武广铁路客运专线无砟轨道平顺性评估

2010-01-25周全能潘正风

铁道标准设计 2010年1期

周全能,潘正风

(武广铁路客运专线有限责任公司咨询项目部,武汉 430060)

1 概述

为保证高速列车在客运专线铁路上运行的安全性,以及乘坐旅客的舒适度,高速客运专线的轨道必须具备高平顺性和高稳定性。武广铁路客运专线无砟轨道全线以双块式无砟轨道为主。双块式无砟轨道施工是先逐段精确调整工具轨以固定轨道位置,再在铺设长轨后进行轨道的精调。精确调整工具轨对保证轨道的平顺性极为重要,因为这时轨道位置已基本固定,长轨所能调整的量是很小的(向下最大为4 mm,左右最大为8 mm),即便在可调的范围内也要更换轨道扣件才能调整。无砟轨道的平顺性,一方面依赖于建立高精度控制网和对轨道的精确测量,即在CPⅠ、CPⅡ和二等水准的基础上,建立无砟轨道施工测量CPⅢ控制网,并利用高精度全站仪和轨道几何状态测量仪来测定轨道的几何状态,对轨道进行精确调整。另一方面需要根据轨道的几何状态测量数据对轨道平顺性作出正确的评估,给出适合无砟轨道特点的轨道平顺性评估方法。根据研究,轨道平顺性不仅有短距离平顺性(短波平顺性)的要求,还有较长距离平顺性(长波平顺性)的要求。

2 无砟轨道初始不平顺性产生的原因

无砟轨道的平顺性应满足短波平顺性和长波平顺性。一般来说,初始的短波不平顺性和长波不平顺性主要由轨道的测量误差产生的。进一步的分析可以知道,轨道的短波不平顺性主要是由一个测站测量轨道的误差引起的,在两个相邻测站中间连接处的不平顺性还与测站之间的相对误差有关。轨道的长波不平顺性主要是由CPⅡ和CPⅢ的点位误差引起的。

(1)轨道短波不平顺性与测量轨道误差的关系

如图1所示,A、B、C为同一测站测量的等间隔(5 m或10 m)的轨道点,点B作AC的垂线交点为D,则BD称为矢高。轨道短弦的实际矢高与设计矢高不符(即矢高误差)将产生轨道短波不平顺性。为讨论方便,假定线路方向和X坐标方向一致。

图1 轨道短弦的矢高

由图1可知,矢高误差与A、B、C3点的y坐标误差有关,假定三点的y坐标分别为ya,yb,yc,则矢高V为

转换成真误差关系式

换成中误差关系式

假设各点的mya、myb、myc相等,并等于my,则矢高中误差为

轨道点位由全站仪测量、轨道几何状态测量仪测量和调整来确定的,按等影响原则,由全站仪测量误差产生的矢高的中误差为

在轨道测量时,全站仪大致安置在AB方向线上,则全站仪测量产生的矢高误差主要受方向误差影响,则

由式(2)可知,短弦矢高的误差与全站仪测量方向误差和测量距离成正比,但与弦的长短无关。若全站仪测量方向中误差小于2″,则所产生的短弦矢高误差将不大0.5 mm。

(2)相邻测站连接处轨道的不平顺性与测站间相对横向误差的关系

假设由两个相邻测站测量轨道中间连接处的3个点分别为P11、P12、P13和P21、P22、P23(图2),取测量点的平均位置P1、P2、P3来确定轨道位置。由图2可看出,相邻测站相对横向误差所产生的矢高误差f等于相邻测站相对横向误差的1/4。

图2 测站相对横向误差对轨道矢高的影响

全站仪相邻测站的相对横向误差所产生的矢高误差也不应大于0.58 mm,因此,设站点相对横向中误差应不大于4×0.58 mm=2.3 mm。可见,若相邻测站间相对横向中误差小于2 mm,则在连接处所产生的矢高中误差将不大于0.5 mm。

(3)轨道的长波不平顺性与CPⅢ点位误差的关系

轨道的长波不平顺性是以较长弦的矢高误差来衡量的。相隔较长距离的轨道点是在不同的测站上测量的,而测站的位置是通过全站仪观测周围的一组CPⅢ点确定的。因此,轨道的长波不平顺性主要决定于CPⅢ点组之间的相对误差。

也即任意3个相邻CPⅢ点(中间点到两边点的距离为150 m)的角度中误差应不大于8″。这一要求实际上比相邻测站间相对横向中误差小于2 mm的要求要低一些。

3 无砟轨道平顺性的评估

由以上分析,轨道平顺性是由轨道施工测量来保证的。但在无砟轨道铺设时,只是依据高精度测量控制网对轨道进行逐段、逐点的测量和调整,而实际轨道能否满足无砟轨道平顺性的要求是不知道的。因此,在轨道铺设调整后,需要测定轨道的几何状态对轨道平顺性作出正确的评估。下面介绍几种轨道平顺性评估的方法。

(1)2 mm/10 m轨道短波平顺性评估方法

2 mm/10 m轨道短波平顺性评估方法如图3所示,即10 m弦(P1～P3)中间轨向偏差(矢高设计值和实际值之差),时速大于250 km时不大于2 mm。下一评估段从P3开始,两评估段之间没有重迭。

图3 不重迭2 mm/10 m轨道短波平顺性评估(单位：m)

这种轨道短波平顺性评估方法,适用于有砟轨道平顺性评估,但缺少许多无砟轨道评估的数据,无砟轨道评估需要有每块轨枕的设计矢高和实际矢高数据。因为,对于无砟轨道结构来说,每块轨枕都有可能产生变形从而成为线路不平顺的原因。而对有砟轨道结构,由于其刚度较无砟轨道小,使得有砟轨道不会在每块轨枕处产生变形。

(2)重迭2 mm/10 m/20 m轨道短波平顺性评估方法

如图4所示,与2 mm/10 m轨道短波平顺性评估方法不同的是,下一评估段从P2开始,两评估段之间重迭10 m。这种轨道短波平顺性评估方法也不能满足每块轨枕处有检测数据的需要。

图4 重迭2 mm/10 m/20 m轨道短波平顺性评估

(3)2 mm/5 m/30 m轨道短波平顺性评估方法

武广铁路客运专线无砟轨道平顺性的评估方法采用德国2 mm/5 m/30 m轨道短波平顺性评估方法,如图5所示,这种轨道平顺性评估方法可以检查每一块轨枕处的变形,满足无砟轨道平顺性的评估。30 m弦包含有49个轨枕(轨枕间隔为0.625 m),要求对P2至P48的每一轨枕处的矢高进行计算,按式(3)计算偏差dV,且不大于2 mm。下一评估段为P40～P88。