京張高鐵大跨度鋼桁梁橋無砟軌道長(zhǎng)軌精調(diào)技術(shù)

馬文靜

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

軌道的高平順性是高速鐵路的本質(zhì)特征之一，是列車平穩(wěn)安全運(yùn)營(yíng)的前提條件。為建設(shè)高平順性軌道，高速鐵路軌道工程施工有著嚴(yán)格的精度控制要求：首先建立平面相鄰點(diǎn)相對(duì)中誤差小于±1 mm、相鄰點(diǎn)高差中誤差小于±0.5 mm的軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)[1]，然后基于CPⅢ控制網(wǎng)進(jìn)行無砟軌道底座板、軌道板、雙塊式無砟軌道軌排的施工與精調(diào)工作，為長(zhǎng)鋼軌鋪設(shè)奠定條件。長(zhǎng)鋼軌鋪設(shè)完成后，還需要進(jìn)行長(zhǎng)軌精調(diào)[2]。長(zhǎng)軌精調(diào)應(yīng)在長(zhǎng)鋼軌應(yīng)力放散、鎖定后開展，且作業(yè)時(shí)環(huán)境溫度應(yīng)處于鎖定軌溫的一定范圍內(nèi)。其傳統(tǒng)作業(yè)流程如下：對(duì)CPⅢ控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)，以保證軌道精調(diào)具有一個(gè)高精度的三維控制基準(zhǔn)；采用靜態(tài)軌檢小車，基于8個(gè)CPⅢ控制點(diǎn)進(jìn)行整平自由設(shè)站，逐枕采集數(shù)據(jù)，以獲取軌道的平面、高程、軌距、超高偏差，并通過平順性分析得到逐枕的扣件調(diào)整量；導(dǎo)出扣件調(diào)整量報(bào)表，指導(dǎo)外業(yè)進(jìn)行軌道扣件調(diào)整，最終達(dá)到軌道的平順性要求(如圖1)。

長(zhǎng)軌精調(diào)是一項(xiàng)反復(fù)進(jìn)行、逐漸收斂的作業(yè)過程。第一遍軌道調(diào)整完成后，對(duì)軌道進(jìn)行復(fù)測(cè)并開展平順性分析，然后再次對(duì)軌道進(jìn)行調(diào)整，直至軌道的平順性滿足要求。當(dāng)采用鋼桁梁結(jié)構(gòu)橋跨越江河時(shí)，受溫度應(yīng)力的影響，橋梁會(huì)發(fā)生形變并對(duì)軌道平順性產(chǎn)生不利影響[3]。因此，鋼桁梁橋面上大多鋪設(shè)有砟軌道，并適當(dāng)降低列車的通過速度。當(dāng)鋼桁梁橋上鋪設(shè)無砟軌道時(shí)，為適應(yīng)溫度應(yīng)力導(dǎo)致的梁縫伸縮，會(huì)采用抗拔扣件。長(zhǎng)軌精調(diào)時(shí)應(yīng)考慮到上述變化因素。

圖1 軌道靜態(tài)絕對(duì)測(cè)量作業(yè)示意

2 官廳水庫鋼桁梁特大橋結(jié)構(gòu)

官廳水庫特大橋是京張高鐵的控制性工程，主橋?yàn)?孔跨度為110 m的簡(jiǎn)支拱形鋼桁梁，如圖2所示。CPⅢ控制網(wǎng)按如下方式布設(shè)：每孔橋的跨中布設(shè)一對(duì)點(diǎn)，每個(gè)橋墩上布設(shè)一對(duì)點(diǎn)，全橋鋪設(shè)無砟軌道。為了抵抗鋼梁梁端上撓對(duì)軌道平順性的不利影響，在梁端采用了抗拔扣件。

圖2 官廳水庫鋼桁梁特大橋結(jié)構(gòu)示意

3 軌道測(cè)量

3.1 軌道測(cè)量的時(shí)機(jī)

軌道測(cè)量應(yīng)在長(zhǎng)鋼軌鎖定、焊接后開展。作業(yè)前，應(yīng)先對(duì)作業(yè)區(qū)段鋼軌進(jìn)行檢查，重點(diǎn)檢查是否存在扣件破損、彈條生銹、安裝錯(cuò)誤、底板空吊、螺栓孔臟污、螺栓涂油不足、扣壓力不足、間隙過大、軌面及軌道板臟污等情況，并對(duì)存在的問題進(jìn)行整改。

3.2 軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)復(fù)測(cè)

軌道精調(diào)作業(yè)前，應(yīng)對(duì)全線的CPⅢ控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)[4，5]。在非鋼桁梁橋區(qū)段，可直接采用復(fù)測(cè)CPⅢ成果作為軌道測(cè)量的基準(zhǔn)。在溫度應(yīng)力作用下，鋼桁梁橋會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的形變，特別是在線路縱向會(huì)發(fā)生較大的伸縮位移，故布設(shè)在梁中的CPⅢ點(diǎn)位會(huì)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致其坐標(biāo)不準(zhǔn)確；梁端的CPⅢ點(diǎn)受溫度應(yīng)力的影響較小，點(diǎn)位較為穩(wěn)定。鑒于上述原因，在每次軌道測(cè)量前，應(yīng)對(duì)全橋的CPⅢ控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)，以保證CPⅢ控制點(diǎn)坐標(biāo)的精度，進(jìn)而確保軌道測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。為了提高復(fù)測(cè)效率，控制網(wǎng)復(fù)測(cè)按照簡(jiǎn)易方法進(jìn)行，其作業(yè)流程如圖3所示。

圖3 CPⅢ控制網(wǎng)復(fù)測(cè)示意

在梁端附近進(jìn)行整平自由設(shè)站[6]，第一站首先觀測(cè)前后共6個(gè)梁端的CPⅢ控制點(diǎn)，如圖3中實(shí)線所示。自由設(shè)站精度及CPⅢ坐標(biāo)不符值按照表1執(zhí)行。設(shè)站完成后觀測(cè)設(shè)站范圍內(nèi)的4個(gè)梁中CPⅢ控制點(diǎn)(98307、98308、98311、98312)并記錄其實(shí)測(cè)三維坐標(biāo)，如圖3中虛線所示。首站測(cè)量完成后，向前搬站約120 m，同樣在梁端附近設(shè)站，觀測(cè)前后共6個(gè)梁端CPⅢ控制點(diǎn)，同時(shí)觀測(cè)梁中CPⅢ控制點(diǎn)(98311、98312)，采用其在上一站中的實(shí)測(cè)三維坐標(biāo)參與站心坐標(biāo)的平差解算，設(shè)站完成后再觀測(cè)梁中CPⅢ控制點(diǎn)(98315、98316)并記錄其實(shí)測(cè)三維坐標(biāo)。以此類推，直到將鋼橋上所有的梁中控制點(diǎn)測(cè)量完畢，并對(duì)梁中CPⅢ控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行更新。為了保證坐標(biāo)更新正確及與梁端控制點(diǎn)的兼容，還需要對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行檢查，采用相鄰的8個(gè)CPⅢ控制點(diǎn)進(jìn)行整平自由設(shè)站并進(jìn)行精度評(píng)定[7，8]，設(shè)站精度執(zhí)行表1。如設(shè)站精度不滿足表1，則需要進(jìn)一步分析原因，按照上述方法重新測(cè)量并更新梁中CPⅢ控制點(diǎn)的坐標(biāo)。

表1 整平自由設(shè)站精度及坐標(biāo)不符值限差

3.3 軌道絕對(duì)測(cè)量

第一遍軌道測(cè)量是基于CPⅢ控制點(diǎn)的絕對(duì)測(cè)量，作業(yè)時(shí)的氣溫應(yīng)處于鎖定軌溫的一定范圍內(nèi)，并對(duì)鋼橋梁中的CPⅢ控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)。傳統(tǒng)上的軌道測(cè)量采用靜態(tài)測(cè)量模式，其作業(yè)流程見圖1。此種方法的效率較低。為了提高效率，可采用基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的軌道動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其作業(yè)流程如圖4所示。

圖4 軌道動(dòng)態(tài)測(cè)量示意

基于慣導(dǎo)技術(shù)的軌道動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)以手推式軌檢小車作為工作平臺(tái)，全站儀直接架設(shè)在小車上，現(xiàn)場(chǎng)軌道測(cè)量作業(yè)步驟如下：

(1)推行小車至CPⅢ點(diǎn)對(duì)中間某根軌枕處，采用全站儀觀測(cè)前后共8個(gè)CPⅢ控制點(diǎn)(98305～98312)并進(jìn)行不整平自由設(shè)站[9]，解算站心三維坐標(biāo)，精度評(píng)定執(zhí)行表2。當(dāng)設(shè)站精度或坐標(biāo)不符值超限時(shí)，可將坐標(biāo)不符值較大的點(diǎn)剔除后再重新平差計(jì)算，直到設(shè)站精度滿足要求為止，且每站參與平差計(jì)算的CPⅢ點(diǎn)不少于6個(gè)。

(2)設(shè)站完成后，記錄當(dāng)前的軌枕號(hào)，然后推行軌檢小車前進(jìn)。在推行過程中，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成軌道的軌距、超高、里程及慣導(dǎo)設(shè)備的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集。

表2 不整平自由設(shè)站精度及坐標(biāo)不符值限差 mm

(3)推行至點(diǎn)98310附近的某根軌枕處停下，采用全站儀觀測(cè)點(diǎn)98310，進(jìn)行單點(diǎn)約束，同時(shí)記錄該處的軌枕號(hào)。

(4)繼續(xù)推行軌檢小車到CPⅢ控制點(diǎn)98310與98312中間的某根軌枕處停下，再次采用全站儀觀測(cè)8個(gè)CPⅢ控制點(diǎn)并進(jìn)行不整平自由設(shè)站，記錄軌枕號(hào)。

(5)重復(fù)上述作業(yè)流程，直到完成軌道測(cè)量工作。

上述作業(yè)流程中，全站儀架設(shè)在軌檢小車上并被推行前進(jìn)，且不再進(jìn)行全站儀精確整平，極大地提高了軌道測(cè)量的效率(可達(dá)1.1 km/h)，相較于傳統(tǒng)絕對(duì)靜態(tài)測(cè)量方法約0.15 km/h的測(cè)量速度，效率提升了約7倍。

3.4 精調(diào)方案分析

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到每根軌枕的左右軌橫向偏差及高程偏差、軌距偏差、超高偏差。根據(jù)上述偏差數(shù)據(jù)，計(jì)算左右軌10 m、30 m、300 m弦的軌向[10]和高低，以及軌距變化率、三角坑等平順性指標(biāo)，最后開展軌道模擬調(diào)整量分析[11]，得到軌道精調(diào)方案。《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》(TB10601—2009)對(duì)軌道各項(xiàng)平順性指標(biāo)有明確要求，軌道精調(diào)方案分析的目的，就是通過對(duì)扣件的模擬調(diào)整，使各項(xiàng)平順性指標(biāo)滿足規(guī)范要求，從而得到用于指導(dǎo)外業(yè)施工的軌道精調(diào)方案。

此外，還應(yīng)考慮所采用的扣件型號(hào)，以確定最小調(diào)整量的使用。官廳鋼桁梁采用了WJ-8型及抗拔扣件，WJ-8型扣件的平面調(diào)整量為±5 mm，高程調(diào)整量為-4～+26 mm，最小調(diào)整量均為0.5 mm；抗拔扣件的平面調(diào)整量為±12 mm，最小調(diào)整量為2 mm，高程調(diào)整量為-4～+30 mm，最小調(diào)整量為1 mm，這對(duì)精調(diào)方案調(diào)整量分析是硬性約束。同時(shí)，為了給后期工務(wù)運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)留下足夠的空間，扣件調(diào)整空間應(yīng)留有余量。

軌道平面平順性分析采用“先整體，后局部，先軌向，后軌距”的原則。首先對(duì)一根軌道從整體上研判其橫向偏差波形，并給出宏觀上的調(diào)整方案走勢(shì)，且盡可能使調(diào)整后的平面波形位于原始波形的中間，以減少調(diào)整件的使用量，然后再對(duì)其局部進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整[12]；在調(diào)整量的使用上，WJ-8型扣件應(yīng)以±3 mm以內(nèi)的平面調(diào)整量為主，局部區(qū)域可以用到4 mm，盡量不使用5 mm的調(diào)整量，抗拔扣件的平面調(diào)整量應(yīng)盡量控制在±6 mm以內(nèi)。當(dāng)一根鋼軌的平面調(diào)整分析完成后，再結(jié)合軌距及軌距變化率對(duì)另一根鋼軌進(jìn)行分析，得到其調(diào)整量。經(jīng)模擬調(diào)整后的鋼軌平面平順性指標(biāo)必須全部滿足規(guī)范要求，調(diào)整前后的橫向偏差波形對(duì)比情況如圖5所示。

圖5 調(diào)整前后軌道橫向偏差對(duì)比

同樣，軌道高程平順性分析亦采用“先整體，后局部，先高低，后水平”的原則。WJ-8型扣件應(yīng)盡量處于-2～+13 mm之間，抗拔扣件應(yīng)盡量處于-2～+15 mm之間。因此，從整體上研判一根鋼軌高程偏差波形，并給出宏觀上的調(diào)整方案走勢(shì)時(shí)，-2 mm應(yīng)作為控制指標(biāo)。一根鋼軌調(diào)整完成后，再結(jié)合水平與三角坑對(duì)另一根鋼軌進(jìn)行分析并得到調(diào)整量。調(diào)整后的鋼軌高程平順性指標(biāo)必須全部滿足規(guī)范要求，其調(diào)整前后的高程偏差波形對(duì)比如圖6所示。

圖6 調(diào)整前后軌道高程偏差對(duì)比

4 軌道靜態(tài)調(diào)整

4.1 軌道第一遍精調(diào)

軌道平順性及模擬調(diào)整方案確定后，根據(jù)精確至每個(gè)承軌臺(tái)的扣件調(diào)整量并結(jié)合當(dāng)前的扣件狀態(tài)，進(jìn)行扣件調(diào)整件配比。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，得到所需的扣件調(diào)整件用量，并向物資管理部門申領(lǐng)調(diào)整件。每個(gè)外業(yè)調(diào)整組約13人，配備運(yùn)輸板車、零級(jí)道尺、內(nèi)燃扳手、扭力扳手、起道機(jī)、軌溫計(jì)、塞尺、毛刷、鋼刷、石筆、撬棍等工具。

作業(yè)時(shí)，首先測(cè)量鋼軌溫度，當(dāng)軌溫處于鎖定軌溫的一定范圍內(nèi)才允許進(jìn)行扣件精調(diào)。根據(jù)調(diào)整量表，用石筆將兩根軌道的平面及高程調(diào)整量寫在承軌臺(tái)上，根據(jù)調(diào)整量及當(dāng)前扣件狀態(tài)進(jìn)行散件，并由專人進(jìn)行復(fù)核檢查。后續(xù)人員則對(duì)鋼軌進(jìn)行松螺栓、起道、更換調(diào)整件、檢查扣件安裝狀態(tài)、緊固螺栓等工序，在此過程中，如發(fā)現(xiàn)扣件臟污、螺栓涂油不夠、扣件破損、軌道板及軌面臟污、承軌臺(tái)臟污等情況，應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)整改，并按照一定的間距檢查軌距、超高與調(diào)整方案是否吻合。兩根鋼軌的精調(diào)完成后，再次采用零級(jí)道尺實(shí)測(cè)軌距及超高，對(duì)軌距、超高、軌距變化率、三角坑等指標(biāo)不合格的扣件進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)檢查扣件是否完好、壓力是否足夠、離縫是否滿足要求等事項(xiàng)，確保軌道精調(diào)工作沒有遺漏。

還需要注意如下事項(xiàng)：同時(shí)松扣件的個(gè)數(shù)應(yīng)滿足相關(guān)技術(shù)要求[13]；領(lǐng)用的調(diào)整件、剩余調(diào)整件及換下的調(diào)整件均應(yīng)及時(shí)做好數(shù)量統(tǒng)計(jì)和留檔，并對(duì)換下的調(diào)整件進(jìn)行分類整理；線上作業(yè)時(shí)做好人員、設(shè)備的安全管理及作業(yè)區(qū)段前后范圍內(nèi)的安全防護(hù)，聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間的上線作業(yè)應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)安全規(guī)定；作業(yè)完成后，應(yīng)對(duì)線路進(jìn)行檢查清場(chǎng)，不可遺漏作業(yè)機(jī)具及扣件調(diào)整件等。

4.2 軌道相對(duì)測(cè)量及后續(xù)精調(diào)

軌道精調(diào)完成后，采用相對(duì)軌檢小車對(duì)全橋進(jìn)行測(cè)量，一方面檢查精調(diào)效果，另一方面也根據(jù)相對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平順性及模擬調(diào)整量的分析，并確定重難點(diǎn)段落。圖7所示為官廳鋼桁梁橋第一遍精調(diào)完成后的軌向及高低數(shù)據(jù)。由圖7可見,其平面調(diào)整件為偏心錐，級(jí)差為2 mm，高程調(diào)整件為墊片，級(jí)差為1 mm，與WJ-8型扣件結(jié)構(gòu)存在巨大差異，平面及高程不容易調(diào)整到理想狀態(tài)，反映到相對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)上，就是以110 m鋼桁梁橋跨度為步長(zhǎng)，軌向及高低指標(biāo)的周期性較差。

圖7 第一遍精調(diào)后軌向及高低對(duì)比

根據(jù)相對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)分析得到的軌道調(diào)整量表及所確認(rèn)的重點(diǎn)區(qū)域，再次開展線上軌道精調(diào)工作。針對(duì)抗拔扣件，其平面采用SSP-1及SSP-2塞片來控制鋼軌外側(cè)的離縫，高程仍基于調(diào)高墊片進(jìn)行，并用道尺進(jìn)行反復(fù)檢核，重點(diǎn)整治，直到滿足要求。

4.3 軌道靜態(tài)調(diào)整驗(yàn)收

鋼桁梁橋的第一遍精調(diào)數(shù)據(jù)采用軌道絕對(duì)測(cè)量方法獲得。后續(xù)軌道精調(diào)數(shù)據(jù)采用軌道相對(duì)測(cè)量方法獲得。在每一次的軌道相對(duì)測(cè)量后，除了進(jìn)行平順性及調(diào)整量分析，還采用軌距、水平、三角坑、左軌向、右軌向、左高低、右高低七項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算軌道靜態(tài)質(zhì)量指數(shù)TQI[14](Track Quality Index)。當(dāng)TQI值小于2時(shí)，認(rèn)為軌道達(dá)到聯(lián)調(diào)聯(lián)試要求。

5 軌道動(dòng)態(tài)調(diào)整

線路進(jìn)入聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，隨著動(dòng)檢車速度的逐漸提升，應(yīng)根據(jù)每一次動(dòng)檢車數(shù)據(jù)對(duì)軌道進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，這個(gè)過程主要分為兩步：

(1)根據(jù)動(dòng)檢車數(shù)據(jù)確定動(dòng)檢出分點(diǎn)。按照“一級(jí)分適量，二級(jí)分沒有”的原則，對(duì)出分地段進(jìn)行軌道復(fù)檢，然后根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)軌道進(jìn)行調(diào)整，對(duì)軌向、高低、小軌距、大軌距、軌距變化率等二級(jí)分進(jìn)行消除，并嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)檢查，如不合格，立即再次精調(diào)，發(fā)現(xiàn)一處，處理一處。

一二級(jí)分是指動(dòng)檢車檢測(cè)的軌向、高低、三角坑、軌距等。其中，每一項(xiàng)均有評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，可按照一、二、三、四級(jí)劃分，高于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)被稱為一級(jí)分，高于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)被稱為二級(jí)分， 三、四級(jí)分不允許，二級(jí)分在動(dòng)檢階段可以有，但需要在后期消除。

(2)當(dāng)動(dòng)檢車達(dá)到設(shè)計(jì)速度且沒有二級(jí)分后，依據(jù)鋼桁梁橋段落的TQI值確定整改區(qū)段并進(jìn)行軌道精調(diào)。按照工務(wù)確定的TQI驗(yàn)收指標(biāo)，對(duì)TQI不達(dá)標(biāo)的段落，采用相對(duì)小車進(jìn)行軌道復(fù)檢，制定合理的精調(diào)方案，并對(duì)軌道進(jìn)行調(diào)整。

聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，上線作業(yè)應(yīng)按照運(yùn)營(yíng)線路模式管理，執(zhí)行上線必須申請(qǐng)、作業(yè)必有防護(hù)、按點(diǎn)上下線等管理規(guī)定。同時(shí)，不論是軌道測(cè)量還是軌道精調(diào)，上線前及下線后均應(yīng)清點(diǎn)作業(yè)機(jī)具，并對(duì)換下的扣件調(diào)整件進(jìn)行統(tǒng)一檢查清理，確保線上沒有任何遺漏。

6 結(jié)束語

軌道精調(diào)是建設(shè)高平順性軌道的關(guān)鍵工序，在鋼桁梁橋上鋪設(shè)無砟軌道，對(duì)軌道精調(diào)提出了新的要求。雖然從設(shè)計(jì)上可以通過提高鋼桁梁橋的剛度來保持其整體性，但溫度應(yīng)力下仍不可避免地會(huì)發(fā)生形變，并對(duì)布設(shè)其上的CPⅢ控制網(wǎng)產(chǎn)生影響。針對(duì)上述情況，提出采用鋼梁固定端CPⅢ控制點(diǎn)來自由設(shè)站，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)鋼梁梁中CPⅢ點(diǎn)三維坐標(biāo)的方法來開展鋼橋段CPⅢ控制網(wǎng)復(fù)測(cè)，以最大限度地減小CPⅢ坐標(biāo)偏差對(duì)軌道測(cè)量造成的影響。同時(shí)，采用基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的軌道動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)來進(jìn)行第一遍軌道數(shù)據(jù)采集，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法、操作流程、精度控制、數(shù)據(jù)處理與平順性分析、軌道模擬調(diào)整量生成等方面進(jìn)行詳細(xì)研究；并對(duì)軌道精調(diào)的施工過程、軌道相對(duì)測(cè)量、抗拔扣件處理、軌道幾何狀態(tài)靜態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)、聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間的消分作業(yè)及動(dòng)檢車TQI指數(shù)應(yīng)用等環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。軌道精調(diào)結(jié)果表明：官廳鋼桁梁橋無砟軌道相對(duì)測(cè)量TQI小于2，設(shè)計(jì)速度下動(dòng)檢車檢測(cè)無二級(jí)分，達(dá)到了較好的效果。