李 昊 唐浩耀 鄭旭東 陳 錚 譚社會(huì) 張獻(xiàn)州

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611756； 2.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司，上海 200071)

軌道是鐵路運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)，軌道的高平順性是列車能夠高速行駛的前提條件[1]。在高速鐵路運(yùn)營期間，受自然環(huán)境變化、橋梁和路基的沉降、列車荷載以及鐵路周邊施工等因素的影響，導(dǎo)致軌道線形發(fā)生變化，致使列車左右搖擺和上下顛簸，影響列車運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性、舒適性[2]。為了使線路平順性滿足運(yùn)營的需要，必須對(duì)軌道進(jìn)行測(cè)量及養(yǎng)護(hù)維修。目前，眾多的學(xué)者對(duì)軌道平順性檢測(cè)展開了研究，董志國[3]等采用遞推測(cè)量法原理對(duì)軌道的不平順性進(jìn)行檢測(cè)，給出了利用遞推測(cè)量法計(jì)算鐵軌高度方向上幾何量的具體算法。陳強(qiáng)[4]等提出基于車載近景攝影采集軌道數(shù)字圖像以檢測(cè)軌道線形的方法，該方法采用軌面移動(dòng)平臺(tái)搭載數(shù)碼相機(jī)采集連續(xù)高分辨率數(shù)字影像，使用近景攝影測(cè)量空間解析幾何模型，平差解算軌道測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。在運(yùn)營期高速鐵路咨詢?cè)u(píng)估方法上，張宇昕[5]等提出了運(yùn)營期高速鐵路重點(diǎn)地段綜合變形監(jiān)測(cè)評(píng)估方法。黃雨微[6]等結(jié)合運(yùn)營高鐵精測(cè)網(wǎng)復(fù)測(cè)與基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，探討了運(yùn)營高鐵精測(cè)網(wǎng)復(fù)測(cè)與基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)咨詢?cè)u(píng)估管理模式。但目前針對(duì)運(yùn)營高鐵重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地段軌道變形測(cè)量評(píng)估分析方法的研究較少，且我國運(yùn)營期高速鐵路軌道線形檢測(cè)具有復(fù)雜性、周期性、長期性等特點(diǎn)，因此，建立一套完整的運(yùn)營高鐵受環(huán)境變化影響的軌道變形測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與變形分析的評(píng)估方法，更好地分析評(píng)價(jià)軌道幾何狀態(tài)，以滿足高速列車對(duì)軌道平順性的要求，是當(dāng)前亟需解決的問題之一。

1 線形測(cè)量數(shù)據(jù)檢核內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)

高速鐵路線路是由路基、軌道、涵洞、橋梁和隧道建筑物等部分構(gòu)成的整體工程[7]。線形是指鐵路中心線的空間位置，由線路平面和縱斷面上的直線及曲線組成。高速鐵路線路的中心線在水平面上的投影稱為線路平面，表示線路在平面上的曲直變化狀態(tài)。線路平面由直線段、緩和曲線段和圓曲線段構(gòu)成。高速鐵路中心線沿鉛垂剖面縱向展直后所得的立面稱為線路縱斷面[8]，體現(xiàn)了線路的高低起伏情況。線路縱斷面由直線段和圓曲線段構(gòu)成。

1.1 車載全站儀免置平設(shè)站軌道線形測(cè)量

目前運(yùn)營鐵路工務(wù)部門運(yùn)營維護(hù)中采用的軌道線形測(cè)量方式有4種模式：(1)車載全站儀慣導(dǎo)型軌道測(cè)量儀；(2)GNSS慣導(dǎo)型軌道測(cè)量儀；(3)里程計(jì)慣導(dǎo)型軌道測(cè)量儀；(4)掃描儀慣導(dǎo)型軌道綜合測(cè)量儀。其中，車載全站儀慣導(dǎo)型軌道測(cè)量儀是兼顧高精度與效率的“相對(duì)測(cè)量”和“絕對(duì)測(cè)量”在機(jī)械、電子、軟件、信息、功能等方面的一體化集成軌道測(cè)量方式[9]，該模式在進(jìn)行軌道測(cè)量時(shí)，首先通過車載免置平全站儀自由設(shè)站測(cè)量，觀測(cè)沿線布設(shè)的4對(duì)CPⅢ控制點(diǎn)，見圖1，獲得軌道測(cè)量儀的絕對(duì)位置，并通過慣導(dǎo)系統(tǒng)獲取軌道測(cè)量儀的初始姿態(tài)[10]。當(dāng)軌道測(cè)量儀獲得起始位置信息后，快速推動(dòng)軌道測(cè)量儀前行，通過陀螺儀或慣導(dǎo)模塊采集線路相對(duì)軌跡，使用軌道絕對(duì)位置信息(即全站儀免置平設(shè)站成果，免置平設(shè)站間距為60～100 m)對(duì)線路相對(duì)軌跡進(jìn)行約束，從而得整條線路每個(gè)軌枕處的絕對(duì)位置信息和軌道平順性信息。

圖1 車載全站儀慣導(dǎo)型軌道測(cè)量儀作業(yè)示意

利用全站儀進(jìn)行自由設(shè)站時(shí)，自由設(shè)站點(diǎn)的精度及全站儀完成自由設(shè)站后，CPⅢ控制點(diǎn)的坐標(biāo)不符值應(yīng)滿足表1的要求[11]。

表1 全站儀自由設(shè)站點(diǎn)精度指標(biāo)

1.2 軌道變形測(cè)量的內(nèi)容及其精度評(píng)定

軌道線形測(cè)量是掌握高速鐵路軌道線形質(zhì)量狀態(tài)的主要手段，也是指導(dǎo)鐵路線路現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)維修的主要依據(jù)。根據(jù)測(cè)量方式的不同，線形測(cè)量可分為直接測(cè)量和間接測(cè)量[12]，直接測(cè)量數(shù)據(jù)包括依靠軌檢儀自身集成的距離、傾角傳感器，記錄軌道的軌距、水平(超高)，以及通過CPⅡ、CPⅢ等外部控制測(cè)量基準(zhǔn)測(cè)量軌道的三維空間坐標(biāo)。間接測(cè)量是以直接測(cè)量的成果為基礎(chǔ)，借助線路設(shè)計(jì)參數(shù)，通過數(shù)學(xué)方法計(jì)算獲得的，間接測(cè)量數(shù)據(jù)主要包括里程、中線偏差、軌面高程偏差、軌向、高低、扭曲(三角坑)等指標(biāo)。

以上指標(biāo)可以評(píng)價(jià)軌道平面及縱斷面的相對(duì)位置關(guān)系，并且為高速鐵路軌道的整正工作提供理論依據(jù)。TB10601—2009《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》對(duì)高速鐵路平順性指標(biāo)作了相應(yīng)的規(guī)定[13]。對(duì)線形測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)定，評(píng)定的主要內(nèi)容有外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)的內(nèi)幾何尺寸、外幾何尺寸、搭接精度等[14]。

內(nèi)幾何尺寸主要包括編碼差、軌距粗差率、水平粗差率等，其中編碼差指編碼器采集的測(cè)點(diǎn)里程與計(jì)算出的測(cè)點(diǎn)里程之差的絕對(duì)值。軌距粗差率是指作業(yè)中軌距的均值與逐個(gè)測(cè)點(diǎn)的軌距值之差中粗差占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的比例。水平粗差率是指作業(yè)中水平(超高)的均值與逐個(gè)測(cè)點(diǎn)的水平值之差中粗差占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的比例。

外幾何尺寸主要包括最大間距、距離修正點(diǎn)、垂向修正點(diǎn)、橫向修正點(diǎn)等，其中最大間距是指在全站儀跟蹤測(cè)量期間，全站儀自動(dòng)暫停時(shí)軌檢儀推行距離。距離修正點(diǎn)是指相鄰測(cè)點(diǎn)間距過大，在計(jì)算中對(duì)相鄰測(cè)點(diǎn)間距進(jìn)行修正的點(diǎn)。垂向修正點(diǎn)指測(cè)點(diǎn)高程與附近測(cè)點(diǎn)趨勢(shì)不符，小波計(jì)算時(shí)進(jìn)行垂向修正的測(cè)點(diǎn)。橫向修正點(diǎn)指測(cè)點(diǎn)平面與附近測(cè)點(diǎn)趨勢(shì)不符，小波計(jì)算時(shí)進(jìn)行橫向修正的測(cè)點(diǎn)。

1.3 軌道不平順性

為科學(xué)有效的評(píng)價(jià)鐵路軌道的幾何質(zhì)量狀態(tài)，我國鐵路部門通過對(duì)軌道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，以此來對(duì)區(qū)段軌道質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)[15]。該方法充分利用待評(píng)價(jià)軌道區(qū)段范圍內(nèi)所有樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的指標(biāo)特征值，對(duì)相應(yīng)范圍內(nèi)的軌道質(zhì)量幾何狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，是我國評(píng)價(jià)軌道不平順性的先進(jìn)技術(shù)手段。

由于無砟軌道和時(shí)速200 km及以上有砟軌道鐵路平順性和軌道養(yǎng)護(hù)精調(diào)精度要求高，因此該類型的線路應(yīng)進(jìn)行軌道靜態(tài)平順性分析，對(duì)于采用軌道測(cè)量儀測(cè)量的時(shí)速200 km以下有砟軌道鐵路可根據(jù)需要進(jìn)行軌道靜態(tài)平順性分析。目前我國動(dòng)檢車軌檢主要采用軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)來描述鐵路軌道的平順性，TQI通過計(jì)算200 m區(qū)段范圍內(nèi)軌距、水平、扭曲、左右軌向和高低七項(xiàng)軌道不平順指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差之和[16]，來綜合判定該區(qū)段范圍內(nèi)的軌道平順性，TQI指數(shù)反映了200 m區(qū)段范圍內(nèi)軌道的平順性，相應(yīng)的TQI值越大，表明軌道平順性質(zhì)量越差，對(duì)列車的運(yùn)行安全越不利[17]。TQI計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

針對(duì)不同速度的軌道線路，鐵路管理部門相應(yīng)的設(shè)定了不同的TQI質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)[18]，見表2。

表2 高速鐵路軌道靜態(tài)平順度允許偏差

平順性分析成果有利于工務(wù)部門評(píng)估線路的運(yùn)行質(zhì)量。無砟軌道鐵路線路復(fù)測(cè)主要以相對(duì)定位平順性檢測(cè)為主，絕對(duì)坐標(biāo)主要用于評(píng)價(jià)線路的變形。

雙線并行地段上下行同斷面橫向及垂向偏差對(duì)比，對(duì)于分析線路結(jié)構(gòu)的整體性及是否存在橫向差異沉降具有較為重要的作用，在重點(diǎn)段落還可進(jìn)一步結(jié)合軌道控制網(wǎng)CPⅢ的建網(wǎng)和復(fù)測(cè)成果進(jìn)行分析，通過多源數(shù)據(jù)對(duì)比以增加分析結(jié)果的可靠性。

2 軌道變形測(cè)量評(píng)估分析方法

針對(duì)區(qū)域變形重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地區(qū)、并涉鐵施工、大機(jī)搗固等復(fù)雜線路工況下鐵路局運(yùn)營高鐵軌道變形測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與變形分析咨詢?cè)u(píng)估項(xiàng)目，結(jié)合多條線路的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，全面系統(tǒng)的總結(jié)了一套行之有效的運(yùn)營高鐵重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地段軌道變形測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與變形分析評(píng)估方法，其流程見圖2。

圖2 軌道變形測(cè)量評(píng)估分析流程

運(yùn)營高速鐵路軌道線形測(cè)量作業(yè)具有安全壓力大、天窗時(shí)間短、質(zhì)量要求高、數(shù)據(jù)處理快捷等特點(diǎn)。為此，積極運(yùn)用信息化管理手段開展測(cè)量作業(yè)與數(shù)據(jù)分析，以更好地指導(dǎo)鐵路的養(yǎng)護(hù)維修生產(chǎn)，針對(duì)某鐵路局運(yùn)營高鐵軌道變形測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與變形分析咨詢?cè)u(píng)估項(xiàng)目，開發(fā)了“運(yùn)營鐵路技術(shù)咨詢?cè)u(píng)估服務(wù)平臺(tái)”，該平臺(tái)是集線形數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理于一體的服務(wù)平臺(tái)。平臺(tái)采用B/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在瀏覽器中對(duì)軌道變形測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，平臺(tái)主要功能有工作完成統(tǒng)計(jì)、工程分段信息、兩遍數(shù)據(jù)比較、成果數(shù)據(jù)展示、作業(yè)數(shù)據(jù)管理、質(zhì)量進(jìn)度管理、作業(yè)評(píng)估結(jié)果等，見圖3。

圖3 作業(yè)成果數(shù)據(jù)展示

在測(cè)量項(xiàng)目部將線形數(shù)據(jù)傳至評(píng)估單位后，評(píng)估人員使用分配的賬號(hào)、密碼登錄“運(yùn)營鐵路技術(shù)咨詢?cè)u(píng)估服務(wù)平臺(tái)”系統(tǒng)。登錄主界面后，點(diǎn)擊軌道線形監(jiān)測(cè)中相應(yīng)的項(xiàng)目類型，選擇相應(yīng)工程，點(diǎn)擊作業(yè)數(shù)據(jù)管理，選擇作業(yè)數(shù)據(jù)上傳，進(jìn)入作業(yè)數(shù)據(jù)上傳頁面；點(diǎn)擊導(dǎo)入數(shù)據(jù)，選擇線路類型(有砟、無砟)，填寫作業(yè)遍次，選取計(jì)算軟件生成的壓縮包，填寫操作日志，點(diǎn)擊保存，完成文件上傳。

評(píng)估結(jié)果頁面有本作業(yè)的分?jǐn)?shù)和評(píng)估結(jié)果，數(shù)據(jù)成功上傳后，進(jìn)入評(píng)估信息界面，查看作業(yè)評(píng)估結(jié)果、搭接信息、精度分析、建站精度分析等，見圖4。

圖4 作業(yè)評(píng)估結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證軌道線形測(cè)量的精度，在利用平臺(tái)對(duì)線形數(shù)據(jù)評(píng)估的基礎(chǔ)上，結(jié)合前后數(shù)期軌道線形測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)雙線并行地段上下行同斷面橫向及垂向偏差對(duì)比分析。同時(shí)，通過計(jì)算每200 m區(qū)段范圍內(nèi)軌距、水平、扭曲、左右軌向和高低七項(xiàng)軌道不平順指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差之和，得到該區(qū)段的軌道質(zhì)量指數(shù)，以輔助評(píng)估軌道線形測(cè)量的精度。

3 案例分析

杭深線正線全長約360 km，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km，沿線穿越海積平原及海灣灘涂地等大量不良地質(zhì)帶，力學(xué)性質(zhì)差，地質(zhì)條件復(fù)雜。溫州鹿城環(huán)貿(mào)港項(xiàng)目選址位于杭深線甌江特大橋西側(cè)，里程K582+350～K582+700范圍內(nèi)，為評(píng)估溫州鹿城環(huán)貿(mào)港項(xiàng)目施工過程中，對(duì)臨近鐵路帶來的影響，特對(duì)該線路K582+100～K582+900區(qū)段范圍進(jìn)行線形監(jiān)測(cè)，并對(duì)其大機(jī)搗固后的一期(2020年9月21日)線形測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制和變形分析。

3.1 軌道線形檢測(cè)建站精度分析

在該期軌道線形測(cè)量任務(wù)中，上下行共完成19次全站儀自由設(shè)站。對(duì)全站儀自由設(shè)站點(diǎn)精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，所有全站儀自由設(shè)站的站心三維坐標(biāo)中誤差均小于1 mm。對(duì)參與全站儀自由設(shè)站的CPⅢ控制點(diǎn)的坐標(biāo)不符值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，共有28個(gè)點(diǎn)參與平差計(jì)算，CPⅢ線路橫向不符值最大值為2.068 mm，共2個(gè)點(diǎn)超過限差；CPⅢ線路縱向不符值最大值為-4.584 mm，均在限差以內(nèi)。因此，就整體而言，上下行不整平自由設(shè)站滿足精度控制的指標(biāo)要求。

3.2 線形測(cè)量數(shù)據(jù)精度檢核

為檢核大機(jī)搗固后該段線形測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，將原始線形測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入運(yùn)營鐵路技術(shù)咨詢?cè)u(píng)估服務(wù)平臺(tái)。數(shù)據(jù)上傳成功后，進(jìn)入作業(yè)管理界面，查看作業(yè)評(píng)估結(jié)果、作業(yè)搭接結(jié)果、作業(yè)精度分析等。對(duì)該期上下行線形數(shù)據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表3。

表3 上下行線形精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

由表3可知，該區(qū)段上下行線形測(cè)量數(shù)據(jù)滿足精度控制的指標(biāo)要求。

3.3 軌道橫向及垂向偏差對(duì)比分析

為進(jìn)一步說明軌道線形測(cè)量的精度，更好的反應(yīng)大機(jī)搗固前后軌道線形的變化，結(jié)合該區(qū)段大機(jī)搗固前的一期(2020年6月17日)軌道測(cè)量數(shù)據(jù)和大機(jī)搗固后的兩期軌道測(cè)量數(shù)據(jù)(2020年9月21日期次和2020年11月4日期次)，并對(duì)三期上下行橫向及垂向累計(jì)變化量進(jìn)行分析，見圖5、圖6。

圖5 大機(jī)搗固工程整治結(jié)果分析

由圖5、圖6可知，大機(jī)搗固前，上行線和下行線橫向累計(jì)變化量最大值分別為-36.51，-31.68 mm，垂向累計(jì)變化量最大值分別為-37.58，-37.21 mm；大機(jī)搗固后，2020年9月21日期次和2020年11月4日期次，該區(qū)段上行線和下行線橫向變化、垂向變化趨勢(shì)相近。由此可見，該區(qū)段在大機(jī)搗固前軌道橫向、垂向變化顯著，軌道幾何質(zhì)量狀態(tài)較差，經(jīng)過大機(jī)搗固后軌道線形質(zhì)量得到明顯的改善，鄰近涉鐵施工未對(duì)區(qū)段軌道造成明顯影響，軌道線形狀態(tài)保持良好。

圖6 大機(jī)搗固工程整治結(jié)果分析

3.4 軌道平順性分析

軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)一般由動(dòng)檢車給出，由于未得到動(dòng)檢TQI相關(guān)佐證數(shù)據(jù)，為了輔助說明大機(jī)搗固后軌道線形改善情況，這里利用大機(jī)搗固后軌檢儀三維監(jiān)測(cè)的上行K582+093～K582+911、下行K582+103～K582+911段數(shù)據(jù)計(jì)算軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)，得到每200 m區(qū)段左高低、右高低、左軌向、右軌向、軌距、水平、三角坑等七項(xiàng)軌道尺寸不平順指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差及標(biāo)準(zhǔn)差之和即(TQI)，參考規(guī)范規(guī)定設(shè)計(jì)速度為200～250 km/h的軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI值應(yīng)在8 mm內(nèi))，具體計(jì)算指數(shù)見表4。

表4 大機(jī)搗固后上下行軌道質(zhì)量指數(shù)

由表4可知，該區(qū)段上下行TQI均在8 mm以內(nèi)，可見經(jīng)過線形維護(hù)后，線形較上次觀測(cè)線形平順性明顯改善。

4 結(jié)論

基于某鐵路局運(yùn)營高鐵軌道變形測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與變形分析咨詢?cè)u(píng)估的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了一套完整的運(yùn)營高鐵重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地段軌道變形測(cè)量評(píng)估分析方法。該方法首先利用運(yùn)營鐵路技術(shù)咨詢?cè)u(píng)估服務(wù)平臺(tái)對(duì)原始線形數(shù)據(jù)進(jìn)行建站精度和作業(yè)精度進(jìn)行評(píng)估，待上述精度符合相應(yīng)規(guī)范要求后，結(jié)合多期軌道線形測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)雙線并行地段上下行同斷面橫向及垂向偏差對(duì)比分析，同時(shí)通過計(jì)算每200 m區(qū)段范圍內(nèi)的TQI，以輔助分析軌道線形測(cè)量的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

(1)利用服務(wù)平臺(tái)對(duì)原始線形數(shù)據(jù)進(jìn)行建站精度分析和作業(yè)精度分析合格后，計(jì)算該線路每200 m區(qū)段范圍內(nèi)的TQI均在8 mm以內(nèi)，結(jié)合雙線并行地段上下行同斷面橫向及垂向偏差對(duì)比分析，該區(qū)段軌道在大機(jī)搗固后，鄰近涉鐵施工未對(duì)區(qū)段軌道造成明顯影響，軌道線形狀態(tài)保持良好。

(2)提出的運(yùn)營高鐵重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地段軌道變形測(cè)量評(píng)估分析方法，能夠有效分析評(píng)價(jià)軌道幾何狀態(tài)，為區(qū)域變形重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地區(qū)、涉鐵施工、大機(jī)搗固等復(fù)雜線路工況條件下保障高速鐵路運(yùn)營安全提供技術(shù)支撐。