高速鐵路軌道平順性檢測及精調技術淺析

高鴿子

（西安鐵路職業(yè)技術學院土木工程學院，陜西 西安 710600）

0 引言

近年來，我國高鐵建設蓬勃發(fā)展，截至2021年12月底全國高鐵匯總里程數(shù)約4.1萬km，時速250～350km的準高鐵占比約85%，傳統(tǒng)軌道檢測和精調技術已經不能滿足高鐵“高速度、高安全、高成本”運行的現(xiàn)實要求。高速鐵路軌道平順性良好與否，比普通鐵路軌道平順性對列車行駛的安全性、平穩(wěn)性和舒適性影響更加明顯。因此，要保證列車正常運行，需要在運營過程中確保高速鐵路軌道平順性始終處于良好狀況。調整軌道幾何尺寸可使軌道平順性滿足規(guī)范標準，這項工作稱為軌道整理，簡稱整正[1]。高鐵軌道整理強調“嚴檢慎修”，強調“精細修”，所以也稱之為軌道精調[2]。

基于此，針對高速鐵路存在的軌道不平順類型，進行高速鐵路軌道平順性檢測技術和精調技術的研究，以期促進高速鐵路軌道平順性的控制。

1 高速鐵路軌道不平順分類

軌道不平順，表現(xiàn)為軌道幾何形狀、尺寸和空間位置與設計位置的偏差。在直線和曲線軌道中的表現(xiàn)形式略有區(qū)別。

對直線軌道而言，具體表現(xiàn)在中心線位置、軌道高度、寬度與正確尺寸之間的偏離。對曲線軌道，除了以上幾點偏離外，還包括與正確曲率的偏差以及順坡變化尺寸等軌道幾何偏差。現(xiàn)按機車車輛激擾的作用方向、不平順波長、形狀特征、有無輪載作用等因素，將其歸納如圖1[3]。

圖1 軌道不平順分類

2 高速鐵路軌道平順性檢測技術

標準的軌道檢測是科學地開展軌道維護的前提，相對于普速鐵路而言，高速鐵路軌道的平順性與列車行車安全關系更為緊密，更要保證軌道的高平順性。規(guī)范中對于線路各項幾何形位參數(shù)誤差的標準也明顯提高。

2.1 軌道平順性檢測技術發(fā)展簡況

從1877年第一輛軌檢車誕生到上世紀40年代軌檢車主要為接觸式機械軌檢車，軌檢車的發(fā)展經過了較長時間，這期間軌道平順性檢測主要采用弦測法，測量速度低，檢測項目少，技術相對落后。

上世紀60年代，美國T型軌檢車研制成功[4]，主要采用慣性基準法檢測軌道平順性，檢測內容包括軌道的高低和軌向，采用加速度自動補償技術檢測超高和水平，采用激光跟蹤系統(tǒng)檢測軌距，檢測內容全面，效率也大幅度提高。

到上世紀70年代左右，隨著軌道交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，軌道檢測的要求也逐步提高，各國相繼開展了軌檢項目的研究。同時由于激光技術、濾波技術、信號處理、計算機數(shù)據(jù)處理等技術的發(fā)展，也為軌道平順性檢測提供了有力支撐。

目前，主要采用的軌道平順性檢測設備為大型軌檢車和小型軌檢儀，可適用于施工和運營的各個階段和各個方面，配合使用能滿足高速鐵路軌道平順性檢測的要求。

2.2 大型軌檢車和小型軌檢儀對比

大型軌檢車主要應用于軌道交通線路運營期間的檢修、維護等[5-6]、其優(yōu)點眾多，但價格昂貴。在施工、鋪軌、精調等階段檢測內容相對較少，大型軌檢車適用性優(yōu)勢并不明顯，就此提出了小型檢測車或軌檢儀的概念。

相比大型軌檢車，小型軌檢儀在精調工作中優(yōu)勢明顯，其成本較低、小巧易攜、操作簡單、運輸方便，雖功能較為單一，但也能滿足日常的養(yǎng)護維修工作[7]。

2.3 軌道平順性的絕對測量和相對測量

我國高速鐵路采用“三網合一”的測量體系（見圖2），源于德國RIL883標準，該測量體系基本滿足了我國高速鐵路建設的需要。

圖2 “三網合一”測量體系

“三網合一”測量體系中，勘測、施工、運營維護階段，線路及構筑物的里程和坐標始終一一對應，每一個里程只有一個唯一的坐標（x、y、z)，這就保證施工和運營維護能夠嚴格按照設計要求的線型，從而保證了高速鐵路軌道的平順性，也為構建數(shù)字化鐵路管理平臺創(chuàng)造了條件。

2.3.1 絕對測量

絕對測量是以CPⅢ控制網為基準，先利用全站儀自由設站后方交會的方法確定全站儀中心三維坐標，接著按極坐標測量的方法測量軌道上軌檢小車棱鏡點的坐標，進而計算出軌道點測量坐標與設計坐標的差值，最后按照計算的差值逐步把軌道調整到位。

本文試驗采用導線混合網形，多測回邊角測量方法，進行CPⅢ平面控制網的外業(yè)數(shù)據(jù)采集，如圖3所示。

圖3 CPⅢ平面控制混合網

2.3.2 相對測量

與絕對測量對應，采用軌道檢查儀測量軌道內部幾何參數(shù)的方法稱為“相對測量”，常用的有弦測法和慣性基準法。

（1）弦測法檢測軌道高低和軌向，見圖4，通常需要2至3名工人配合完成。

圖4 弦測法測軌向示意圖

（2）慣性基準法是大型軌檢車測量高低不平順常采用的方法[8]，原理是在運動車體內通過加速度計或陀螺建立一個慣性參考基準，利用位移傳感器獲取鋼軌在慣性坐標系內的相對位置。20世紀70年代之后，美國、加拿大、德國、中國及日本等先后采用慣性基準軌道不平順檢測系統(tǒng)，原理如圖5所示。

圖5 慣性基準法測量原理示意圖

3 高速鐵路軌道平順性精調技術

軌道殘余變形可通過日常的軌道整理[6、9]予以校正，對軌道平順性進行控制，首先要做好不平順的測量工作，其次要精確計算調整量，再進行軌道精調，這是良好軌道質量的保障。

3.1 精調階段劃分

無砟軌道是當今高速鐵路的先進技術，得到更加普遍的應用，對于高速鐵路無砟軌道來說，目前的軌道精調分為靜態(tài)精調和動態(tài)精調兩個階段。軌道靜態(tài)精調是在聯(lián)調聯(lián)式之前，根據(jù)軌檢儀測量的不平順數(shù)據(jù)對軌道進行的調整。軌道動態(tài)精調是在聯(lián)調聯(lián)式期間，根據(jù)測量結果對軌道缺陷進行動態(tài)局部修復。

3.2 精調量計算方法

軌道精調是通過軌道測量不平順數(shù)據(jù)對軌道調整量進行計算，通過精調使軌道精度達到規(guī)范標準，滿足行車舒適性要求。目前常用的精調量計算方法，可分為基于外部幾何尺寸的坐標法和基于內部幾何尺寸的漸伸線法兩類。

漸伸線法是指直接利用公式計算漸伸線長度、選配曲線半徑并計算既有曲線撥距的方法。工務維修實踐中，長期以來以漸伸線作為依歸以軌道內部幾何尺寸為依據(jù)計算整正量。

漸伸線中，因繩正法操作較為簡便，廣泛應用于普速線路以及提速線路的整道計算工作中。

除此法外，工務維修中常使用一種經驗方法進行整道計算，即目穿法[10]。目穿法通過目測不平順，經多次動道、逐點改善軌道平順性。以上方法測定不平順均比較粗糙，且嚴重依賴于操作者的技能與經驗，易破壞設計線型，故目前不能作為獨立的整道方法應用于高鐵無砟軌道的養(yǎng)修[11-12]。

3.3 FAR精調技術

本文闡述的調軌方法，先準確計算出扣件（剩余）可調量范圍，再以（剩余）可調量參與軌道不平順控制，并針對扣件（剩余）可調量約束調整后所引起的軌道短波不平順，在調整過程中加入相鄰點偏差較差約束，引入L1范數(shù)最優(yōu)化原則，構成一套軌道自動化精調算法，即“扣件類型-調整量-剩余可調量”（Fastener type-Adjusted values-Remaining allowed adjustable values，簡稱FAR）的調軌體系[13]。

將此調軌方法用于長鋼軌精調實測數(shù)據(jù)檢驗，結果表明：準確的扣件（剩余）可調量是保證有效精調方案與優(yōu)化調整量的前提，能夠有效避免模擬調整中調整量過大導致的現(xiàn)場精調扣件無法調整到模擬位而產生的平順性超限和返工調整的缺陷問題，因此可以作為最要緊約束參與不平順的控制。

4 結束語

綜上所述，高鐵軌道平順性依賴于高精度、高效率的軌道幾何參數(shù)檢測手段和優(yōu)化的軌道精調算法，這也是是高鐵運營安全的基本保障。根據(jù)高速鐵路不平順的情況，介紹了軌道平順性檢測技術的發(fā)展，對比了大型軌檢車和小型軌檢儀，闡述了軌道平順性的絕對測量和相對測量；針對廣泛采用的無砟軌道技術，從精調階段劃分、精調量計算方法和FAR精調技術三方面分析了高速鐵路軌道精調技術，以期為高速鐵路軌道交通平順性控制提供參考。