无砟轨道精密测量控制系统研究与应用

2015-03-30王暖堂

测绘通报 2015年1期

王暖堂

(中铁十六局集团有限公司，100018)

一、前言

随着高速铁路和城市轨道交通的不断发展，以及城镇化建设的推进，轨道交通已成为交通运输的重要手段，为此将进一步加快轨道交通工程建设。目前，我国在高速铁路方面已成为世界上系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、在建规模最大的国家。高速铁路精密工程测量技术是高速铁路成功建设的关键技术之一。高速铁路建设与运营实践验证了我国高速铁路精密工程测量技术标准的科学性、先进性、适用性和可靠性。为满足高速铁路安全、高速、舒适的要求，其轨道精调技术尤为重要与关键，精调质量好与坏，直接关系到旅客列车运行的安全性和舒适性，为轨道几何尺寸保持持久、维修工作量少、经久耐用、综合经济效益等奠定基础。因此，在无砟轨道施工时，如何提高无砟轨道精调技术指标与质量控制，对轨道交通运营安全和轨道结构的耐久性、使用寿命具有重要意义。

以高铁和城市地铁工程的轨道精密测量控制为依托，经过三年多的跟踪调查与开发研究，结合近年来高速铁路无砟轨道施工控制测量技术的现状，针对无砟轨道施工控制测量中存在的问题及不足，展望高铁和城市地铁等工程领域轨道交通施工控制测量技术的应用前景，并进行技术创新和研究开发。研究开发了轨道施工中控制测量相关软件，无砟轨道不同板型施工控制测量通用软件，以及制作加工轨检小车、工装等测量元器件。为今后在轨道施工控制测量中有效利用既有测量仪器设备，发挥既有测量仪器设备作用，以减少测量仪器设备再投入，提供有效技术支持，大大节省成本。

二、技术路线及目标要求

1．研究目标及要求

无砟轨道主要由钢轨、轨枕、扣件、水泥道床、道岔等部分组成。在高速铁路无砟轨道施工过程中，通过采用高精度测量设备、高新测量技术和与之配套的数据处理技术，按照分级布网、逐级控制、统一布网、统一测量、整体平差的原则，构建了勘察设计、施工建造和运营管理各个阶段的“三网合一”精密工程控制测量网，保证其坐标高程系统统一、起算基准统一，满足高速铁路各阶段对于测量点位控制足够精度和密度的需要，进而实现高速铁路无砟轨道的高平顺性、高稳定性，其研究目标如下:

1)主要针对无砟轨道不同板型和整体道床施工测量实际，研究开发无砟轨道和整体道床施工轨道精调技术，制作生产相应的轨检小车、工装元器件，开发轨道安装施工中测量及相关数据采集计算处理软件。

2)重点解决轨道安装施工时，因赶工期所需投入轨检小车较多，粗调周期长，影响轨道安装施工工期。

3)结合城市轨道交通工程引入高铁CPIII轨道安装施工情况。生产加工相应工装元器件及数据采集计算处理软件。

2．技术路线与设计

1)调研高速铁路精密工程测量技术，详尽收集包括作业办法、实施方案、技术标准等各个方面的相关资料;收集高速铁路现行施工工艺、测量技术手段、轨道定位及调整等多方面的资料。

2)对收集的资料进行分析研究，设计高速铁路无砟轨道精密测量技术的总体技术路线，并建立数学模型。

3)根据总体技术思路，结合既有高速铁路的实际情况，开展轨道控制网的研究，研究其点位布设、外业观测、精度控制标准、数据处理方法等多方面的内容。

4)研究采用自由设站边角交会测量轨道控制网，自由设站能避免仪器对中误差的影响，方式灵活、基准一致、精度均匀，能有效指导轨排精调及长轨精调各项精度。

5)研究开发轨道几何测量仪(轨检小车)和轨排粗调精调工装、元器件及配套设备，提升无砟轨道粗调精度及轨道基础控制网技术。

6)研究开发轨道几何测量仪、工装等相适应的通用软件，适用于不同板型、轨排的轨道几何测量。

7)研究开发高速铁路无砟轨道长轨精调的新工艺。该工艺利用轨道精密测量仪及轨道基础控制网实现，研究其组织实施、人员及材料配备、与其他施工环节的衔接、工效、扣件精确调整方法、效果分析等。

8)研究采用轨道精密测量仪进行轨排精调及长轨精调的作业方法，包括自由设站时的观测点数、设站距离、站与站之间的搭接方式及其数据处理、轨排精调的作业技术标准及长轨精调的作业技术标准。

9)研究利用轨道基础控制网复测对工程结构工后整体形变位移的变化情况进行分析，并采用轨道几何状态测量仪(轨检小车)，对轨道三维几何线形位置、轨道平顺性以及整体道床隆沉情况进行监测。

三、技术原理及数学模型

1)铁路轨道施工与其他道路线路施工方法类似，围绕线路的线性设计正反算原理，配备相应工装及数据采集计算软件，实现被安装的轨道设备在现场精确安装就位。正算是依据设计提供线路上某个断面点所在的里程，计算该断面上相应点的坐标;反算就是以线路上某断面点的坐标求得该点对应线路上的设计里程。

如图1所示，铁路线路施工就是将1号、2号钢轨现场安装就位，满足一定几何相对位置关系和线路设计要求，1号、2号钢轨形成的整体几何线形中心必须与设计线路同心，同时1号、2号钢轨必须满足一定的超高要求。为了安装这个整体钢轨设备，就需要用一定的测量手段来实现这项任务。

2)研究制作了的工装，可以满足这个线形几何状态钢轨整体设备的就位。如图2所示。图中显示的是1号钢轨与2号钢轨的一个横截面图形。1与2号线代表的是钢轨顶端满足1．435 m二根轨道间距的位置特征点。1'与2'点代表道尺棱镜的中心位置，1'与2'点连线和1与2点的连线满足平行关系，且在线路设计各个里程位置，1、2、1'、2'这4个点组成的图形满足长方形的几何特征。由棱镜位置计算获取，可得到1与2点坐标的数学模型及计算公式。

图1 钢轨几何相对位置关系

图2 轨检尺钢轨的横截面

如图3所示，设1'与2'棱镜的坐标分别为(x'1，y'1，h'1)与(x'2，y'2，h'2)。需要计算得到的1点与2点坐标分别为(x1，y1，h1)与(x2，y2，h2)。根据图形几何关系，可得到如下几个量的值。

图3 棱镜与钢轨的几何相对位置

1'点与2'点的斜距为

1'点与2'点的平距为

1'点与2'点高差为

进一步得到

最后得到1点与2点坐标为

3)通过以上的数学公式主要测量计算得到点1与点2位置测量坐标(x1，y1，h1)与(x2，y2，h2)，假设点1与点2的设计坐标对应的点为11与22，可以通过线路计算得到点11与22的坐标为(x11，y11，h11)与(x22，y22，h22)。具体实现如下:一是在现场用架设并设站好的全站仪获取棱镜1'与2'的测量坐标及连线中心点A'的坐标。通过长方形的关系进一步计算得到点1与点2位置坐标(x1，y1，h1)与(x2，y2，h2)及连线中心点A的坐标。线路反算时，用A的坐标求得该断面对应的距离或里程。二是用距离或里程计算获得1与2点的理论坐标(x11，y11，h11)与(x22，y22，h22)。这样1与2点位置测量坐标(x1，y1，h1)与(x2，y2，h2)，并且理论坐标(x11，y11，h11)与(x22，y22，h22)都获取得到。三是进一步计算代表钢轨位置安装精调的调整量。如图4所示，1与2点代表钢轨的理论位置，11与22点所代表的是调整钢轨测量位置。钢轨平面调整量就是A、A″点投影到水平位置距离沿线路法线方向的距离值ΔP。调整方向由偏离线路中心点的左或右来确定。高程调整量即是对应点的高程数值差值Δh1和Δh2。

图4 钢轨位置安装精调示意图

4)距离函数模型:假设为右转弯铁路，圆曲线半径R，缓和曲线长l0，如图5所示。

以ZH点为原点，切线方向为x轴，垂直切线方向指向圆心为y轴，建立左手直角坐标系，简称切线坐标系。图中，测点Mi与对应线路中线点Ni的距离Di在过Ni点切线上投影长为纵向偏差、在垂直于Ni切线方向上投影长为横向偏差。测点Mi对应中线点Ni在缓和曲线上切线坐标为:

式中，C=Rl0;li为中线点Ni到ZH(HZ)点的曲线长。

图5 中线偏差示意图

中线点Ni坐标关于弧长li的复合Simpson公式为

测点Mi对应中线点Ni在圆曲线的切线坐标为

式中，αi=180°( li－l0)( Rπ )－1+β0。

如图5所示，设切线坐标系下测点与中线点的距离为

距离函数模型算法(distance function model algorithm，DFA)原理是当测点Mi与Ni距离最短时，Ni点即为Mi的对应中线点，其里程即为测点Mi对应中线点里程。它把求取轨道测点Mi的横向偏差问题转化为求解相应点Ni的曲线长li使Ni与测点Mi最近。

缓和曲线段可表示为

将式(12)代入式(14)中，得到关于缓和曲线长li的函数f(li)，分别求li一阶、二阶偏导数可得

将式(12)代入式(13)中，得曲线长li的函数f(li)，对f(li)求li一阶偏导数，并令其为零

整理得测点对应曲线长为

根据式(10)及满足阈值条件的式(15)或式(12)及式(17)，可计算出缓和曲线或圆曲线上Mi的横向偏差为

四、应用实例

1．轨道板测试技术流程

1)精调时千斤顶的安装:采用4个精调调节装置，2个双向千斤顶和2个具有高程调节能力单向千斤顶，可以进行平面及高程调节。双向调节千斤顶在安装前将横向轴杆居中，使之前后伸缩均能有大约10 mm的余量，以避免调节能力不足而影响调节质量和调节速度。

2)全自动全站仪设站:全站仪设站时精调仪器安放位置如图6所示。

图6 全站仪安放位置

a．精密对中三脚架安置:将对中三脚架架设在轨道板铺设方向的前方第一块板和第二块板间的基准点上。将三脚架对中杆的尖端，对准在GRP点上，面向需要精调的轨道板，对中整平精密三脚架。

b．全站仪架设:逆时针松开精密对中三脚架基座上的锁紧钮，取下全站仪上的基座，将全站仪精确对中在三脚架基座的三个螺空内，顺时针旋转基座的锁紧钮，使全站仪与对中三脚架连为一体，然而将全站仪精确整平(如图7所示)。

图7 全站仪安装示意图

c．棱镜架设:在相邻两块精调完毕的轨道板间基准点上架设精密对中三脚架，将棱镜插入对中精平，照准仪器方向(如图8所示)。

图8 定向棱镜安设图

d．参数设置:在轨道板精密调整系统软件内进行参数配置。主要是配置通信、连接参数、棱镜常数，各设备常数及原始数据等，然后照准目标。

e．标架校验:在精调工作前，对测量标架进行测定，在标准轨距位置经过校核，将5套标架分别在标准轨道板的一对承轨台上(离全站仪约6．5 m处)，用全站仪对安装在上面的标架上棱镜进行坐标值测定，逐一进行，将棱镜坐标值之间的修正常数，存放在FFB．ini文件里，利用轨道板精调软件的功能，对精调作业中的测量数据进行自动修正。

f．测量标架架设:将Ⅰ标架架设在第1个轨枕上，面向仪器方向;Ⅱ号标架架设在第6个轨枕上;Ⅲ号标架安置在第10个轨枕上;Ⅳ号标架安置在已铺设好轨道板的第1轨枕处。该标架用来定向和控制轨道板过渡连接。

标架安置时，确保接触到支点，在有超高的线段，采用弹拉机关将测量标架绷紧在轨道固定件上。