客运专线轨道精调相邻站平顺衔接方法研究

罗文彬

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

客运专线轨道精调相邻站平顺衔接方法研究

罗文彬

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

客运专线轨道精调中,相邻站轨道几何状态信息平顺衔接是否合理将直接影响轨道的平顺性,不同的平顺衔接方法对于轨道轨向、高低长短波的计算将产生不一样的结果,国内主要采用的是重叠区余弦函数平顺衔接的方法。提出一种基于平顺变化率扩展重叠区余弦函数平顺衔接方法,在理论分析的基础上,结合工程实践,对这两种方法进行了综合比对分析。结果表明:在相邻两站重叠区轨道量测点坐标较差较小的情况下,两种方法得到的衔接平滑结果,均可以满足轨道长短波检测的需要。而基于平顺变化率扩展重叠区余弦函数平顺衔接方法,其顺接长度是根据相邻站重叠区较差而动态变化的,很好地保障了平顺性变化率的精度要求。

客运专线;轨道平顺性;顺接;重叠区;轨向;高低

轨道的平顺性是实现列车高速运行的基本条件,为了达到在高速行驶条件下旅客列车的安全性和舒适性,要求客运专线轨道必须具有非常高的平顺性和精确的几何线性参数[1,2]。轨道的高平顺性是直接通过轨道精调来实现的[3]。轨道精调是根据轨道几何状态测量仪采集的线路轨道内外部几何状态信息(轨距、水平、轨向、高低、轨道三维坐标等)[4],通过扣件对轨道高低和轨向进行调整,使轨道几何状态达到规范要求。为了满足轨道几何状态信息采集的高精度要求,在客运专线轨道施工和运营维护过程中,对轨道几何状态信息的采集需采用分站重叠测量的方法,而每一站独立观测的距离较短,不能满足轨道长短波平顺性评价的要求,这就必然存在着测站间的平顺衔接问题[5]。因此,对于轨道高低、轨向平顺性的高精度不仅要求测站内相对精度,而且应该包括相邻站高精度的合理平顺衔接。目前,国内主要采用的是重叠区余弦函数平顺衔接的方法[6]。本文提出一种基于平顺变化率扩展重叠区余弦函数平顺衔接方法,在理论分析的基础上,结合工程实际,对这两种方法进行综合比对分析。

1 轨道几何状态信息采集分站重叠测量方法

如图1所示,轨道几何状态信息采集采用分站重叠测量的方法,即:测量是由多个测站组成,每站测量全站仪采用自由设站法[7],自由设站时后视不少于6个轨道控制点(CPⅢ点),每站观测距离从50～80 m不等,具体视天气情况及线路要求精度等级而定。

图1 分站重叠测量示意

全站仪具有测距、测角的高精度性,各站内测量的相对精度较高,但由于每站所观测的CPⅢ点不一致,每一站全站仪自由设站的精度也就不尽相同,为了提高测站之间的相对精度,相邻测站之间的设站观测必须保证足够的重叠,重叠的CPⅢ点个数不少于2对;为了尽可能地减小不同设站精度对相邻测站间平顺性的影响,对相邻测站观测的轨道点采用搭接重叠测量的方法[8,9],即:每相邻两站设置3～7 m的重叠区,在重叠区内前后两站需对同一轨道量测点进行测量,将同一轨道量测点的横向和高程偏差控制在一定范围之内,对相邻测站进行平顺衔接,以保障相邻测站之间平顺性。

2 相邻测站平顺衔接模型设计

轨道平顺性测量是由多个测站组成,轨道平顺性分析前需要对相邻测站的轨道测量点均匀地、无拐点地贯穿起来,即进行平顺衔接处理[10]。轨道测量中同一测站内测量相对精度比较容易达到要求,而相邻测站由于换站的原因使得其测量坐标存在偏差,如果不经过特殊处理,势必形成转角或突变。为解决这个问题,相邻测站就必须保证具有同名重复量测点,设置重叠区,将相邻测站重叠区内所有轨道量测点的横向偏差量和高程偏差量平顺分配到各点上。现主要采用余弦曲线的方法对偏差量进行顺接,如图2、图3所示。

图2 重叠区平顺搭接示意

图3 扩展重叠区平顺搭接示意

相邻测站重复测量点衔接处理采用余弦曲线函数加权的方法,计算公式如下

其中,L为重叠区长度,重复点号前后各延长1个点的里程差,I为当前计算点离重合起始点的距离。衔接后轨道量测点各偏差量的计算公式如下

其中,Hi为搭接区从小里程开始第i个重复点搭接后的高程值,H1i为其小里程上一站的高程值,H2i为其相邻当前站的高程值;Pi为搭接区从小里程开始第i个重复点搭接后的横向偏差值,P1i为其小里程上一站的横向偏差值,P2i为其相邻当前站的横向偏差值;z和1-z分别为其权重。

重叠区余弦函数平顺衔接的方法虽然能有效地对相邻站无拐点进行顺接,但在相邻站偏差较大时,其顺接的效果相对于测站内的平顺性精度并不是太理想。通过理论分析和实际工程应用的研究,现提出一种基于平顺变化率的扩展重叠区余弦函数平顺衔接方法,如图3所示,假设相邻测站重叠区内所有轨道量测点的偏差量为S,假定轨道横向和高程偏差量的平顺变化率满足每米变化x的要求,x取值依据线路的具体精度要求而定,则依据平顺变化率可计算出扩展重叠区顺接段的长度如式(4)所示

搭接后轨道量测点各偏差量的计算

其中,i表示扩展重叠区顺接段从小里程开始的第i个点;Hi为第i个点搭接后的高程值;H1i为第i个点搭接前的高程值;K1i为第i个点的里程值;K1s为扩展重叠区顺接段第1个点的里程值;Pi为第i个点搭接后的横向偏差值;P1i为第i个点搭接前的横向偏差值。

3 工程应用及分析

西宝客运专线东起陕西西安,西至宝鸡,是横贯中国东西的铁路主通道之一,为国家重大铁路基础设施建设重点项目,已于2013年12月正式通车。采用轨道几何状态测量仪和TS30全站仪用分站重叠测量的方法对线路轨道进行了平顺性检测,现选取其中两站数据进行处理分析,如表1所示。在里程DK1 239+ 234.115至DK1 239+358.229内对相邻A、B两站进行观测,并重叠10个轨枕(239311065～239311074)的测量。从表1中数据可以看出,由于不同自由设站的设站精度不同,以致设站A观测的重叠点坐标与设站B观测的重叠点坐标并不相同,其产生的横向较差平均值为2.0 mm,高程较差平均值为3.2 mm;从各自测站内的横向邻点变化和高程邻点变化来看,横向邻点变化最大值为0.3 mm,高程邻点变化最大值为0.5 mm,其各自测站内测量的相对精度较高。如图4所示,分别对A测站和B测站内的轨道高低10 m弦短波进行了分析,从图形可以看出,现场DK1 239+234～DK1 239+358里程段的短波高低平顺性都满足2 mm/5 m精度[11]要求的。

表1 相邻站原始观测数据结果统计

图4 轨道高低10 m弦短波示意

为了对轨道进行整体的平顺性分析,需对相邻测站的轨道测量点贯穿起来进行顺接处理。如表2所示,分别对A、B站的平顺性指标短波轨向和高低[12]进行了计算。从表2中可以看出,A、B站未顺接前的轨向和高低短波值绝对值都小于1 mm;A、B站直接顺接处理效果较差,重叠点短波轨向的平均值为-1.76 mm,短波高低的平均值为-2.40 mm,不能满足短波2 mm/5 m的精度检测要求,该处的平顺性与现场的实际情况明显不符;采用重叠区余弦曲线平顺衔接方法进行顺接,重叠点短波轨向的平均值为-1.14 mm,短波高低的平均值为-1.45 mm;采用基于平顺变化率的扩展重叠区余弦函数平顺衔接方法进行顺接,重叠点短波轨向的平均值为-0.82 mm,短波高低的平均值为-0.65 mm;显然,应用基于平顺变化率的扩展重叠区余弦函数平顺衔接方法效果最好,其计算结果都能满足短波2 mm/5 m的精度检测要求,与A、B站独立计算的效果比较接近,与现场平顺性实际情况比较吻合。如图5所示,分别对不同顺接方法计算的短波高低结果进行了图形分析,从图5中可以看出,在相邻两站重叠区高程较差平均值为3.2 mm的情况下,其直接顺接形成了明显的转角突变,而采用重叠区余弦曲线平顺衔接方法进行顺接的效果可以消除突变的情况,但与站内独立处理的效果还是具有一定的差别,通过应用基于平顺变化率扩展重叠区余弦函数平顺衔接方法计算的平顺性效果最佳,能很好地与现场真实情况保持一致。

表2 相邻站顺接处理结果统计

图5 A、B站顺接后轨道高低10 m弦短波波形

4 结论

(1)轨道几何状态信息的采集采用分站重叠测量的方法,站内的相对精度较高,平顺性效果较好,但观测距离受限,通常都小于80 m。

(2)轨道几何状态信息采集时,相邻站重叠的CPⅢ点尽可能多,相邻站重叠区较差就越小,则整体平顺性衔接的精度越高。

(3)在相邻两站重叠区轨道量测点坐标较差较小的情况下,重叠区余弦函数平顺衔接的方法和基于平顺变化率扩展重叠区余弦函数平顺衔接方法得到的衔接平滑结果,均可以满足轨道长短波检测的需要。而基于平顺变化率扩展重叠区余弦函数平顺衔接方法,其顺接长度是根据相邻站重叠区较差而动态变化的,在相邻测站重叠区内轨道量测点的横向偏差量和高程偏差量较差相对较大的情况下,其能很好地保障平顺性变化率的精度要求。

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Research on Methods of Smooth Convergence between Adjacent Stations during Track Accurate Adjustment for Railway Passenger-dedicated Line

LUO Wen-bin
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

In the process of track accurate adjustment for railway passenger-dedicated line,that weather or not the method of smooth convergence of track geometric status information between adjacent stations is reasonable will directly affect the regularity of track.Different smooth convergence methods will produce different computational results of track alignment and waves,which may be either high and low or long and short.In contrast with the smooth convergence method of overlapping region cosine function which is widely used in China at present,this paper proposed a new smooth convergence method of extended overlapping region cosine function based on regularity change rate.Furthermore,on the basis of theoretical analysis and in combination with engineering practices,a comparative analysis between the two methods was comprehensively carried out in this paper.The results show that:(a)When the coordinate discrepancy of track measurement points at the overlapping region between adjacent stations is small,the smooth convergence results obtained by both the two methods can all meet the requirement for testing the long and short waves of track.(b)If using the new smooth convergence method of extended overlapping region cosine function based on regularity change rate,the length of smooth convergence will dynamically change with the discrepancy change of overlapping region between adjacent stations,so this new method can better meet the accuracy requirement of regularity change rate.

railway passenger-dedicated line;regularity of track;smooth convergence;overlapping region;track alignment;track height

U238;U215.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.005

1004-2954(2014)08-0023-04

20140117;

201401-27

罗文彬(1981—),男,工程师,2006年毕业于西南交通大学地图制图学与地理信息工程专业,工学硕士,E-mail:lwbswjtu@ 163.com。