高速铁路轨道几何状态控制指标及检测技术探讨

2012-11-29王国祥卢建康

铁道勘察 2012年1期

王国祥高俊卢建康

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031;2.成都四维纵横测绘技术有限公司，四川成都 610072)

1 概况

高速铁路轨道的平顺性和空间位置包括轨距、轨向、高低、水平、扭曲等相对平顺性指标，以及轨道的平面、高程与设计值的偏差等，统称轨道几何状态。其中轨向、高低通常采用30m弦短波及300m弦长波不平顺性指标。

我国对轨道几何状态的测量研究，最初是为解决普通铁路的轨道形位病害，采用的是相对测量方式的轨检仪，测量效率虽高，却不易解决测量精度和可靠性问题，其测量精度不能满足高速铁路轨道平顺性的要求。因此，京津、武广、郑西等最初建设的高速铁路，主要依靠进口设备，采用绝对测量模式进行轨道几何状态的测量。随着我国高速铁路建设的大规模实施，国内开始生产轨道几何状态测量仪并在高速铁路建设中应用。中铁二院根据高速铁路轨道精调需求，结合多年来在轨道精调作业中积累大量的实践经验，研制出了新型的轨道几何状态测量仪SGJ－I－TEY－1，并形成了轨道几何状态测量仪的生产、验收和测量的企业技术标准。通过近几年轨道精调作业的实践发现:目前轨道几何状态测量仪的有关技术性能和轨道精调作业控制指标存在一些精度匹配不合理，指标控制不到位，绝对测量和相对测量指标区分不明确的现象，本文将通过一些工程实践案例的分析，提出一些问题和解决思路，以期提高轨道几何状态的检测水平。

2 绝对测量轨道几何状态检测的基本原理

绝对测量型轨检小车采集的原始数据信息包括:棱镜中心的三维坐标(X，Y，Z)，轨距值和超高值，如图1所示。

图1 绝对测量轨检小车基本原理(单位:mm)

绝对测量轨检小车根据上述三项原始采集数据，依据线路参数模型，先通过棱镜的三维坐标，计算出棱镜位置里程，根据里程计算出理论的左轨顶、右轨顶、线路中心三维坐标，然后根据轨检小车的结构参数(棱镜高、棱镜偏距)和实测的轨距、倾角，进行连续投影计算(如图1所示)，分别得到左轨顶、右轨顶、线路中心的实测坐标，即可实时得到钢轨的绝对偏差值。其余的平顺性指标，如轨向、正矢、高低、扭曲、轨距变化率等均由上述数据通过后处理软件计算出来，且计算的基准可自由设定，更便于钢轨的模拟调整，对控制不同类型、不同时速轨道的质量起到关键作用。

3 关于轨道几何状态控制指标的探讨

我国轨道几何状态控制指标如表1所示。

表1 高速铁路轨道几何状态控制指标

从表1可以看出，我国对高速铁路轨道控制指标比较严格，特别是关于相对平顺性指标，如轨向、高低、扭曲等。实际上，德国安伯格轨道检测系统还有一项相对平顺性指标:邻点递变率，其建议指标为0.7 mm，而在我国规范中尚未规定。邻点递变率指相邻两点或固定基长的轨向、高低变化率，与轨距变化率、扭曲相似。笔者在长期轨道精调作业过程中发现:横向和高程的邻点递变较易控制，出现较大值(＞0.6 mm/m)的情况非常少。出现较大值一般有两种情况，一是短波轨向及高低超限或出现连续多波不平顺(如图2所示);二是数据异常(如图3所示)。

图2 连续多波不平顺性波形

图2和图3是某线轨道精调作业的轨道平顺性波形，从图中可以看出:邻点递变的变化不大，但邻点递变差之差，离散度相对较大，控制好邻点递变差之差，对减少轨道的连续多波不平顺性和分析异常数据很有帮助。图3所示的轨道几何状态，仅从短波轨向、高低等指标来看，并未超出表1的要求，但明显存在轨道异常，或测量偏差。后经现场查实，该处为钢轨连接处焊缝打磨不到位引起的。因此，完全根据表1的指标，不通过邻点递变或邻点递变差之差，则无法从指标上控制钢轨可能存在的问题。

由于笔者前期未收集到动检车横向、垂向加速度的与该指标的验证资料，无法进行邻点变化及邻点变化差之差控制指标与横向、垂向加速度的相关分析，只能根据“钢轨静态连续多波不平顺与动检晃车点相关性”有关文献，并根据笔者积累的500余公里钢轨静态调整数据和国外控制指标，建议对邻点递变和邻点递变差之差进行控制，建议指标如下。

横向、高程邻点递变:±0.6 mm/m;

邻点递变差之差:±0.4 mm。

图3 异常数据波形

4 目前轨道几何状态检测的现状及存在的问题

笔者对武广、京沪、石武、京石、广深港等线路的轨道几何状态检测情况进行了跟踪分析，除发现控制指标不足的问题外，还发现轨道几何状态测量仪使用中的一些问题，并未在相关规范及要求中提及，这些问题将可能影响到最终的轨道平顺性和动检效果。

4.1 关于轨检小车检定问题

轨检小车是用于轨道几何状态测量的主要设备，属于计量设备，JJG(铁道)191—2006《铁路轨道检查仪检定规程》，也充分说明轨检小车应纳入计量设备的管理。但在轨检小车的使用过程中，轨检小车并未按计量设备的有关要求，严格进行周期检定或使用前检定，多数厂家只在出厂前进行了检定，提供的普通检定台也仅能进行轨距和水平(超高)的检校。图4为某线轨检小车上道前室外检测结果统计。

图4 某线轨检小车上道前室外检测结果统计

该检测结果充分表明:由于长途运输、搬运、使用磨损等客观情况均有可能对轨检小车的测量精度产生较大影响，如不及时发现轨检小车的测量偏差，轨检小车的测量结果将不能真实反映轨道的几何状态。笔者曾用一台新的轨检小车和一台旧轨检小车进行过对比测试(未做任何参数调整)。测试时气象条件良好，全站仪做完自由设站后，保持不动，仅更换轨检小车，在同一轨道上推行，其平顺性统计结果见表2。

表2 同一轨道新旧轨检小车检测结果对比

仅从表2的结果来看，新旧轨检小车的结果相似度非常高，其波形图也非常一致(如图5所示)。

图5 同一轨道新旧轨检小车检测波形图对比

图5所示两台轨检小车的波形图重合度很高，但在高低的绝对偏差上存在明显的系统差，说明两台轨检小车所测同一位置的高程值不同，后用水准仪对该段轨道进行了10个承轨槽的测量，对比结果见表3。

表3 采用水准仪与轨检小车检测轨顶高差值比较

从表3的验证结果来看，新旧轨检小车均与水准测量成果存在系统偏差，除去水准尺安置轨顶的偏差(该偏差约1 mm)，和全站仪自由设站与几何水准的偏差外，新旧轨检小车的高程存在着明显的系统差。经检测，旧轨检小车结构参数发生了变化，其走行轮系统、棱镜安装位置等均存在着较明显的磨损，修正后，两台轨检小车的高程值符合度大大提高。

以上统计结果及测试结果说明:轨检小车使用前按有关规定进行一致性、重复性检定十分必要。按国家计量器具技术监督的一般规定，计量器具应在一定周期内进行检定或校正，如全站仪必须每年进行一次检定。考虑到轨检小车使用的特殊性，建议在轨检小车上线前进行一次全面的检定，并在使用过程中按一定周期(如3天或5天)，使用辅助工具(0级道尺或厂家提供的简易标定器等)，对轨检小车进行校验，确保轨检小车的测量正确性，特别对于购买时间较长，保养不善的轨检小车，更应注意小车的正确性校验。

4.2 关于轨检小车测站间搭接处理

相关规范对轨检小车进行轨道几何状态测量的要求，比较简单，仅对测量距离、测量步长、换站搭接的长度进行了简要说明，并未规定搭接数据的处理方式，因此不同厂家采用了不同的处理方式。

(1)现场搭接方式

在全站仪换站采集时就进行现场搭接，使一个里程仅有一个对应数据，并未进行搭接后处理。由于现场搭接仅能对搭接区数据进行搭接，并未考虑搭接区段的前后延续，往往会造成波形图和平顺性指标的失真，特别对于换站偏差较大的数据，可能产生误分析。图6所示是某线的一处换站搭接区段波形图，轨向和高低均存在较明显的轨道不平顺，且存在明显的前后区段整体差异。经核查为换站后搭接偏差影响，横向搭接偏差1.7 mm，高程搭接偏差2.9 mm。

图6 换站搭接区段波形

(2)后处理搭接方式

全站仪换站，不进行现场搭接，将同一里程在前后两站的数据全部记录。因此，搭接区同一里程点有两组数据，在后处理计算时，再进行搭接处理，以下是两个搭接后处理方式。

分开处理:分开处理是在波形图的处理上进行分开处理，即将搭接区的数据分别与搭接区前段或后段组成波形图，使搭接区分别与前段或后段组成完整区段进行平顺性分析。平顺性指标则按选择的搭接处理方式进行处理，使检测区段的平顺性数据得以延续和统一。

综合处理:综合处理就是将波形图和平顺性指标进行综合处理，将搭接前后的曲线均在波形图上显示出来，平顺性指标对应搭接后数据。对于个别因搭接偏差较大产生的平顺性指标超限问题，可在波形图上得到验证，并可根据搭接前数据波形图对轨道平顺性进行评估。目前看来，笔者认为该搭接处理方式为最佳方式，能有效处理搭接区段平顺性问题(如图7所示)。

图7 搭接区综合处理波形

以上数据分析说明:对搭接区数据采用不同的处理方式，将直接影响对轨道平顺性的评估结论。目前，相关规范未明确规定测站间搭接处理方式，笔者通过大量的工程实践认为:波形图加平顺性指标的综合处理搭接方式效果较好。建议相关部门对测站间搭接技术进行进一步研究、分析，并在相关规范中明确搭接处理方式，以保证轨道平顺性在换站搭接区的一致性。

4.3 关于轨检数据的整体处理

轨道精调原则中有“先整体、后局部”的要求，但在实际操作过程中，此原则往往存在理解不到位的情况，一些施工单位在轨道精调时一般仅按日前数据分析，忽视了对轨道整体数据的把握。如图8所示轨道，仅从平顺性指标来看，均基本满足表1的要求，但按“先整体，后局部”的原则来看，框内区域(约150m)应进行调整，否则根据动检车测量原理分析，该区域将可能导致垂向加速度偏大。如不进行整体把握，仅就小区域来看，不便于发现此轨道的平顺性问题。

由于一些施工单位忽视“轨道的整体平顺性”，缺乏对轨道几何状态的整体评估，造成较大隐患，导致后期的运营维护工作不易开展，建议增加轨道几何状态的评估工序，按整体到局部的方式，对轨道几何状态进行全面的质量监控。