高速鐵路軌道平順性檢測(cè)及精調(diào)技術(shù)淺析

高鴿子

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西 西安 710600）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)高鐵建設(shè)蓬勃發(fā)展，截至2021年12月底全國(guó)高鐵匯總里程數(shù)約4.1萬(wàn)km，時(shí)速250～350km的準(zhǔn)高鐵占比約85%，傳統(tǒng)軌道檢測(cè)和精調(diào)技術(shù)已經(jīng)不能滿足高鐵“高速度、高安全、高成本”運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)要求。高速鐵路軌道平順性良好與否，比普通鐵路軌道平順性對(duì)列車(chē)行駛的安全性、平穩(wěn)性和舒適性影響更加明顯。因此，要保證列車(chē)正常運(yùn)行，需要在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中確保高速鐵路軌道平順性始終處于良好狀況。調(diào)整軌道幾何尺寸可使軌道平順性滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，這項(xiàng)工作稱(chēng)為軌道整理，簡(jiǎn)稱(chēng)整正[1]。高鐵軌道整理強(qiáng)調(diào)“嚴(yán)檢慎修”，強(qiáng)調(diào)“精細(xì)修”，所以也稱(chēng)之為軌道精調(diào)[2]。

基于此，針對(duì)高速鐵路存在的軌道不平順類(lèi)型，進(jìn)行高速鐵路軌道平順性檢測(cè)技術(shù)和精調(diào)技術(shù)的研究，以期促進(jìn)高速鐵路軌道平順性的控制。

1 高速鐵路軌道不平順?lè)诸?lèi)

軌道不平順，表現(xiàn)為軌道幾何形狀、尺寸和空間位置與設(shè)計(jì)位置的偏差。在直線和曲線軌道中的表現(xiàn)形式略有區(qū)別。

對(duì)直線軌道而言，具體表現(xiàn)在中心線位置、軌道高度、寬度與正確尺寸之間的偏離。對(duì)曲線軌道，除了以上幾點(diǎn)偏離外，還包括與正確曲率的偏差以及順坡變化尺寸等軌道幾何偏差?，F(xiàn)按機(jī)車(chē)車(chē)輛激擾的作用方向、不平順波長(zhǎng)、形狀特征、有無(wú)輪載作用等因素，將其歸納如圖1[3]。

圖1 軌道不平順?lè)诸?lèi)

2 高速鐵路軌道平順性檢測(cè)技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)的軌道檢測(cè)是科學(xué)地開(kāi)展軌道維護(hù)的前提，相對(duì)于普速鐵路而言，高速鐵路軌道的平順性與列車(chē)行車(chē)安全關(guān)系更為緊密，更要保證軌道的高平順性。規(guī)范中對(duì)于線路各項(xiàng)幾何形位參數(shù)誤差的標(biāo)準(zhǔn)也明顯提高。

2.1 軌道平順性檢測(cè)技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)況

從1877年第一輛軌檢車(chē)誕生到上世紀(jì)40年代軌檢車(chē)主要為接觸式機(jī)械軌檢車(chē)，軌檢車(chē)的發(fā)展經(jīng)過(guò)了較長(zhǎng)時(shí)間，這期間軌道平順性檢測(cè)主要采用弦測(cè)法，測(cè)量速度低，檢測(cè)項(xiàng)目少，技術(shù)相對(duì)落后。

上世紀(jì)60年代，美國(guó)T型軌檢車(chē)研制成功[4]，主要采用慣性基準(zhǔn)法檢測(cè)軌道平順性，檢測(cè)內(nèi)容包括軌道的高低和軌向，采用加速度自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)檢測(cè)超高和水平，采用激光跟蹤系統(tǒng)檢測(cè)軌距，檢測(cè)內(nèi)容全面，效率也大幅度提高。

到上世紀(jì)70年代左右，隨著軌道交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，軌道檢測(cè)的要求也逐步提高，各國(guó)相繼開(kāi)展了軌檢項(xiàng)目的研究。同時(shí)由于激光技術(shù)、濾波技術(shù)、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的發(fā)展，也為軌道平順性檢測(cè)提供了有力支撐。

目前，主要采用的軌道平順性檢測(cè)設(shè)備為大型軌檢車(chē)和小型軌檢儀，可適用于施工和運(yùn)營(yíng)的各個(gè)階段和各個(gè)方面，配合使用能滿足高速鐵路軌道平順性檢測(cè)的要求。

2.2 大型軌檢車(chē)和小型軌檢儀對(duì)比

大型軌檢車(chē)主要應(yīng)用于軌道交通線路運(yùn)營(yíng)期間的檢修、維護(hù)等[5-6]、其優(yōu)點(diǎn)眾多，但價(jià)格昂貴。在施工、鋪軌、精調(diào)等階段檢測(cè)內(nèi)容相對(duì)較少，大型軌檢車(chē)適用性?xún)?yōu)勢(shì)并不明顯，就此提出了小型檢測(cè)車(chē)或軌檢儀的概念。

相比大型軌檢車(chē)，小型軌檢儀在精調(diào)工作中優(yōu)勢(shì)明顯，其成本較低、小巧易攜、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)輸方便，雖功能較為單一，但也能滿足日常的養(yǎng)護(hù)維修工作[7]。

2.3 軌道平順性的絕對(duì)測(cè)量和相對(duì)測(cè)量

我國(guó)高速鐵路采用“三網(wǎng)合一”的測(cè)量體系（見(jiàn)圖2），源于德國(guó)RIL883標(biāo)準(zhǔn)，該測(cè)量體系基本滿足了我國(guó)高速鐵路建設(shè)的需要。

圖2 “三網(wǎng)合一”測(cè)量體系

“三網(wǎng)合一”測(cè)量體系中，勘測(cè)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，線路及構(gòu)筑物的里程和坐標(biāo)始終一一對(duì)應(yīng)，每一個(gè)里程只有一個(gè)唯一的坐標(biāo)（x、y、z)，這就保證施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)能夠嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的線型，從而保證了高速鐵路軌道的平順性，也為構(gòu)建數(shù)字化鐵路管理平臺(tái)創(chuàng)造了條件。

2.3.1 絕對(duì)測(cè)量

絕對(duì)測(cè)量是以CPⅢ控制網(wǎng)為基準(zhǔn)，先利用全站儀自由設(shè)站后方交會(huì)的方法確定全站儀中心三維坐標(biāo)，接著按極坐標(biāo)測(cè)量的方法測(cè)量軌道上軌檢小車(chē)?yán)忡R點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算出軌道點(diǎn)測(cè)量坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)的差值，最后按照計(jì)算的差值逐步把軌道調(diào)整到位。

本文試驗(yàn)采用導(dǎo)線混合網(wǎng)形，多測(cè)回邊角測(cè)量方法，進(jìn)行CPⅢ平面控制網(wǎng)的外業(yè)數(shù)據(jù)采集，如圖3所示。

圖3 CPⅢ平面控制混合網(wǎng)

2.3.2 相對(duì)測(cè)量

與絕對(duì)測(cè)量對(duì)應(yīng)，采用軌道檢查儀測(cè)量軌道內(nèi)部幾何參數(shù)的方法稱(chēng)為“相對(duì)測(cè)量”，常用的有弦測(cè)法和慣性基準(zhǔn)法。

（1）弦測(cè)法檢測(cè)軌道高低和軌向，見(jiàn)圖4，通常需要2至3名工人配合完成。

圖4 弦測(cè)法測(cè)軌向示意圖

（2）慣性基準(zhǔn)法是大型軌檢車(chē)測(cè)量高低不平順常采用的方法[8]，原理是在運(yùn)動(dòng)車(chē)體內(nèi)通過(guò)加速度計(jì)或陀螺建立一個(gè)慣性參考基準(zhǔn)，利用位移傳感器獲取鋼軌在慣性坐標(biāo)系內(nèi)的相對(duì)位置。20世紀(jì)70年代之后，美國(guó)、加拿大、德國(guó)、中國(guó)及日本等先后采用慣性基準(zhǔn)軌道不平順檢測(cè)系統(tǒng)，原理如圖5所示。

圖5 慣性基準(zhǔn)法測(cè)量原理示意圖

3 高速鐵路軌道平順性精調(diào)技術(shù)

軌道殘余變形可通過(guò)日常的軌道整理[6、9]予以校正，對(duì)軌道平順性進(jìn)行控制，首先要做好不平順的測(cè)量工作，其次要精確計(jì)算調(diào)整量，再進(jìn)行軌道精調(diào)，這是良好軌道質(zhì)量的保障。

3.1 精調(diào)階段劃分

無(wú)砟軌道是當(dāng)今高速鐵路的先進(jìn)技術(shù)，得到更加普遍的應(yīng)用，對(duì)于高速鐵路無(wú)砟軌道來(lái)說(shuō)，目前的軌道精調(diào)分為靜態(tài)精調(diào)和動(dòng)態(tài)精調(diào)兩個(gè)階段。軌道靜態(tài)精調(diào)是在聯(lián)調(diào)聯(lián)式之前，根據(jù)軌檢儀測(cè)量的不平順數(shù)據(jù)對(duì)軌道進(jìn)行的調(diào)整。軌道動(dòng)態(tài)精調(diào)是在聯(lián)調(diào)聯(lián)式期間，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)軌道缺陷進(jìn)行動(dòng)態(tài)局部修復(fù)。

3.2 精調(diào)量計(jì)算方法

軌道精調(diào)是通過(guò)軌道測(cè)量不平順數(shù)據(jù)對(duì)軌道調(diào)整量進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)精調(diào)使軌道精度達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，滿足行車(chē)舒適性要求。目前常用的精調(diào)量計(jì)算方法，可分為基于外部幾何尺寸的坐標(biāo)法和基于內(nèi)部幾何尺寸的漸伸線法兩類(lèi)。

漸伸線法是指直接利用公式計(jì)算漸伸線長(zhǎng)度、選配曲線半徑并計(jì)算既有曲線撥距的方法。工務(wù)維修實(shí)踐中，長(zhǎng)期以來(lái)以漸伸線作為依歸以軌道內(nèi)部幾何尺寸為依據(jù)計(jì)算整正量。

漸伸線中，因繩正法操作較為簡(jiǎn)便，廣泛應(yīng)用于普速線路以及提速線路的整道計(jì)算工作中。

除此法外，工務(wù)維修中常使用一種經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行整道計(jì)算，即目穿法[10]。目穿法通過(guò)目測(cè)不平順，經(jīng)多次動(dòng)道、逐點(diǎn)改善軌道平順性。以上方法測(cè)定不平順均比較粗糙，且嚴(yán)重依賴(lài)于操作者的技能與經(jīng)驗(yàn)，易破壞設(shè)計(jì)線型，故目前不能作為獨(dú)立的整道方法應(yīng)用于高鐵無(wú)砟軌道的養(yǎng)修[11-12]。

3.3 FAR精調(diào)技術(shù)

本文闡述的調(diào)軌方法，先準(zhǔn)確計(jì)算出扣件（剩余）可調(diào)量范圍，再以（剩余）可調(diào)量參與軌道不平順控制，并針對(duì)扣件（剩余）可調(diào)量約束調(diào)整后所引起的軌道短波不平順，在調(diào)整過(guò)程中加入相鄰點(diǎn)偏差較差約束，引入L1范數(shù)最優(yōu)化原則，構(gòu)成一套軌道自動(dòng)化精調(diào)算法，即“扣件類(lèi)型-調(diào)整量-剩余可調(diào)量”（Fastener type-Adjusted values-Remaining allowed adjustable values，簡(jiǎn)稱(chēng)FAR）的調(diào)軌體系[13]。

將此調(diào)軌方法用于長(zhǎng)鋼軌精調(diào)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，結(jié)果表明：準(zhǔn)確的扣件（剩余）可調(diào)量是保證有效精調(diào)方案與優(yōu)化調(diào)整量的前提，能夠有效避免模擬調(diào)整中調(diào)整量過(guò)大導(dǎo)致的現(xiàn)場(chǎng)精調(diào)扣件無(wú)法調(diào)整到模擬位而產(chǎn)生的平順性超限和返工調(diào)整的缺陷問(wèn)題，因此可以作為最要緊約束參與不平順的控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，高鐵軌道平順性依賴(lài)于高精度、高效率的軌道幾何參數(shù)檢測(cè)手段和優(yōu)化的軌道精調(diào)算法，這也是是高鐵運(yùn)營(yíng)安全的基本保障。根據(jù)高速鐵路不平順的情況，介紹了軌道平順性檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)比了大型軌檢車(chē)和小型軌檢儀，闡述了軌道平順性的絕對(duì)測(cè)量和相對(duì)測(cè)量；針對(duì)廣泛采用的無(wú)砟軌道技術(shù)，從精調(diào)階段劃分、精調(diào)量計(jì)算方法和FAR精調(diào)技術(shù)三方面分析了高速鐵路軌道精調(diào)技術(shù)，以期為高速鐵路軌道交通平順性控制提供參考。