地鐵營業(yè)線幾何線形病害整治全過程測量技術應用研究

管新權

（中鐵四局集團有限公司第八工程分公司，安徽 合肥）

隨著城市軌道交通的持續(xù)發(fā)展，列車運行過程中對速度及舒適性的追求逐步突出。但早期建設線路受限于修建時的技術水平及長久以來的撥道式維保，其軌道幾何姿態(tài)均出現(xiàn)了不同程度的病害，直接影響列車運行安全性、平穩(wěn)性和舒適性[1]，對城市軌道整體形象產(chǎn)生了一定的負面影響。

早期建設地鐵線路存在控制網(wǎng)缺失，既有線路嚴重偏離設計線形，維修改造施工天窗點時間緊、任務重。針對維保作業(yè)對測量任務的需求，諸多人員已進行了一系列探索。王鵬，潘正風[2]在深入研究控制網(wǎng)與軌道平順性的關系后，提出要嚴格把控CPⅢ點位精度。張登科等[3]發(fā)現(xiàn)在較差的軌道幾何狀態(tài)下，列車引起建筑物室內(nèi)振動明顯增加。楊成寬[4]利用GEDO CE 軌道檢測系統(tǒng)進行軌道檢測及精調(diào)施工，薛卓鵬[5]研發(fā)了基于卡爾曼濾波技術的組合測量系統(tǒng)，有效提高了檢測精度。然而，針對控制網(wǎng)缺失、需重建幾何線形數(shù)學模型的全過程測量控制技術有待開展深入研究。

本文為適應早期營業(yè)線路整治施工對高精度、高效率、智能化技術的迫切需求，研究了獨立空間兩級控制技術，開發(fā)三維幾何線形擬合系統(tǒng)，并貼合現(xiàn)場施工需求，提出一套線形病害整治施工測量控制方法。

1 獨立空間兩級控制技術

傳統(tǒng)地下空間控制網(wǎng)測量方案，首先需要對地面控制網(wǎng)進行復測，再做聯(lián)系測量，將地面控制點引至地下空間后，再進行區(qū)間貫通測量，最后測設任意設站控制網(wǎng)。相對于無聯(lián)測需求的獨立線路地下空間，整套技術程序復雜、存在工作量冗余，可以在兼顧效率和精度方面進一步優(yōu)化。

1.1 首級控制技術

在原單導線的基礎上，優(yōu)化形成附帶第三邊檢核的單導線測量技術（見圖1）。本技術將每個測站向前后各延伸一條觀測邊，進行每點連續(xù)觀測，構(gòu)建了第三邊檢核條件，觀測時可以有效控制不同測站間方位角和邊長綜合變形值，避免誤差累積。以AB 作為起算邊，并依次推定后續(xù)控制點坐標，通過增加檢校，實現(xiàn)對導線測量數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠保證，導線測量技術要求詳見表1。

圖1 附帶第三邊檢核的單導線測量技術示意

表1 附帶第三邊檢核的單導線測量技術要求

考慮投影變形導致的數(shù)據(jù)偏差，參考《城市軌道交通工程測量規(guī)范》（GB/T50308-2017）限差要求，在邊長及高斯投影變形的綜合值大于15 mm/km 時，采用抵償高程面建立配套獨立城市坐標系統(tǒng)。同時，在測量過程中，將每段控制網(wǎng)長度控制在2 km 以內(nèi)，以弱化投影綜合變形值對于數(shù)據(jù)成果的影響。

高程首級控制網(wǎng)測設方面，將平面點與高程點合用，并以二等水準測量為標準進行往返觀測，首級控制網(wǎng)中高程控制測量精度要求詳見表2。

表2 水準測量技術要求

1.2 任意設站控制網(wǎng)測設技術

任意設站控制網(wǎng)測設按照《城市軌道交通工程測量規(guī)范》（GB/T50308-2017）進行控制（見圖2）。

圖2 任意設站控制網(wǎng)

為保證控制網(wǎng)在獨立坐標系下的穩(wěn)定性，需要增加兩個控制指標：（1）考慮約束平差成果中尺度K 值；（2）導線網(wǎng)坐標結(jié)果與任意設站控制網(wǎng)起算點的三參數(shù)轉(zhuǎn)換坐標差值應小于10 mm，以上兩個指標可驗證獨立空間兩級控制網(wǎng)狀態(tài)的穩(wěn)定性。

2 三維幾何線形擬合系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設計

為實現(xiàn)幾何線形病害數(shù)據(jù)處理自動化，研發(fā)3D track line fitting system（以下簡稱TLFS 系統(tǒng)）。本系統(tǒng)以Visual Studio 2017 為開發(fā)平臺，基于.Net Framework4.6 框架，采用C＃語言進行開發(fā)，能夠適配于Windows7 以上系統(tǒng)版本，除安裝過程需要進行激活外，系統(tǒng)使用全過程無需網(wǎng)絡連接。

TLFS 系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)錄入及預處理、軌道幾何線形擬合、軌道調(diào)整方案生成及顯示輸出三大模塊，實現(xiàn)了外業(yè)數(shù)據(jù)一鍵導入、參數(shù)自定義及數(shù)據(jù)自動化處理。

2.2 核心功能

TLFS 系統(tǒng)以基于三維散點集的空間線形曲線擬合優(yōu)化技術為核心，根據(jù)間接平差原理，以正交最小二乘為準則，針對性構(gòu)建空間曲線參數(shù)預估模型見式（1）、式（2）。

以空間曲線參數(shù)預估模型為核心，對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進行幾何參數(shù)估計，擬合出局部最優(yōu)軌道幾何線形，并利用迭代算法求取全局最優(yōu)幾何線形，并以此線形基準自動生成病害維修整治方案。

3 技術應用

3.1 工程概況

本文依托武漢地鐵1 號線頭道街站～黃浦路站上行線開展研究，為標準“兩站一區(qū)間”，共計1.218 km。該段線路隨服役年限的不斷延長，幾何線形病害發(fā)展逐步加劇，現(xiàn)階段采取的線路調(diào)整、加強等措施不能從根本上解決問題。為了提升線路質(zhì)量，預控可能的安全風險，現(xiàn)階段正有計劃地實施線路維修改造工作。

3.2 控制網(wǎng)測設及軌道數(shù)據(jù)采集

采用獨立空間兩級控制技術，首先詳細收集線路相關資料、安排實地踏勘，并完成控制網(wǎng)點位埋設；接著分別成立導線組及水準組，同步構(gòu)建軌道首級控制網(wǎng)；最后在首級控制網(wǎng)的基礎上，測設軌道任意設站控制網(wǎng)。

采用鐵四院SYADJ 平差軟件進行控制網(wǎng)平差，平面網(wǎng)相對精度K=1/136 816＜1/35 000，水準線路高差閉合差為0.64 mm＜ ±8 L=9.17 mm，任意設站控制網(wǎng)精度指標詳見表3，由此可看出，本文所述測量方法的各項平差指標精度均遠高于規(guī)范要求，能夠適用于現(xiàn)場施工。

表3 任意設站控制網(wǎng)平面約束網(wǎng)平差后的精度要求

在任意設站控制網(wǎng)基礎上，以TS60 全站儀自由設站，實時定位軌道幾何狀態(tài)測量儀絕對位置，實現(xiàn)每枕木位置軌道狀態(tài)多維度數(shù)據(jù)的高精度采集。測量全過程主要儀器配置見表4。

表4 主要測量儀器設備配置

地鐵營業(yè)線運營期天窗時間一般為3 h，控制點打孔埋設效率為0.4～0.5 km/天窗點，首級控制網(wǎng)測設效率為1～1.5 km/天窗點，任意設站控制網(wǎng)測設效率0.7～0.8 km/天窗點，0.5～0.6 km/天窗點。根據(jù)天窗點調(diào)度安排，從踏勘至數(shù)據(jù)采集完成共計2 周，共采集1 898 個軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3.3 線形擬合

采用具有自主知識產(chǎn)權的TLFS 系統(tǒng)，建立項目文件，將GRP 1000 外業(yè)測量數(shù)據(jù)導出后傳入本系統(tǒng)，設置誤差探測及擬合優(yōu)化參數(shù)后，以調(diào)整量最小為準則自動擬合出的最優(yōu)三維軌道線形，相關調(diào)整量結(jié)果及設計線形可輸出顯示（見圖3）。

圖3 TLFS 系統(tǒng)

以擬合優(yōu)化幾何線形為基準，自動計算現(xiàn)狀軌道調(diào)整量。經(jīng)統(tǒng)計，平面調(diào)整量＜2 cm 點位1 815 個，占比95.6%，高程調(diào)整量＜2 cm 點位1 699 個，占比89.5%（見圖4）。

圖4 平面（左）及高程（右）調(diào)整量

3.4 幾何線形病害整治施工測量

調(diào)整量方案復核無誤后，測量人員將調(diào)整量數(shù)據(jù)標記在對應位置鋼軌面上，再根據(jù)調(diào)整量的大小，分區(qū)段針對性地進行扣配件調(diào)整、枕木擴孔及道床鑿除改造施工。病害整治全過程需保持全站儀自由設站，實時進行作業(yè)指導及復核，最終以相對小車采集數(shù)據(jù)，進行軌道平順性評估（見圖5）。

圖5 幾何線形病害整治施工測量

4 結(jié)論

獨立空間兩級控制技術加強了獨立控制網(wǎng)導線的內(nèi)部穩(wěn)定性，減少了單導線無法對中間測點提供有效約束的問題。由于不與地面控制網(wǎng)聯(lián)測，可以避免打開地鐵運營車站上蓋，有效降低測量成本，同時減少了地面控制網(wǎng)和聯(lián)系測量的誤差傳遞。該方法適用于地下單線隧道內(nèi)施測，相對普通單導線，測量精度大大提高；相對隧道雙導線，空間需求更低，布點位置也更加靈活。

開發(fā)的三維幾何線形擬合系統(tǒng)，其數(shù)學模型嚴謹可靠，能夠極大程度上減少內(nèi)業(yè)處理過程中對人的依賴性，推進了維保施工數(shù)字化建設，相對現(xiàn)有技術減少30%工作量，可在今后的運營期線路維修過程中推廣使用，但在系統(tǒng)的用戶交互、界面美觀及運算效率等方面仍有較大提升空間。