基于相对测量调轨的高速铁路有砟线路整道技术研究

2013-01-17吴仕凤朱洪涛

铁道标准设计 2013年8期

魏晖,吴仕凤,朱洪涛

(1.南昌大学机电工程学院, 南昌 330031；2.南昌铁路局工务处, 南昌 330002； 3.江西日月明铁道设备开发有限公司,南昌 330029； 4.江西科技学院汽车工程学院,南昌 330098)

截至2012年7月底，我国高速铁路运营总里程达6 894 km。其中时速200～250 km的高速铁路3 324 km，时速300～350 km的高速铁路3 570 km。

有砟轨道是铁路的传统结构，具有弹性良好、价格低廉、更换与维修方便、吸噪特性好等优点，故其在时速200～250 km的高速铁路中广泛使用。但随着行车速度的提高，轮轨作用力将显著增加，轨道破损和变形加剧，从而使维修工作量显著增加，维修周期明显缩短。文献[1]引用德国高速铁路的资料，当行车速度为250～300 km/h时，其线路维修费用约为行车速度为160～200 km/h时的2倍。作为高速铁路基础性工程，轨道的质量对于保证高速铁路列车安全、平稳、舒适和不间断地运行起着支配性的作用。而有砟轨道几何平顺性的易逝性，客观要求高速铁路除应提高工程质量外，还应加强高速铁路运营过程中的轨道养护维修。

1 现行有砟轨道整道技术

1.1 普速及提速线路有砟轨道整道技术

在普速及提速线路中，常采用渐开线方法实现线路整正。主要包括绳正法、偏角法[2]等。其中，绳正法与偏角法是基于渐开线模型计算拨量(图 1)。设轨道等步距测量n个点，得到实测平顺性序列{vi|i=0，1，…，n-1}，并有设计平顺性序列{Vi|i=0，1，…，n-1}。

图1 轨道渐开线模型

假定轨道任一点均沿渐开线移动且移动前后轨道长度不变，并令轨道不平顺

si=Vi-vi

则调整量ti

ti=2∑i-10∑i-10sk(1)

式(1)写作向量形式

T=GS(2)

其中，T为调整量，mm；G为系统矩阵；S为轨道不平顺，mm。

T=t0

⋮

tn-1,G=2O

⋮⋱⋱

2n…42,S=s0

⋮

sn-1

设si的测量等精度且独立，则可令测量中误差为σ(si)为σ，依据协方差传播律[3]，测桩n处的调整量中误差σ(tn)

σ2(tn)=∑n-1i=04(n-i)2σ2(si)=2n(n+1)(2n+1)3σ2(3)

由式(3)，在渐开线模型下，整道的调整量与测桩号间的误差传递关系如图2所示。当n=20，σ=0.1 mm时，调整量中误差σ(tn)=10.7 mm。即意味着当长距离连续整道，其终点可能会出现鹅头或反弯。当出现鹅头或反弯时，如不能在维修天窗内消除，其后果可能危及行车。为避免出现鹅头及反弯，在绳正法施工中常引入正矢和闭合的约束条件。但该条件一般情况下是难以满足的，习惯的做法是对设计平顺性Vi进行修正[4]，其结果将改变线路设计参数。故高速铁路轨道养护中应限制渐开线方法的应用。

图2 渐开线模型下桩号与调整量中误差关系示意

除此之外，现场亦常采用一弦法整理直线。通过拉弦，确定整道基准，对拉弦范围内的轨道予以整正。然而由于弦长的限制，一弦法只保证弦长范围内的平顺而未顾及两端线路状态，实际结果往往将线路改成折线。另当弦长及设弦位置变动，同一位置的平顺性也会改变，即难以唯一确定不平顺相位关系及幅值大小。因此，一弦法只适合作为辅助手段在高速铁路整道中有限使用。

1.2 基于坐标法的高速铁路有砟轨道整道技术

目前高速铁路整道基本上是建立在绝对测量的基础上[5-9]。绝对测量以全站仪为核心，以CPⅢ点为坐标基准点进行自由设站，然后利用极坐标法获得轨道测量仪的高程/平面坐标[10]，进而通过坐标法进行轨道几何形位的调整(如式(4)所示[11])，改善轨道平顺性。

(4)

其中，ti为桩号i处调整量；(x0，y0)为圆曲线圆心坐标；(xi，yi)为桩号i处轨道坐标；vxi、vyi为桩号i处轨道既有坐标和设计坐标之差；α为直线的方位角；βi为曲线上桩号i处转折角。

绝对测量轨道精调技术核心在于，通过轨道的外部几何形位控制轨道的内部几何形位。但由于依赖外部标志物的测量，故其测量效率一般不高于100 m/h。测量效率与养护要求间的矛盾直接限制了绝对测量在高速铁路养护中的应用，故该技术主要用于重点晃车病害的整治而无法实现轨道养修的全面覆盖。

2 相对测量调轨技术简介

基于对现有的轨道整道技术的反思，并考虑到我国相对测量技术与装备的比较优势，依据迭代原理，2010年江西日月明公司开发了基于轨道平顺性的相对测量调轨技术。该技术以满足轨道平顺性要求为控制目标，并将轨道整体平顺性作为输入控制信息求解整道量，图上作业并实时显示整道效果。

2010年相对测量调轨技术在京沪高速铁路无砟轨道的联调联试中进行规模试用[12]，试用结果显示该技术相对于其他方法，其在保证精调质量满足高速铁路技术规范要求的前提下，具有环境适应性好，作业效率高等特点；2012年初，该技术应用于杭深客运专线无砟轨道既有线的养护维修[13]，通过动静对比，显示该技术及设备能够对高速铁路无砟轨道运营线的几何尺寸病害进行精确诊断，并可有效指导调整方案制定，适合于无砟轨道的日常养护维修。期间，还在哈大、石武等高速铁路无砟轨道的联调联试中进行了小规模试用。

以上实验及试用表明，该技术具有无需外部标志物、测量与解算效率高、图上作业、病害与调整量逐枕定位、整体优化轨道平顺性及环境适应性好等特点，适合于无砟轨道的精调作业及日常养护。然而，由于道床、枕木以及扣件系统的不同，有砟轨道整道有着一些显著区别于无砟轨道整道的特性，如何进行技术衔接，是相对测量调轨技术在有砟轨道养护中应用的关键性问题。

3 有砟轨道整道的技术特点及相对测量调轨技术的应用

3.1 有砟轨道整道的技术特点

轨道几何形位的定义，有砟轨道与无砟轨道基本相同。然而，由于道床、枕木以及扣件系统的不同，有砟轨道与无砟轨道的整道是有差异的。主要体现在：

(1)有砟轨道采用的是散粒体道床，其整体刚度显著小于无砟轨道，即意味着当有砟轨道动道时，邻近扣件节点处的轨道外部几何尺寸将会产生变化，而无砟轨道动道主要影响的是相邻位置的内部几何尺寸；

(2)有砟轨道的起、落与拨道作业，轨枕将随钢轨移动，在此条件下左右轨的调整是非独立的，而无砟轨道承轨台位置固定，一股的调整不会影响相对股的几何形位；

(3)有砟轨道的起、落与拨、改道，主要依靠是起拨道机，而无砟轨道主要是依靠扣件的调整，故有砟轨道的整道精度一般低于无砟轨道；

(4)有砟轨道作业中，钢轨会产生回弹，作业后，道砟处于不稳定状态，在外力作用下，易产生流动。这些都是保证作业效果时需要考虑的变量。

相对测量调轨技术源于无砟轨道的精调，故其原理与工艺是基于无砟轨道的整道设计的。其在有砟轨道应用时，必须考虑到有砟轨道与无砟轨道的差异性。

3.2 有砟轨道的相对测量调轨技术的应用

作为计算的控制目标与控制信息，相对测量调轨技术应用时首先应确定作业标准，可执行《高速铁路有砟轨道线路维修规则(试行)》[5]作业验收标准，主要技术指标见表1。

表1 实验技术指标

应用中，利用0级轨检仪的精测模式快速采集有砟轨道的平顺性数据，HSRailwayCHK XP数据分析处理系统依据平顺性数据指示进行图上作业。图上作业时，以长波平顺性指导短波平顺性调整，通过削峰填谷，确保调整规划后的各项平顺性波形在作业验收标准以内，并实时显示作业后的效果。图上作业完成后，自动形成方案，出具作业指导书。其中，调整量规划如图3所示。

图3 调整量规划界面示意

规划中符号定义面向大里程，垂向调整“+”号抬道，“-”号落道；横向调整“+” 号向左拨，“-” 号向右拨。

基于有砟轨道整道的特点，相对测量调轨技术应用中应注意：

(1)整道先处理基准股的轨向、高低，再通过轨距及水平(超高)调整非基准股轨向、高低；

(2)关于调整波长顺序，应严格按照70 m弦→20 m弦→10 m弦顺序进行，自动规划与人工干预相结合，以保证轨道的整体优化；

(3)对于基准股轨向动道量的控制，可采用一弦法。应置弦线于不受作业影响的位置，以检测该撬规划动道量是否作业到位，不到位，则相应位置补撬。基准股高低动道量采用轨道尺测量水平变化予以控制；

(4)现场施工时，应依据动道量确定可能的回弹量，保证作业后调整量到位；

(5)由于有砟轨道的高低不宜采用非标垫板调整，故作业方案应尽量避免落道。

4 现场规模试用

为验证相对测量调轨技术在有砟轨道整道作业中的效率与效能，课题组于2012年8月至10月在昌九城际铁路进行了现场试用。现场试用线长约7 km，全线为有砟轨道、跨区间无缝线路，平面线形选择包含直线、缓和曲线及圆曲线。试用过程主要包括：静态检测→综合分析→调轨规划→方案审批→方案实施→静态回检。静态检测与回检采用GJY-T-EBJ-3轨检仪进行，并辅以弦线作为回检手段。实验显示，该技术可以显著改善有砟轨道的长波、短波平顺性状态，其测量效率可达2 km/h，300 m线路调整规划时间可控制在20 min以内，可现场出方案、现场划撬、现场回检，作业效果好，作业效率高。作业效果通过部分静态检测数据、静态回检数据及调轨规划数据如图4所示，其中图4(a)为右轨70 m弦测轨向长波的调整效果，图4(b)为右轨10 m弦测轨向的调整效果。对于10 m弦短波不平顺调整，采用一弦法进行作业量控制，整道前后现场拉弦数据见图4(b)。回检数据与现场拉弦对比显示，采用相对测量调轨技术进行整道作业，可显著改善长短波轨道平顺性。