單軌測量系統(tǒng)在新建有砟鐵路軌道粗搗中的應(yīng)用

雷巨光

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

新建有砟鐵路完成鋼軌鋪設(shè)后，必須使鋼軌的絕對位置、平順性，以及道砟的厚度、密實程度達到規(guī)范要求，通常情況下，施工方會根據(jù)要求對線路進行兩個階段的調(diào)整搗固作業(yè)，即粗搗階段和精搗階段。

新建線路調(diào)整搗固作業(yè)的實施一般由施工單位完成，但最后驗收是鐵路局工務(wù)部門，為減少環(huán)節(jié)，許多線路精搗工作則交由相應(yīng)鐵路局工務(wù)部門進行。對于精搗階段，特別是對于設(shè)計時速200 km以上有砟線路的精搗作業(yè)，文獻［1］中已做出了明確規(guī)定，且各項規(guī)定要求都比較高，因此精搗需采用先進的軌道幾何狀態(tài)測量儀(俗稱軌檢小車)進行軌道檢測［2］;粗搗階段，軌道檢測的指標(biāo)要求不那么高，采用軌檢小車進行高精度軌道檢測將造成較大浪費，加之粗搗階段鋼軌上道砟較多，客觀上也不便于使用軌檢小車。因此，粗搗階段往往采用較為傳統(tǒng)的方法進行軌道測量檢測。

目前，粗搗階段的軌道測量主要有兩種:

(1)先在軌道上按照直線20m或50m，曲線10m或5m的間隔做標(biāo)記，并編寫大致的里程，然后采用水準(zhǔn)儀對基準(zhǔn)軌抄平，并與軌道設(shè)計高程進行對比，得出鋼軌的起道量;使用全站儀直接測量基準(zhǔn)軌，并與設(shè)計位置進行對比，得出鋼軌的撥道量。然后將平面數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)進行匹配，進一步得出各標(biāo)記點的起撥道量。

(2)使用全站儀按照固定的間隔在線路一側(cè)進行放樣，設(shè)置大量的參考樁，通過數(shù)據(jù)處理，得出這些參考樁至鋼軌的設(shè)計支距，將實際測量的支距與該處設(shè)計支距進行比較，即可得出該處鋼軌的撥道量;采用水準(zhǔn)儀測量出各參考樁及鋼軌的軌面高程，結(jié)合該處鋼軌的設(shè)計軌面高，即可得出該處的起道量。

在得出各處起撥道量后，在大機搗固前，將各處的起撥道量標(biāo)注在軌枕上，由大型養(yǎng)護機械(簡稱大機)［3］地面引導(dǎo)人員將各標(biāo)注處的起撥道量通過對講機報送給大機操作人員，然后大機操作人員采用人工方式旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的旋鈕，以控制大機的起撥道作業(yè)。

這種配合大機搗固的測量方法存在以下缺點:

①起撥道量依靠人工平面測量和高程測量的方式分別獲取，增大了外業(yè)工作量，增加了技術(shù)人員的勞動強度，檢測效率方面受到了影響［4］。

②在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時，需對平面數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)分別進行整理，再進一步整合匹配，不僅數(shù)據(jù)處理的工作量增大，而且在匹配過程中容易出現(xiàn)錯誤。

2 單軌測量系統(tǒng)配合大機粗搗的原理和方法

2.1 原理

單軌測量系統(tǒng)由單軌測量裝置和全站儀組成，其中單軌測量裝置如圖1所示。

圖1 單軌測量裝置

該裝置有兩個特點:

①該裝置由輪子、棱鏡以及拉桿組成，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，便于攜帶和使用。

②該裝置放置在鋼軌后，兩個輪子的內(nèi)側(cè)與鋼軌側(cè)面自然密貼，棱鏡中心與軌面中心的連線與軌面垂直。

基于以上特點，通過全站儀后視線路兩邊的CPⅢ控制點進行自由設(shè)站［5］，然后測量該裝置上的棱鏡三維坐標(biāo)，結(jié)合線路設(shè)計資料，在忽略軌距偏差的情況下，即可通過配套軟件計算出所測軌道的橫向偏差和高程偏差，即大機粗搗所需的撥道和起道量。

2.2 方法

(1)鋼軌標(biāo)注與編號

鋼軌標(biāo)注與編號是一項很重要的基礎(chǔ)工作，標(biāo)注與編號不僅為后續(xù)測量指明了位置，更為大機搗固作業(yè)提供了位置和里程信息。

大機搗固作業(yè)的起道量是相對于基準(zhǔn)軌的(水平)面設(shè)定的［6］，所以在作業(yè)之前，應(yīng)首先做好基準(zhǔn)軌(曲線地段以低軌為基準(zhǔn)軌)的標(biāo)注與編號。一般按照間隔10m左右進行編號，編號規(guī)則可采用“里程+序號”方式進行，例如:測區(qū)起點處編號為“(0149)001”，則在起始處基準(zhǔn)軌的扣件對應(yīng)軌腰處，劃出“|”線，然后在“|”旁標(biāo)注“(0149)001”，然后按規(guī)定間隔(以每相鄰兩個軌枕間隔0.625m估算距離)往大里程方向依次按“002、003、004、005……”進行編號，分別在基準(zhǔn)軌道釘對應(yīng)軌腰處劃出“|”線，并在“|”旁，寫上編號。

(2)外業(yè)測量

采用全站儀自由設(shè)站，每測站通過線路兩側(cè)的CPⅢ控制點進行后方交會設(shè)站，設(shè)站精度遵照文獻［1］中的相關(guān)規(guī)定。外業(yè)測量如圖2所示。

圖2 配合大機粗搗測量示意

測量時，單軌測量裝置由小里程方向開始，在待測點處停穩(wěn)后，將測量指令及點號一并報告給司鏡人員，司鏡人員確認(rèn)全站儀中的點號與現(xiàn)場一致后，測量并保存，即完成一個點的采集工作，然后單軌測量裝置可移動到下一個待測點，并進行測量，依次類推。單軌測量裝置和全站儀的距離不應(yīng)大于120m［7］。

3 單軌測量系統(tǒng)的效率和精度分析

3.1 作業(yè)效率

單軌測量系統(tǒng)測量的效率取決于全站儀測量的速度，與傳統(tǒng)的方法獲取粗搗數(shù)據(jù)相比，由于該系統(tǒng)在全站儀設(shè)站完成后，通過三維測量一次性獲取撥道和起道數(shù)據(jù)，無需分別獲取撥道和起道數(shù)據(jù)，測量步驟得到了簡化，效率明顯提高。與采用軌檢小車的方法獲取粗搗數(shù)據(jù)相比較:軌檢小車除具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、搬運不方便、組裝費時的缺點外，在測量過程中，軌檢小車一方面需要控制全站儀進行測量并獲取數(shù)據(jù)，另一方面還需要控制其內(nèi)部傳感器進行測量，并將數(shù)據(jù)反饋給軌檢小車配套軟件，以進行處理［8］。而控制傳感器進行測量，并將數(shù)據(jù)反饋和處理所需要的時間往往比全站儀單純測量數(shù)據(jù)要慢。所以，在測量人員同樣熟練的情況下，使用單軌測量系統(tǒng)在作業(yè)效率方面更有優(yōu)勢。

3.2 精度分析

使用單軌測量系統(tǒng)測量的精度主要受全站儀設(shè)站精度、全站儀測量精度、單棱鏡測量裝置的加工和標(biāo)定精度等因素的影響。而對于粗搗階段，一般情況下要求線路平面位置達到20 mm內(nèi)即可，而高程則有50～80 mm的預(yù)留量。因此，在全站儀設(shè)站精度、單棱鏡測量裝置的加工精度和標(biāo)定精度符合要求的情況下，單棱鏡測量系統(tǒng)能滿足粗搗的要求。

為直觀把握單棱鏡測量系統(tǒng)的精度情況，在廈深線某標(biāo)段特地開展了單棱鏡測量系統(tǒng)和靜態(tài)軌檢小車進對比測試工作，對比測試數(shù)據(jù)如表1。

從表1中可以看出，單棱鏡測量系統(tǒng)與軌檢小車測量結(jié)果的平面偏差較差大都在3 mm以內(nèi)，極個別較差超過3 mm，最大較差為3.5 mm;高程偏差較差都在2 mm以內(nèi)。

表1 單棱鏡測量系統(tǒng)與靜態(tài)軌檢小車測量數(shù)據(jù)對比mm

粗搗階段完成后，平面偏差控制在20 mm以內(nèi)即可，高程偏差控制在80 mm左右即可。因此，上述的偏差較差均可忽略不計，該裝置完全能夠滿足粗搗階段的需要。

4 工程應(yīng)用案例

受施工單位委托，在廈深線某標(biāo)段內(nèi)使用單軌測量系統(tǒng)配合大機粗搗工作。根據(jù)協(xié)定，本次配合大機粗搗工作次數(shù)為三次，當(dāng)次采集的數(shù)據(jù)既檢測了前次大機搗固的質(zhì)量，也作為本次大機搗固數(shù)據(jù)使用。

在所負(fù)責(zé)區(qū)段內(nèi)，隨機挑選了其中2.5 km左右的線路，分析其三次采集的數(shù)據(jù)，平面波形圖變化情況如圖3所示。

圖3 平面偏差分析

由圖3可以看出，經(jīng)過三次測量，兩次搗固作業(yè)后，線路平面明顯改善，平面偏差大都在30 mm以內(nèi)，且平順性也得到很大改善，基本滿足粗搗要求。

三次采集數(shù)據(jù)，高程波形圖變化情況如圖4所示。

圖4 高程偏差分析

由圖4可以看出，經(jīng)過三次測量，兩次搗固作業(yè)后，線路高程明顯得到提升，且高程起伏狀況較之前有明顯改善。由于該段作業(yè)范圍內(nèi)存在道砟不足的情況，所以有些地段高程未能很好的達到預(yù)期，但總的來說，線路高程也基本達到粗搗的預(yù)期和要求。

綜合上述平面波形圖和高程波形圖的分析可知，在該段作業(yè)線路內(nèi)，使用單軌測量系統(tǒng)配合大機粗搗作業(yè)，取得了預(yù)期效果。

5 結(jié)論

采用傳統(tǒng)的方法配合大機粗搗，平面和高程需單獨測量，存在人工投入大、效率低的弊端，且數(shù)據(jù)處理工作量比較大，容易出錯，而采用單軌測量系統(tǒng)進行測量，一次測量即同時獲得了起撥道量數(shù)據(jù)。該測量系統(tǒng)具有成本低，測量原理簡單明了，可操作性強和方便、實用、效率高的特點，可以在新建線路粗搗階段推廣應(yīng)用。

［1］中華人民共和國鐵道部．TB10601—2009 高速鐵路工程測量規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2010

［2］李光林，張新奎，朱利民．提速200 km/h線路長波長不平順的養(yǎng)護維修技術(shù)［J］．鐵道建筑，2007(4):101-102

［3］鄭中立．我國鐵路大型養(yǎng)路機械發(fā)展回顧［J］．鐵道建筑，2004(7):4-5

［4］曾若飛．鐵路有砟軌道自動養(yǎng)護測量系統(tǒng)研究思路探討［J］．鐵道勘察，2011(2):8-12

［5］張忠良，楊友濤，劉成龍．軌道精調(diào)中后方交會點三維嚴(yán)密平差方法研究［J］．鐵道工程學(xué)報，2008(5):33-36

［6］劉剛．搗固車起道、抄平原理分析［J］．鐵道建筑，2009(1):80

［7］王國民，馬文靜．高速鐵路軌道靜態(tài)精密檢測若干技術(shù)問題探討［J］．鐵道勘察，2010(6):7-10

［8］中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司．SGJ-CEC-I型軌道幾何狀態(tài)測量儀使用說明書［R］．北京:中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，2012