地铁营业线几何线形病害整治全过程测量技术应用研究

管新权

（中铁四局集团有限公司第八工程分公司，安徽 合肥）

随着城市轨道交通的持续发展，列车运行过程中对速度及舒适性的追求逐步突出。但早期建设线路受限于修建时的技术水平及长久以来的拨道式维保，其轨道几何姿态均出现了不同程度的病害，直接影响列车运行安全性、平稳性和舒适性[1]，对城市轨道整体形象产生了一定的负面影响。

早期建设地铁线路存在控制网缺失，既有线路严重偏离设计线形，维修改造施工天窗点时间紧、任务重。针对维保作业对测量任务的需求，诸多人员已进行了一系列探索。王鹏，潘正风[2]在深入研究控制网与轨道平顺性的关系后，提出要严格把控CPⅢ点位精度。张登科等[3]发现在较差的轨道几何状态下，列车引起建筑物室内振动明显增加。杨成宽[4]利用GEDO CE 轨道检测系统进行轨道检测及精调施工，薛卓鹏[5]研发了基于卡尔曼滤波技术的组合测量系统，有效提高了检测精度。然而，针对控制网缺失、需重建几何线形数学模型的全过程测量控制技术有待开展深入研究。

本文为适应早期营业线路整治施工对高精度、高效率、智能化技术的迫切需求，研究了独立空间两级控制技术，开发三维几何线形拟合系统，并贴合现场施工需求，提出一套线形病害整治施工测量控制方法。

1 独立空间两级控制技术

传统地下空间控制网测量方案，首先需要对地面控制网进行复测，再做联系测量，将地面控制点引至地下空间后，再进行区间贯通测量，最后测设任意设站控制网。相对于无联测需求的独立线路地下空间，整套技术程序复杂、存在工作量冗余，可以在兼顾效率和精度方面进一步优化。

1.1 首级控制技术

在原单导线的基础上，优化形成附带第三边检核的单导线测量技术（见图1）。本技术将每个测站向前后各延伸一条观测边，进行每点连续观测，构建了第三边检核条件，观测时可以有效控制不同测站间方位角和边长综合变形值，避免误差累积。以AB 作为起算边，并依次推定后续控制点坐标，通过增加检校，实现对导线测量数据结果的可靠保证，导线测量技术要求详见表1。

图1 附带第三边检核的单导线测量技术示意

表1 附带第三边检核的单导线测量技术要求

考虑投影变形导致的数据偏差，参考《城市轨道交通工程测量规范》（GB/T50308-2017）限差要求，在边长及高斯投影变形的综合值大于15 mm/km 时，采用抵偿高程面建立配套独立城市坐标系统。同时，在测量过程中，将每段控制网长度控制在2 km 以内，以弱化投影综合变形值对于数据成果的影响。

高程首级控制网测设方面，将平面点与高程点合用，并以二等水准测量为标准进行往返观测，首级控制网中高程控制测量精度要求详见表2。

表2 水准测量技术要求

1.2 任意设站控制网测设技术

任意设站控制网测设按照《城市轨道交通工程测量规范》（GB/T50308-2017）进行控制（见图2）。

图2 任意设站控制网

为保证控制网在独立坐标系下的稳定性，需要增加两个控制指标：（1）考虑约束平差成果中尺度K 值；（2）导线网坐标结果与任意设站控制网起算点的三参数转换坐标差值应小于10 mm，以上两个指标可验证独立空间两级控制网状态的稳定性。

2 三维几何线形拟合系统

2.1 系统设计

为实现几何线形病害数据处理自动化，研发3D track line fitting system（以下简称TLFS 系统）。本系统以Visual Studio 2017 为开发平台，基于.Net Framework4.6 框架，采用C＃语言进行开发，能够适配于Windows7 以上系统版本，除安装过程需要进行激活外，系统使用全过程无需网络连接。

TLFS 系统包含数据录入及预处理、轨道几何线形拟合、轨道调整方案生成及显示输出三大模块，实现了外业数据一键导入、参数自定义及数据自动化处理。

2.2 核心功能

TLFS 系统以基于三维散点集的空间线形曲线拟合优化技术为核心，根据间接平差原理，以正交最小二乘为准则，针对性构建空间曲线参数预估模型见式（1）、式（2）。

以空间曲线参数预估模型为核心，对现场采集数据进行几何参数估计，拟合出局部最优轨道几何线形，并利用迭代算法求取全局最优几何线形，并以此线形基准自动生成病害维修整治方案。

3 技术应用

3.1 工程概况

本文依托武汉地铁1 号线头道街站～黄浦路站上行线开展研究，为标准“两站一区间”，共计1.218 km。该段线路随服役年限的不断延长，几何线形病害发展逐步加剧，现阶段采取的线路调整、加强等措施不能从根本上解决问题。为了提升线路质量，预控可能的安全风险，现阶段正有计划地实施线路维修改造工作。

3.2 控制网测设及轨道数据采集

采用独立空间两级控制技术，首先详细收集线路相关资料、安排实地踏勘，并完成控制网点位埋设；接着分别成立导线组及水准组，同步构建轨道首级控制网；最后在首级控制网的基础上，测设轨道任意设站控制网。

采用铁四院SYADJ 平差软件进行控制网平差，平面网相对精度K=1/136 816＜1/35 000，水准线路高差闭合差为0.64 mm＜ ±8 L=9.17 mm，任意设站控制网精度指标详见表3，由此可看出，本文所述测量方法的各项平差指标精度均远高于规范要求，能够适用于现场施工。

表3 任意设站控制网平面约束网平差后的精度要求

在任意设站控制网基础上，以TS60 全站仪自由设站，实时定位轨道几何状态测量仪绝对位置，实现每枕木位置轨道状态多维度数据的高精度采集。测量全过程主要仪器配置见表4。

表4 主要测量仪器设备配置

地铁营业线运营期天窗时间一般为3 h，控制点打孔埋设效率为0.4～0.5 km/天窗点，首级控制网测设效率为1～1.5 km/天窗点，任意设站控制网测设效率0.7～0.8 km/天窗点，0.5～0.6 km/天窗点。根据天窗点调度安排，从踏勘至数据采集完成共计2 周，共采集1 898 个轨道状态数据。

3.3 线形拟合

采用具有自主知识产权的TLFS 系统，建立项目文件，将GRP 1000 外业测量数据导出后传入本系统，设置误差探测及拟合优化参数后，以调整量最小为准则自动拟合出的最优三维轨道线形，相关调整量结果及设计线形可输出显示（见图3）。

图3 TLFS 系统

以拟合优化几何线形为基准，自动计算现状轨道调整量。经统计，平面调整量＜2 cm 点位1 815 个，占比95.6%，高程调整量＜2 cm 点位1 699 个，占比89.5%（见图4）。

图4 平面（左）及高程（右）调整量

3.4 几何线形病害整治施工测量

调整量方案复核无误后，测量人员将调整量数据标记在对应位置钢轨面上，再根据调整量的大小，分区段针对性地进行扣配件调整、枕木扩孔及道床凿除改造施工。病害整治全过程需保持全站仪自由设站，实时进行作业指导及复核，最终以相对小车采集数据，进行轨道平顺性评估（见图5）。

图5 几何线形病害整治施工测量

4 结论

独立空间两级控制技术加强了独立控制网导线的内部稳定性，减少了单导线无法对中间测点提供有效约束的问题。由于不与地面控制网联测，可以避免打开地铁运营车站上盖，有效降低测量成本，同时减少了地面控制网和联系测量的误差传递。该方法适用于地下单线隧道内施测，相对普通单导线，测量精度大大提高；相对隧道双导线，空间需求更低，布点位置也更加灵活。

开发的三维几何线形拟合系统，其数学模型严谨可靠，能够极大程度上减少内业处理过程中对人的依赖性，推进了维保施工数字化建设，相对现有技术减少30%工作量，可在今后的运营期线路维修过程中推广使用，但在系统的用户交互、界面美观及运算效率等方面仍有较大提升空间。