地鐵營業(yè)線幾何線形病害整治全過程測量技術(shù)應(yīng)用研究

管新權(quán)

（中鐵四局集團(tuán)有限公司第八工程分公司，安徽 合肥）

隨著城市軌道交通的持續(xù)發(fā)展，列車運(yùn)行過程中對速度及舒適性的追求逐步突出。但早期建設(shè)線路受限于修建時的技術(shù)水平及長久以來的撥道式維保，其軌道幾何姿態(tài)均出現(xiàn)了不同程度的病害，直接影響列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和舒適性[1]，對城市軌道整體形象產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。

早期建設(shè)地鐵線路存在控制網(wǎng)缺失，既有線路嚴(yán)重偏離設(shè)計線形，維修改造施工天窗點(diǎn)時間緊、任務(wù)重。針對維保作業(yè)對測量任務(wù)的需求，諸多人員已進(jìn)行了一系列探索。王鵬，潘正風(fēng)[2]在深入研究控制網(wǎng)與軌道平順性的關(guān)系后，提出要嚴(yán)格把控CPⅢ點(diǎn)位精度。張登科等[3]發(fā)現(xiàn)在較差的軌道幾何狀態(tài)下，列車引起建筑物室內(nèi)振動明顯增加。楊成寬[4]利用GEDO CE 軌道檢測系統(tǒng)進(jìn)行軌道檢測及精調(diào)施工，薛卓鵬[5]研發(fā)了基于卡爾曼濾波技術(shù)的組合測量系統(tǒng)，有效提高了檢測精度。然而，針對控制網(wǎng)缺失、需重建幾何線形數(shù)學(xué)模型的全過程測量控制技術(shù)有待開展深入研究。

本文為適應(yīng)早期營業(yè)線路整治施工對高精度、高效率、智能化技術(shù)的迫切需求，研究了獨(dú)立空間兩級控制技術(shù)，開發(fā)三維幾何線形擬合系統(tǒng)，并貼合現(xiàn)場施工需求，提出一套線形病害整治施工測量控制方法。

1 獨(dú)立空間兩級控制技術(shù)

傳統(tǒng)地下空間控制網(wǎng)測量方案，首先需要對地面控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測，再做聯(lián)系測量，將地面控制點(diǎn)引至地下空間后，再進(jìn)行區(qū)間貫通測量，最后測設(shè)任意設(shè)站控制網(wǎng)。相對于無聯(lián)測需求的獨(dú)立線路地下空間，整套技術(shù)程序復(fù)雜、存在工作量冗余，可以在兼顧效率和精度方面進(jìn)一步優(yōu)化。

1.1 首級控制技術(shù)

在原單導(dǎo)線的基礎(chǔ)上，優(yōu)化形成附帶第三邊檢核的單導(dǎo)線測量技術(shù)（見圖1）。本技術(shù)將每個測站向前后各延伸一條觀測邊，進(jìn)行每點(diǎn)連續(xù)觀測，構(gòu)建了第三邊檢核條件，觀測時可以有效控制不同測站間方位角和邊長綜合變形值，避免誤差累積。以AB 作為起算邊，并依次推定后續(xù)控制點(diǎn)坐標(biāo)，通過增加檢校，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)線測量數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠保證，導(dǎo)線測量技術(shù)要求詳見表1。

圖1 附帶第三邊檢核的單導(dǎo)線測量技術(shù)示意

表1 附帶第三邊檢核的單導(dǎo)線測量技術(shù)要求

考慮投影變形導(dǎo)致的數(shù)據(jù)偏差，參考《城市軌道交通工程測量規(guī)范》（GB/T50308-2017）限差要求，在邊長及高斯投影變形的綜合值大于15 mm/km 時，采用抵償高程面建立配套獨(dú)立城市坐標(biāo)系統(tǒng)。同時，在測量過程中，將每段控制網(wǎng)長度控制在2 km 以內(nèi)，以弱化投影綜合變形值對于數(shù)據(jù)成果的影響。

高程首級控制網(wǎng)測設(shè)方面，將平面點(diǎn)與高程點(diǎn)合用，并以二等水準(zhǔn)測量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行往返觀測，首級控制網(wǎng)中高程控制測量精度要求詳見表2。

表2 水準(zhǔn)測量技術(shù)要求

1.2 任意設(shè)站控制網(wǎng)測設(shè)技術(shù)

任意設(shè)站控制網(wǎng)測設(shè)按照《城市軌道交通工程測量規(guī)范》（GB/T50308-2017）進(jìn)行控制（見圖2）。

圖2 任意設(shè)站控制網(wǎng)

為保證控制網(wǎng)在獨(dú)立坐標(biāo)系下的穩(wěn)定性，需要增加兩個控制指標(biāo)：（1）考慮約束平差成果中尺度K 值；（2）導(dǎo)線網(wǎng)坐標(biāo)結(jié)果與任意設(shè)站控制網(wǎng)起算點(diǎn)的三參數(shù)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)差值應(yīng)小于10 mm，以上兩個指標(biāo)可驗證獨(dú)立空間兩級控制網(wǎng)狀態(tài)的穩(wěn)定性。

2 三維幾何線形擬合系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)幾何線形病害數(shù)據(jù)處理自動化，研發(fā)3D track line fitting system（以下簡稱TLFS 系統(tǒng)）。本系統(tǒng)以Visual Studio 2017 為開發(fā)平臺，基于.Net Framework4.6 框架，采用C＃語言進(jìn)行開發(fā)，能夠適配于Windows7 以上系統(tǒng)版本，除安裝過程需要進(jìn)行激活外，系統(tǒng)使用全過程無需網(wǎng)絡(luò)連接。

TLFS 系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)錄入及預(yù)處理、軌道幾何線形擬合、軌道調(diào)整方案生成及顯示輸出三大模塊，實(shí)現(xiàn)了外業(yè)數(shù)據(jù)一鍵導(dǎo)入、參數(shù)自定義及數(shù)據(jù)自動化處理。

2.2 核心功能

TLFS 系統(tǒng)以基于三維散點(diǎn)集的空間線形曲線擬合優(yōu)化技術(shù)為核心，根據(jù)間接平差原理，以正交最小二乘為準(zhǔn)則，針對性構(gòu)建空間曲線參數(shù)預(yù)估模型見式（1）、式（2）。

以空間曲線參數(shù)預(yù)估模型為核心，對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何參數(shù)估計，擬合出局部最優(yōu)軌道幾何線形，并利用迭代算法求取全局最優(yōu)幾何線形，并以此線形基準(zhǔn)自動生成病害維修整治方案。

3 技術(shù)應(yīng)用

3.1 工程概況

本文依托武漢地鐵1 號線頭道街站～黃浦路站上行線開展研究，為標(biāo)準(zhǔn)“兩站一區(qū)間”，共計1.218 km。該段線路隨服役年限的不斷延長，幾何線形病害發(fā)展逐步加劇，現(xiàn)階段采取的線路調(diào)整、加強(qiáng)等措施不能從根本上解決問題。為了提升線路質(zhì)量，預(yù)控可能的安全風(fēng)險，現(xiàn)階段正有計劃地實(shí)施線路維修改造工作。

3.2 控制網(wǎng)測設(shè)及軌道數(shù)據(jù)采集

采用獨(dú)立空間兩級控制技術(shù)，首先詳細(xì)收集線路相關(guān)資料、安排實(shí)地踏勘，并完成控制網(wǎng)點(diǎn)位埋設(shè)；接著分別成立導(dǎo)線組及水準(zhǔn)組，同步構(gòu)建軌道首級控制網(wǎng)；最后在首級控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，測設(shè)軌道任意設(shè)站控制網(wǎng)。

采用鐵四院SYADJ 平差軟件進(jìn)行控制網(wǎng)平差，平面網(wǎng)相對精度K=1/136 816＜1/35 000，水準(zhǔn)線路高差閉合差為0.64 mm＜ ±8 L=9.17 mm，任意設(shè)站控制網(wǎng)精度指標(biāo)詳見表3，由此可看出，本文所述測量方法的各項平差指標(biāo)精度均遠(yuǎn)高于規(guī)范要求，能夠適用于現(xiàn)場施工。

表3 任意設(shè)站控制網(wǎng)平面約束網(wǎng)平差后的精度要求

在任意設(shè)站控制網(wǎng)基礎(chǔ)上，以TS60 全站儀自由設(shè)站，實(shí)時定位軌道幾何狀態(tài)測量儀絕對位置，實(shí)現(xiàn)每枕木位置軌道狀態(tài)多維度數(shù)據(jù)的高精度采集。測量全過程主要儀器配置見表4。

表4 主要測量儀器設(shè)備配置

地鐵營業(yè)線運(yùn)營期天窗時間一般為3 h，控制點(diǎn)打孔埋設(shè)效率為0.4～0.5 km/天窗點(diǎn)，首級控制網(wǎng)測設(shè)效率為1～1.5 km/天窗點(diǎn)，任意設(shè)站控制網(wǎng)測設(shè)效率0.7～0.8 km/天窗點(diǎn)，0.5～0.6 km/天窗點(diǎn)。根據(jù)天窗點(diǎn)調(diào)度安排，從踏勘至數(shù)據(jù)采集完成共計2 周，共采集1 898 個軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3.3 線形擬合

采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TLFS 系統(tǒng)，建立項目文件，將GRP 1000 外業(yè)測量數(shù)據(jù)導(dǎo)出后傳入本系統(tǒng)，設(shè)置誤差探測及擬合優(yōu)化參數(shù)后，以調(diào)整量最小為準(zhǔn)則自動擬合出的最優(yōu)三維軌道線形，相關(guān)調(diào)整量結(jié)果及設(shè)計線形可輸出顯示（見圖3）。

圖3 TLFS 系統(tǒng)

以擬合優(yōu)化幾何線形為基準(zhǔn)，自動計算現(xiàn)狀軌道調(diào)整量。經(jīng)統(tǒng)計，平面調(diào)整量＜2 cm 點(diǎn)位1 815 個，占比95.6%，高程調(diào)整量＜2 cm 點(diǎn)位1 699 個，占比89.5%（見圖4）。

圖4 平面（左）及高程（右）調(diào)整量

3.4 幾何線形病害整治施工測量

調(diào)整量方案復(fù)核無誤后，測量人員將調(diào)整量數(shù)據(jù)標(biāo)記在對應(yīng)位置鋼軌面上，再根據(jù)調(diào)整量的大小，分區(qū)段針對性地進(jìn)行扣配件調(diào)整、枕木擴(kuò)孔及道床鑿除改造施工。病害整治全過程需保持全站儀自由設(shè)站，實(shí)時進(jìn)行作業(yè)指導(dǎo)及復(fù)核，最終以相對小車采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行軌道平順性評估（見圖5）。

圖5 幾何線形病害整治施工測量

4 結(jié)論

獨(dú)立空間兩級控制技術(shù)加強(qiáng)了獨(dú)立控制網(wǎng)導(dǎo)線的內(nèi)部穩(wěn)定性，減少了單導(dǎo)線無法對中間測點(diǎn)提供有效約束的問題。由于不與地面控制網(wǎng)聯(lián)測，可以避免打開地鐵運(yùn)營車站上蓋，有效降低測量成本，同時減少了地面控制網(wǎng)和聯(lián)系測量的誤差傳遞。該方法適用于地下單線隧道內(nèi)施測，相對普通單導(dǎo)線，測量精度大大提高；相對隧道雙導(dǎo)線，空間需求更低，布點(diǎn)位置也更加靈活。

開發(fā)的三維幾何線形擬合系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型嚴(yán)謹(jǐn)可靠，能夠極大程度上減少內(nèi)業(yè)處理過程中對人的依賴性，推進(jìn)了維保施工數(shù)字化建設(shè)，相對現(xiàn)有技術(shù)減少30%工作量，可在今后的運(yùn)營期線路維修過程中推廣使用，但在系統(tǒng)的用戶交互、界面美觀及運(yùn)算效率等方面仍有較大提升空間。