新建有砟铁路粗捣起拨道量快速测量方法研究

2015-03-17刘科

铁道勘察 2015年1期

关键词：钢轨小车高程

刘　科

(广州铁路集团，广东广州　580002)

Study on the New Measurement Method for the Track Lifting and Drawing Amount of Ballasted Track

LIU Ke1　MA Wen-jing2

新建有砟铁路粗捣起拨道量快速测量方法研究

刘科

(广州铁路集团，广东广州580002)

Study on the New Measurement Method for the Track Lifting and Drawing Amount of Ballasted Track

LIU Ke1MA Wen-jing2

摘要提出一种利用单轨棱镜夹进行轨道测量并通过计算获取起拨道量的新方法，工程应用实践表明，该方法测量精度满足粗捣要求，提高了捣固车作业效率，在新建有砟铁路粗捣阶段有推广应用价值。

关键词有砟铁路粗捣起拨道量捣固车

1概述

在轨道工程施工阶段，需要利用捣固车进行线路整正作业，使竣工轨道与设计位置的偏差及平顺性指标满足一定的要求，时速250 km的高速有砟铁路，其轨道静态几何平顺性指标规范[1]有明确的规定。高平顺性轨道的捣固作业，需要轨道起拨道量数据进行指导。捣固车自身安装有弦线测量系统，然而该系统仅能提供短波平顺性数据，不能提供对高速铁路而言更为重要的长波平顺性及绝对位置数据，不能满足捣固作业对数据的要求。因此，需要基于外部参考对轨道进行测量，以获得满足要求的起拨道量数据，从而指导捣固车进行作业。

新线的捣固作业一般分粗捣和精捣两个阶段。粗捣时，由于轨道偏离设计位置的量还比较大，对轨道测量数据的精度要求较低；精捣时，轨道与设计位置已经较为吻合，对轨道测量数据的精度要求也较高。目前，精捣阶段一般采用轨检小车进行轨道测量，其作业流程如图1所示。

图1　轨检小车作业流程

利用智能型全站仪，基于线路两边的CPIII控制网进行自由设站[2]，然后观测轨检小车上的棱镜，通过专业软件计算获得测量位置处的轨道几何参数。该方法精度高，能够满足捣固车精捣对数据的要求，然而效率偏低，且由于轨检小车价格昂贵，因此该方法的作业成本也较高。粗捣阶段对数据精度要求较低，故不适宜采用轨检小车来进行轨道测量，而传统的利用方尺分中进行中线测量、水准抄平进行高程测量的方法则过于繁琐且效率不高，同样不宜采用。针对上述不足，提出一种基于单轨测量获取线路起拨道量的测量方法，能够快速进行轨道测量并获取起拨道量，设备简单，操作方便，测量精度能够满足粗捣阶段的使用需求。

2单轨测量的原理及软硬件设计

2.1　轨道断面模型的建立

线路测量的目的在于获取轨道的实际空间位置，并与设计位置相比较而得到起拨道量。其中线路的设计位置已知，因此难点在于如何测量轨道的实际位置。单轨测量的原理是通过建立测量中心与轨道特征点的空间位置关系，由测量中心解算得到轨道特征点的一种测量方法。以CHN60钢轨断面模型为基础，建立单轨测量方法的轨道断面模型如图2所示。

图2　单轨测量方法轨道断面模型

图2所示为右偏曲线之左轨轨头:D为轨距定义点，O为轨道中心点，则OD为标准轨距的一半；OD的延长线与钢轨中心线相交于M，N为轨头顶面中线点，则M、N的连线为钢轨中心点；P为实测点，该点的空间三维坐标为(XP，YP，HP)，且位于钢轨中心线上，也即M、N、P三点共线，PN为测量设备高度，其值事先确定为已知；∠APB与∠CMD为设计超高引起的角度，其值为θ，设计超高不同，该值也会不同；∠NPA为设计轨底坡引起的角度，其值为α，由于设计轨底坡为常数，因此该值也为常数。

2.2　轨道特征点设计值计算

由轨道断面模型可知，N点的高程及D点的平面坐标为需要计算的设计值。由于P点三维坐标已知，可将该点平面坐标向设计平曲线投影，得到投影点也即O点的平面坐标，并得到O点在线路前进方向的方位角ε，计算原理如图3所示。

图3　基于设计平曲线的投影计算模型

轨道线路设计线形有三种，分别是直线、缓和曲线及圆曲线[3]，与之对应，投影点计算也有三种数学模型。

(1)直线地段的投影点较容易计算，在确定直线方程以后，解求过实测点且与已知直线垂直的另一直线，即两条直线交点的投影点。

(2)圆曲线地段的投影点求解算法如下：解求实测点与圆心的连线跟圆曲线的交点，则该交点即为所求的投影点。

(3)缓和曲线的参数方程如式(1)所示，基于该参数方程[4-6]，也可较为方便地求得实测点在缓和曲线上的投影点。

(1)

O点的平面坐标得到以后，即可计算D点的平面坐标。由于D点位于O点的轨道法向方向，可通过下式计算D点的设计平面坐标

(2)

2.3　轨道特征点实测值计算

由图2可知，N点的实测高程可通过下式计算

(3)

式(3)中，HP为实测点P的高程，通过测量得到；NP为实测点距离钢轨顶面中心的高度，可通过事先测量得到。

D点的实测平面坐标可通过如下方程组计算

(4)

式(4)中，MN为轨距定义点D与钢轨顶面中心点N之间的高度，由钢轨断面模型确定，是一个已知值；MD为轨距定义点D与钢轨中心线之间的距离，同样由钢轨断面模型确定，是一个已知值；XP及YP为实测点P的北坐标及东坐标，通过测量得到；其余各变量的含义在上文中已经说明，因此可通过式(4)计算D点的实测平面坐标。

2.4　轨道起拨道量计算

N点的设计高程及实测高程与D点设计平面坐标及实测平面坐标解算完成后，即可通过如下方程组计算该里程处的轨道起拨道量

(5)

式(5)中，VN及SD分别代表该里程处的轨道起道量及拨道量。对于起道量而言，VN正值，表示轨道实际高程比设计高程大，需要落道；VN为负值时，表示轨道实际高程比设计高程小，需要起道。对于拨道量而言，式(5)仅给出了SD的绝对值，此时还需要根据D点的实测平面坐标与设计平面坐标间的相互位置关系，并结合该里程处的前进方位角ε来判断实测值位于设计值的左边还是右边，以便确定轨道的拨道方向。

2.5　单轨测量系统的软硬件设计

根据上述单轨测量的原理，对单轨测量系统的硬件进行了设计，设计原则是使测量点距离钢轨顶面的距离不应太大，以控制计算误差；同时保证该装置能够稳定地卡住钢轨，并兼顾方便实用。单轨测量装置如图4所示。

图4　单轨测量装置

在外业测量时，利用全站仪测量棱镜的三维坐标并保存；为了区分测点，可事先在轨道上的待测点位置写标，则在测量时可按照标记来命名测量点的点名。外业完成后，将测量数据输出并进行内业处理。

为进行内业数据处理，根据单轨测量原理开发了专用数据处理软件。该软件具有项目建立、参数设置、数据输入、数据解算、左右轨自动判别、高低轨自动判别、图形显示、报表输出等功能，能够方便快捷地完成数据处理工作。在数据输出方面，除了一般的文本格式或EXCEL格式外，还专门开发了适合捣固车自动识别的GEO及VER文件格式，并能够根据测量成果自动输出，从而方便捣固车根据轨道数据进行自动化作业[7]。捣固车GEO及VER数据格式如图5所示。

图5　捣固车GEO及VER文件

3单轨测量系统的精度

为了确定单轨测量系统的精度，在某无砟轨道客运专线上进行了测试。在选定轨道段利用轨检小车进行了精密轨道检测，得到检测点高程偏差及平面偏差，并将其作为真值。然后利用单轨测量系统对相同的轨道点进行测量，通过数据处理得到高程及平面偏差，并与轨检小车的检测数据进行对比，以此评价单轨测量系统的检测精度。单轨测量系统与轨检小车对同一段轨道检测数据的比较情况如图6所示。

图6　单轨测量系统与轨检小车数据比较

由图6可知：在该测试段约250 m的范围内，单轨测量系统与轨检小车分别测得的拨道量较差及起道量较差绝大部分位于±3 mm以内，最大值均不超过5 mm；拨道量较差的均值为0.51 mm，均方差为1.49 mm；起道量较差的均值为0.30 mm，均方差为1.68 mm；单轨测量系统测得的轨道起拨道量与轨检小车数据吻合较好，其测量精度完全能够满足有砟轨道粗捣阶段的要求。

4应用案例

在广州南站枢纽有砟轨道的粗捣中，采用了单轨测量系统进行轨道检测，提高了作业效率，在紧张的工期内完成了轨道检测任务，且相较于传统的轨道检测方法，有效地改善了轨道粗捣的质量。

图7及图8为选择的某段长约2 km的轨道第三道与第四捣起拨道量数据对比。由图7可见，由单轨测量系统提供数据并经捣固后，第四捣数据比第三捣数据得到了明显改善，轨道的轨向平顺性也得到了控制；由图8可见，在预留80 mm起道量的情况下，第四捣起道量数据的均值即在-80 mm左右，轨道的高低平顺性同样也得到显著控制。上述结果表明，应用单轨测量系统在有砟轨道粗捣阶段进行轨道检测并配合大机作业，捣固效果及精度良好。