道岔板铺设精密测量技术

冀光民,吕文超,宋 剑

(1.中铁十七局集团物资有限公司,太原 030000;2.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概况

为促进我国铁路技术进步,加快武广铁路客运专线建设,武广公司在武广铁路客运专线全线变更增设了 93组整体道岔板式无砟轨道道岔,包括 18号道岔85组,50号道岔 8组,全部采用专业化施工。由中铁十七局集团承担施工的长沙南站至花都站,共 67组18号和 8组 50号板式道岔,于 2008年 9月开始铺设,至 2009年 5月全部完成,为武广铁路客运专线轨道工程的按期铺设完成创造了条件,实现了预期的目标。

2 精测主要内容

整体道岔板铺设测量内容包括:数据准备、道岔板角点和精调抓垫块点等特征点位的放样、道岔板基准网测量和平差、道岔板的精调测量及复测、灌注自流平混凝土后的验收复测。

3 精密测量准备

3.1 仪器准备

道岔板测量使用全站仪应具有自动跟踪目标功能,测角精度 1″以上,测距精度为 1+2ppm以上,使用m制数值精确到 0.1 mm,测量数据可自动记录和保存,可用徕卡 TCA1800或 TCRP1201+全站仪,配置强制对中三脚架、精密微型棱镜及精密支架以及精密套筒等。精密水准控制测量可使用数字水准仪精度±0.5 mm以上,可使用徕卡 DNA03电子水准仪配条形码铟瓦水准尺。

3.2 CPⅢ控制网复测

CPⅢ控制网精度要求:满足铁建设[2006]189号《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》有关要求,局部复测相邻 CPⅢ网点之间的相对精度应满足平面 ±1 mm,高程 ±0.5 mm的要求。

3.3 道岔板数据准备

3.3.1 局部坐标平面转换

利用设计院给定 4个道岔板公共点大地坐标中的3个点坐标,将设计道岔板各点局部坐标转换为大地坐标,局部坐标和大地坐标之间的数据转换属于任意两空间坐标系的转换,可以利用平面坐标转换软件进行平面转换,各点轨面高程根据线路坡度计算得出。也可自编 excel公式进行坐标转换。转换完成后,再通过设计给定的另外一个公共点坐标与转换后的同一点坐标进行坐标比较,验证道岔数据转换的准确性。

3.3.2 各特征点高程坐标计算

由于设计院给定公共点高程为轨面高程,由此计算出来道岔各特征点高程亦为轨面高程,因此需要根据道岔板各特征点的几何关系计算出道岔板棱镜孔位、道岔板垫块等不同平面上各点的设计高程,道岔板式无砟轨道断面结构如图1所示。

图1 道岔板式无砟轨道断面结构(单位:mm)

将转换好的数据导入 excel文件里面,然后根据道岔板断面结构图进行计算。

将计算完成的数据文件导入全站仪,根据计算坐标进行道岔板的角点及支撑垫块等特征点的施工放样、道岔板精调、复测。

4 角点及支撑垫块点的施工放样

(1)角点及支撑垫块点的施工放样采用全站仪、精密棱镜及精密棱镜支架进行,全站仪通过 4对 CPⅢ进行自由设站,利用已计算并导入全站仪的特征点坐标测量放样,在垫层上按照平面坐标明显标注各点点位,并标出距理论点的高差(图2)。

图2 特征点位放样

(2)利用已施工放样的角点及垫块点位置,进行底座板轮廓及钢筋位置放样,绑扎钢筋,安装精调支撑垫块及施工隔离墙(图3)。

图3 垫块、钢筋及隔离墙施工

5 道岔板基准网的测设及平差计算

利用 CPⅢ网测设和建立基准网。道岔板基准网精度要求高,平面和高程测量应分开进行。

5.1 基准点的测量放样及设置

利用已计算出的基准点设计坐标在隔离墙上进行施工放样,埋设基准点测钉。基准点设于道岔板缝中间直股中线位置(图4),采用在隔离墙上面埋设铜质测钉方法标记。测钉埋设要求牢固,位置在低于道岔板底面设计高程 3 cm,埋设精度要求为 ±3 mm。

5.2 基准网平面测量

基准网测量应在粗铺道岔板之前,测量前确认CPⅢ的坐标数据,CPⅢ点的高程定义位置,采用的棱镜测距加常数、棱镜高(即目标高)等资料。测量过程仪器应采用精测模式,并避免大风和强光。

5.2.1 测量要点

(1)测量的架站要尽量靠近基准点的连线。

图4 设置完成的铜制测钉

(2)道岔岔心至岔后的区域应尽量在一站内完成,以保证内部几何精确性。

(3)为保证渡线道岔两侧线路的关联性,在测量后测的一侧基准网时,应核对先测的一侧的基准点(至少 2个),当横向偏差大于 2mm时,应重新测量。

5.2.2 平面测量的过程

(1)对基准点的测量要按组进行,每组测量基准点的个数,要视大气影响而定。一般一站至少测量 11个基准点,而视线长度不超过 70 m。

(2)采用全站仪自由设站后方交会法,站与站间至少共用 6个 CPⅢ点。

(3)对各组内的点进行测量时,全站仪不能倒镜。

(4)测回数的确定,要以能取得可靠的中值和能排除异常误差为标准。因此,各组保持架站不动至少要测 3次。

5.2.3 测量过程和结果应满足下列要求

(1)控制点 X、Y坐标上的允许偏差:±2.0 mm。

(2)基准点相对多次测量坐标平均值的 X、Y坐标允许偏差:±0.4 mm。

(3)重迭区内每个基准点的 Y坐标允许偏差:0.3 mm。

(4)重迭区内每个基准点的 X坐标允许偏差:0.4 mm。

(5)相邻基准点平面相对精度:0.2 mm。

5.3 平面测量结果的处理

5.3.1 站内测量结果处理

当满足测量误差要求时,对所有测站(各组内)的测量值求其均值。

在检查和消除一组内的测量粗差后,对各组间进行平差,消除折点和偏移。

5.3.2 站间测量结果的处理

为了使基准网的连接形成缓和的过渡曲线,避免拐点的出现,要对计算出的一组内的中值以特殊方式进行如下调整。

(1)前一组的最后一点(组内已测定)作为重合区的理论起点 A。

(2)下一组的第一个点(组内已测定)作为重合区理论终点 E。

(3)A、E点之间是双重测定而待调整的点。

(4)调整曲线为余弦曲线,从 A点(在前 /后组的权为 1.000/0.000)到 E点(0.000/1.000)。

(5)简单起见,也可以采取直线性加权调整。

基准网测量数据组平差示意如图5所示。

图5 基准网测量数据组平差示意

5.3.3 算例(图5)

对组Ⅰ的基准点 201到 225和组Ⅱ的基准点 215到 242进行 3次重复测量,然后转换,求中值。该测量序列应平顺无拐点地贯穿起来。

调整的范围应是重复测量的点,计权起始点为214,终止点为 226。

重合长度 L为由坐标算出的从 A到 E的距离。

为了计算两组测定点的权,由组Ⅰ测量的坐标求出某点到 A的距离 i。

为求中值,赋予组Ⅰ的坐标的权为 z=cos(π/L·i)/2+0.5,组Ⅱ坐标的权为 1-z。

调整的过程如图6所示。

图6 计算记录及搭接区坐标平差计算示意

5.4 基准点高程的测量与平差

5.4.1 测量方法

(1)仪器首先要严格消除 i角误差。

(2)使用高精度电子水准仪进行往返测。

(3)道岔区外,两端的 CPⅢ点作为起始点联测,区间的 CPⅢ点作为转点。

(4)测量渡线上的基准点高程时采用相同的CPⅢ起始点,以保证道岔区内部的高程平顺性。

(5)对所有的读数要进行野外记录。联测后应立即对测量精度进行评估。

(6)闭合差太大时要进行重测。

5.4.2 水准测量(高程 Z)的测量过程和结果应满足下列要求

(1)单程水准测量闭合差要求≤0.5mm。

(2)基准点允许偏差:0.5 mm。

(3)某次测量高程相对多次高程测量平均值的允许偏差:0.3 mm。

(4)相邻基准点相对点位精度:0.1 mm。

6 定位点放样及道岔板粗铺

道岔板基准点测设的同时在隔离墙上进行道岔板定位点放样并明显标识,基准点测量结果平差符合要求后进行道岔板粗铺(图7),粗铺精度 5 mm。道岔板粗铺过程及时安装精调装置。

图7 道岔板粗铺对位

7 道岔板精调

7.1 原理

道岔板精调的原理是根据棱镜孔的设计位置坐标与实测坐标进行比较,精确调整道岔板,以实现道岔板实际位置与设计位置的准确重合。

7.2 测量方法

7.2.1 仪器架设及定向

全站仪通过强制对中三脚架架设在基准点上,精确调平,位置与待调整道岔板视距要保证在 6.5～25 m范围内,全站仪设在精测模式;定向棱镜架设在需调整道岔板后方的基准点上,并精确调平对中;将精密微型棱镜及套筒插入棱镜孔内。

精调前对全站仪进行定向,将全站仪瞄准定向棱镜,启动定向功能,输入各项参数及测站点和定向点号,照准定向点位进行定向测量,计算偏差,定向误差超限时查找原因,重新定向。

精调时全站仪及棱镜孔位布置如图8所示。

7.2.2 道岔板整体精调顺序

(1)单开道岔从一端开始向另一端与全站仪测量目标相反方向依次精调。

(2)渡线道岔先调渡线区道岔板(一侧或两侧),如 18号渡线道岔板为先 18号、17号、16号板,再由此向两边延伸。

(3)每块道岔板精调(包括一站内)均须以上一块已精调完成道岔板棱镜孔或基准点来定向,但无须高程传递。

7.2.3 单板精调方法(图9)

图9 道岔板精调

(1)精调过程的控制精度(X、Y、Z)为 ±0.3 mm。

(2)先调整 4个角点棱镜孔的高度,使道岔板 4个角点处于同一高程。

(3)调整平面位置,以轨道直股(主轴上)一侧的两点为标准。曲股两点作为核对检查。

(4)对短板精调时使用两对角点进行调整。

(5)在 4个角点的高度及平面调整好后,调整板中部 (精调装置或调高螺栓)高程,目标精度为±0.5 mm。

(6)对所有点进行测量,作为测量成果记录。

7.3 精调验收测量

在道岔板精调完成和灌浆之后要分别进行平面和高程复测,对复测数据进行分析处理后,形成验收报告;根据精调完成后的复测结果,对偏差较大的道岔板进行微调。

验收测量时,仪器架设在普通三脚架上,以 CPⅢ控制网为依据,测量各棱镜孔位置坐标。站与站之间要有足够的重合点,以便判定搭接误差和测量精度。

道岔板精调完成后的误差要求如下。

横向偏离轴线偏差:±1mm,横向搭接 ±1 mm;

高程偏差(相对于中值):±1.5 mm,竖向搭接 ±1 mm;

纵向偏差(相对于中值):驱动位置 2 mm,其他位置 ±3 mm。

8 体会和建议

武广铁路客运专线道岔板铺设工程已全部验收完毕,板式道岔整体道床的外观质量及精度均得到用户的好评。

(1)使用精密测量技术铺设道岔板,铺设精度高、外光平整光滑,为后续道岔铺设提供了较好的基础条件。

(2)道岔板采用分块式安装铺设,安装精调速度快,保证了精度,缩短了工期。

(3)测量过程要严格按照程序进行复测,并由责任心强的专人负责进行数据处理和复核。

(4)为保证正线线路与道岔的良好衔接,道岔区两端正线轨道应预留 200 m,待道岔板铺设完成后施工。

(5)目前道岔板铺设技术已经过消化和创新,精测技术更加熟练快捷,值得推广,目前我国已在京沪高速、津秦客专、杭宁客专等线路使用。

[1] 铁建设[2006]189号,客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定[S].

[2] 铁建设函[2009]674号,高速铁路无砟轨道精调作业指南[S].