談Amberg GRP1000S系統(tǒng)在無砟軌道精調(diào)測(cè)量中的應(yīng)用

馬貴武

摘 要：高速列車行車的安全性與舒適性的最終體現(xiàn)就是軌道的平順性，軌距、水平、高低和軌向這些因素都起著決定性的作用。全面、合理地對(duì)軌道的平順狀態(tài)進(jìn)行分析是保證鐵路安全運(yùn)營(yíng)的必要條件之一。無砟軌道測(cè)量的主要任務(wù)是采用必備的測(cè)量設(shè)備，依據(jù)軌道設(shè)計(jì)參數(shù)和CPIII控制點(diǎn)，通過精調(diào)測(cè)量的方法，使軌道幾何尺寸變得更加準(zhǔn)確，最終實(shí)現(xiàn)軌道的平順性。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；精調(diào)測(cè)量；Amberg GRP1000S系統(tǒng)；無砟軌道

中圖分類號(hào)：U213.244 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.005

Amberg GRP1000S軌道一體化測(cè)量系統(tǒng)是由瑞士Amberg公司生產(chǎn)的用于軌道檢測(cè)的設(shè)備。它根據(jù)預(yù)先輸入的設(shè)計(jì)線型，能夠自動(dòng)檢測(cè)線路中線位置、軌頂高程、軌距、超高等軌道靜態(tài)參數(shù)，并自動(dòng)記錄、整理輕型軌道檢測(cè)設(shè)備。軌道測(cè)量對(duì)于高速鐵路長(zhǎng)軌的鋪設(shè)、精調(diào)和后期維護(hù)有著重要意義。

在自動(dòng)化的軌道測(cè)量產(chǎn)生之前，對(duì)軌道的測(cè)量主要由人工完成，主要的工具是道尺和人工弦線。由于人工工作效率低，不能對(duì)軌道信息進(jìn)行系統(tǒng)、全面的測(cè)量，特別是在高鐵快速發(fā)展的今天，運(yùn)用道尺和人工拉弦的測(cè)量方法已跟不上時(shí)代的發(fā)展。軌道一體化測(cè)量系統(tǒng)的出現(xiàn)極大地提高了作業(yè)效率，保證了作業(yè)精度。由于中國(guó)高鐵起步較晚，因此配套的測(cè)量設(shè)備和技術(shù)都比較落后，目前主要的一體化測(cè)量系統(tǒng)均從國(guó)外引進(jìn)，包括德國(guó)GEDO CE軌檢小車、瑞士安伯格GRP1000S軌道一體化測(cè)量系統(tǒng)等。經(jīng)過一段時(shí)間的使用，國(guó)內(nèi)一批優(yōu)秀的企業(yè)通過積極吸收、消化、學(xué)習(xí)、改進(jìn)這些技術(shù)，也自主設(shè)計(jì)研發(fā)了多種型號(hào)的軌檢小車，主要有江西日月明實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的日月明軌檢小車、鄭州辰維科技股份有限公司研發(fā)的TRIG1000鐵路軌道檢測(cè)儀、南方高速鐵路測(cè)量技術(shù)有限公司生產(chǎn)的南方高鐵軌檢系統(tǒng)和成都普羅米新科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SGJ-I-CDP-3軌檢小車等。但是，由于我國(guó)的研發(fā)剛剛起步，因此測(cè)量精度和儀器易用性方面還有很多不足，在重要的高速鐵路建設(shè)上，主要應(yīng)用得還是國(guó)外的設(shè)備，其中，Amberg GRP1000S軌道一體化測(cè)量系統(tǒng)就是比較常用的一種，在京津城際鐵路、武廣高鐵、曾創(chuàng)造“世界第一速度”的滬杭高鐵和京滬高鐵等項(xiàng)目上都得到了廣泛的應(yīng)用。由于此設(shè)備在中國(guó)應(yīng)用時(shí)間較短，所以對(duì)其的研究較少，本文的一手資料大多來自各施工單位的施工手冊(cè)，旨在對(duì)Amberg GRP1000S軌道一體化測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)、全面的介紹。

1 高速鐵路精調(diào)測(cè)量平順性的分析

高速鐵路與普通鐵路不同，普通鐵路軌道主要是由鋼軌、軌枕、道床組成，荷載從鋼軌通過軌枕和道床傳遞到路基，道床是一些不同力學(xué)性質(zhì)的材料以不同的方式組合起來的。普通鐵路的軌道結(jié)構(gòu)使列車很難達(dá)到很高的速度，隨著社會(huì)的發(fā)展，高速鐵路的出現(xiàn)成為必然，由于普通的軌道結(jié)構(gòu)不能滿足列車高速運(yùn)行的需要，因此，目前高速鐵路采用的是無砟軌道，而相對(duì)應(yīng)的普通鐵路軌道被稱為有砟軌道。無砟軌道克服了普通軌道道砟粉化嚴(yán)重、線路維修頻繁的缺點(diǎn)。利用軌道板雖然能減少道渣等因素對(duì)軌道平順性的影響，但是如果要更好地提高軌道的平順性，就要對(duì)軌道進(jìn)行高精度的調(diào)整，而軌道高精度的調(diào)整就需要采用Amberg GRP1000S系統(tǒng)來進(jìn)行。

平順性就是指兩根鋼軌在高低和左右方向與鋼軌理想位置幾何尺寸的偏差，數(shù)據(jù)測(cè)量的方式有動(dòng)態(tài)檢測(cè)方式和靜態(tài)檢測(cè)方式兩種。動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備可以測(cè)量軌道的幾何狀態(tài)、線路標(biāo)志、鋼軌斷面、鋼軌磨耗、環(huán)境視頻等，動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)中對(duì)無砟軌道平順性分析有用的包括高速軌道檢查數(shù)據(jù)和低速軌道檢查數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是快速，能更真實(shí)地反映軌道的現(xiàn)狀。根據(jù)動(dòng)檢數(shù)據(jù)，我們就可以標(biāo)定問題區(qū)段，并找到其大概位置，然后對(duì)這一位置進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量。由于動(dòng)檢數(shù)據(jù)的特殊性，并不能直接根據(jù)動(dòng)檢數(shù)據(jù)調(diào)整軌道的平順性，所以動(dòng)檢后還要進(jìn)行靜態(tài)檢測(cè)，對(duì)動(dòng)檢標(biāo)定出的問題區(qū)間，利用GRP1000S系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)軌道的三維測(cè)量。靜態(tài)測(cè)最的數(shù)據(jù)包括平面位置的偏差、高程的絕對(duì)偏差、超高偏差、軌距偏差等，它們是計(jì)算軌道調(diào)整璉的基礎(chǔ)。表1和表2分別是動(dòng)態(tài)檢測(cè)和GRP1000S軌道一體化測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)參數(shù)。

2 高速鐵路精調(diào)的影響因素

2.1 影響列車運(yùn)行速度與安全的因素

2.1.1 脫軌系數(shù)

車輛運(yùn)行時(shí)，在線路狀況、運(yùn)用條件、車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)和裝載等因素最不利的組合條件下可能導(dǎo)致車輪脫軌。評(píng)定防止車輪脫軌穩(wěn)定性的指標(biāo)可用“脫軌系數(shù)”。計(jì)算公式為：

式（1）中：Q為作用在車輪上的橫向力；P為作用在車輪上的垂向力；μ為輪緣處的摩擦系數(shù)；α為車輪的輪緣角。

脫軌系數(shù)越大，列車越容易脫軌。脫軌系數(shù)的界限值如下表3所示。

2.1.2 影響脫軌系數(shù)的因素

根據(jù)公式（1）可知，在車輛荷重特定的情況下，輪軌間橫向壓力的大小是決定脫軌系數(shù)大小的主要因素——輪軌間橫向壓力越大，脫軌系數(shù)越大；反之，輪軌間橫向壓力越小，脫軌系數(shù)越小。輪軌間橫向壓力的大小與軌道的平順性有關(guān)。平順性可分為總體平順性和局部平順性。

總體平順性是指軌道的曲率半徑，列車速度越小、曲率半徑越大、輪軌間橫向壓力越小，列車脫軌系數(shù)越小；反之，列車速度越大、曲率半徑越小，輪軌間橫向壓力越大，列車脫軌系數(shù)越大。

目前的高速鐵路都盡可能增大曲率半徑，例如滬杭高速鐵路，87%的線路在橋上就是為了保證線路有足夠的曲率半徑。

局部平順性是指軌道在一定范圍內(nèi)的平順狀態(tài)，通俗的講，就是在短距離內(nèi)軌道是否出現(xiàn)超范圍的錯(cuò)位。如果軌道在短距離內(nèi)出現(xiàn)過大的錯(cuò)位，就會(huì)極大地增加輪軌間的橫向壓力，造成列車脫軌。相比較總體平順性，有時(shí)局部平順性更重要，因?yàn)榧词褂捎诳陀^原因?qū)е萝壍揽傮w的曲率半徑比較小，但是只要保證嚴(yán)格的局部平順性，列車就會(huì)在各個(gè)路線段均保持橫向壓力較小，也不容易出軌。

由此可見，要保證列車的高速運(yùn)行和安全，必須對(duì)軌道進(jìn)行平順性調(diào)整。

2.1.3 軌道的平順性調(diào)整

由以上的分析可看出，軌道的平順性決定著列車的安全運(yùn)行和運(yùn)行速度的提升，因此，高速鐵路對(duì)軌道的平順性有著嚴(yán)格要求。軌道鋪設(shè)施工完成后，由于各種原因，軌道并不能像設(shè)計(jì)的那樣保持高度的平順性，因此需要對(duì)軌道進(jìn)行平順性調(diào)整，軌道平順性參數(shù)如表4所示。

2.2 高速鐵路精調(diào)的意義

由上面的結(jié)論可知，高速鐵路軌道除了在設(shè)計(jì)階段根據(jù)實(shí)際情況增大曲率半徑之外，必須進(jìn)行軌道的平順性調(diào)整，使之滿足高速鐵路運(yùn)行的需要。高速鐵路軌道精調(diào)就是對(duì)軌道的平順性進(jìn)行調(diào)整。軌道精調(diào)是根據(jù)軌道測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)軌道進(jìn)行的精確調(diào)整，使軌道精度達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，滿足高速行車條件。通過調(diào)整，使軌道趨于平順，不僅能保證列車運(yùn)行的安全，還能提高列車的速度。

2.3 軌道精調(diào)測(cè)量的原理

軌道精度可分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度是指軌道實(shí)測(cè)中線、高程與設(shè)計(jì)理論值的偏差，偏差越小，精度越高；相對(duì)精度是指軌道各項(xiàng)幾何尺寸的偏差和變化率。相對(duì)精度控制包括軌道幾何尺寸控制和軌道線型控制（平順性）。對(duì)軌道進(jìn)行精調(diào)必須依據(jù)現(xiàn)有的軌道幾何基本狀態(tài)，包括其與設(shè)計(jì)線路的偏差，而軌道精調(diào)測(cè)量就是軌道精調(diào)的必要前提。軌道精調(diào)測(cè)量為軌道調(diào)整提供原始的數(shù)據(jù)，同時(shí)，嚴(yán)格的測(cè)量程序和科學(xué)的測(cè)量方法在高速鐵路調(diào)整方面是十分重要的。

3 高速鐵路精調(diào)測(cè)量的方法

3.1 動(dòng)弦檢測(cè)

國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)使用的是固定弦長(zhǎng)（比如直線上10 m，曲線上20 m）來評(píng)價(jià)中間點(diǎn)的矢度，如果要評(píng)價(jià)下一點(diǎn)的矢度，則要將該弦線前移至下一點(diǎn)，被評(píng)價(jià)點(diǎn)始終對(duì)應(yīng)弦線的中間位置。該方法在后文中簡(jiǎn)稱為“動(dòng)弦檢測(cè)”。該方法在我國(guó)有砟鐵路施工和工務(wù)維護(hù)中沿用至今，它的檢測(cè)示意圖如圖1所示。

其數(shù)學(xué)模型為：

3.2 定弦檢測(cè)

隨著無砟軌道技術(shù)的引進(jìn)，另一種軌道平順性的檢測(cè)方法逐漸被國(guó)內(nèi)相關(guān)工作人員所接受。就是拉一條長(zhǎng)弦，將其固定，然后逐點(diǎn)評(píng)價(jià)弦線范圍內(nèi)所有點(diǎn)的矢度，繼而分析其相對(duì)偏差，該方法后文中簡(jiǎn)稱“定弦檢測(cè)”。

圖2中的點(diǎn)是鋼軌支承點(diǎn)的編號(hào)，以P1～P49表示。P25～P33間的平順性檢測(cè)按下式計(jì)算：

Δh=（h25設(shè)計(jì)- h33設(shè)計(jì)）-（h25實(shí)測(cè)-h33實(shí)測(cè)）. （3）

由于P1與P49的正矢為0，因此可檢測(cè)P2（對(duì)應(yīng)點(diǎn)P10）到P40（對(duì)應(yīng)點(diǎn)P48）的平順性。新的弦線則從已檢測(cè)的最后一個(gè)點(diǎn)P40開始。

經(jīng)過專家論證，定弦檢測(cè)（30 m弦，2 mm/5 m）的軌道短波不平順限差要求比動(dòng)弦檢測(cè)（10 m弦，2 mm/5 m）的限差要求更為嚴(yán)格，新建的無砟軌道平順性的調(diào)整都采用定弦進(jìn)行檢測(cè)。

4 Amberg GRP1000S軌道一體化測(cè)量系統(tǒng)介紹

4.1 組成

Amberg精調(diào)小車測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備 Amberg GRP1000S軌道一體化測(cè)量系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別為徠卡1201+型全站儀和GRP1000S精調(diào)機(jī)。在軌道數(shù)據(jù)采集時(shí)，GRP1000S精調(diào)小車放置于軌道上的待測(cè)量區(qū)域，小車電腦裝載GRP測(cè)量軟件，通過GRP軟件的指令分別與全站儀、精調(diào)小車連接的Modem來實(shí)現(xiàn)全站儀與精調(diào)小車之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)，GRP測(cè)量軟件將實(shí)時(shí)接收全站儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，并通過軟件計(jì)算后將軌道當(dāng)前三維幾何形態(tài)表示出來。

4.2 工作原理

4.2.1 軌距測(cè)量原理

根據(jù)軌檢小車上的軌距測(cè)量傳感器直接測(cè)量軌距。

4.2.2 水平（超高）測(cè)量原理

使用內(nèi)置傾角儀測(cè)傾角，然后用基準(zhǔn)長(zhǎng)度換算得出軌道的超高。

4.2.3 平面位置和高程的測(cè)量原理

使用全站儀實(shí)測(cè)得到軌檢小車上棱鏡的三維坐標(biāo)，然后結(jié)合標(biāo)定的軌檢小車集合參數(shù)、小車的定向參數(shù)、水平傳感器所測(cè)橫向傾角和實(shí)測(cè)軌距，即可換算出對(duì)應(yīng)里程處的設(shè)計(jì)平面位置，并與軌面高程進(jìn)行比較，得到其偏差，用于指導(dǎo)軌道調(diào)整。

5 GRP1000S的工作方法和步驟

5.1 工作流程

GRP1000S的工作流程如圖3所示。

5.2 工作步驟

5.2.1 組裝，軟件設(shè)置，檢校

首先，將軌檢小車的兩部分進(jìn)行組裝，并放置于軌道上，注意要將雙輪放置在低軌上。打開GRP win軟件，如圖4所示。

在數(shù)據(jù)采集前，必須將線路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入到軟件中，以便軟件對(duì)線路的任意點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，得出任意位置的軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，然后與采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出任意點(diǎn)的差值。

測(cè)量項(xiàng)目線路數(shù)據(jù)的輸入是測(cè)量項(xiàng)目建立的一部分，在新

建測(cè)量項(xiàng)目下一次點(diǎn)擊“屬性—測(cè)量文件—絕對(duì)—使用單軌”，然后在彈出的新對(duì)話框中點(diǎn)擊文件夾圖標(biāo)。新建的設(shè)計(jì)中線文件名最好與測(cè)量項(xiàng)目名相同。然后輸入線路數(shù)據(jù)，依次輸入平曲線、豎曲線和超高數(shù)據(jù)。另外，遇見有斷鏈的地方，其線路資料分別輸入。

最后在GRP win中導(dǎo)入CPⅢ控制點(diǎn)信息，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)導(dǎo)入—打開控制點(diǎn)文件—導(dǎo)入”，在數(shù)據(jù)文件類型中選擇“控制點(diǎn)ASCII-GSI”，如圖5所示。

執(zhí)行“屬性—測(cè)量文件—使用控制點(diǎn)—打開控制點(diǎn)文件”。

小車校準(zhǔn)：每次測(cè)量時(shí)，小車的斜率校準(zhǔn)要按照“測(cè)量文件—設(shè)置—斜率校準(zhǔn)向?qū)А?，根?jù)向?qū)?duì)小車進(jìn)行斜率校準(zhǔn)。小車校準(zhǔn)后在氣溫沒有急劇變化、沒有受到碰撞的情況下再次測(cè)

量時(shí)可不進(jìn)行校準(zhǔn)，直接執(zhí)行“測(cè)量文件—設(shè)置—讀取配置”。

5.2.2 全站儀自由設(shè)站

首先在小車前后CPⅢ控制點(diǎn)上各安置4個(gè)棱鏡，共8個(gè)（如果條件允許，可以安置10個(gè)，在條件不滿足的情況下最少安置6個(gè)）。將全站儀安置在距離軌檢小車60～80 m處自由設(shè)站，全站儀前后不得少于一對(duì)大于60 m以上的CPⅢ控制點(diǎn)，距離全站儀15 m以內(nèi)的CPⅢ控制點(diǎn)不得采用。將全站儀整平之后選擇“設(shè)站”程序，用后方交會(huì)的方法觀察CPⅢ控制點(diǎn)上的棱鏡，觀察完后點(diǎn)擊“計(jì)算”全站儀可自動(dòng)計(jì)算出東坐標(biāo)、北坐標(biāo)、高程和方向等信息。一般情況下，各種信息的限差應(yīng)保持在東坐標(biāo)：0.7 mm，北坐標(biāo)：0.7 mm，高程：0.7 mm，方向：1.5″，在CPⅢ控制點(diǎn)精度不夠或數(shù)最少為6個(gè)時(shí)，其限差也不應(yīng)超過東坐標(biāo)：1 mm，北坐標(biāo)：1 mm，高程：1 mm，方向：2″，否則要重新設(shè)站。

5.2.3 測(cè)量

在全站儀設(shè)站完成之后，可進(jìn)行測(cè)量。將全站儀對(duì)準(zhǔn)小車?yán)忡R，打開全站儀modem 和小車modem，并使之連接，連接成功后用GRP win軟件進(jìn)行一次采集，可得出軌檢小車目前所處里程。如果此里程不是此次任務(wù)目標(biāo)里程，可推動(dòng)軌檢小車至目標(biāo)里程處進(jìn)行采集。一般可間隔3 m采集下一根軌枕，在

道岔處，每根軌枕都需要采集。

5.2.4 搬站

應(yīng)在軌檢小車與全站儀相距3 m范圍處停止采集，并將全站儀搬至距離小車60～80 m處的下一站，注意在將全站儀搬至下一站進(jìn)行自由設(shè)站時(shí)，要使用4個(gè)上一站的CPⅢ控制點(diǎn)。

設(shè)站完成后用第一次采集的數(shù)據(jù)與上一站最后一點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)對(duì)比，如果相差大于2 mm，則需重新設(shè)站，如果多次重新設(shè)站均不能滿足要求，則可能是前一站測(cè)量時(shí)出現(xiàn)了問題，需從前一站位置處重新測(cè)量，直至滿足要求。

5.2.5 輸出報(bào)表

執(zhí)行 “報(bào)表—選擇表格—選擇名稱與路徑—選擇所需要的值—運(yùn)行”，以輸出報(bào)表。

5.3 軌道精調(diào)的注意事項(xiàng)

軌道精調(diào)的注意事項(xiàng)主要有：①在設(shè)置GRP win軟件時(shí)，在主界面有正方向和負(fù)方向的選項(xiàng)，面朝大里程方向雙輪在左為正雙輪，在右為負(fù)，面朝小里程方向則相反。②在測(cè)量前，需保證軌道的清潔，軌面上不應(yīng)有雜物。③全站儀的測(cè)量精度受天氣影響較大，應(yīng)避免陽光直射，白天測(cè)量時(shí)用遮陽傘等為全站儀擋住陽光。對(duì)于白天溫度高、天氣變化較大的地區(qū)，如果條件允許，可在晚上測(cè)量。④要經(jīng)常校準(zhǔn)全站儀，以免影響測(cè)量精度。⑤應(yīng)避免在有較大震動(dòng)的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，例如有火車經(jīng)過、搗固機(jī)搗固等。

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〔編輯：王霞〕