高速鐵路軌道幾何狀態(tài)測量儀檢測方法研究

龔志強(qiáng) 侯俊嶺

(1.四川西南交大鐵路發(fā)展有限公司，四川成都 610031;2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)鄭州設(shè)計(jì)院，河南鄭州 450000)

鐵路軌道準(zhǔn)確的幾何尺寸是保證列車安全運(yùn)行的基本條件，高速鐵路的理論研究和實(shí)踐分析表明，只有在高平順的軌道上才能實(shí)現(xiàn)高速行車。高速鐵路軌道有別于一般鐵路軌道的主要特點(diǎn)就是具有高平順性，而軌道精調(diào)作業(yè)就是保證軌道平順性的最后一環(huán)，在整個(gè)施工階段具有特殊重要的意義。在作業(yè)過程中采用專用的檢測設(shè)備—軌道幾何狀態(tài)測量儀(以下簡稱“測量儀”)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而獲得軌道的平面位置、高程、軌距、超高等一系列幾何尺寸信息，并對(duì)軌道的幾何平順性作出分析，對(duì)軌道線形進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，合理控制軌距、水平、軌向、高低等變化率，使軌道靜態(tài)精度滿足高速行車條件［1］。

軌道線形調(diào)整是一件非常精細(xì)的工作，所用的設(shè)備和工具精度要有保證，并定期檢查標(biāo)定。精調(diào)過程中最重要的儀器設(shè)備—測量儀的工作狀態(tài)直接影響到精調(diào)工作進(jìn)行順利與否、精調(diào)結(jié)果是否滿足規(guī)范要求。而我們使用的測量儀多數(shù)為轉(zhuǎn)場設(shè)備，存在諸多不足:機(jī)械部件老化、破損，傳感器初始零位漂移、增益不準(zhǔn)確等諸多問題，部分新購置儀器缺乏系統(tǒng)標(biāo)定、外業(yè)磨合。這些儀器直接投入到軌道精調(diào)作業(yè)中，勢必影響到軌道精調(diào)的準(zhǔn)確性及正確性。因此，在開展軌道精調(diào)以前對(duì)測量儀進(jìn)行全面系統(tǒng)的檢測就顯得尤為重要。

1 檢測方法

依據(jù)鐵道部科技基［2008］86號(hào)文、科技基［2008］182號(hào)文，以及科技基［2008］123號(hào)文，對(duì)體現(xiàn)測量儀測量精度的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測，檢測工作分為室內(nèi)檢測和室外檢測兩部分［2］。

1.1 室內(nèi)檢測

室內(nèi)檢測主要包括結(jié)構(gòu)參數(shù)檢測及計(jì)量特性檢測，結(jié)構(gòu)參數(shù)檢測包括:測量儀輪系的工作精度，包括跳動(dòng)量、共面性，棱鏡桿(或棱鏡座)重復(fù)拆裝的位置度，測量儀重復(fù)拆裝對(duì)精度的影響。

(1)棱鏡支架位置度

將測量儀拼裝好后，平穩(wěn)放置于檢定臺(tái)上;將兩磁性表座分別放置于安裝好的輔助裝置上;調(diào)整千分表，使兩千分表測頭垂直接觸棱鏡支架，并成垂直角度，重復(fù)測量5次，并計(jì)算其5次測量值的極差即為測量儀棱鏡支架位置度(要求極差小于0.1 mm)。

(2)軌距測量點(diǎn)的有效高度

將測量儀倒置，測量距測量工作面下緣與走行輪最低母線的有效距離，要求有效距離在15.7～16 mm之間。

(3)測量輪及走行輪的全跳動(dòng)

將測量儀倒置，調(diào)整千分表，使千分表測頭垂直接觸被測輪外徑最高點(diǎn)，用手輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)被測輪，查看千分表變化量，這個(gè)變化量即是被測輪的全跳動(dòng);要求:首檢變化量小于0.01 mm，后續(xù)檢測走形輪小于0.02 mm，測量輪小于0.015 mm。

(4)重復(fù)拼裝

將測量儀拼裝好后，平穩(wěn)放置于檢定臺(tái)上，啟動(dòng)后，記錄測量儀軌距、水平動(dòng)態(tài)測試值;再將測量儀關(guān)機(jī)、拆開，重復(fù)拼裝復(fù)位后，兩次記錄值之差即為重復(fù)拼裝復(fù)位可靠性;要求兩次差值小于0.2 mm。

(5)走行輪共面性

將測量儀拼裝好后，平穩(wěn)放置于檢定臺(tái)上;使各走行輪與檢定臺(tái)測量工作平面接觸，使用0.5 mm塞尺測量儀各走行輪與測量工作平面的間隙，如塞尺無法塞入所有走行輪與測量工作平面的間隙，則測量儀的走行輪共面性符合要求。

計(jì)量特性檢測主要檢測軌距與水平的量程、示值誤差、重復(fù)性、零位的準(zhǔn)確性、掉頭差等。

①軌距零位正確性:將測量儀電源開關(guān)打開，打開測量儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，進(jìn)入檢定界面，選擇軌距傳感器項(xiàng)，單擊啟動(dòng)按鈕，查看軌距動(dòng)態(tài)測試值，此時(shí)檢定界面所顯示軌距動(dòng)態(tài)測試值即為軌距零點(diǎn)位;要求差值在±0.15 mm之間。

②軌距示值與軌距重復(fù)性:分別調(diào)節(jié)軌距加載器至以下檢定點(diǎn):－25，－15，－5，0，5，15，25，35;分別記錄測量儀顯示軌距動(dòng)態(tài)測試值與檢定臺(tái)軌距顯示儀表值，并計(jì)算兩者之差，其中最大誤差值為測量儀軌距示值誤差，要求在±0.3 mm之間。在以上除0以外任何測量點(diǎn)，擠壓測量儀伸縮軸，重復(fù)5次，記錄5次測量儀顯示軌距動(dòng)態(tài)測試值，并計(jì)算5次最大值與5次平均值之差，即為軌距重復(fù)性;要求差值在±0.15 mm之間。

③水平零位正確性:將檢定臺(tái)軌距調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)軌距，并將檢定臺(tái)軌距鎖緊裝置鎖緊，使檢定臺(tái)軌距保持不變;檢定臺(tái)處于水平狀態(tài)下，記錄測量儀顯示水平動(dòng)態(tài)測試值;再將測量儀調(diào)轉(zhuǎn)180°平穩(wěn)放置在檢定臺(tái)上，再次記錄調(diào)頭后顯示水平動(dòng)態(tài)測試值，并計(jì)算測量儀兩次顯示水平動(dòng)態(tài)測試值之差的一半即為測量儀水平零位;要求在±0.15 mm之間。

④水平示值誤差、掉頭誤差、水平重復(fù)性:分別調(diào)節(jié)水平(超高)升降裝置至以下檢定點(diǎn):0，30，60，90，120，150，180;分別記錄測量儀顯示水平動(dòng)態(tài)測試值與檢定臺(tái)水平顯示儀表值，并計(jì)算兩者之差，其中最大誤差值為測量儀水平示值誤差;要求在±0.3 mm之間。在以上除0以外任何測量點(diǎn)，擠壓測量儀伸縮軸并提起脫離檢定臺(tái)側(cè)臂，重復(fù)5次，記錄5次測量儀顯示水平動(dòng)態(tài)測試值，并計(jì)算5次最大值與5次平均值之差，即為水平重復(fù)性;要求差值在±0.2 mm之間。

檢定臺(tái)升至檢定180 mm時(shí)，將測量儀調(diào)轉(zhuǎn)180°平穩(wěn)放置在檢定臺(tái)上，再分別按上述檢定點(diǎn)依次下降，記錄調(diào)頭后的水平動(dòng)態(tài)測試值，并計(jì)算對(duì)應(yīng)調(diào)頭后與調(diào)頭前測量儀水平動(dòng)態(tài)測試值絕對(duì)值之差，其中最大差值即為測量儀水平調(diào)頭誤差;要求差值在±0.3 mm之間。

1.2 室外檢測

室外檢測包括重復(fù)性檢核及一致性檢核，其中重復(fù)性檢核是將已測的軌距、水平、軌向、高低、中線橫向偏差與高程偏差等數(shù)據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行重復(fù)性檢測，各次測量的示值與該點(diǎn)平均值的差值滿足示值誤差要求的結(jié)果不應(yīng)少于95%。一致性檢核是根據(jù)實(shí)際測量路段總長，采用同等或更高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)測量手段對(duì)線路進(jìn)行測量并記錄數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)作為軌道已知數(shù)據(jù)，評(píng)定測量儀中線橫向偏差及軌距、水平、軌向和高低精度;測量得到的數(shù)據(jù)與軌道已知數(shù)據(jù)之差，所有差值除以K后，符合示值誤差規(guī)定的結(jié)果數(shù)不應(yīng)少于95%。

其中Δ表示測量儀的最大允許誤差(單位mm)，Δ0表示標(biāo)準(zhǔn)測量手段的最大允許誤差(單位mm)。

2 實(shí)際應(yīng)用

在某高速鐵路軌道幾何狀態(tài)測量儀檢測過程中，首先建立實(shí)驗(yàn)室及選擇室外檢測場地。

2.1 測試線路選址

室外測試線路選定在某高速鐵路正線(DK683+599～DK683+898，直緩點(diǎn)里程 DK683+685.898，直線段長86.898 m，其余部分為緩和曲線)，長約300 m的CRTSⅡ型板式無砟軌道線路。在測試軌道上精確標(biāo)記測量點(diǎn)位并編號(hào)，每根軌枕一對(duì)點(diǎn)，共460對(duì)點(diǎn)。該區(qū)段已經(jīng)按照《高速鐵路工程測量規(guī)范(TB10601—2009)》的要求設(shè)置了CPⅢ控制網(wǎng)，進(jìn)行了外業(yè)測量，并完成了數(shù)據(jù)處理，結(jié)果顯示該區(qū)段CPⅢ控制點(diǎn)精度滿足檢測要求［3］。

2.2 測試線路基準(zhǔn)軌道幾何狀態(tài)獲取

室外檢測包括重復(fù)性檢測及一致性檢測，其中一致性檢測需要將采集數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，而基準(zhǔn)值采集的正確性直接關(guān)系到一致性比較的結(jié)果。鑒于獲取手段有限，采取數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，通過對(duì)多次采集的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而求得最或然值來替代標(biāo)準(zhǔn)場地軌道幾何狀態(tài)的真值。

采用經(jīng)檢定合格的0級(jí)數(shù)軌距尺對(duì)檢測區(qū)段的軌距、水平(超高)進(jìn)行3次重復(fù)測量，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出單次測量的中誤差，如滿足精度要求，則用3次測量結(jié)果的平均值視作區(qū)段軌距、水平的比對(duì)基準(zhǔn)值(最或然值)。

檢核參數(shù)“軌向(正矢)、高低、中線橫向偏差、高程偏差與扭曲(三角坑)”的比對(duì)基準(zhǔn)值(最或然值)基于已有的觀測數(shù)據(jù)，通過如下的數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行確定:

(1)逐一對(duì)不同的檢核參數(shù)和不同的測量儀，利用整條測試線點(diǎn)對(duì)樣本的兩次測量值的差值Δ(真誤差)進(jìn)行差值Δ中誤差的統(tǒng)計(jì)。計(jì)算公式如下

(2)依據(jù)統(tǒng)計(jì)到得的差值中誤差mΔ，對(duì)點(diǎn)對(duì)樣本觀測值進(jìn)行篩選，凡是Δ大于等于兩倍mΔ的觀測值判定為異常觀測值，將其剔除(需保證數(shù)據(jù)剔除率小于5%)，之后重新計(jì)算mΔ，并再次進(jìn)行基于Δ數(shù)值判定的觀測值篩選。反復(fù)迭代進(jìn)行，直至沒有新的觀測值被剔除為止。

(3)利用差值中誤差mΔ計(jì)算觀測值的中誤差m。計(jì)算公式如下

(4)將觀測值中誤差m與相應(yīng)規(guī)定的限差標(biāo)準(zhǔn)m限進(jìn)行比較，如果m小于等于0.5m限，則判定當(dāng)前測量儀對(duì)當(dāng)前檢核參數(shù)的觀測值(有效觀測值)內(nèi)符合精度滿足規(guī)定要求，可以進(jìn)行到下一步的數(shù)據(jù)分析與處理。反之，觀測值精度較差，應(yīng)予以排除，不能進(jìn)行到下步數(shù)據(jù)處理。

(5)在完成對(duì)所有檢核參數(shù)的上述數(shù)據(jù)分析與處理后，對(duì)于每一個(gè)點(diǎn)對(duì)，利用不同測量儀的有效觀測值，按檢核參數(shù)類型進(jìn)行加權(quán)算術(shù)平均值的計(jì)算，并以此作為當(dāng)前點(diǎn)對(duì)檢核參數(shù)的比對(duì)基準(zhǔn)值(最或然值)。在進(jìn)行加權(quán)算術(shù)平均值計(jì)算時(shí)，必須先對(duì)不同測量儀之間觀測數(shù)據(jù)的一致性進(jìn)行判定，即測值離差(最大值與最小值之差)的絕對(duì)值小于時(shí)，才可進(jìn)行該組觀測值的加權(quán)算術(shù)平均值的計(jì)算。否則，需要先剔除和均值差異最大的觀測值再重新判定，直至條件滿足為止。加權(quán)算術(shù)平均值計(jì)算公式如下

(6)上式中，i用以區(qū)分“針對(duì)某一點(diǎn)對(duì)的具有有效觀測值li的不同測量儀”，i并不恒定，其數(shù)值在不同點(diǎn)對(duì)處可能發(fā)生變化，i從1開始，依次遞增;^l代表某一點(diǎn)對(duì)處的某一檢核參數(shù)的比對(duì)基準(zhǔn)值(最或然值);mi指第i臺(tái)測量儀的檢核參數(shù)的中誤差。

2.3 數(shù)據(jù)采集處理及分析

(1)室外檢測測量過程

①控制點(diǎn)數(shù)據(jù)文件調(diào)入備用。

②輸入測試線路的設(shè)計(jì)線性參數(shù)，確定線路設(shè)計(jì)中線的理論位置。

③進(jìn)行自由設(shè)站，確定站點(diǎn)坐標(biāo)。

④逐點(diǎn)完成軌道標(biāo)記點(diǎn)處軌道內(nèi)、外部幾何狀態(tài)測量，保存數(shù)據(jù)。

⑤全站儀搬站后，按不同儀器類型特點(diǎn)重復(fù)步驟③、④后，進(jìn)行重疊段測量數(shù)據(jù)檢核計(jì)算，記錄測量數(shù)據(jù)。

⑥重復(fù)以上步驟直到線路全部測完。

⑦按上述流程在該線路測量1次，掉向后再按原線路測量1次。

(2)數(shù)據(jù)處理及分析

將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出存檔，檢查采集數(shù)據(jù)完整性及是否存在因操作不當(dāng)造成的粗差，對(duì)粗差予以剔除;按照要求逐項(xiàng)計(jì)算重復(fù)性、一致性，并結(jié)合室內(nèi)檢測項(xiàng)目情況，綜合判定測量儀是否滿足線上作業(yè)要求。全線共檢測了111臺(tái)測量儀，檢測合格為90臺(tái)，合格率為81.1%。下面對(duì)合格率較低的檢測分項(xiàng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

①室內(nèi)檢測項(xiàng)目

測量輪全跳動(dòng)量、走行輪全跳動(dòng)量限差要求小于0.01 mm，送檢儀器整體合格率偏低，僅為16.22%和3.60%。

原因分析:送檢儀器以國外品牌為主，而國外相關(guān)規(guī)范中對(duì)此要求不高，導(dǎo)致合格率偏低。

走行輪共面性合格率為80.18%。

原因分析:不合格的儀器均為陳舊的轉(zhuǎn)場設(shè)備，這些設(shè)備缺乏必要的維護(hù)及保養(yǎng)，在使用及運(yùn)輸過程中機(jī)械部件嚴(yán)重磨損甚至損壞。

②室外檢測項(xiàng)目

軌距負(fù)方向一致性合格率較正方向偏低，正方向合格率96.40%，負(fù)方向合格率90.99%。

原因分析:儀器陳舊，在以往的使用過程中操作員不注意操作要求，粗暴使用而且缺乏必要的日常維護(hù)和保養(yǎng);轉(zhuǎn)場次數(shù)較多，長距離的運(yùn)輸對(duì)儀器的準(zhǔn)確度和正確性都有較大的影響。軌距測量裝置中，由于液壓桿壓力大小不合適造成部分小車在檢測過程中出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象以及與鋼軌接觸不嚴(yán)密，因而影響到軌距測量的準(zhǔn)確性和正確性。

超高及水平的重復(fù)性、一致性分別為93.69%、95.50%。

原因分析:在室外檢測過程中，超高結(jié)果不僅受傾斜傳感器影響，而且還受儀器本身的幾何結(jié)構(gòu)影響，如:走行輪全跳動(dòng)量、共面性、測量輪全跳動(dòng)量等。由于儀器本身的幾何結(jié)構(gòu)缺陷及不同程度的破損，造成超高及水平的重復(fù)性、一致性合格率不高。

3 結(jié)論

大量實(shí)驗(yàn)證明，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法通過對(duì)多次采集的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而求得最或然值來替代標(biāo)準(zhǔn)場地軌道幾何狀態(tài)真值的方法完全可行。

檢定合格的測量儀精調(diào)作業(yè)后，軌道平順性完全滿足高速行車要求。

由于國內(nèi)外檢測標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別，國外測量儀要完全適應(yīng)我國高鐵建設(shè)的需要，還需進(jìn)一步改進(jìn)、完善。

數(shù)據(jù)導(dǎo)出格式及部分參數(shù)的計(jì)算方法，各個(gè)生產(chǎn)廠商還未完全統(tǒng)一，在后續(xù)的研發(fā)過程中還需完善。

［1］王國民，馬文靜．高速鐵路軌道靜態(tài)精調(diào)精密檢測若干技術(shù)問題探討［J］．鐵道勘察，2010(6)

［2］科技基(2008)86號(hào) 客運(yùn)專線軌道幾何狀態(tài)測量儀暫行技術(shù)條件［S］

［3］鐵建設(shè)(2009)196號(hào) 高速鐵路工程測量規(guī)范［S］

［4］科技基(2008)182號(hào) 客運(yùn)專線軌道幾何狀態(tài)測量儀暫行技術(shù)條件檢測實(shí)施細(xì)則［S］

［5］科技基(2008)123號(hào) 關(guān)于印發(fā)客運(yùn)專線軌道幾何狀態(tài)測量儀技術(shù)認(rèn)證審查實(shí)施規(guī)則的通知［S］