羅文彬

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

客運專線軌道精調(diào)相鄰站平順銜接方法研究

羅文彬

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

客運專線軌道精調(diào)中,相鄰站軌道幾何狀態(tài)信息平順銜接是否合理將直接影響軌道的平順性,不同的平順銜接方法對于軌道軌向、高低長短波的計算將產(chǎn)生不一樣的結(jié)果,國內(nèi)主要采用的是重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接的方法。提出一種基于平順變化率擴展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法,在理論分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實踐,對這兩種方法進行了綜合比對分析。結(jié)果表明:在相鄰兩站重疊區(qū)軌道量測點坐標較差較小的情況下,兩種方法得到的銜接平滑結(jié)果,均可以滿足軌道長短波檢測的需要。而基于平順變化率擴展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法,其順接長度是根據(jù)相鄰站重疊區(qū)較差而動態(tài)變化的,很好地保障了平順性變化率的精度要求。

客運專線;軌道平順性;順接;重疊區(qū);軌向;高低

軌道的平順性是實現(xiàn)列車高速運行的基本條件,為了達到在高速行駛條件下旅客列車的安全性和舒適性,要求客運專線軌道必須具有非常高的平順性和精確的幾何線性參數(shù)[1,2]。軌道的高平順性是直接通過軌道精調(diào)來實現(xiàn)的[3]。軌道精調(diào)是根據(jù)軌道幾何狀態(tài)測量儀采集的線路軌道內(nèi)外部幾何狀態(tài)信息(軌距、水平、軌向、高低、軌道三維坐標等)[4],通過扣件對軌道高低和軌向進行調(diào)整,使軌道幾何狀態(tài)達到規(guī)范要求。為了滿足軌道幾何狀態(tài)信息采集的高精度要求,在客運專線軌道施工和運營維護過程中,對軌道幾何狀態(tài)信息的采集需采用分站重疊測量的方法,而每一站獨立觀測的距離較短,不能滿足軌道長短波平順性評價的要求,這就必然存在著測站間的平順銜接問題[5]。因此,對于軌道高低、軌向平順性的高精度不僅要求測站內(nèi)相對精度,而且應(yīng)該包括相鄰站高精度的合理平順銜接。目前,國內(nèi)主要采用的是重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接的方法[6]。本文提出一種基于平順變化率擴展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法,在理論分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實際,對這兩種方法進行綜合比對分析。

1 軌道幾何狀態(tài)信息采集分站重疊測量方法

如圖1所示,軌道幾何狀態(tài)信息采集采用分站重疊測量的方法,即:測量是由多個測站組成,每站測量全站儀采用自由設(shè)站法[7],自由設(shè)站時后視不少于6個軌道控制點(CPⅢ點),每站觀測距離從50～80 m不等,具體視天氣情況及線路要求精度等級而定。

圖1 分站重疊測量示意

全站儀具有測距、測角的高精度性,各站內(nèi)測量的相對精度較高,但由于每站所觀測的CPⅢ點不一致,每一站全站儀自由設(shè)站的精度也就不盡相同,為了提高測站之間的相對精度,相鄰測站之間的設(shè)站觀測必須保證足夠的重疊,重疊的CPⅢ點個數(shù)不少于2對;為了盡可能地減小不同設(shè)站精度對相鄰測站間平順性的影響,對相鄰測站觀測的軌道點采用搭接重疊測量的方法[8,9],即:每相鄰兩站設(shè)置3～7 m的重疊區(qū),在重疊區(qū)內(nèi)前后兩站需對同一軌道量測點進行測量,將同一軌道量測點的橫向和高程偏差控制在一定范圍之內(nèi),對相鄰測站進行平順銜接,以保障相鄰測站之間平順性。

2 相鄰測站平順銜接模型設(shè)計

軌道平順性測量是由多個測站組成,軌道平順性分析前需要對相鄰測站的軌道測量點均勻地、無拐點地貫穿起來,即進行平順銜接處理[10]。軌道測量中同一測站內(nèi)測量相對精度比較容易達到要求,而相鄰測站由于換站的原因使得其測量坐標存在偏差,如果不經(jīng)過特殊處理,勢必形成轉(zhuǎn)角或突變。為解決這個問題,相鄰測站就必須保證具有同名重復(fù)量測點,設(shè)置重疊區(qū),將相鄰測站重疊區(qū)內(nèi)所有軌道量測點的橫向偏差量和高程偏差量平順分配到各點上?，F(xiàn)主要采用余弦曲線的方法對偏差量進行順接,如圖2、圖3所示。

圖2 重疊區(qū)平順搭接示意

圖3 擴展重疊區(qū)平順搭接示意

相鄰測站重復(fù)測量點銜接處理采用余弦曲線函數(shù)加權(quán)的方法,計算公式如下

其中,L為重疊區(qū)長度,重復(fù)點號前后各延長1個點的里程差,I為當前計算點離重合起始點的距離。銜接后軌道量測點各偏差量的計算公式如下

其中,Hi為搭接區(qū)從小里程開始第i個重復(fù)點搭接后的高程值,H1i為其小里程上一站的高程值,H2i為其相鄰當前站的高程值;Pi為搭接區(qū)從小里程開始第i個重復(fù)點搭接后的橫向偏差值,P1i為其小里程上一站的橫向偏差值,P2i為其相鄰當前站的橫向偏差值;z和1-z分別為其權(quán)重。

重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接的方法雖然能有效地對相鄰站無拐點進行順接,但在相鄰站偏差較大時,其順接的效果相對于測站內(nèi)的平順性精度并不是太理想。通過理論分析和實際工程應(yīng)用的研究,現(xiàn)提出一種基于平順變化率的擴展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法,如圖3所示,假設(shè)相鄰測站重疊區(qū)內(nèi)所有軌道量測點的偏差量為S,假定軌道橫向和高程偏差量的平順變化率滿足每米變化x的要求,x取值依據(jù)線路的具體精度要求而定,則依據(jù)平順變化率可計算出擴展重疊區(qū)順接段的長度如式(4)所示

搭接后軌道量測點各偏差量的計算

其中,i表示擴展重疊區(qū)順接段從小里程開始的第i個點;Hi為第i個點搭接后的高程值;H1i為第i個點搭接前的高程值;K1i為第i個點的里程值;K1s為擴展重疊區(qū)順接段第1個點的里程值;Pi為第i個點搭接后的橫向偏差值;P1i為第i個點搭接前的橫向偏差值。

3 工程應(yīng)用及分析

西寶客運專線東起陜西西安,西至寶雞,是橫貫中國東西的鐵路主通道之一,為國家重大鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重點項目,已于2013年12月正式通車。采用軌道幾何狀態(tài)測量儀和TS30全站儀用分站重疊測量的方法對線路軌道進行了平順性檢測,現(xiàn)選取其中兩站數(shù)據(jù)進行處理分析,如表1所示。在里程DK1 239+ 234.115至DK1 239+358.229內(nèi)對相鄰A、B兩站進行觀測,并重疊10個軌枕(239311065～239311074)的測量。從表1中數(shù)據(jù)可以看出,由于不同自由設(shè)站的設(shè)站精度不同,以致設(shè)站A觀測的重疊點坐標與設(shè)站B觀測的重疊點坐標并不相同,其產(chǎn)生的橫向較差平均值為2.0 mm,高程較差平均值為3.2 mm;從各自測站內(nèi)的橫向鄰點變化和高程鄰點變化來看,橫向鄰點變化最大值為0.3 mm,高程鄰點變化最大值為0.5 mm,其各自測站內(nèi)測量的相對精度較高。如圖4所示,分別對A測站和B測站內(nèi)的軌道高低10 m弦短波進行了分析,從圖形可以看出,現(xiàn)場DK1 239+234～DK1 239+358里程段的短波高低平順性都滿足2 mm/5 m精度[11]要求的。

表1 相鄰站原始觀測數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計

圖4 軌道高低10 m弦短波示意

為了對軌道進行整體的平順性分析,需對相鄰測站的軌道測量點貫穿起來進行順接處理。如表2所示,分別對A、B站的平順性指標短波軌向和高低[12]進行了計算。從表2中可以看出,A、B站未順接前的軌向和高低短波值絕對值都小于1 mm;A、B站直接順接處理效果較差,重疊點短波軌向的平均值為-1.76 mm,短波高低的平均值為-2.40 mm,不能滿足短波2 mm/5 m的精度檢測要求,該處的平順性與現(xiàn)場的實際情況明顯不符;采用重疊區(qū)余弦曲線平順銜接方法進行順接,重疊點短波軌向的平均值為-1.14 mm,短波高低的平均值為-1.45 mm;采用基于平順變化率的擴展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法進行順接,重疊點短波軌向的平均值為-0.82 mm,短波高低的平均值為-0.65 mm;顯然,應(yīng)用基于平順變化率的擴展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法效果最好,其計算結(jié)果都能滿足短波2 mm/5 m的精度檢測要求,與A、B站獨立計算的效果比較接近,與現(xiàn)場平順性實際情況比較吻合。如圖5所示,分別對不同順接方法計算的短波高低結(jié)果進行了圖形分析,從圖5中可以看出,在相鄰兩站重疊區(qū)高程較差平均值為3.2 mm的情況下,其直接順接形成了明顯的轉(zhuǎn)角突變,而采用重疊區(qū)余弦曲線平順銜接方法進行順接的效果可以消除突變的情況,但與站內(nèi)獨立處理的效果還是具有一定的差別,通過應(yīng)用基于平順變化率擴展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法計算的平順性效果最佳,能很好地與現(xiàn)場真實情況保持一致。

表2 相鄰站順接處理結(jié)果統(tǒng)計

圖5 A、B站順接后軌道高低10 m弦短波波形

4 結(jié)論

(1)軌道幾何狀態(tài)信息的采集采用分站重疊測量的方法,站內(nèi)的相對精度較高,平順性效果較好,但觀測距離受限,通常都小于80 m。

(2)軌道幾何狀態(tài)信息采集時,相鄰站重疊的CPⅢ點盡可能多,相鄰站重疊區(qū)較差就越小,則整體平順性銜接的精度越高。

(3)在相鄰兩站重疊區(qū)軌道量測點坐標較差較小的情況下,重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接的方法和基于平順變化率擴展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法得到的銜接平滑結(jié)果,均可以滿足軌道長短波檢測的需要。而基于平順變化率擴展重疊區(qū)余弦函數(shù)平順銜接方法,其順接長度是根據(jù)相鄰站重疊區(qū)較差而動態(tài)變化的,在相鄰測站重疊區(qū)內(nèi)軌道量測點的橫向偏差量和高程偏差量較差相對較大的情況下,其能很好地保障平順性變化率的精度要求。

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Research on Methods of Smooth Convergence between Adjacent Stations during Track Accurate Adjustment for Railway Passenger-dedicated Line

LUO Wen-bin
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

In the process of track accurate adjustment for railway passenger-dedicated line,that weather or not the method of smooth convergence of track geometric status information between adjacent stations is reasonable will directly affect the regularity of track.Different smooth convergence methods will produce different computational results of track alignment and waves,which may be either high and low or long and short.In contrast with the smooth convergence method of overlapping region cosine function which is widely used in China at present,this paper proposed a new smooth convergence method of extended overlapping region cosine function based on regularity change rate.Furthermore,on the basis of theoretical analysis and in combination with engineering practices,a comparative analysis between the two methods was comprehensively carried out in this paper.The results show that:(a)When the coordinate discrepancy of track measurement points at the overlapping region between adjacent stations is small,the smooth convergence results obtained by both the two methods can all meet the requirement for testing the long and short waves of track.(b)If using the new smooth convergence method of extended overlapping region cosine function based on regularity change rate,the length of smooth convergence will dynamically change with the discrepancy change of overlapping region between adjacent stations,so this new method can better meet the accuracy requirement of regularity change rate.

railway passenger-dedicated line;regularity of track;smooth convergence;overlapping region;track alignment;track height

U238;U215.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.005

1004-2954(2014)08-0023-04

20140117;

201401-27

羅文彬(1981—),男,工程師,2006年畢業(yè)于西南交通大學(xué)地圖制圖學(xué)與地理信息工程專業(yè),工學(xué)碩士,E-mail:lwbswjtu@ 163.com。