自由測站法在既有鐵路曲線測量中的應(yīng)用

馬長清 劉 振 鄧少云

(1. 湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程學(xué)院,湖南衡陽 421002;2. 廣州鐵路局集團有限公司工務(wù)檢測所,廣東廣州 510000)

隨著列車運行速度的不斷提高和運量的不斷增大,鐵路線路平面曲線必然逐漸產(chǎn)生變形,為保證列車在動力作用下行車的安全和平穩(wěn),必須要對鐵路平面曲線進行整正,使既有曲線恢復(fù)到良好的狀態(tài)[12]。當(dāng)前,各鐵路局工務(wù)部門曲線整正作業(yè)主要采用的是傳統(tǒng)方法:維修時采用正矢法,大修時采用偏角法或坐標(biāo)法[34]。 正矢法又稱繩正法,測量工具簡單,內(nèi)業(yè)計算簡捷,行車干擾小,但受正矢測量精度影響大,精度較低且可靠性較差,一般適用于簡單的線路養(yǎng)護作業(yè)[5];偏角法則依據(jù)平曲線各點對應(yīng)的偏角與弦長進行曲線整正,所用作業(yè)方法簡單,觀測條件要求不高,但是作業(yè)時測量儀器需要架設(shè)在既有線軌道上,測量時需要頻繁上下道,對行車的干擾大,人員與儀器存在較大安全隱患;縱向里程主要用鋼尺進行丈量,測量精度不高[6]。 坐標(biāo)法精度與偏角法相當(dāng),可任意設(shè)站,但是縱向里程也依賴鋼尺丈量,精度不高[79]。

基于此,湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院、中國鐵路武漢局和廣州局就“距離與方向交會法測量計算鐵路既有曲線的研究與探討”課題進行聯(lián)合研究,旨在結(jié)合現(xiàn)代化測量工具和新方法,對現(xiàn)有曲線測量方法、計算原理和方法進行改進,形成一套成熟的施測工法,從而提高工作效率和測量精度,保證既有線測量作業(yè)人員的人身安全,并將此方法推廣應(yīng)用到線路復(fù)測等相關(guān)工作中,適應(yīng)鐵路高速發(fā)展的需要。

1 測量工具的改進設(shè)計

線路測點位置即測點里程位置所對應(yīng)的鋼軌中心位置。 目前,主要采用絕緣鋼尺量距的方法確定里程位置,鋼軌中心點位一般采用簡單估中,精度較低。 鑒于此,本課題的精度改進設(shè)計包括兩部分:激光測距里程定位裝置與軌道磁鐵對中裝置。

1.1 激光測距里程定位裝置

該裝置由激光發(fā)射器和反射板組成,主要用于線路里程的測量。 激光發(fā)射器固定在一個可調(diào)云臺上,云臺固定在磁力底座上。 調(diào)節(jié)激光發(fā)射器方向時,將云臺的阻尼調(diào)至適當(dāng)大小,再用手握緊激光發(fā)射器,調(diào)整方向使之對準(zhǔn)反射板(見圖1、圖2)。

圖1 測距工裝裝置示意

云臺與激光發(fā)射器接口為通用1/4-20 英制螺紋。 云臺和磁力底座如圖3、圖4 所示。

圖2 激光發(fā)射端放大示意

圖3 云臺裝置示意

圖4 磁力底座示意

反射板由不銹鋼反射板和磁力底座組成。 磁力底座與激光發(fā)射器底座相同。

1.2 軌道磁鐵對中裝置[12]

該裝置上部棱鏡和對中桿棱鏡完全相同。 下半部即為磁鐵棱鏡座:磁鐵部分緊緊吸在鋼軌側(cè)面,磁鐵與鋼軌接觸部分上面和側(cè)面的形狀和尺寸按鋼軌斷面的形狀和尺寸來加工,可保證棱鏡座的小對中桿準(zhǔn)確對中鋼軌中心,如圖5 所示。 橫桿端頂部可安裝棱鏡接頭(徠卡式接頭或測機舍接頭),橫桿端頂下有一小對中桿并配有鎖緊螺帽,松開時小對中桿可落在鋼軌上。棱鏡座的各個配件都是機加工,對中精度很高,可達到1 mm 之內(nèi)。

該裝置包括5 個部分(如圖5 所示):100 吸附底座,200 找中支架,300 垂向調(diào)節(jié)機構(gòu),400 橫向調(diào)節(jié)機構(gòu),500 找中桿。

圖5 鋼軌找中裝置組成

(1)定位座100 的截面與鋼軌600 尺寸相同,通過該弧面與鋼軌下側(cè)面圓弧面接觸,實現(xiàn)定位,如圖6 所示。

(2)定位座100 上面布置強磁鐵110,依靠強磁鐵110 與鋼軌600 的吸力實現(xiàn)該支座的固定,如圖7所示。

圖6 鋼軌找中裝置組成示意

圖7 吸附底座示意

(3)找中支架200 由支撐桿210 與托板220 組成,220 上設(shè)有錐形孔,錐形孔與定位座100 的相對位置固定;錐形孔的軸線位置則根據(jù)定位座100 與支撐桿210 及托板220 的相對尺寸確定,三者組成的部件與鋼軌下側(cè)面圓弧接觸后,托板220 上錐形孔的錐尖剛好位于鋼軌的中心面上,如圖6 所示。

(4)垂向調(diào)節(jié)機構(gòu)300 為矩形滑槽,滑塊310 可在滑槽320 內(nèi)垂直于鋼軌方向滑動,旋轉(zhuǎn)330 手柄;絲杠340 帶動320 移動,絲杠340 與端蓋350 間設(shè)置擋肩(防止滑塊310 在滑槽320 內(nèi)滑動);調(diào)節(jié)完成后,旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘360,滑塊310 的位置即固定。 滑塊310 有限位槽,限位螺釘370 可以防止310 滑動時脫落。 具體結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

(5)橫向調(diào)節(jié)機構(gòu)400 可實現(xiàn)平行于鋼軌方向的調(diào)節(jié)。 調(diào)節(jié)手柄420、抱箍410 可在滑槽430 內(nèi)平行于鋼軌方向滑動。 411 的端面為圓弧面,可以防止放置于其中心孔內(nèi)的桿件在轉(zhuǎn)動過程中抱死,彈性柱塞412 解決了其中心孔內(nèi)桿件轉(zhuǎn)動過程中的竄動問題,如圖9 所示。

圖8 垂向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)剖面示意

圖9 橫向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)示意

(6)500 為找中桿,510 為錐形桿,其錐形端置于托板220 錐形孔內(nèi),510 錐形端與找中裝置200 的組合可實現(xiàn)鋼軌找中;平板520 上固定萬向水平氣泡530,萬向水平氣泡530 的軸線與錐形桿510 的軸線平行。 通過調(diào)節(jié)橫向調(diào)節(jié)機構(gòu)400 與垂向調(diào)節(jié)機構(gòu)300,并同時觀察萬向水平氣泡530,直到萬向水平氣泡530 居中。 此時,錐形桿510 的軸線即處于鋼軌中心面并與水平面垂直。 找中桿與實物裝置如圖10所示。

圖10 找中桿示意圖與實物裝置現(xiàn)場

2 施測工法的研究

2.1 外業(yè)里程丈量

既有曲線整正的目的是保證線路曲線平滑圓順,其正矢精度滿足修理規(guī)則要求即可。 因此,現(xiàn)場里程丈量沒有必要采用鐵路中心里程。 為了便于現(xiàn)場標(biāo)記,單線里程丈量采用左股鋼軌進行標(biāo)記,雙線下行采用左股鋼軌、上行采用右股鋼軌進行標(biāo)記,直線上每50 m 一點、曲線上每20 m 或25 m 一點進行里程標(biāo)記(標(biāo)記在外側(cè)鋼軌軌腰上)[1011]。 為保證里程丈量精度,改用徠卡D510 激光測距儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼尺。 大量現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)表明,測距精度得到了很大提升。 現(xiàn)場測試結(jié)果如表1 所示。

表1 測距結(jié)果比較 m

采用傳統(tǒng)絕緣精密鋼尺進行測量時,對于直線段,一般采用25 m+25 m 進行50 m 里程定位,其產(chǎn)生的誤差主要由測段誤差和鋼尺未能緊密貼合鋼軌面造成;對于曲線段,測量弦長時,鋼尺狀態(tài)為懸空且難以貼合軌面,故數(shù)據(jù)偏差較大。 而激光測距則很好地克服了傳統(tǒng)測距的不足,提高了丈量精度。

現(xiàn)場測量如圖11 所示,左圖為現(xiàn)有里程測量模式,右圖為傳統(tǒng)丈量模式。

圖11 里程測量工作

2.2 中線平面測量原理與方法

(1)測量原理

以置鏡點為圓心,定向方向為N 建立測量相對坐標(biāo)系。 由于第一點、第二點方向角和平距已測量,所以第一、二兩點的N,E 坐標(biāo)均可直接計算出來,第三點方向已知(方位角已測),第三點和第二點的距離為測點間距(在以第二點為圓心、間距為半徑的圓上)。 此圓與第三點和置鏡點直線方向的關(guān)系為相交、相切、相離(相離時表示角度測量有誤)。 一般情況下為相交,相交時應(yīng)有兩個交點。 根據(jù)第一點、第二點的N,E 坐標(biāo)以及理論的交點坐標(biāo),結(jié)合既有線變形狀況,可以排除兩個交點中的一個交點,從而計算出第三個點的坐標(biāo)。 以之類推,可以求出整個測站內(nèi)所有測點的全部坐標(biāo)。 若一次測量不完整個曲線,則將第二測站內(nèi)所有測點的計算坐標(biāo),平移旋轉(zhuǎn)到第一測站內(nèi)的最后3 個點上,從而計算出第二測站內(nèi)各測點位于第一測站內(nèi)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。 多測站測量曲線時,重復(fù)以上步驟,即可計算出所有測點在一個坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

(2)測量方法

傳統(tǒng)偏角法作業(yè)必須將儀器(如電子經(jīng)緯儀)架設(shè)于線路鋼軌之上[12]。 而坐標(biāo)法可將全站儀架設(shè)在鐵路路肩通視條件較好之處,儀器精確整平后,打開激光對中,在地面上標(biāo)記好對中點,記錄儀器對應(yīng)于鋼軌上標(biāo)志里程的大概位置值,然后將儀器瞄準(zhǔn)既有鐵路上某一固定建筑物作為方向定向點。 為操作計算方便,將此方向設(shè)為零方向(即將儀器水平角設(shè)置為0°00′00″),然后依次測量既有鐵路上各個測點。 測量時,第一點、第二點、距離測站最近點和每站測量終點等必須測量和記錄其水平角和水平距離,其他各點只測量水平角。 列車經(jīng)過后,須重新對中整平(對中點為原儀器架設(shè)整平后的標(biāo)記點),重新定向。 若一條曲線一次測量不完,可將儀器搬到下一置鏡位置,重復(fù)以上步驟,并重復(fù)上一站最后3 個點即可。 圖12,圖13 為傳統(tǒng)偏角法作業(yè)現(xiàn)場,圖14,圖15 為新工法作業(yè)現(xiàn)場。

圖12 偏角法現(xiàn)場設(shè)站

圖13 偏角法現(xiàn)場對點

圖14 新工法現(xiàn)場設(shè)站

圖15 新工法現(xiàn)場對點

原始觀測數(shù)據(jù)整理如圖16 所示。

圖16 數(shù)據(jù)整理成果示意

3 測點撥距計算

3.1 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)外業(yè)資料和鐵路有關(guān)設(shè)計規(guī)范的要求,優(yōu)選出合理的曲線半徑及前后緩和曲線長度,使得各測點撥距的絕對值之和最小,即

3.2 曲線半徑和緩長的優(yōu)選

先選擇曲線中部的三個點,利用三點定圓的原理,計算出圓心坐標(biāo)及半徑,將兩個起點作為初切線,最后兩點作為終切線,計算曲線的總偏角,從而計算出曲線的主要要素,找出ZY、YZ 點的大致位置,最后利用圓曲線每三點為一組求出計算半徑R′,將R′取整,計算出圓心到初(終)切線的垂直距離P′,從而由式(2)計算出曲線的初(終)內(nèi)移量P

由式(3)計算出起(終)緩長l

將l 取整后,重新計算圓心位置,進行全曲線撥量計算,算出一個實驗值f,有

由此可算出直圓點到圓直點之間各個f。 選擇f最小的那一組R1,l1,l2,X0,Y0,即為最優(yōu)值。

3.3 各測點撥距計算

利用各測點的里程,計算出此里程對應(yīng)的設(shè)計位置切線方程,測點到切線的距離近似為各測點的撥道量,計算內(nèi)容主要分為以下幾個方面:

①直線(前后切線)點撥距計算。

②圓曲線上各測點的撥距計算。

③緩和曲線上各測點的撥距計算。

4 數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)

為提高數(shù)據(jù)處理效率,達到外業(yè)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的無縫連接,基于EXCEL 和VB6.0 開發(fā)編寫了觀測數(shù)據(jù)處理軟件,數(shù)據(jù)處理流程如圖17 所示。

圖17 數(shù)據(jù)處理流程

5 實例應(yīng)用對比

為了探究該施測工法的可靠性與現(xiàn)場施測效率,在京廣線(武漢局信陽工務(wù)段京廣線下行)既有曲線測量項目中進行了傳統(tǒng)的偏角法與新工法之間的實驗對比。 兩種方法所采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一致,包括2 個曲線作業(yè)面(均為大半徑曲線),編號為41 號曲線和42 號曲線,以現(xiàn)場外業(yè)數(shù)據(jù)測量與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理所用的總時間和最終曲線撥道量為對比量進行工法分析。

5.1 施測時間對比

施測時間對比如表2 所示。

由表2 和表3 可以看出,傳統(tǒng)偏角法內(nèi)外業(yè)所用時間遠多于自由測站新工法。

表2 偏角法與自由設(shè)站新工法外業(yè)施測時間對比min

表3 偏角法與自由設(shè)站新工法內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時間對比min

5.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果對比

表4、表5 分別為41 號曲線新工法與偏角法數(shù)據(jù)計算成果,表6、表7 分別為42 號曲線新工法與偏角法數(shù)據(jù)處理成果。

該方法已在武漢鐵路局、廣鐵集團各工務(wù)相關(guān)部門實際作業(yè)中得到認可和廣泛應(yīng)用。 如武漢局已將其應(yīng)用于寧西線線路復(fù)測及局內(nèi)鐵路線路大修測量。 現(xiàn)以京廣線(武漢局信陽工務(wù)段京廣線下行)既有曲線測量為例進行對比,該次作業(yè)范圍包括曲線有2 個,編號為41 號曲線和42 號曲線。 圖13 為現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)錄入與整理,表1 和表2 為編號41、42 曲線的計算成果。

表4 41 號曲線計算成果(新工法)

表5 41 號曲線計算成果(偏角法)

表6 42 號曲線計算成果(新工法)

表7 42 號曲線計算成果(偏角法)

續(xù)表7

兩種方法的撥道量較差如表8 所示。

表8 偏角法與新工法撥量成果較差 mm

通過測量成果的比較,偏角法與坐標(biāo)法在撥量上相差不大(最大差值為8 mm),其精度在既有線現(xiàn)場施工允許范圍之內(nèi)[1415]。