偏角法整正曲线在线路大中修作业中的应用

刘良超,张玉明

(郑州铁路局南阳工务段，河南南阳 473000)

1 概述

近年来,在线路大中修作业时,作为一种对线路,尤其是对经多年运营、维修后既有曲线平面位置产生错动后,恢复到设计位置的测量拨正方法,偏角法有其准确、方便等优势，为其他方法所不及。但在使用偏角法时,一味地按传统的测量、计算程序进行,而不对现场情况及使用目的进行认真分析,便很难达到理想的效果；同时,因铁路提速的需要,线路需要更为精确的定位,对于偏角法整正曲线方法的应用,应更为灵活,在新的要求中起到更准确的指导作用。另外,随着铁路维修机械化程度的进一步提高,大、中型捣固车在线路维修中的普遍使用,一旦发生曲线要素点位置偏差,便会导致曲线终端连接不顺,出现“鹅头”或“反弯”,对线路曲线的要素点位置提出了更为精确的要求。

2 偏角法整正曲线的分析

2.1 偏角法作业顺序

偏角法测量既有曲线,在第一阶段,一般要测出每个20 m测点的偏角,即切线方向与置镜点到各测点弦线间的夹角；移动置镜点后的各个测段,要测出置镜点间弦线与置镜点到每个20 m测点弦线间的夹角；最后一个置镜点,要测出置镜点间弦线与切线方向的夹角。则既有曲线的转角等于上述各角的总和。

第一个置镜点与最后一个置镜点,应设在曲线范围之外,在直缓点与缓直点外侧0～60 m的20 m测点上；第二个与倒数第二个置镜点,最好在缓圆点与圆缓点附近的20 m测点上。其余置镜点应保证通视与观测清晰,置镜点间距离一般不宜长于200～300 m。

2.2 计算拨距的条件

前提条件：既有曲线拨正到设计位置,曲线长度应基本保持不变,才能保证必要的计算精度。所以该办法适用于将错动的既有曲线拨正为规则线形,以及拨动前后曲线长度不会大量变化的改建设计。若既有曲线的转角较大,且要增大曲线半径,则改建后线路长度缩短；若采用一般方法计算拨距,就会产生很大误差,需要用特殊方法计算拨距。

保证终切线不拨动,首先,要保证既有曲线的转角不变动,以免终切线发生扭转。所以设计时应保证设计曲线的转角与既有曲线的转角相等。其次,还必须使既有曲线测量终点的拨距为零,以免引起终切线的扭转或平行移动,所以设计时应使测量终点设计曲线和既有曲线的渐伸线长度相等。

2.3 偏角法应用中存在问题分析

(1)一般曲线转向角的测定

在利用偏角法进行曲线测量时,最难以掌握和容易出现差异的是对两侧直线方向的确定。就以上偏角法作业顺序看,第一个和最后一个置镜点需在曲线范围以外,首尾外侧0～60 m。这是考虑到曲线首尾经列车作用及日常维修保养作业的影响,可能会出现一定偏差,产生曲线首尾不在切线方向的现象,为保证测量结果精确,把第一个置镜点放置在这个范围。但目前的情况是相当一部分既有线都不同程度地存在较大的“鹅头”或反弯,根据近年来既有线动态检查资料显示,这些反弯大多被动态检查车判定为曲线,长度在20～80 m,半径多在14 000 m左右,如果在这种情况下,按要求把第一个置镜点放置在上述范围内,依然难以准确测定出切线的方向,所测出的结果显然与实际需要不符,所以,以上办法在实际操作时难以准确测出一条曲线的转向角。另外,《既有铁路测量技术规则》中规定在曲线外40～80 m选置镜点,所有测量数据均参加计算,这样便增加了直线范围内的计算工作。

(2)对切线的控制

通过对曲线拨距条件的分析可以发现,前提条件要求保证既有曲线长度基本保持不变,这在对产生错动后的既有曲线进行作业过程中,一般不会发生改变其长度的情况。但保证终切线不拨动,在现场作业时便难以掌握。在人工拨道作业时,曲线首尾易发生变化,难以掌握准确的切线位置,现场的实际情况是曲线首尾大都与设计位置存在一定的偏差,测量结果难以保证曲线转角与设计转角相等,这样就保证不了终切线不发生扭转,当测量中发现转角不等时,便需要通过调整终切线方向,使其与设计方向一致,这个调整的幅度便是终切线需要拨动的距离,所以在“计算拨距条件”中所要求的“必须使既有曲线测量终点拨距为零”前提便无法实现。

另外,对于一条单曲线,因其两侧直线方向相对固定,转角客观上是一定的。但对于连续曲线,因曲线与曲线间的夹直线长度相对较短,在日常作业时,未能对曲线进行全面把握,很易造成曲线首尾及夹直线方向扭曲,在这种情况下单纯考虑一条曲线的拨正已经不能满足现场的需要,要对几条相关曲线进行全面考察,综合考虑,以实现曲线布局合理,夹直线方向正确。

如图1所示,设计曲线位置与现场曲线位置间存在一定的偏差,如果单纯地以曲线头尾的实际切线方向为依据来对该条曲线进行测量并拨正,那可以预见,作业的结果可以保证曲线的圆顺,但却会导致曲线与两侧直线连接不畅顺。

图1 既有曲线与设计曲线位置偏差示意

(3)拨距计算表的设置

目前使用的拨距计算表,是经过多年使用,同时也是多年来进行现场拨距计算和偏角法教学通用的计算表格,但这种表格的设计是在无计算机时代,所有计算仅靠人工计算完成的,在目前计算机已经普及的情况下,再按该表格设计的形式进行拨距计算,便会感到有很大的不便。如表1所示,该表为目前通用的曲线拨距计算表格,目前教材仍采用此类表格,在不使用计算机中电子表格计算,仅靠人对每个数据逐个进行计算时,未显有何不便,但目前普遍采用计算机利用电子表格计算时,此表设计的不足之处便显现出来了,如在现场角度测量时,采用的是60进制的°、′、″的形式进行测量和记录,利用电子表格时可以在表格中显示出°、′、″的形式,却不能直接参加计算,这便难以发挥计算机的优势,增加了计算的工作量及人工计算时易出现错误的几率。

3 偏角法整正曲线时存在问题的解决办法

3.1 一般曲线转向角的测定

就以上所分析的结果,对于偏角法整正曲线应用中存在的问题,要考虑从整体上来解决,而不是只单纯以整正曲线的思路来解决,要将曲线、曲线两侧的直线,必要时还要同夹直线较短的相邻的曲线一同进行综合考虑。如图1所示,因曲线的理论位置与实际曲线位置间存在的差异,在确定直线方向时,不宜以曲线两侧0～60 m的直线方向来确定曲线的切线方向,而应在设计曲线头、尾附近选择一点,然后在自直线方向(一般应在该点向直线方向150 m以外)架设仪器,选定直线方向,以此为切线方向,测出所选定的点(图1中的A、B点)偏离直线方向的距离,并以A、B点所对应的直线方向点为基点,按曲线偏角法的测量步骤进行测量计算。对于A、B两点外侧的直线方向点,不必参加计算,可直接用仪器测定出各点偏离直线方向的距离,按所测结果拨正直线方向便可。曲线偏角的测量可把仪器放置在A点或B点,对中点在前侧该点的直线点上,其与既有线的偏差便为该点的拨动量,后视对前侧直线方向,然后倒镜测定曲线各点的偏角。这样便可减少计算量并使转向角的测定更为准确。

3.2 连续曲线切线方向的确定

对于连续曲线,中间夹直线较短的曲线组合(图2),如果单纯地对曲线1、曲线2进行测量计算,进行整正,必然造成两曲线中间的夹直线方向不能保证,直线扭曲。可行的方法应当是把曲线1、曲线2及中间夹直线同时进行测量,首先按照3.1中的办法确定出曲线1、曲线2外侧切线方向,并以此为依据,测量出曲线1、曲线2外侧直线间的夹角,进而对该夹角进行合理分配,可得到夹直线与两侧曲线外切线间的夹角,以此夹角确定夹直线的方向,当夹直线方向确定之后,按3.1办法,分别对两曲线进行测量、计算并拨正。在这种处理办法中,并不强调曲线首尾不拨动,其现场首尾可根据其与直线大方向的偏移情况进行校正,校正后的方向便为切线方向,此时的切线方向是不可拨动的,这就是“计算拨距条件”中所指的“终切线方向不拨动”。而对于测量终点拨距为零,可以理解为对于图1中所示的B点利用曲线外直线大方向进行校正后B点拨距为零,而不可单纯地理解为现场B点拨距为零。事实上在现场实际作业时,大都片面的强调首尾不可拨动,造成测定结果不合逻辑,与理论数据存在较大的差异。例如，在2004年复测队移交焦柳线复测资料后要求按复测资料变更技术账,但复测资料显示大部分附带曲线转角都与辙叉角不等,这样的结果便明显是切线方向选择不对造成的,若将此资料作为台账资料并以此指导生产,将会造成线路技术管理混乱。

3.3 拨距计算表的优化

为便于使用电子表格,降低人工计算中易出现的错误和降低劳动强度,可对目前使用的计算表格进行优化。第一，对第3栏的现场转角测量记录进行优化,°、′、″不放在1个单元格中,将其分别放置在3个单元格中,以便于在后续计算时能进行直接计算。第二，把第4栏中的β(°′″)转化成α(°),并且少了β(°′″)中对测量总转角的计算,把这一步放到第5栏进行。第3、第5栏β(rad)中的计算并不单纯是对前一栏进行弧度转换,而让其在转换的同时融入对总转角进行计算的功能,也就是在每个置镜点处利用转换的弧度值进行向下累加,这样便可顺利解决传统计算表格在电子表格中的应用问题。

图2 连续曲线示意

4 偏角法整正曲线的现场应用

在偏角法整正曲线的测量及计算过程中,只是对测量点(如表1,一般为每20 m点)进行了拨量计算,而对于计算结果中的一些特殊点,如ZH、HY等点,则无相应的拨移量(如表1所示),计算结果中的QZ点里程为K10+189.618,而在所计算的拨量点中,只有其前端的K10+180及其后的K10+200,该点距其前后点距离分别是9.618 m和10.382 m,无法根据测量及计算结果确定出QZ点的准确平面位置。目前,随着铁路行车速度的大幅度提高,要求对线路设备进行精细化管理,工务系统要求对线路设备加设控制桩,对于曲线的一些要素点,要在其对应处设置控制桩,所以对这些特殊点的平面位置必须进行精确定位。另外,因偏角法整正曲线作业中,其相邻点并不像绳正法那样存在数据上的关联,所以,对于线路中已经存在的特殊点的控制桩,可在不破坏原测量点位置的情况下,把这些点加进去进行同步计算确定,如目前对于电气化地段,工务部门可以接触网柱作为线路控制桩,便有必要在接触网柱对应点加设1个测量点,并计算出该点的拨移量,进而确定出该点与其对应控制桩的平面位置关系。对于曲线的ZY、QZ等要素点,都是在对曲线进行测量计算后才确定出来的,在测量之前这些点无法确定。对于测量前尚无法确定的曲线要素点位置,便无法在测量时一并测出,这便需要在测量结果出来之后,进行计算,找到相关要素点位置,然后再进行二次测量,把数据加入到第一次的测量数据中进行计算得出对应点需要拨移距离。如表1中的QZ点,在测量计算之前,无法得知该点的具体位置,可在测量数据及计算结果出来之后,把仪器架设在K10+100处,按计算里程量处QZ点的纵向位置,并在现场作明显标记,然后用仪器对准K10+180,测量出K10+180与K10+200间夹角为1°8′50″,与上次测量结果进行对比,结果一致,回拨测出K10+180与K10+189.618间的夹角为0°33′6″,把测量所得的角度数据加上其上次测量的K10+180处角度数据为9°30′26″,与距离数据填写在表K10+180之下(表1),并根据其夹角与距离计算出QZ点的拨移量,根据此拨移量设置QZ点控制桩,把控制桩与该QZ点的平面位置关系注明,以此控制QZ点的平面位置。此办法可同时解决其他相关曲线要素点的平面位置确定问题。

表1 既有曲线拨距计算

注：本表省略了对设计曲线渐伸线长度的计算内容。

5 结语

在进行线路空间位置整正作业时,不宜只考虑具体的单一的整治对像,而应统筹考虑,合理解决。以上情况并不是单纯在曲线定位和现场作业时存在,在对线路进行复测时也存在类似的问题。就焦柳线这两年的复测结果及利用该结果所编制的大修文件来看,在两线并行地段,因地形限制出现了连续曲线之后,两线又重新并行,理论上非并行地段曲线的转角和应当是相等的,而在复测结果及大修文件中,此类情况下转角和不相等的占多数,虽说其测量结果可以满足测量误差的需要,并与现场实际情况相吻合,但其发生的逻辑错误,难以指导日常的养护维修工作,并不利于线路状态的改善、恢复。另外,对于一些多年使用的一些记录计算方法和习惯,也要对其进行分析、调整,以使其同目前新的数据处理方法相融合,使我们的工作也能及时分享科技发展的成果,降低劳动强度,提高工作效率。

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