基于動靜態檢測數據的軌道精測精調評價技術

劉學文，楊懷志，楊 飛，梅 田，馬穎偉

（1.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081；3.中國鐵路濟南局集團有限公司工務部，山東濟南 250001）

軌道幾何不平順是輪軌系統的激擾源，是引起機車車輛產生振動和輪軌動作用力的主要原因，對列車的行車安全性、平穩性、舒適性，車輛和軌道部件的壽命及環境噪聲有很重要的影響［1-2］。高速鐵路由于列車行駛速度快，要求軌道必須具有非常高的平順性［3-5］。

軌道幾何不平順檢測主要分動態檢測和靜態檢測2 種方式［6-7］。高速鐵路動態檢測主要是通過綜合檢測列車進行周期性的檢測，能夠快速地反映軌道幾何不平順問題，最高檢測速度可達到350 km/h［8］。高速鐵路靜態檢測主要是使用軌檢儀或軌測儀進行軌道不平順的檢測［9］，其速度雖然慢，但軌測儀能夠得到軌道的絕對坐標，結合設計資料可以得到平面位置的偏差、高程的絕對偏差、超高偏差、軌距偏差等，可以用于指導高速鐵路精調作業。

對高速鐵路無砟軌道不平順的整修主要是通過精調作業來完成。軌道精調分為靜態精調和動態精調。靜態精調是指聯調聯試前的精調，在軌道應力放散、線路鎖定、焊縫打磨之后，對軌道線形進行優化，將軌道幾何尺寸調整到允許范圍。動態精調是指在聯調聯試、運行試驗、運營期間的精調，根據綜合檢測車動態檢測情況對軌道局部缺陷進行修復，對部分區段的幾何尺寸進行微調。動態精調的工作程序一般為：動檢車動態檢測→檢測數據分析→現場問題核查→軌道小車檢查→確定調整方案→現場調整→復核［10］。

雖然高速鐵路動態檢測和靜態檢測都是對軌道幾何不平順進行檢測，但由于其測量原理和評價標準不一致，兩者的檢測數據之間并不能通用。目前我國主要通過動檢車幅值和均值評價方法對高速鐵路幾何不平順進行管理［11］。因此，急需研究用靜態檢測數據反演動態檢測數據的方法，以便模擬評估精調前后軌道幾何狀態在動態檢測時的大致情況。此外，根據調研結果，軌道精調作業用時已占到年度整修工作用時的70%以上，因此對于軌道精調作業效果以及精調作業時機，還需要進行探討。

1 無砟軌道精測精調技術

無砟軌道精測要用到軌道測量儀，軌道測量儀包含全站儀和軌道測量小車。其檢測原理是通過線路兩側8 個CPⅢ點坐標計算全站儀坐標，用全站儀坐標計算軌道測量小車所在軌枕上的鋼軌絕對坐標，并計算其與設計坐標的偏差，得到精測數據［12-14］。通過對精測數據作轉換格式等操作，利用模擬精調軟件進行模擬精調，輸出可視化的模擬調整后線形及每根鋼軌調整量，用于指導精調作業。

無砟軌道精調是利用無砟軌道精調軟件模擬的調整量改變軌道平順度，使得線路線形趨于理想的一種方法。高速鐵路對軌道精調的精度要求很高。

為優化軌道精調作業組織，提高軌道精調效率，可使用軌道測量儀和軌道檢查儀，用以下方法組織軌道精調。

1）按照作業要求進行軌道精測，測量鋼軌對應軌枕處的絕對坐標。若精測地段CPⅢ高程精度無法滿足8 個點精度均合格的要求，可根據其高程能夠滿足要求的點位進行選擇，最少選擇2 個點并在其前后段的精測設站過程中始終選用這些點位。需要明確的是，該測量方法能夠滿足200～300 m 內的絕對測量，其對鋼軌相對偏差的測量誤差隨與所選點位的距離逐漸增大，故不適于長范圍內的精測。這種方法對于鋼軌絕對位置的測量存在偏差，但不影響軌道精調作業質量。

2）軌道精測后按照設計基準線對線形進行模擬調整，調整后的線形相對設計基準可略有偏差，但偏差應在設計線形同一側并保持穩定或平穩變化。若模擬調整后線形出現較大幅度變化則說明精調效果不佳，反映在綜合檢測列車上為不平順峰峰值變化量較大，軌道質量指數均值較大。

3）根據軌道精調作業要求，按照模擬調整給出的精調量進行現場軌道精調施工，盡可能消除0.5 mm以上的軌距變化率、軌距、水平偏差及0.5 mm 以上的軌距擋板（擋塊等）與鋼軌軌底角間的離縫。若軌距擋板（擋塊等）與鋼軌軌底角間的離縫不在軌距擋板（擋塊等）的可調范圍內，更換軌距擋板不能消除該處離縫，則可通過螺栓扣緊的先后順序來消除這一離縫。如：鋼軌右側軌底與擋板間存在0.3 mm 離縫，可通過將該處及其前后鋼軌扣件松開，先緊固右側螺栓至消除該處離縫，再緊固左側螺栓使鋼軌左右位置不變，最后將左右扣件緊固至扣壓力達標，即可實現消除離縫的目的。該作業方法也可用于軌距變化率或軌向的調整。

4）對鋼軌高低、軌向進行調整后，可利用軌道檢查儀全面檢測精調區段，并匯總出軌道質量指數及每根鋼軌上的軌距、軌距變化率、水平及短波內的高低、軌向數據，按照軌距、水平±0.5 mm，軌距變化率0.43 mm，高低、軌向±1 mm 進行顏色標注，對軌道質量指數的分項數據進行分析，對分項中較大的項目按照標注顏色后的區段進行再次調整，從而降低軌道質量指數。

2 用靜態精測數據反演動態檢測數據的方法

軌道幾何靜態精測的原理是運用全站儀、軌檢小車、棱鏡等對軌道的實際坐標進行測量，并與軌道的理論設計坐標進行對比，得到實際軌道位置與理論軌道位置的偏差。全站儀和棱鏡主要用于測量距離和角度，軌檢小車用于測量軌距、水平、高低等參數。

我國軌道幾何動態檢測主要采用慣性基準法，原理是利用加速度計或陀螺建立一個慣性參考基準，然后再利用位移傳感器等來測量軌道與基準的相對關系，從而得到所需的軌道幾何參數。軌道幾何動態檢測中的高低和軌向是相對測量，其檢測波長被限制在特定的范圍內。這是因為要快速地將軌道上存在的不平順完全準確地檢測出來是很困難的，且車輛只對此波長范圍的軌道不平順有響應。如我國中波高低和軌向波長為1.5～42.0 m；長波高低和軌向波長為1.5～70.0 m或1.5～120.0 m。

由于軌道幾何靜態精測是絕對測量，精測數據包含了各種波長成分，因此要設計適當的高通濾波器濾出動態檢測不需要的波長成分，保留所需的波長成分，以實現靜態到動態的反演。濾波器的設計是不平順反演好壞的關鍵。

經過對數據的大量分析和對各種類型濾波器的研究發現，通過窗函數濾波器的級聯或并聯，在一定程度上可以改善濾波器的性能。本文采用多個矩形窗級聯的方法優化濾波器，使幅頻響應曲線的極大值點與極小值點交替出現，且高通濾波器通帶內波動盡可能地小和相等。該濾波器的相位特性滿足線性相位條件，其傳遞函數為

式中：k為截止波長；m= 0.829k；n= 0.646k。

將經過式（1）濾波的數據再次進行FIR（finite impulse response）帶通濾波器濾波，帶通濾波器濾波的截止波長與我國動態軌道不平順檢測標準中的高低、軌向波長一致，如1.5～42.0 m，采用矩形窗。由于靜態精測的數據采樣間隔與動態檢測的采樣間隔并不相同，還需要進行內插轉換，一般靜態檢測采樣間隔為0.65 m，動態檢測采樣間隔為0.25 m。

利用某高鐵一段精測數據進行測試，軌測儀靜態精測數據見圖1，用其反演的動態檢測數據見圖2，靜態反演數據與動態檢測數據對比見圖3。

圖1 軌測儀靜態精測數據

圖2 用靜態數據反演的動態數據

圖3 K11—K12區段靜態反演數據與動態檢測數據對比

由圖3可見，靜態反演數據與實測動態檢測數據之間個別地方還是存在微小的差異。這主要是由以下2個方面造成的：

1）設計的濾波器與綜合檢測列車實際檢測系統中的濾波器不可能完全相同；

2）動態檢測是在有載的狀態下進行，靜態檢測是在無載的狀態下進行，當在有載情況下進行檢測時，軌道結構的一些變形如軌道板波長會進入到信號中，見圖4。

圖4 靜動態測量數據頻域對比

圖4中，雖然個別地方存在微小差異，但仍可以滿足TJ/G W126—2014《軌道檢測系統暫行技術條件》［15］規定的同一軌道檢測系統2次檢測數據之間差異值控制在95%且不大于1 mm 的要求，見圖5。因此，利用此方法可以將靜態檢測數據與動態檢測數據關聯起來，實現評價標準通用，不僅能對精調效果予以靜態評估，還可預測精調作業的動態評估結果，促進精調作業快速滿足靜動態軌道幾何不平順的檢測標準。

圖5 反演數據與實測數據差異值的累計分布率

3 無砟軌道精調作業效果評估

根據現場調研，由于高速鐵路無砟軌道結構平面的橫向穩定性較強，線路軌向不平順的超限很少。絕大多數的精調作業主要是解決高低不平順問題，并進行軌向不平順的調整。一高速鐵路線路某段區段精調前后的波形對比見圖6。

圖6 某區段精調前后單項高低、軌向波形對比

由圖6可見，單項高低（左高低或右高低）精調前后變化明顯，軌向只是稍有變化。精調區段前后單項高低不平順幅值見圖7。可見，所有區段單項高低精調后幅值的分布范圍都有明顯的變窄，幅值最大值都有所降低，精調后單項高低不平順改善明顯。

對京滬、蘭新、滬寧、沈大高速鐵路精調作業區段高低標準差改善量進行統計分析，精調后單項高低標準差改善量的累計分布率見圖8。可知目前單項高低標準差最大改善量為1.0 mm，改善量分布見表1。

圖7 精調區段前后單項高低不平順幅值箱線

圖8 精調后單項高低標準差改善量的累計分布率

表1 精調后單項高低標準差改善量的累計分布率

精調前單項高低標準差與精調改善量的關系見圖9，基本遵循精調前單項高低標準差大，精調后改善量大的規律。

圖9 精調改善量與精調前單項高低標準差的關系

兩者之間呈現良好的相關性，能夠用線性很好地擬合。擬合式為

由式（2）可知，當單項高低標準差在0.3～0.4 mm時精調作業基本無效果；當單項高低標準差為0.5 mm時精調作業后改善量約0.1 mm；當單項高低標準差為1.0 mm時精調作業后改善量約0.5 mm。

4 結論

1）提出了用靜態精測數據反演動態檢測數據的方法，能將靜態檢測數據與動態檢測數據關聯起來，實現評價標準通用，能夠對精調效果進行評估，促進精調作業快速優質地完成，節省成本。

2）單項高低（左高低或右高低）精調前后變化明顯，軌向只是稍有變化。

3）對京滬、蘭新、滬寧、沈大高速鐵路精調作業區段高低標準差改善量進行統計分析，可知目前單項高低標準差最大改善量約1.0 mm。

4）精調前單項高低標準差與精調改善量之間呈現良好的相關性。當單項高低標準差在0.3～0.4 mm時精調作業基本無效果，為0.5 mm 時精調作業后改善量約0.1 mm，為1.0 mm 時精調作業后改善量約0.5 mm。