軌道工程測控新技術(shù)在廣州地鐵中的應(yīng)用研究

黨紅玲 黃紅東 張大春

(1.廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510030； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)建網(wǎng)

借鑒國內(nèi)高速鐵路無砟軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)測量技術(shù)，在廣州地鐵6號(hào)線選取了三個(gè)試驗(yàn)段，共計(jì)五站四區(qū)間：(1)沙河至天平架、(2)區(qū)莊至黃花崗、(3)長湴至天河至燕塘，在各試驗(yàn)段建立軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)。

1.1 控制點(diǎn)的布設(shè)

本次試驗(yàn)選取的廣州地鐵6號(hào)線的五站四區(qū)間均為地下隧道段，軌道控制點(diǎn)的布設(shè)根據(jù)限界圖中線路設(shè)備的設(shè)計(jì)位置進(jìn)行綜合比選，選擇點(diǎn)位長期保存、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高度合適、便于控制網(wǎng)測量的位置進(jìn)行布點(diǎn)，控制點(diǎn)沿線路成對(duì)布設(shè)在側(cè)墻上，高于軌面0.9～1.2 m左右，點(diǎn)對(duì)縱向間距為30～60 m，滿足全站儀自由測站每站觀測4對(duì)軌道基礎(chǔ)控制點(diǎn)的通視要求。

本次試驗(yàn)中，軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)測量標(biāo)志采用精密工程控制測量標(biāo)志，其主要部件的單獨(dú)加工精度為0.02 mm，棱鏡、連接桿安裝精度在X、Y、Z三向分別滿足小于0.4 mm、0.4 mm、0.2 mm的技術(shù)要求。

1.2 軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)測量

軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)平面測量采用自由測站邊角交會(huì)的方法進(jìn)行，每個(gè)自由測站觀測4對(duì)控制點(diǎn)，測站間重復(fù)觀測3對(duì)控制點(diǎn)，具體點(diǎn)位分布及測量方法如圖1所示。

圖1 軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)平面測量

軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)高程測量按精密水準(zhǔn)測量要求，采用全站儀自由測站三角高程測量方法進(jìn)行，并附合于高程控制點(diǎn)上。

1.3 數(shù)據(jù)處理與精度分析

(1)數(shù)據(jù)處理

軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)平面與高程的數(shù)據(jù)計(jì)算和平差處理，采用中鐵咨詢公司研發(fā)的軌道控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與平差軟件。

平面觀測數(shù)據(jù)采用自由網(wǎng)獨(dú)立平差，在自由網(wǎng)平差各項(xiàng)指標(biāo)符合要求后，再根據(jù)控制點(diǎn)進(jìn)行約束網(wǎng)平差。平面約束平差之前，對(duì)起算控制點(diǎn)進(jìn)行兼容性檢核和可靠性分析，各區(qū)間選取的上級(jí)控制點(diǎn)相對(duì)精度滿足規(guī)范要求．

高程觀測數(shù)據(jù)以提供的高程控制點(diǎn)為起算基準(zhǔn)進(jìn)行約束平差計(jì)算。

(2)精度分析

通過數(shù)據(jù)處理與平差計(jì)算，本次試驗(yàn)中的四個(gè)區(qū)間軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)平面測量高程測量精度結(jié)果見表1、表2、表3。

表1 平面測量自由網(wǎng)精度統(tǒng)計(jì)

表2 平面測量約束平差精度統(tǒng)計(jì)

表3 軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)高程測量精度統(tǒng)計(jì) mm

由表1、表2、表3可以看出，各區(qū)間平面測量精度、高程測量精度均符合測量限差要求，測量成果精度滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，可以用于后續(xù)軌道施工。

2 與既有鋪軌基標(biāo)的對(duì)比分析

從測量精度要求、測量方法以及試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)等方面，對(duì)軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)和既有軌道控制基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析。既有軌道控制基準(zhǔn)一般在施工控制導(dǎo)線或調(diào)線調(diào)坡導(dǎo)線的基礎(chǔ)上，放樣控制基標(biāo)，再用控制基標(biāo)放樣加密基標(biāo)。

2.1 檢測實(shí)驗(yàn)

利用建立的軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)坐標(biāo)成果，測量各待檢測鋪軌基標(biāo)的坐標(biāo)，通過對(duì)比鋪軌基標(biāo)的理論坐標(biāo)與利用軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)實(shí)測坐標(biāo)的較差，反映出既有鋪軌基標(biāo)的精度。在本次試驗(yàn)過程中，在沙河至天平架區(qū)建立軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)時(shí)，檢測了該試驗(yàn)段內(nèi)DK19+125-DK19+875里程范圍內(nèi)的控制基標(biāo)，測量檢核情況如表4所示。

由表4可看出，有6個(gè)里程處控制基標(biāo)的軌道控制網(wǎng)實(shí)測坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)偏差較大。

2.2 對(duì)比分析小結(jié)

軌道控制網(wǎng)(CPⅢ))吸取了高鐵CPⅢ中的核心理念，從測量方法與各項(xiàng)精度指標(biāo)來看，均優(yōu)于既有控制基標(biāo)，作為軌道測量與控制基準(zhǔn)，提高了測量精度。

表4 控制基標(biāo)檢核

布設(shè)方法：成對(duì)布設(shè)于線路兩側(cè)，穩(wěn)固性好，可供建設(shè)和運(yùn)營長期使用；

觀測方法：采用自由設(shè)站后方交會(huì)方式觀測，增加多余觀測值，成果精度可靠；相鄰點(diǎn)間相對(duì)精度高，兼容性好，能有效地控制軌道的平順性。

平差理論：自動(dòng)進(jìn)行粗差探測與修復(fù)，自動(dòng)進(jìn)行軌道控制網(wǎng)平面、高程和三維坐標(biāo)的搭接平滑處理，提高了搭接處相鄰點(diǎn)相對(duì)精度。

通過檢測實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋪軌基標(biāo)的精度差，尤其是離散程度大，作為軌道測量控制基準(zhǔn)，對(duì)軌道平順性控制不利。而且鋪軌基標(biāo)測設(shè)的位置容易被整體道床的施工而被破壞，無法長期保存，不利于運(yùn)營階段采用統(tǒng)一基準(zhǔn)網(wǎng)。

3 軌道鋪設(shè)精調(diào)研究

本次試驗(yàn)參照了高鐵雙塊式無砟軌道鋪設(shè)的新技術(shù)、新工藝，以建立的軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)為基準(zhǔn)，采用了軌道幾何狀態(tài)測量儀配合智能型全站儀指導(dǎo)鋪軌；同時(shí)，對(duì)于傳統(tǒng)鋪軌工藝的段落，在整體道床混凝土澆筑前，采用軌道幾何狀態(tài)測量儀檢測基于鋪軌基標(biāo)施工調(diào)整完后的軌道狀態(tài)；在整體道床混凝土澆筑凝固后，采用軌道幾何狀態(tài)測量儀檢測了軌道基本建成后軌道鋪設(shè)精度和平順性情況。通過上述現(xiàn)場試驗(yàn)工作，進(jìn)行整體軌道鋪設(shè)施工精調(diào)及適用性評(píng)估，綜合對(duì)比分析傳統(tǒng)鋪軌測量方法與軌道精密測量技術(shù)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及在實(shí)際應(yīng)用過程中的優(yōu)缺點(diǎn)、可實(shí)施性。

3.1 軌排精調(diào)試驗(yàn)

軌排精調(diào)時(shí)，將設(shè)計(jì)單位提供的鋪軌綜合圖線路曲線要素輸入至軌檢小車上的工業(yè)筆記本中，軌道控制點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入至智能型全站儀中，在軌道幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析軟件中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后，即可對(duì)待精調(diào)的軌道進(jìn)行測控。

圖2 軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)、全站儀、軌檢小車進(jìn)行鋪軌工作原理

如圖2所示，將軌檢小車推動(dòng)到待檢測部位，由專業(yè)軟件計(jì)算當(dāng)前軌道位置與設(shè)計(jì)位置的偏差，并將偏差量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，人工進(jìn)行軌排平面、高程、超高的調(diào)整，來精確控制軌道的實(shí)際位置與理論位置的絕對(duì)偏移量，使軌排達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 可行性分析

本次應(yīng)用研究表明，基于軌道精密測量技術(shù)的整體道床軌道鋪設(shè)與精調(diào)施工工藝，首先在軌道鋪設(shè)施工時(shí)進(jìn)行了高精度控制，其次在長軌焊接打磨及應(yīng)力放散后進(jìn)行長軌精調(diào)的同時(shí)，可以精確指導(dǎo)每個(gè)扣件的調(diào)整，保證施工階段的軌道施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)與規(guī)范要求，從而確保在最終澆筑混凝土形成道床之前能對(duì)軌道進(jìn)行高效的調(diào)整，并保證線路的整體高平順性，形成的整體道床軌道鋪設(shè)精調(diào)工藝合理可行。

4 軌道的平順性檢測

4.1 平順性檢測試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

軌道平順性檢測的前提是獲得準(zhǔn)確可靠的軌道靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)，因此軌道幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)采集居于該階段的核心地位。衡量軌道平順性的參數(shù)主要包括：軌距、水平(超高)、軌向、高低、扭曲(三角坑)等，這些都是評(píng)價(jià)軌道設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量的重要指標(biāo)。

利用軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)對(duì)既有軌道施工工藝鋪設(shè)的軌道進(jìn)行了兩段的檢測，其各項(xiàng)平順性指標(biāo)的直觀檢測統(tǒng)計(jì)圖如圖3、圖4。

圖3 沙河站至天平架站區(qū)間DK19+155～DK19+380段檢測統(tǒng)計(jì)

圖4 區(qū)莊站至黃花崗站區(qū)間右線DK16+215～DK16+917段檢測統(tǒng)計(jì)

4.2 與既有的軌道檢測技術(shù)對(duì)比分析

(1)既有的軌道檢測采用抽檢的方式，由人工拉弦線進(jìn)行軌向和高低的檢測，用軌道尺檢測軌距和超高。弦線測量法不夠嚴(yán)密，容易造成線路偏移，特別是在曲線上，較小的正矢偏差就會(huì)造成很大的曲線半徑誤差，勞動(dòng)強(qiáng)度大，存在大量的未檢測軌道點(diǎn)；軌道平順性檢測內(nèi)容不夠全面，測量精度不能滿足高精度鋪軌的要求。

(2)軌道幾何狀態(tài)測量儀具有三維連續(xù)測量模式，可快速測量記錄、實(shí)時(shí)分析并記錄軌道實(shí)際值與設(shè)計(jì)值的偏差，計(jì)算軌距變化率、任意波長的軌道平順性指標(biāo)，生成包含軌道中線及左右軌平面位置及高程等信息的線型記錄表、長中短波不平順報(bào)告等；軟件具有分析處理與圖形顯示功能，并可對(duì)檢測段落進(jìn)行截取、追加和平滑搭接等處理，可以全面檢查軌道的設(shè)計(jì)位置和平順性是否滿足要求。

5 結(jié)論

(1)軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)的測量成果精度可靠，滿足了軌道精確施工要求。軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)的各項(xiàng)精度指標(biāo)均優(yōu)于鋪軌基標(biāo)，保證了極高的相鄰點(diǎn)的相對(duì)精度，從而對(duì)提高軌道的平順性起到重要作用。

(2)與既有軌道施工采用鋪軌基標(biāo)相比，用軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)與軌道幾何狀態(tài)測量儀進(jìn)行軌道的鋪設(shè)與調(diào)整，形成的整體道床軌道鋪設(shè)與精調(diào)施工工藝，合理可行，提高了測量精度與軌道的初始平順性，為運(yùn)營后長期的平順狀態(tài)和減少維護(hù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(3)傳統(tǒng)的軌道平順性檢測與驗(yàn)收方法不夠嚴(yán)密?；谲壍揽刂凭W(wǎng)(CPⅢ)為基準(zhǔn)的軌道精密檢測能精確測量軌道幾何狀態(tài)，檢測內(nèi)容更全面，能提供最優(yōu)的線路平縱斷面成果、貫通里程系統(tǒng)和平順性調(diào)整方案，為線路養(yǎng)護(hù)維修提供完整的軌道幾何形位基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，還可用于軌道第三方驗(yàn)收檢測。

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