武廣鐵路客運(yùn)專線無砟軌道平順性評(píng)估

周全能,潘正風(fēng)

(武廣鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司咨詢項(xiàng)目部,武漢 430060)

1 概述

為保證高速列車在客運(yùn)專線鐵路上運(yùn)行的安全性,以及乘坐旅客的舒適度,高速客運(yùn)專線的軌道必須具備高平順性和高穩(wěn)定性。武廣鐵路客運(yùn)專線無砟軌道全線以雙塊式無砟軌道為主。雙塊式無砟軌道施工是先逐段精確調(diào)整工具軌以固定軌道位置,再在鋪設(shè)長(zhǎng)軌后進(jìn)行軌道的精調(diào)。精確調(diào)整工具軌對(duì)保證軌道的平順性極為重要,因?yàn)檫@時(shí)軌道位置已基本固定,長(zhǎng)軌所能調(diào)整的量是很小的(向下最大為4 mm,左右最大為8 mm),即便在可調(diào)的范圍內(nèi)也要更換軌道扣件才能調(diào)整。無砟軌道的平順性,一方面依賴于建立高精度控制網(wǎng)和對(duì)軌道的精確測(cè)量,即在CPⅠ、CPⅡ和二等水準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,建立無砟軌道施工測(cè)量CPⅢ控制網(wǎng),并利用高精度全站儀和軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x來測(cè)定軌道的幾何狀態(tài),對(duì)軌道進(jìn)行精確調(diào)整。另一方面需要根據(jù)軌道的幾何狀態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)軌道平順性作出正確的評(píng)估,給出適合無砟軌道特點(diǎn)的軌道平順性評(píng)估方法。根據(jù)研究,軌道平順性不僅有短距離平順性(短波平順性)的要求,還有較長(zhǎng)距離平順性(長(zhǎng)波平順性)的要求。

2 無砟軌道初始不平順性產(chǎn)生的原因

無砟軌道的平順性應(yīng)滿足短波平順性和長(zhǎng)波平順性。一般來說,初始的短波不平順性和長(zhǎng)波不平順性主要由軌道的測(cè)量誤差產(chǎn)生的。進(jìn)一步的分析可以知道,軌道的短波不平順性主要是由一個(gè)測(cè)站測(cè)量軌道的誤差引起的,在兩個(gè)相鄰測(cè)站中間連接處的不平順性還與測(cè)站之間的相對(duì)誤差有關(guān)。軌道的長(zhǎng)波不平順性主要是由CPⅡ和CPⅢ的點(diǎn)位誤差引起的。

(1)軌道短波不平順性與測(cè)量軌道誤差的關(guān)系

如圖1所示,A、B、C為同一測(cè)站測(cè)量的等間隔(5 m或10 m)的軌道點(diǎn),點(diǎn)B作AC的垂線交點(diǎn)為D,則BD稱為矢高。軌道短弦的實(shí)際矢高與設(shè)計(jì)矢高不符(即矢高誤差)將產(chǎn)生軌道短波不平順性。為討論方便,假定線路方向和X坐標(biāo)方向一致。

圖1 軌道短弦的矢高

由圖1可知,矢高誤差與A、B、C3點(diǎn)的y坐標(biāo)誤差有關(guān),假定三點(diǎn)的y坐標(biāo)分別為ya,yb,yc,則矢高V為

轉(zhuǎn)換成真誤差關(guān)系式

換成中誤差關(guān)系式

假設(shè)各點(diǎn)的mya、myb、myc相等,并等于my,則矢高中誤差為

軌道點(diǎn)位由全站儀測(cè)量、軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)量和調(diào)整來確定的,按等影響原則,由全站儀測(cè)量誤差產(chǎn)生的矢高的中誤差為

在軌道測(cè)量時(shí),全站儀大致安置在AB方向線上,則全站儀測(cè)量產(chǎn)生的矢高誤差主要受方向誤差影響,則

由式(2)可知,短弦矢高的誤差與全站儀測(cè)量方向誤差和測(cè)量距離成正比,但與弦的長(zhǎng)短無關(guān)。若全站儀測(cè)量方向中誤差小于2″,則所產(chǎn)生的短弦矢高誤差將不大0.5 mm。

(2)相鄰測(cè)站連接處軌道的不平順性與測(cè)站間相對(duì)橫向誤差的關(guān)系

假設(shè)由兩個(gè)相鄰測(cè)站測(cè)量軌道中間連接處的3個(gè)點(diǎn)分別為P11、P12、P13和P21、P22、P23(圖2),取測(cè)量點(diǎn)的平均位置P1、P2、P3來確定軌道位置。由圖2可看出,相鄰測(cè)站相對(duì)橫向誤差所產(chǎn)生的矢高誤差f等于相鄰測(cè)站相對(duì)橫向誤差的1/4。

圖2 測(cè)站相對(duì)橫向誤差對(duì)軌道矢高的影響

全站儀相鄰測(cè)站的相對(duì)橫向誤差所產(chǎn)生的矢高誤差也不應(yīng)大于0.58 mm,因此,設(shè)站點(diǎn)相對(duì)橫向中誤差應(yīng)不大于4×0.58 mm=2.3 mm?？梢?若相鄰測(cè)站間相對(duì)橫向中誤差小于2 mm,則在連接處所產(chǎn)生的矢高中誤差將不大于0.5 mm。

(3)軌道的長(zhǎng)波不平順性與CPⅢ點(diǎn)位誤差的關(guān)系

軌道的長(zhǎng)波不平順性是以較長(zhǎng)弦的矢高誤差來衡量的。相隔較長(zhǎng)距離的軌道點(diǎn)是在不同的測(cè)站上測(cè)量的,而測(cè)站的位置是通過全站儀觀測(cè)周圍的一組CPⅢ點(diǎn)確定的。因此,軌道的長(zhǎng)波不平順性主要決定于CPⅢ點(diǎn)組之間的相對(duì)誤差。

也即任意3個(gè)相鄰CPⅢ點(diǎn)(中間點(diǎn)到兩邊點(diǎn)的距離為150 m)的角度中誤差應(yīng)不大于8″。這一要求實(shí)際上比相鄰測(cè)站間相對(duì)橫向中誤差小于2 mm的要求要低一些。

3 無砟軌道平順性的評(píng)估

由以上分析,軌道平順性是由軌道施工測(cè)量來保證的。但在無砟軌道鋪設(shè)時(shí),只是依據(jù)高精度測(cè)量控制網(wǎng)對(duì)軌道進(jìn)行逐段、逐點(diǎn)的測(cè)量和調(diào)整,而實(shí)際軌道能否滿足無砟軌道平順性的要求是不知道的。因此,在軌道鋪設(shè)調(diào)整后,需要測(cè)定軌道的幾何狀態(tài)對(duì)軌道平順性作出正確的評(píng)估。下面介紹幾種軌道平順性評(píng)估的方法。

(1)2 mm/10 m軌道短波平順性評(píng)估方法

2 mm/10 m軌道短波平順性評(píng)估方法如圖3所示,即10 m弦(P1～P3)中間軌向偏差(矢高設(shè)計(jì)值和實(shí)際值之差),時(shí)速大于250 km時(shí)不大于2 mm。下一評(píng)估段從P3開始,兩評(píng)估段之間沒有重迭。

圖3 不重迭2 mm/10 m軌道短波平順性評(píng)估(單位：m)

這種軌道短波平順性評(píng)估方法,適用于有砟軌道平順性評(píng)估,但缺少許多無砟軌道評(píng)估的數(shù)據(jù),無砟軌道評(píng)估需要有每塊軌枕的設(shè)計(jì)矢高和實(shí)際矢高數(shù)據(jù)。因?yàn)?對(duì)于無砟軌道結(jié)構(gòu)來說,每塊軌枕都有可能產(chǎn)生變形從而成為線路不平順的原因。而對(duì)有砟軌道結(jié)構(gòu),由于其剛度較無砟軌道小,使得有砟軌道不會(huì)在每塊軌枕處產(chǎn)生變形。

(2)重迭2 mm/10 m/20 m軌道短波平順性評(píng)估方法

如圖4所示,與2 mm/10 m軌道短波平順性評(píng)估方法不同的是,下一評(píng)估段從P2開始,兩評(píng)估段之間重迭10 m。這種軌道短波平順性評(píng)估方法也不能滿足每塊軌枕處有檢測(cè)數(shù)據(jù)的需要。

圖4 重迭2 mm/10 m/20 m軌道短波平順性評(píng)估

(3)2 mm/5 m/30 m軌道短波平順性評(píng)估方法

武廣鐵路客運(yùn)專線無砟軌道平順性的評(píng)估方法采用德國(guó)2 mm/5 m/30 m軌道短波平順性評(píng)估方法,如圖5所示,這種軌道平順性評(píng)估方法可以檢查每一塊軌枕處的變形,滿足無砟軌道平順性的評(píng)估。30 m弦包含有49個(gè)軌枕(軌枕間隔為0.625 m),要求對(duì)P2至P48的每一軌枕處的矢高進(jìn)行計(jì)算,按式(3)計(jì)算偏差dV,且不大于2 mm。下一評(píng)估段為P40～P88。

圖5 2 mm/5 m/30 m軌道短波平順性評(píng)估方法(單位：m)

(4)10 mm/150 m/300 m軌道長(zhǎng)波平順性評(píng)估方法

10 mm/150 m/300 m軌道長(zhǎng)波平順性評(píng)估方法,其計(jì)算原理與2 mm/5 m/30 m軌道短波平順性評(píng)估方法相同。

4 結(jié)論

客運(yùn)專線無砟軌道鋪設(shè)必須進(jìn)行高精度的施工測(cè)量,使軌道位置滿足平順性的要求。為無砟軌道鋪設(shè)施測(cè)的CPⅢ控制網(wǎng),必須滿足相鄰設(shè)站點(diǎn)的相對(duì)橫向中誤差(軌向偏差)小于2 mm。由全站儀測(cè)量軌道,測(cè)量距離不大于70 m,方向中誤差小于2″。

無砟軌道平順性評(píng)估應(yīng)有每一軌枕處的設(shè)計(jì)矢高和實(shí)際矢高,檢查每一塊軌枕。因此,無砟軌道平順性評(píng)估宜采用2 mm/5 m/30 m軌道短波平順性評(píng)估方法和10 mm/150 m/300 m軌道長(zhǎng)波平順性評(píng)估方法。

[1] 李青岳,陳永奇主編.工程測(cè)量學(xué)(修訂版)[M].北京：測(cè)繪出版社,1995．

[2] 鐵建設(shè)[2006]189號(hào)，客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測(cè)量暫行規(guī)定[S]．

[3] 武廣鐵路客運(yùn)專線咨詢聯(lián)合體.專題咨詢報(bào)告(SCR—ST039)[R].武漢：武廣鐵路客運(yùn)專線咨詢項(xiàng)目部,2009．