繞線路的線性設計正反算原理，配備相應工裝及數據采集計算軟件，實現被安裝的軌道設備在現場精確安裝就位。正算是依據設計提供線路上某個斷面點所在的里程，計算該斷面上相應點的坐標;反算就是以線路上某斷面點的坐標求得該點對應線路上的設計里程。

如圖1所示，鐵路線路施工就是將1號、2號鋼軌現場安裝就位，滿足一定幾何相對位置關系和線路設計要求，1號、2號鋼軌形成的整體幾何線形中心必須與設計線路同心，同時1號、2號鋼軌必須滿足一定的超高要求。為了安裝這個整體鋼軌設備，就需要用一定的測量手段來實現這項任務。

2)研究制作了的工裝，可以滿足這個線形幾何狀態鋼軌整體設備的就位。如圖2所示。圖中顯示的是1號鋼軌與2號鋼軌的一個橫截面圖形。1與2號線代表的是鋼軌頂端滿足1．435 m二根軌道間距的位置特征點。1'與2'點代表道尺棱鏡的中心位置，1'與2'點連線和1與2點的連線滿足平行關系，且在線路設計各個里程位置，1、2、1'、2'這4個點組成的圖形滿足長方形的幾何特征。由棱鏡位置計算獲取，可得到1與2點坐標的數學模型及計算公式。

圖1 鋼軌幾何相對位置關系

圖2 軌檢尺鋼軌的橫截面

如圖3所示，設1'與2'棱鏡的坐標分別為(x'1，y'1，h'1)與(x'2，y'2，h'2)。需要計算得到的1點與2點坐標分別為(x1，y1，h1)與(x2，y2，h2)。根據圖形幾何關系，可得到如下幾個量的值。

圖3 棱鏡與鋼軌的幾何相對位置

1'點與2'點的斜距為

1'點與2'點的平距為

1'點與2'點高差為

進一步得到

最后得到1點與2點坐標為

3)通過以上的數學公式主要測量計算得到點1與點2位置測量坐標(x1，y1，h1)與(x2，y2，h2)，假設點1與點2的設計坐標對應的點為11與22，可以通過線路計算得到點11與22的坐標為(x11，y11，h11)與(x22，y22，h22)。具體實現如下:一是在現場用架設并設站好的全站儀獲取棱鏡1'與2'的測量坐標及連線中心點A'的坐標。通過長方形的關系進一步計算得到點1與點2位置坐標(x1，y1，h1)與(x2，y2，h2)及連線中心點A的坐標。線路反算時，用A的坐標求得該斷面對應的距離或里程。二是用距離或里程計算獲得1與2點的理論坐標(x11，y11，h11)與(x22，y22，h22)。這樣1與2點位置測量坐標(x1，y1，h1)與(x2，y2，h2)，并且理論坐標(x11，y11，h11)與(x22，y22，h22)都獲取得到。三是進一步計算代表鋼軌位置安裝精調的調整量。如圖4所示，1與2點代表鋼軌的理論位置，11與22點所代表的是調整鋼軌測量位置。鋼軌平面調整量就是A、A″點投影到水平位置距離沿線路法線方向的距離值ΔP。調整方向由偏離線路中心點的左或右來確定。高程調整量即是對應點的高程數值差值Δh1和Δh2。

圖4 鋼軌位置安裝精調示意圖

4)距離函數模型:假設為右轉彎鐵路，圓曲線半徑R，緩和曲線長l0，如圖5所示。

以ZH點為原點，切線方向為x軸，垂直切線方向指向圓心為y軸，建立左手直角坐標系，簡稱切線坐標系。圖中，測點Mi與對應線路中線點Ni的距離Di在過Ni點切線上投影長為縱向偏差、在垂直于Ni切線方向上投影長為橫向偏差。測點Mi對應中線點Ni在緩和曲線上切線坐標為:

式中，C=Rl0;li為中線點Ni到ZH(HZ)點的曲線長。

圖5 中線偏差示意圖

中線點Ni坐標關于弧長li的復合Simpson公式為

測點Mi對應中線點Ni在圓曲線的切線坐標為

式中，αi=180°( li－l0)( Rπ )－1+β0。

如圖5所示，設切線坐標系下測點與中線點的距離為

距離函數模型算法(distance function model algorithm，DFA)原理是當測點Mi與Ni距離最短時，Ni點即為Mi的對應中線點，其里程即為測點Mi對應中線點里程。它把求取軌道測點Mi的橫向偏差問題轉化為求解相應點Ni的曲線長li使Ni與測點Mi最近。

緩和曲線段可表示為

將式(12)代入式(14)中，得到關于緩和曲線長li的函數f(li)，分別求li一階、二階偏導數可得

將式(12)代入式(13)中，得曲線長li的函數f(li)，對f(li)求li一階偏導數，并令其為零

整理得測點對應曲線長為

根據式(10)及滿足閾值條件的式(15)或式(12)及式(17)，可計算出緩和曲線或圓曲線上Mi的橫向偏差為

四、應用實例

1．軌道板測試技術流程

1)精調時千斤頂的安裝:采用4個精調調節裝置，2個雙向千斤頂和2個具有高程調節能力單向千斤頂，可以進行平面及高程調節。雙向調節千斤頂在安裝前將橫向軸桿居中，使之前后伸縮均能有大約10 mm的余量，以避免調節能力不足而影響調節質量和調節速度。

2)全自動全站儀設站:全站儀設站時精調儀器安放位置如圖6所示。

圖6 全站儀安放位置

a．精密對中三腳架安置:將對中三腳架架設在軌道板鋪設方向的前方第一塊板和第二塊板間的基準點上。將三腳架對中桿的尖端，對準在GRP點上，面向需要精調的軌道板，對中整平精密三腳架。

b．全站儀架設:逆時針松開精密對中三腳架基座上的鎖緊鈕，取下全站儀上的基座，將全站儀精確對中在三腳架基座的三個螺空內，順時針旋轉基座的鎖緊鈕，使全站儀與對中三腳架連為一體，然而將全站儀精確整平(如圖7所示)。

圖7 全站儀安裝示意圖

c．棱鏡架設:在相鄰兩塊精調完畢的軌道板間基準點上架設精密對中三腳架，將棱鏡插入對中精平，照準儀器方向(如圖8所示)。

圖8 定向棱鏡安設圖

d．參數設置:在軌道板精密調整系統軟件內進行參數配置。主要是配置通信、連接參數、棱鏡常數，各設備常數及原始數據等，然后照準目標。

e．標架校驗:在精調工作前，對測量標架進行測定，在標準軌距位置經過校核，將5套標架分別在標準軌道板的一對承軌臺上(離全站儀約6．5 m處)，用全站儀對安裝在上面的標架上棱鏡進行坐標值測定，逐一進行，將棱鏡坐標值之間的修正常數，存放在FFB．ini文件里，利用軌道板精調軟件的功能，對精調作業中的測量數據進行自動修正。

f．測量標架架設:將Ⅰ標架架設在第1個軌枕上，面向儀器方向;Ⅱ號標架架設在第6個軌枕上;Ⅲ號標架安置在第10個軌枕上;Ⅳ號標架安置在已鋪設好軌道板的第1軌枕處。該標架用來定向和控制軌道板過渡連接。

標架安置時，確保接觸到支點，在有超高的線段，采用彈拉機關將測量標架繃緊在軌道固定件上。

2．軌道板精調工藝

首先對軌道板精調系統的參數進行配置。主要配置通信、接口參數、棱鏡和設備常數，并進行初始化和原始數據輸入等步驟。所有準備工作完成后，開始精調作業，其工藝流程如下:

1)測量1號和8號棱鏡:計算棱鏡1、棱鏡8與設計值的偏差，同時讀取傾斜傳感器1和8的角度。通過軟件計算出棱鏡8和棱鏡1與理論值的偏差，并將調整信息實時發送到各自對應的顯示器上。根據顯示的調整量施工人員對軌道板的橫向、豎向進行調整。

2)測量2號和7號棱鏡:計算得出與理論值的偏差，將調整信息實時發送到各自對應的顯示器上。根據調顯示的調整量對其進行橫向、豎向調整。

3)測量3號和6號棱鏡:計算得出與理論值的偏差，將調整信息實時發送到各自對應的顯示器上。根據顯示的調整量對軌道板進行橫向及豎向調整。

4)測量軌道板四角:在軌道板四角分別架設1、3、6、8號棱鏡，全站儀自動照準測量，完成測量后，經軟件計算處理，軌道板四角的偏差值實時顯示在面板上，再將調整信息發送到各自對應的顯示器上，然后根據顯示的調整量對軌道板進行調整。

5)測量完成:全站儀對軌道板上1、2、3、6、7、8的棱鏡測量采集完成后，經計算處理，軌道板的偏差值就會顯示在軟件上，并將調整信息實時發送到各自對應的顯示器上，根據調整調整量施工人員對軌道板進行反復調整，直到達標。

6)數據備份:對軌道板進行四角及調整測量完成后，測量誤差滿足規范要求時，對軌道板實測位置的數據進行保存，分別在“TXT/FFE”文件中建立文檔，數據備份完畢。將軌道板精密調整系統的所有設備順次移到下一塊軌道板，重復上述步驟。

3．軌道板鋪設檢驗

軌道板的檢測依次在軌道板精調后和軌道板灌漿后進行。

1)測站點的選擇:①測量方法與軌道板精調過程測量相同，設站沿檢測作業方向選定，采用靠近軌道面特制不等長三腳架;②測站可使用已測的GRP點或已精調完畢的搭接點;③設站后，可在測完的軌道板尾端(左和右檢測點)進行再次定向，并進行高程檢測。消除因換站所引起的高程和平面搭接誤差。

2)檢測原則，一個測站最多可測2塊軌道板，換站時，使搭接一塊軌道板，每塊板檢測6個點。

4．軌道驗收標準

軌道板精調驗收標準及方法見表1。

表1 軌道精調測量偏差

五、結束語

本文建立了一套完整的高速鐵路無砟軌道精密測量技術體系，通過對該技術的應用，顯著提高了軌道平順性，從而達到減振降噪、減少輪軌磨耗、提高旅客乘坐舒適度的目的，為運營后長期的平順狀態和減少維修工作量打下堅實的基礎。

［1］ 朱穎．客運專線無砟軌道鐵路工程式測量技術［M］．北京:中國鐵道出版社，2009．

［2］ 何華武．無砟軌道技術［M］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［3］ TB 10601—2009高速鐵路工程測量規范［S］．北京:［s．n．］，2009．

［4］ GB 50308—2008城市軌道交通工程測量規范［S］．北京:［s．n．］，2008．

［5］ TB 10101—2009鐵路工程測量規范［S］．北京:［s．n．］，2009．