客运专线无砟轨道道岔精调系统的研究与应用

全顺喜,王 平,伍 曾

(西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

随着我国客运专线的大规模建设,无砟轨道已成为轨道结构的发展趋势。在无砟轨道的施工过程中为保证无砟轨道的施工质量和精度,需要采用先进的测量手段对轨道的位置和高程等几何形位进行精确测量和调整[1～2]。对于无砟轨道道岔,在道床板混凝土施工以后及其运营维护的精调过程中,一方面由于可调整的范围极其微小；另一方面由于道岔结构本身的复杂性,其几何形位在线路纵向和横向相互影响,调整一个位置的几何形位,将引起邻近部分的几何形位发生变化,这使得在道床板混凝土施工以后及其运营维护过程中无砟轨道道岔的精调相对于普通线路来说要复杂得多,若只通过工程技术人员凭借自身的经验给出调整值,不但效率低,而且不能保证整个道岔系统的几何形位快速达到相关技术标准的要求。因此,有必要开发客运专线无砟轨道道岔几何形位精调系统,科学、快速的计算出各钢轨在对应轨枕处的调整值,为无砟轨道道岔在道床板混凝土施工以后及其运营维护过程的精调提供帮助。

1 关键技术分析

1.1 调整后道岔几何形位的模拟

为判断调整方案是否合理,需要对调整后道岔的几何形位进行模拟。鉴于国内外无砟道岔铺设和维修的经验,系统在岔区所考虑的几何形位如表1所示[3]。其中轨道的平面偏差、高程偏差、轨距、水平、轨距变化和扭曲调整后模拟值的计算比较简单,在此不再详述,而重点介绍轨向和高低调整后模拟值的计算。

表1 岔区轨道所考虑的几何形位

假定轨枕间距为0.625 m,则间隔为5 m的检测点刚好是轨枕间距的8倍,轨向和高低的检测如图1所示。图中以c1到c49表示轨枕编号,则c25与c33间的轨向和高低的检测按式(1)计算。

(1)

图1 30 m弦轨道平顺性检测示意

从式(1)可以看出，30 m弦长相隔5 m的正矢差的实质是30 m弦长相隔为5 m的测点的矢距偏差的差值。根据轨检小车的实测数据和调整值容易得出每一个测点高程偏差、平面偏差的模拟值,以p1到p49表示,则各个测点矢距偏差的模拟值为：Δpi≈pi-[(49-i)×p1+(i-1)×p49]/48,i表示测点枕号,且1≤i≤49。由于需要的是相隔为5 m的测点的矢距偏差的差值,且Δp1与Δp49为零,故此次拉弦可得测点2到40的矢距偏差的差值,如式(2)所示。新的弦线从已检测的最后一个点40开始,高低和轨向模拟值的计算类似。

(2)

1.2 调整方案分析

由于无砟道岔在现场初步铺设完成后,其本身结构决定了在道岔的转辙器区和辙叉区直、侧股钢轨是相互影响的,但为了确保道岔直股的平顺性,将直股作为重点,通过调整先使直股各几何形位都符合验收标准,然后在直股各几何形位满足验收标准的前提下调直股就侧股,最后给出最终调整方案。

(1)直股调整方案。在直股的调整过程中,以高程偏差、平面偏差、高低和轨向作为控制基准轨空间绝对坐标的基本元素,并以水平、轨距、平面扭曲、轨距变化来控制同股轨道另一钢轨的几何状态。为得到直股各测点的调整值,先调整基准轨使基准轨高程偏差、平面偏差、高低和轨向达到设定的验收标准,在保证基准轨精度后,通过调整本直股的另一钢轨使直股的水平、轨距、平面扭曲和轨距变化达到验收标准的要求,其调整值的计算流程为：记录平面偏差、高程偏差达标时基准轨的调整值→记录高低和轨向达标时基准轨的调整值→记录水平、轨距达标时非基准轨的调整值→记录扭曲、轨距变化达标时非基准轨的调整值→形成直股调整方案。

在调整过程中,由于只考虑了直股,当某轨枕处测量数据超标后,可以有多种调整方法使此处数据满足验收标准,但是为了减少调整工作量,应做到在调整工作量最小的情况下使道岔各几何形位都满足要求。为此可通过减少调整值的大小和选择合理的调整位置来实现。图2为一种为减少调整值大小的算法(图中abs表示取绝对值,fix表示去掉小数部分),通过此算法确定的调整值既保证了模拟值在调整后满足验收标准的要求，又保证了调整值最小。

图2 调整值大小的计算

在高低和轨向、扭曲和轨距变化超标后需要选择合理的调整位置和调整值来保证调整工作量达到最小,例如,以轨枕号从小到大依次判断高低和轨向是否超标,当在第i枕超过验收标准时,由式(2)知,可以通过调整第i枕和第i+8枕处的基准轨使其满足要求,图3是一种为了获取第i枕和第i+8枕基准轨最优调整值的算法,可以看出其实质是在保证高低和轨向满足要求的同时,尽量使调整处的轨距和轨距变化也满足要求,以减少下一步调整的工作量。

图3 高低、轨向超标时调整值的计算

(2)最终调整方案。在道岔的转辙器区和辙叉区,在直股的可调范围之内调直股就侧股,使侧股也尽量满足要求；在其他区域,按照直股的调整方法计算侧股各枕钢轨需要调整值,形成最终调整方案。

2 系统结构与功能设计

2.1 系统结构设计

客运专线无砟轨道道岔精调系统是针对客运专线无砟道岔铺设和运营维护过程中道岔几何形位的精调而开发的,须与客运专线测量系统(测量控制网-全站仪-轨检小车)配合使用,以无砟轨道测量文件作为数据文件。系统的结构流程是：以高精度的测量仪器对道岔直侧股轨道的平面偏差、高程偏差、轨距、水平、扭曲、轨向、高低等几何形位进行检测[4～6],系统根据道岔本身的相关信息对检测数据进行管理和处理,这包括数据的可视化显示、调整值的计算、调整后道岔几何形位的模拟、道岔几何形位图形的绘制等,同时,在手动修改各轨枕处钢轨的调整值后,道岔几何形位能够在线模拟,这为技术人员根据现场需要而修正调整方案提供了极大的方便。系统结构流程如图4所示。

图4 系统的结构流程

2.2 系统功能设计

客运专线无砟轨道道岔精调系统的主界面由一个水平菜单和两个表格组成。其中两个表格可以显示测量数据、模拟后数据和调整值,水平菜单由文件、道岔属性、窗口、调整建议和帮助5个子菜单组成,分别实现不同的功能,系统的功能模块如图5所示,主要功能模块简要介绍如下。

图5 系统功能模块

(1)数据输入模块。客运专线无砟轨道道岔精调系统需要提交两种不同类型的数据,一种是道岔几何形位的测量数据,一种是道岔本身的属性数据。其中测量数据包括直侧股各轨枕处钢轨的平面偏差、高程偏差、轨距和水平,此时读入由测量系统导出的“*.csv”格式的数据文件即可；道岔本身的属性数据包括所调道岔的名称、道岔的开口(左开、右开)、道岔号、方向和高低的基准轨、道岔起终点里程、转辙器区和辙叉区的起终点枕号以及各几何形位的验收标准,此时需用本系统中的道岔属性信息输入窗口来实现此数据的录入。

(2)数据处理模块。①数据的表格显示：根据各轨枕处钢轨的平面偏差、高程偏差计算出轨道的30 m弦相隔为5 m的测量点的矢距偏差的差值,以每一行对应一个轨枕号的形式将所有数据和调整值以两个表格进行显示,并且以不同的底纹提示超限处。②直股调整建议值：给出只对应于直股的调整值,并模拟出直侧股调整后的相关数据。此调整方案只针对直股,调整后直股数据都会小于验收标准,且调整量少,但由于没考虑侧股数据,可能会导致侧股数据会超过验收标准,需要技术人员进行手动调整。③直侧股调整建议值：给出对应于直侧股的调整值,并模拟出直侧股调整后的相关数据。此调整方案在侧重直股几何形位的前提下还综合考虑了侧股几何形位,追求在调整值最小的前提下使直、侧股的几何形位同时满足验收标准。故此时的建议调整值是相对于直侧股的测量数据而给出的,一些调整值都是为了满足侧股的要求。④基于经验的手工调整的功能：技术人员根据现场具体情况手动修改各轨枕处钢轨的调整值,直侧股调整后的相关数据能够在线模拟。⑤图形显示：图形中以岔枕号为水平轴,分别显示了直侧股调整前后的绝对偏差以及调整后的相对偏差。

(3)其他功能模块。系统还具有打开、保存、另存为和打印调整方案以及手动输入调整值时剪切、复制、粘贴和删除多个单元格等功能。

3 工程实例

2009年6月在武广铁路客运专线韶关西站利用本系统指导了德国BWG18号无砟道岔在浇完混凝土后的精调工作,其测量数据由安博格公司的GRP1000测量系统所采集,现以2号道岔直股为例,其调整方案如下。

由于2号道岔直导轨在辙叉区有1处凹坑和1处凸坑,存在轨向不良,按照系统计算给出的调整值,经过更改不同规格的偏心调节锥后,其轨向调整前后对比如图6所示。可以发现经过调整达到了削峰填谷的目的。

图6 韶关西站2号道岔直股平面偏差调整前后对比

直股在89～92号枕、115～126号枕都存在轨距偏小的问题。按照系统计算给出的调整值,经过更改不同规格的偏心调节锥后,其轨距调整前后对比如图7所示。

图7 韶关西站2号道岔直股轨距偏差调整前后对比

岔区各轨枕平面位置的调整值如表3所示。可以发现,在89～96号枕在调整直股轨向时同时也调整了轨距超标项,且调整值的大小都是在调整工作量最小的情况下给出的,即达到了减少调整工作量的目的。

表3 韶关西站2号道岔各枕木平面位置实际调整值

4 结语

客运专线无砟轨道道岔精调系统以测量文件作为数据文件,能够方便的用图表显示出道岔各几何形位并提示出超限之处,具有快速的给出一个比较合理调整方案以及基于经验的手工调整的功能,整个系统用户界面友好,可操作性好,响应速度快,所计算出的调整建议值科学合理。它的研究与应用不仅能够减少现场技术人员计算各枕号调整值的时间而提高其工作效率,而且还减少了调整工作量,提高了现场的施工效益。实践表明,本系统对于无砟轨道道岔在道床板混凝土施工以后的精调和运营维护过程中的精调都具有重要的实际工程意义,便于实际工程的应用和推广。

[1]徐东祝.双块式无砟轨道精调作业工艺研究[J].铁道科学与工程学报,2009(4):51-54．

[2]刘保钢.武广铁路客运专线无砟轨道施工关键技术[D].长沙：中南大学,2008．

[3]铁建设[2006]189号，客运专线轨道工程测量暂行规定[S].

[4]肖书安,白洪林.LEICA GRP1000用于无砟轨道施工测量[J].铁道标准设计,2006(12):20-22．

[5]杨成宽.GEDO CE轨道检测系统在无砟轨道施工测量中的应用[J].铁道工程学报,2009(3):57-60．

[6]胡庆丰.安博格GRP1000轨检小车进行无砟轨道检测的作业方法[J].铁道勘察,2008(3):17-20．