CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道施工布板軟件的研發(fā)

許 非

(中鐵十七局集團(tuán)有限公司，太原 030006)

1 概述

隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展，客運(yùn)專線、高速鐵路建設(shè)不斷推進(jìn)，鐵路運(yùn)營(yíng)的速度在不斷提高，軌道平順性顯得尤為重要?？瓦\(yùn)專線、高速鐵路主要采用無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道技術(shù)是在引進(jìn)德國(guó)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)消化吸收、再創(chuàng)新形成的我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系統(tǒng)技術(shù)。該技術(shù)在我國(guó)京津城際鐵路成功應(yīng)用后，隨后在滬杭、京滬、津秦、杭甬、寧杭高速鐵路大量采用［1］。CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道系統(tǒng)施工技術(shù)的核心部分——施工布板軟件(以下簡(jiǎn)稱“《軟件》”)由于不屬于引進(jìn)技術(shù)范疇，在京津項(xiàng)目仍然采用了德國(guó)軟件。為徹底擺脫對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴，解決技術(shù)國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題，施工布板軟件開發(fā)顯得尤為重要。

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)主要由承載層、水泥乳化瀝青砂漿充填層、軌道板、鋼軌及扣件系統(tǒng)組成。軌道板承軌臺(tái)在工廠內(nèi)的精確打磨使得軌道板在線路中具有唯一里程位置，同時(shí)打磨后的承軌臺(tái)部分地、預(yù)先地形成了線路幾何，減少了后續(xù)鋼軌調(diào)整量。CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道從設(shè)計(jì)到施工采用了以布板軟件為核心的測(cè)量管理體系，該軟件系統(tǒng)包括設(shè)計(jì)布板軟件和施工布板軟件2部分，二者數(shù)據(jù)交流既相互關(guān)聯(lián)，功能上又相對(duì)獨(dú)立。設(shè)計(jì)布板軟件主要是根據(jù)線路參數(shù)和強(qiáng)制點(diǎn)要求計(jì)算出每塊軌道板在線路上的位置，并向制板廠提供打磨數(shù)據(jù)和向鋪板單位提供布板施工數(shù)據(jù)，施工布板軟件主要是以接收設(shè)計(jì)軟件提供的軌道幾何及軌道板布置參數(shù)、板廠打磨偏差和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)等作為計(jì)算依據(jù)，計(jì)算出各種施工所需要的測(cè)量數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)流程中可以看出施工布板軟件在整個(gè)CRTSⅡ型板測(cè)量管理體系中處于核心位置，上游既與設(shè)計(jì)院在軌道幾何及布板參數(shù)密切統(tǒng)一，同時(shí)需要設(shè)計(jì)理論數(shù)據(jù)、板場(chǎng)打磨數(shù)據(jù)、梁場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做為施工計(jì)算的原始數(shù)據(jù)，下游又與作業(yè)隊(duì)形成往來(lái)數(shù)據(jù)交換，控制現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、精調(diào)和結(jié)果評(píng)估，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)管理功能。因此施工布板軟件在CRTSⅡ型板無(wú)砟軌道施工中起著不可替代的中間作用。

滬杭高速鐵路的成功開通及京滬高速鐵路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗(yàn)驗(yàn)證了《軟件》的可行性和實(shí)用性，計(jì)算速度、精度和格式要求都滿足施工需求。

2 軟件的組成及功能

2.1 施工布板軟件組成

《軟件》用于CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的施工測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算及管理，由四大部分組成:施工放樣坐標(biāo)計(jì)算、基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)平差、軌道板精調(diào)數(shù)據(jù)計(jì)算、軌道板精調(diào)及復(fù)測(cè)成果評(píng)估，組成如圖1所示。

圖1 CRTSⅡ型板施工布板軟件系統(tǒng)組成

2.2 施工布板軟件功能

該軟件為“CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道施工測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算與管理”專用軟件，開發(fā)平臺(tái)是Microsoft Visual Studio.NET 2005，運(yùn)行環(huán)境為 Microsoft Windows 2000、Windows XP簡(jiǎn)體中文版。軟件包含以下功能:

(1)接收設(shè)計(jì)軟件提供的軌道幾何及軌道板布置參數(shù)，使施工布板軟件與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián);

(2)考慮各種工況橋梁荷載的變形情況計(jì)算出各施工斷面上控制點(diǎn)放樣的三維坐標(biāo);

(3)考慮各種工況橋梁荷載的變形情況及打磨誤差因素，準(zhǔn)確計(jì)算出每塊軌道板上的支點(diǎn)(承軌臺(tái)上左右鋼軌頂點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的軌中點(diǎn))在實(shí)際里程的空間位置;

(4)根據(jù)與CPⅢ點(diǎn)和軌道基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)際聯(lián)測(cè)的原始數(shù)據(jù)，平差計(jì)算獲得軌道基準(zhǔn)點(diǎn)的精確三維坐標(biāo)，為軌道板精調(diào)提供起算坐標(biāo);

(5)對(duì)精調(diào)結(jié)果及軌道板復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查計(jì)算評(píng)估，監(jiān)控精調(diào)作業(yè)隊(duì)施工情況，同時(shí)可對(duì)復(fù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行平順性分析，對(duì)超限位置模擬扣件調(diào)整。

3 坐標(biāo)計(jì)算原理

3.1 線路模型的建立

3.1.1 平面模型

建立線路平曲線定線參數(shù)有:交點(diǎn)里程、交點(diǎn)坐標(biāo)、圓曲線半徑、緩入/緩出長(zhǎng)度等。平面曲線是帶有緩和曲線的圓曲線，平曲線參數(shù)平面示意如圖2所示。

圖2 平曲線參數(shù)平面示意

已知曲線總轉(zhuǎn)向角α，設(shè)計(jì)圓曲線半徑為R，緩和曲線長(zhǎng)度為l，則緩和曲線函數(shù)及曲線要素按下列公式計(jì)算

式中 X0——圓緩點(diǎn)或緩圓點(diǎn)在切線上的投影長(zhǎng);

Y0——圓緩點(diǎn)或緩圓點(diǎn)的切線支距;

l——緩和曲線長(zhǎng);

β——緩和曲線偏角;

T——切線長(zhǎng);

m——切垂距;

P——圓曲線內(nèi)移量;

L——曲線長(zhǎng)。

3.1.2 縱斷面模型

高程豎曲線采用變坡點(diǎn)參數(shù)輸入，主要有:變坡點(diǎn)起始里程、變坡點(diǎn)結(jié)束里程、變坡點(diǎn)起始高程、坡度、豎曲線半徑等。豎曲線一般采用圓曲線。

如圖3所示，兩相鄰縱坡的坡度分別為i1、i2，豎曲線半徑為R，則測(cè)設(shè)元素為:

圖3 豎曲線參數(shù)平面示意

曲線長(zhǎng):L=αR

由于豎曲線的轉(zhuǎn)角α很小，故可認(rèn)為α=i1-i2，于是:L=R(i1-i2)

式中，x為豎曲線上任一點(diǎn)P至豎曲線起點(diǎn)或終點(diǎn)的水平距離。y值在凹形豎曲線中為正號(hào)，在凸形豎曲線中為負(fù)號(hào)。

3.2 計(jì)算斷面模型

斷面點(diǎn)計(jì)算根據(jù)不同位置分為不同的計(jì)算方式，如沿?cái)嗝嫫孪蚝脱厮椒较蛲队坝?jì)算，沿坡向又分為沿鋼軌頂面和軌道板頂面，用戶可以根據(jù)所需計(jì)算位置任意設(shè)定斷面以及計(jì)算步距。施工計(jì)算所需斷面主要有如下幾種。

(1)鋼軌頂斷面，主要用于軌道板精調(diào)數(shù)據(jù)文件的計(jì)算斷面。

斷面投影原理:從斷面的線路中線點(diǎn)開始，沿?cái)嗝娉咂孪?，向左或右偏移設(shè)定的距離后，計(jì)算得到左、右軌頂點(diǎn)的理論高程和平面坐標(biāo)。

(2)底座板頂斷面，主要用于定位錐和基準(zhǔn)點(diǎn)理論坐標(biāo)計(jì)算。

斷面投影原理:從斷面的線路中線點(diǎn)開始，先沿?cái)嗝娉咂孪?，向下投影到底座板頂面，向左或右偏移設(shè)定的距離后，計(jì)算得到定位錐點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)的理論高程和平面坐標(biāo)。

3.3 橋梁荷載變形計(jì)算模型

底座板施工后，其頂面隨著橋梁變形而協(xié)同變形，隨著軌道板鋪設(shè)，剩余的橋面系荷載、徐變，底座板將繼續(xù)隨著橋梁變形，軌道板精調(diào)、灌漿后，后期徐變及未施工橋面系工程(工期緊張地段有可能出現(xiàn))引起變形將直接影響到軌道平順性。

為最大可能消除橋梁變形對(duì)軌道結(jié)構(gòu)影響，需要根據(jù)橋梁理論變形參數(shù)計(jì)算出相應(yīng)位置的后期變形值并對(duì)底座板放樣坐標(biāo)、軌道板精調(diào)數(shù)據(jù)的高程值進(jìn)行修正，即給定一個(gè)預(yù)拱度，使得軌道結(jié)構(gòu)隨著施工進(jìn)展最終達(dá)到理想狀態(tài)。對(duì)高程修正計(jì)算流程如圖4所示。

圖4 考慮荷載影響高程修正計(jì)算流程

4 軌道基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)量平差

軌道基準(zhǔn)網(wǎng)是軌道板精調(diào)的基準(zhǔn)，是軌道板精調(diào)時(shí)架設(shè)全站儀和定向棱鏡的基點(diǎn)。為保證精度，平面與高程測(cè)量分開進(jìn)行。平面測(cè)量是分站、多次按自由設(shè)站方式對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)和CPⅢ點(diǎn)一起進(jìn)行觀測(cè)，所有測(cè)站的測(cè)量都是在局部坐標(biāo)系中進(jìn)行，不必確定大地坐標(biāo)，為消除拐點(diǎn)，相鄰測(cè)站之間測(cè)點(diǎn)要搭接。

軌道基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)量平差是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量的平面坐標(biāo)和水準(zhǔn)高程數(shù)據(jù)分別進(jìn)行篩選、平差，計(jì)算得到的符合要求的基準(zhǔn)網(wǎng)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

4.1 平差計(jì)算原理

首先必須按照外業(yè)數(shù)據(jù)限差的要求，對(duì)外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，選擇合格的數(shù)據(jù)參與平差計(jì)算。平面坐標(biāo)平差模型，采用三參數(shù)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)(無(wú)縮放因子)的計(jì)算模型，建立觀測(cè)數(shù)據(jù)的誤差方程式及法方程矩陣，通過(guò)最小二乘法進(jìn)行求解，得到平面坐標(biāo)系變換的角度及坐標(biāo)平移量，從而計(jì)算出CPⅢ點(diǎn)(已知點(diǎn))和待求基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)。根據(jù)已知點(diǎn)變換的限差，對(duì)最大超限的已知點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，重新進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的最小二乘法計(jì)算，直到得到符合限差要求的基準(zhǔn)點(diǎn)平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)。水準(zhǔn)高程平差模型，通過(guò)前后視高程數(shù)據(jù)進(jìn)行平差后得到。

4.2 平面平差計(jì)算模型

在三維極坐標(biāo)測(cè)量中，全站儀處于整平狀態(tài)，有的全站儀還具有雙軸自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，如采用徠卡TCA2003全站儀就是這一類型，TCA2003補(bǔ)償器的補(bǔ)償范圍為±3'24″，當(dāng)儀器的豎軸傾斜量小于3'24″時(shí)，補(bǔ)償器就能對(duì)測(cè)量的角度值自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償改正，從而保證每次測(cè)量坐標(biāo)系的XOY平面平行。因此，基準(zhǔn)點(diǎn)平面測(cè)設(shè)數(shù)據(jù)的兩坐標(biāo)系之間的關(guān)系，只包括坐標(biāo)原點(diǎn)的平移及尺度的變化。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型采用(1)式所示的四參數(shù)模型。

其中(XⅡ，YⅡ)為已知點(diǎn)的當(dāng)前測(cè)量坐標(biāo)。(XⅠ，YⅠ)為已知點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)。

由已知點(diǎn)列出的誤差方程的系數(shù)矩陣是非線性的，無(wú)法用線性方法解算未知參數(shù)。為進(jìn)行計(jì)算，需將非線性化誤差方程線性化。

求出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)后，將當(dāng)前測(cè)量坐標(biāo)(XⅡ，YⅡ)代入(1)式，得到坐標(biāo)(XⅠ，YⅠ)，即為真實(shí)坐標(biāo)值。

基準(zhǔn)網(wǎng)平面坐標(biāo)平差計(jì)算流程如圖5所示。

4.3 基準(zhǔn)點(diǎn)高程平差計(jì)算模型

高程計(jì)算流程如圖6所示。

圖6 高程數(shù)據(jù)平差計(jì)算流程

5 軌道板精調(diào)數(shù)據(jù)計(jì)算

軌道板精調(diào)數(shù)據(jù)計(jì)算模塊是計(jì)算用于軌道板精調(diào)系統(tǒng)的“軌道精調(diào)數(shù)據(jù)文件”(包含軌道板支點(diǎn)坐標(biāo)及打磨偏差)。利用線路平曲線和豎曲線參數(shù)、鋪板數(shù)據(jù)、板研磨檢測(cè)數(shù)據(jù)、橋梁分布及荷載徐變參數(shù)，計(jì)算得到軌道板1～30支點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

軌道板精調(diào)系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)文件的計(jì)算流程如圖7所示。

圖7 “軌道板精調(diào)數(shù)據(jù)文件”計(jì)算流程

6 精調(diào)結(jié)果及軌道板復(fù)測(cè)檢查評(píng)估

軌道板精調(diào)時(shí)將自動(dòng)記錄支點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果，精調(diào)或灌漿后需要通過(guò)外部測(cè)量對(duì)軌道板進(jìn)行復(fù)測(cè)，軌道板精調(diào)成果評(píng)估模塊可以對(duì)精調(diào)記錄文件和軌道板復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和評(píng)估，計(jì)算出軌道板各個(gè)軌座位置的橫向和高程偏差，以及進(jìn)行軌道板平順度分析，并可以按照給定平順性指標(biāo)估算扣件調(diào)整量。

7 結(jié)語(yǔ)

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道施工布板軟件的成功研發(fā)，擺脫了CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道施工對(duì)國(guó)外軟件的依賴，編制的施工布板軟件可以方便快速的計(jì)算軌道施工時(shí)所需要的各種放樣坐標(biāo)，并根據(jù)橋梁變形情況對(duì)計(jì)算坐標(biāo)的高程進(jìn)行修正，使得最終的軌道平順性得到提高，通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)的平差，減小了觀測(cè)數(shù)據(jù)偏差和CPⅢ變動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響，并對(duì)相鄰測(cè)站間進(jìn)行了搭接處理，減小了換站偏差的影響，保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確和平順。計(jì)算軌道板精調(diào)所需的“軌道精調(diào)數(shù)據(jù)文件”、“棱鏡配位文件”的功能，在計(jì)算過(guò)程中，加入了軌道板打磨偏差以及橋梁變形，滿足了CRTSⅡ型板精調(diào)施工的要求，使得無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)施工后的軌道平順性得到了很大的提高。

［1］閆紅亮，伍衛(wèi)凡.CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)布板軟件研發(fā)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(10):9-13.

［2］孫銀聰.高等級(jí)道路豎曲線的精確計(jì)算方法［J］.測(cè)繪通報(bào)，1999(1).