高速鐵路長波不平順的相對測量整道

魏 暉，朱洪濤，吳維軍，王 群，龔 杰

(1．南昌大學 機電工程學院，江西 南昌 330031;2．江西科技學院汽車工程學院，江西南昌 330098;3．江西日月明鐵道設(shè)備開發(fā)有限公司，江西南昌 330029;4．南昌鐵路局九江橋工段，江西九江 332000)

高速鐵路要求其軌道結(jié)構(gòu)必須具備高平順性［1］，不僅體現(xiàn)在對10和20 m軌向、高低、軌距、水平等常規(guī)軌道幾何參數(shù)的嚴格控制，而且對鋼軌平直度，與軌頭表面狀態(tài)有關(guān)的短波不平順，與橋梁、道床、路基變形和軌道鋪設(shè)精度直接相關(guān)的中長波不平順幅值的控制亦十分嚴格。

對于長波不平順的控制，目前我國主要是通過動態(tài)檢測發(fā)現(xiàn)長波不平順的大概位置［2］，然后進行精確測量，獲得軌道在高程及平面的偏差，最后通過大機作業(yè)恢復(fù)線路技術(shù)狀態(tài)。由于涉及軌道外部幾何尺寸的測量，故軌道的精確測量效率不高，且環(huán)境適應(yīng)性較差，僅適用于軌道周期檢修。另外，由于軌道測量儀的絕對測量要依據(jù)CPⅢ網(wǎng)，當CPⅢ網(wǎng)受到破壞，測量儀常難以獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

本文利用具備70 m長波功能的0級軌道檢查儀指導高鐵有砟軌道的經(jīng)常保養(yǎng)，通過合理的工藝設(shè)計，有效保證軌道高平順性，為高鐵有砟軌道的長波控制提供新的思路。

1 長波不平順及其測量

1.1 長波不平順

依據(jù)波長范圍，不平順可分為短波、中波和長波不平順。其中，波長在30～200 m的不平順稱之為長波不平順［1，3］。車體都有自振(固有)頻率，當列車以速度v運行時，可能使列車產(chǎn)生共振的線路不平順最不利波長 l=v/(3.6f)［4-5］。其中，v為行車速度，km/h;f為車體橫向自振頻率，Hz。通過對車輛—軌道耦合系統(tǒng)空間耦合模型輸入軌道隨機激擾進行數(shù)值仿真可知［3，6］，車體橫向和垂向加速度表現(xiàn)為1 ～2 Hz的低頻振動，橫向主頻較垂向低。不同行車速度下諧波不平順最不利波長如表1所示，可知如保證高鐵的高平順性，需關(guān)注60～120 m間的長波不平順。

表1 不同行車速度下諧波不平順最不利波長 m

1.2 長波不平順的測量

目前，應(yīng)用于高鐵的平順性檢測技術(shù)依據(jù)有無輪載，可分為動態(tài)檢測［1，7-8］與靜態(tài)檢測［1，9］兩類。其中，動態(tài)檢測設(shè)備主要包括軌檢車、動檢車以及添乘儀等，而靜態(tài)檢測設(shè)備除手工設(shè)備外，還包括軌道檢查儀以及軌道測量儀等自動化設(shè)備(圖1)。由于動態(tài)檢測方式對正常運營影響小、效率高、速度快，且真實地反映了在列車運行條件下的基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)，已經(jīng)成為高速鐵路平順性狀態(tài)的主要檢測手段。然而，動態(tài)檢測裝備的購置與使用成本高，尚無法做到高鐵線路的全覆蓋。另外，困擾動檢在工務(wù)養(yǎng)護中應(yīng)用的另一個重要原因是，其病害里程的準確標識與病害幅值的現(xiàn)場核實均較為困難［7，10］。因此，動態(tài)檢測與靜態(tài)檢測之間，應(yīng)為互補而非替代關(guān)系。目前軌道檢測形成了“動態(tài)檢查為主，動、靜態(tài)檢查相結(jié)合”的格局。

手工手段檢測長波不平順將會非常困難，且嚴重依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗與技術(shù)水平。而以軌道測量儀為基礎(chǔ)的絕對測量技術(shù)雖可測量長波，但如前所述其效率與經(jīng)常保養(yǎng)作業(yè)要求間存在嚴重的不匹配。

2 0級軌道檢查儀及其相對測量直接調(diào)軌技術(shù)

2.1 0級軌道檢查儀

軌道檢查儀［11］采用電子、傳感技術(shù)移動測量并自動記錄軌道內(nèi)部幾何參數(shù)，包括10 m和20 m軌向(正矢)、高低、軌距、軌距變化率、水平、扭曲(三角坑)等短波不平順，以及70 m、5 m/30 m校核、150 m/300 m校核軌向、高低等長波不平順，用于評價新建鐵路或運營線路的軌道幾何狀態(tài)，報告超限處所與超限量值。

新修訂的行業(yè)標準對軌道檢查儀進行了分級，新增了適用于≤350 km/h線路的0級軌道檢查儀，將過去使用的軌道檢查儀定義為1級軌道檢查儀并規(guī)定其使用于≤200 km/h線路。其中，GJY-T-EBJ-3型0級軌道檢查儀相對于1級軌道檢查儀除精度升級外，更針對線路運營養(yǎng)護維修，開發(fā)了“軌枕定位+長波精測+圖上作業(yè)(圖上劃撬)”的功能組合，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了相對測量直接調(diào)軌。

2.2 相對測量直接調(diào)軌技術(shù)

相對測量直接調(diào)軌技術(shù)是以軌道內(nèi)部幾何形位控制為主導的整道技術(shù)。該技術(shù)以具備長波精測功能的0級軌道檢查儀為技術(shù)平臺，以軌道平順性為控制對象，采用慣性軌跡原理，通過圖上作業(yè)，直接依據(jù)軌道檢查儀的測量成果進行整道作業(yè)。其主要特點:

1)采用軌枕標記功能將軌道病害及調(diào)整量與軌枕對應(yīng)，可有效克服夜間作業(yè)定位不準的問題。

2)采用圖上劃撬，作業(yè)效果實時顯示，故可以做到先評價后實施。

3)通過長波精測，可以有效找到線路病害原因，且整道方案的制定基于長波信息，可整體優(yōu)化軌道平順性。

4)對控制網(wǎng)及光照條件無要求，測量效率高，適應(yīng)性強。

3 基于相對測量直接調(diào)軌的長波不平順整道工藝

3.1 軌道長波不平順整道流程

軌道長波不平順的整道基本流程與軌道的經(jīng)常保養(yǎng)基本類似，大致包含動態(tài)測量數(shù)據(jù)分析、確定病害地點、現(xiàn)場靜態(tài)測量確認、檢測資料綜合分析、制定作業(yè)方案、作業(yè)方案審批、上報日天窗作業(yè)計劃、作業(yè)方案實施、作業(yè)質(zhì)量回檢以及填寫作業(yè)日志等步驟，具體如圖2所示。

軌道長波不平順整道工藝過程是指采用相應(yīng)的整道方法作用于軌道，使其平順性符合作業(yè)標準的全部勞動過程?，F(xiàn)有的長波整道工藝［2］主要問題在于效率不匹配，而夜間短天窗更加劇了這種不匹配。本文圍繞作業(yè)效率問題介紹基于相對測量直接調(diào)軌的軌道長波不平順整道的軌道測量與內(nèi)業(yè)處理工藝要點。

3.2 軌道長波不平順的快速測量

0級軌檢儀采用慣性基準測量軌道的平順性，測量速度通常為4 km/h，測量效率遠高于絕對測量。為確保測量精度，長波整道時應(yīng)采用長波精測模式，綜合測量速度可達2 km/h。從圖2可知，動檢波形是確定軌道長波靜態(tài)精確測量的位置和范圍的依據(jù)。設(shè)動檢里程誤差±100 m，而長波平順性的起終算距離各35 m，并應(yīng)在兩端預(yù)留不小于35 m的觀測范圍，因此長波靜態(tài)精確測量范圍通常不小于500 m。這樣，軌道的長波不平順測量可在30 min內(nèi)完成，具有顯著的效率優(yōu)勢。具體測量流程如圖3所示。由于采用了軌枕定位技術(shù)與長波精測模式，在進行相對測量時應(yīng)注意:

圖2 線路設(shè)備整道流程

圖3 軌道長波不平順的快速測量流程

1)作業(yè)前，輸入曲線參數(shù)并編制軌枕號列表文件。軌枕編號規(guī)則應(yīng)唯一且便于現(xiàn)場查找，而軌枕列表應(yīng)能體現(xiàn)道岔、隧道、橋梁上軌枕間距的不同。

2)在測量起點和終點時需打軌枕標記，在軌枕間距設(shè)計值發(fā)生變化時，須在對應(yīng)位置增打軌枕標記以提高定位精度。

3)檢測速度保持在4 km/h左右，測量距離在保證覆蓋可能的病害區(qū)域的基礎(chǔ)上考慮搭接和動檢的里程誤差。

4)長波測量曲線時，需對直緩點、緩圓點、圓緩點、緩直點等4大樁點增打標記，以便數(shù)據(jù)分析時修正線形參數(shù)。

5)長波回程，選擇長波精測模式，掉頭勻速回拉，在測量起始點結(jié)束。

3.3 軌道長波不平順的相對測量直接調(diào)軌

長波精測數(shù)據(jù)可用于相對測量直接調(diào)軌［12］，為保證整道效果，應(yīng)規(guī)范內(nèi)業(yè)作業(yè)流程，如圖4所示。

相對測量直接調(diào)軌內(nèi)業(yè)要點:

1)數(shù)據(jù)特征辨讀應(yīng)結(jié)合動、靜態(tài)波形，初步判定病害處所、類型;數(shù)據(jù)特征辨讀順序為長波→中波→短波;著重分析軌道的長波不平順、多波連續(xù)不平順以及逆向復(fù)合不平順。

2)圖上作業(yè)亦應(yīng)遵循長波→中波→短波的順序;制定作業(yè)方案時應(yīng)考慮天窗時間及作業(yè)能力的限制。

圖4 相對測量直接調(diào)軌作業(yè)流程

3)對于無砟軌道，可進行常規(guī)意義上的削峰填谷，但調(diào)整幅度受扣件系統(tǒng)的限制。對有砟軌道，高包無法直接通過落道削峰，只能通過抬道進行填谷并輔以順坡予以消除。

4)在無大機配合的條件下，對于長洼往往只能采用變化率控制方案，如起洼中洼。

4 長波不平順整治現(xiàn)場試用

為驗證0級軌檢儀指導軌道經(jīng)常保養(yǎng)的效果，于2013年8月在某城際鐵路進行了長波不平順整道規(guī)模試用。選用GJY-T-EBJ-3型0級軌道檢查儀進行軌道精密測量，選用HSRailwayCHK XP(Ver 12.1.7)軌道幾何狀態(tài)檢查數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)制定整道方案。

線路設(shè)計時速250 km/h，全線為有砟超長無縫線路。選取動檢不良處所27處，利用0級軌道檢查儀進行精密測量，采用相對測量直接調(diào)軌技術(shù)對其中9處制定方案并整道。現(xiàn)場試用顯示，其外業(yè)作業(yè)可控制在30 min內(nèi)完成，而內(nèi)業(yè)作業(yè)時間一般為20 min，回檢可安排在作業(yè)后立即進行;而其軌枕定位功能的應(yīng)用，可有效減少病害定位等輔助作業(yè)時間，進一步提高作業(yè)效率。整道效果通過靜態(tài)回檢與動態(tài)檢查予以確認，結(jié)果顯示9處均較為明顯地削峰。其中，下行K25+200—K25+700高低70 m長波整道效果對比如圖5所示。

圖5 K25+200—K25+700高低70 m長波整道效果對比

由圖5可知，作業(yè)前軌檢車動檢長波高低3～－3 mm，0級軌道檢查儀靜態(tài)精密測量顯示K25+415處70 m弦長波高低最大值8.33 mm，K25+521處70 m弦長波高低最小值－13.18 mm。通過相對測量直接調(diào)軌技術(shù)制定方案并實施，回檢顯示，線路長波不平順削峰。其中K25+415處70 m弦長波高低收斂為3.11 mm，K25+512處70 m弦長波高低最小值收斂為－7.27 mm。同里程軌檢車動態(tài)檢查顯示作業(yè)后無添乘出分，起道作業(yè)前高低5 mm，作業(yè)后高低2 mm，削峰效果明顯。

5 結(jié)語

目前的長波整道是以絕對測量為基礎(chǔ)的，通過控制外部幾何尺寸間接控制軌道的平順性。本文從長波不平順的測量技術(shù)現(xiàn)狀出發(fā)，介紹了基于0級軌道檢查儀以及相對測量直接調(diào)軌，并將其應(yīng)用于長波整道。結(jié)論如下:

1)借助0級軌道檢查儀的“軌枕定位+長波精測+圖上作業(yè)(圖上劃撬)”的功能組合，可以實現(xiàn)基于相對測量的直接調(diào)軌。在此基礎(chǔ)上，規(guī)范了調(diào)軌操作的工藝流程。

2)現(xiàn)場規(guī)模試用證明，該方法測量效率高、環(huán)境適應(yīng)性好，適合于高速鐵路的經(jīng)常保養(yǎng)。

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