高速铁路无砟轨道精调质量控制技术研究

高速铁路无砟轨道精调质量控制技术研究
谭社会
【摘要】Due to the“memory” property of equipment status and the requirement of equipment lifecycle management, quality control of track fine adjustment and improvement of rack geometry during construction are critical in integration test and commissioning and high speed operation. This paper points out those insufficiencies existing in current
fine adjustment process, and proposes the precision measurement model based on both absolute and relative measurements. The fine adjustment model adjusts the fiducial rail first and then adjusts the non-fiducial one. The new precision measurement model and fine adjustment model work well on Hangzhou-Changsha high-speed railway with Track Quality Index ( TQI) reaching 2. 1 mm. The practices may offer references for future quality control of ballastless track fine adjustment.%由于轨道设备状态“记忆”特性和生命周期管理的需要,在施工建设阶段开展轨道精调质量控制、提高轨道几
何状态平顺性已成为能否进行联调联试、实现高速行车的关键。

针对目前无砟轨道精调作业中的不足提出“绝对+相对”精密测量模式和“先基准后非基准”精细调整模式,在杭长高速铁路的轨道精调作业中开展实践,效果良好,全线的轨道质量指数( TQI)为2.1 mm,所采取的轨道精调控制技术可为今后无砟轨道精调质量控制提供借鉴。

【期刊名称】《铁道标准设计》
【年(卷),期】2015(000)012
【总页数】5页(P18-21,22)
【关键词】高速铁路;无砟轨道;精密测量;精细调整;质量控制
【作者】谭社会
【作者单位】上海铁路局工务处，上海 200071
【正文语种】中文
【中图分类】U213.2+44;U215.5
高速铁路的高速、平稳、安全运营要求其线下基础具有高平顺性、高稳定性、高精度、小变形、少维修等特点[1-2]，无砟轨道结构由于其整体性可以为高速铁路列
车提供更平顺、稳定的运行界面，已成为我国高速铁路的主要结构形式。

但无砟轨道大多为钢筋混凝土结构，我国近几年对无砟轨道的运营管理实践表明：无砟轨道并不是真正意义上“免维修”或“少维修”的，病害一旦出现，维修改造的难度
和代价比传统有砟轨道更大。

除此之外，铁路设备状态具有“记忆性”[3]，即过
去的劣化状态会影响当前状态以及未来状态的变化。

基于上述两点认识，高速铁路无砟轨道的质量管理已渐渐突破传统仅针对运营阶段的局限，而开始向前延伸至施工建设阶段。

无砟轨道精调作业是指通过对轨道工程质量进行全面检查，对无砟道床、扣件系统、钢轨等存在的问题进行整改；基于轨道精密精测，制定精细调整方案，模拟计算轨道几何调整量；最后通过更换扣件零部件或线形优化，使轨道状态达到设计及验收标准要求[4-5]。

精调作业是确保按期开展静态验收与联调联试的基础与关键[6-7]，提高轨道精调质量对于高速铁路顺利开通及运营维护有着至关重要的作用。

本文基于杭长高速铁路轨道精调作业的实践，从精密测量和精细调整两个方面分析目前我国在高速铁路无砟轨道精调作业中存在的问题及相应的对策措施，对高速铁
路无砟轨道精调质量控制具有一定参考价值。

无砟轨道的高舒适性和高稳定性依赖于其高几何平顺性，体现在轨道外部几何尺寸和内部几何尺寸两类指标上。

外部几何尺寸描述轨道空间位置，通过轨道绝对位置和高程来体现，即线路绝对平顺性；内部几何尺寸描述轨道相对位置，通过轨距、轨向、高低、水平和三角坑等指标体现，即线路相对平顺性。

外部几何尺寸反映的是无砟轨道整体线形与周围构筑物间的空间关系，而内部几何尺寸则直接决定列车在高速运行下的安全性和舒适性。

因此当外部几何尺寸调整与内部几何尺寸调整相互矛盾时，应首要保证轨道的相对平顺性。

《高速铁路工程测量规范》(TB10601—2009)[8]中给出了高速铁路轨道静态平顺度允许偏差，见表1。

无砟轨道高平顺性要求的实现，基于高精度的轨道精密测量技术和轨道精细调整技术。

精密测量技术是高平顺性实现的前提和基础，精细调整技术是高平顺性实现的途径和手段，二者相辅相成缺一不可。

轨道精密测量技术和精细调整技术不仅是施工精调阶段轨道质量控制的关键，也直接影响运营阶段轨道质量状态的维护。

为实现高速铁路轨道的高平顺性，除了对线下工程和轨道工程的设计施工有特殊要求外，还必须依赖于一套与之相适应的精密工程测量体系，贯穿包括勘测、施工、运营维护在内的高速铁路整个生命周期。

2.1 传统测量模式
过去由于我国铁路建设的速度目标值较低，对轨道平顺性的要求不高，勘测、施工和运营维护各级控制网测量的精度指标仅根据线下工程施工控制要求制定。

这种仅靠定测确定交点、直线控制桩、曲线控制桩进行控制的测量模式，往往导致较差的线路测量可重复性，当出现中线控制桩连续丢失后，很难进行恢复。

此外由于导线方位角测量精度要求低，施工单位复测时，经常出现曲线偏角超限问题，施工单位只能通过改变曲线要素的方法进行施工，导致较低的测量精度。

而轨道铺设
按照线下工程的施工现状采用相对定位进行铺设，由于测量误差的积累，往往造成轨道的几何参数与设计参数相差甚远。

因此传统测量模式已不能满足高速铁路高精度的测量要求。

2.2 三级精密测量控制网
为实现高速铁路轨道精确的几何线形参数，将平顺性控制在mm级范围内，不仅
要求测量控制网的精度满足线下工程施工控制测量要求，还必须满足轨道铺设的精度要求，即同时满足轨道绝对平顺性和相对平顺性的要求。

为此应按分级控制的原则建立轨道精密测量控制网，通过各级平面高程控制网组成的测量系统来实现轨道位置的精确定位。

高速铁路工程测量平面控制网分三级，三级控制网的作用和精度各不相同。

第一级为基础平面控制网(CPⅠ)，主要为勘测、施工、运营维护提供坐标基准，沿线路走向布设，为全线各级平面控制测量的基准。

第二级为线路控制网(CPⅡ)，主要为勘测和施工提供控制基准，在CPⅠ的基础上沿线路附近布设，是勘测、施工阶段的线路平面控制和无砟轨道施工阶段桩基控制网起闭的基准。

第三级为基桩控制网(CPⅢ)，主要为铺设无砟轨道和运营维护提供控制基准，起闭于CPⅠ或CPⅡ，
一般在线下工程施工完成后施测，是无砟轨道铺设和运营维护的基准。

三级平面控制网间的关系如图1所示。

2.3 “绝对+相对”精密测量技术
无砟轨道绝对测量是指以高速铁路轨道控制网为基准利用智能轨道检查仪对无砟轨道线路空间位置进行测量。

其优点是可以得到轨道上各测量点在同一基准网坐标系统里的位置坐标。

但由于CPⅢ基准点自身点位精度对无砟轨道绝对测量结果的影响，在对轨道进行连续测量更换CPⅢ基准点的过程中，搭接区的轨道测量点不可避免地存在位置差异，导致数据处理难度增加。

此外，由观测仪器和观测条件产生的大量偶然误差，会降低轨道上各测量点的点位精度，增大相邻点的相对点位误差，
即钢轨横、纵向邻点递变出现大值，导致轨道连续多波不平顺性的出现，直接影响轨道平顺性。

无砟轨道相对测量利用0级轨道检查仪以轨道上的某一点为基准点来测量另一些点。

其优点是可以通过较少的观测环节、较快的测量速度，以较高的测量精度获取轨道上其他点的参数。

但相对测量无法对轨道整体线形进行总体把控，容易导致轨道实际中心沿设计中心呈无规律偏离状态。

考虑到绝对测量可以精确测定轨道的空间位置，控制轨向、高低和长波不平顺，而相对测量能很好地解决微小不平顺问题，控制轨距变化率和短波不平顺，在杭长高速铁路无砟轨道精测精调作业实践中，提出“绝对+相对”的测量模式，即以绝对测量为主、相对测量检校补缺的模式。

作业流程如图2所示。

随着列车运行速度的提高，长波对运行舒适性的影响以及短波对轮轨高频振动、轮轨噪声的影响日益严重。

通过绝对测量确定轨道空间位置，保证线路绝对平顺性；在此基础上辅以相对测量确定轨道相对位置，保证线路相对平顺性。

结合绝对测量对中长波不平顺控制和相对测量对短波不平顺控制的优点，“绝对+相对”的精密测量模式不仅可以提高轨道精测质量，也是保证测量数据有效、提高精测效率的关键。

3.1 现存问题
轨道精密测量是基础，其最终目的是通过轨道精细调整，实现高速铁路轨道的高平顺性。

在已有的轨道线形精测数据基础上，编制轨道精调方案，通过人工配合进行线路线形调整。

但目前对于高速铁路无砟轨道精调尚未有成熟的调整顺序和方法，轨道精调质量不能完全控制，且精调效率低下，往往会出现调整完1遍后再进行复测时又出现线
路几何状态不满足规范要求，需要反复测量反复调整的情况。

不仅费时费力，影响轨道精调甚至联调联试的整体进度，而且反复的调整作业也会对扣件造成巨大浪费。

3.2 “先基准后非基准”精细调整技术
为提高轨道精调作业质量和作业效率，在杭长高速铁路无砟轨道精调作业实践中，以靠近两线间的钢轨(上行左股、下行右股)为基准股，采用“先基准后非基准”的轨道精细调整模式，即先把基准股调整到位，再进行非基准股的调整。

作业流程如图3所示。

轨道精调通过两轮调整实现，其中第一轮调整基于1遍绝对测量和3遍相对测量，对基准股进行1次调整、2次修正，对非基准股进行1次调整、1次修正，是精调质量控制的关键。

基于往返各1遍的绝对测量结果，对基准股进行精细调整，保证基准股实际线形
接近设计线形。

在基准股整体线形满足绝对平顺性要求的情况下，进行第1遍相
对测量，根据第1遍相对测量的结果对基准股进行局部微小修正，实现基准股的
相对平顺性。

在基准股绝对平顺性和相对平顺性均满足要求的情况下，进行第2
遍相对测量，以基准股为基准，基于轨距及轨距变化率、水平、超高变化率及扭曲对非基准股进行第1次调整。

最后通过第3遍相对测量，对局部微小不平顺进行
微量调整，实现基准股的第2次修正和非基准股的第1次修正，至此完成第1轮
调整作业。

第2轮调整是查漏补缺精益求精的过程，利用1遍绝对测量的结果，结合现场复
核情况对短、中、长波的轨向和高低不良地点进行调整，再利用轨检仪对调整地点进行复核验证。

最后建立测量及扣件相关电子台账。

按照上述先绝对后相对、先整体后局部、先轨向后轨距、先高低后水平的精调作业思路，基本可以通过两轮调整作业使轨道几何状态满足轨道精调验收及动态允许偏差指标。

4.1 精调前后轨道平顺性分析
在杭长高速铁路浙江段(K173+495～K429+194.262)进行轨道精调作业前后，分
别用智能轨道检查仪对全线进行绝对测量，检测项目包括左右股横向偏差、左右股垂向偏差、水平和轨距。

为分析采用“绝对+相对”精密测量模式和“先基准后非基准”精细调整模式下的轨道精调作业效果，从检测数据单项幅值及200 m区段内单项标准差两个角度进行评价分析。

各单项幅值统计结果见表2，200 m区段内各单项标准差统计结果见表3。

单项幅值代表的是轨道实际线形与设计线形的绝对偏差，从表2可知，在轨道铺设完成后精调作业前，轨道横向和垂向偏差较大，水平和轨距偏差较小。

精调作业对水平、轨距的调整和修正体现在不仅大幅度“削去”峰值，还降低了均值。

而对左右股横向偏差的调整主要体现在对大值的修正，对左右股垂向偏差的调整则体现在对均值的改善。

以200 m区段为单元长度计算各单项标准差，实际是从相对平顺性的角度评估轨道质量状态。

从表3可知，精调作业后各单项标准差的均值和标准差均大幅度降低，说明精调作业对轨道质量状态的改善不仅体现在对局部地段也就是短波不平顺的修正上，还体现在对线路整体线形即长波不平顺的控制和调整上。

在“绝对+相对”精密测量和“先基准后非基准”精细调整的无砟轨道精调模式下，精调作业质量控制良好、对轨道质量状态的改善效果显著。

4.2 不同线路开通时TQI比较
“绝对+相对”精密测量和“先基准后非基准”精细调整的无砟轨道精调模式渐渐形成于沪宁、沪杭和京沪高速铁路的轨道精调过程，并首次应用实践于杭长高速铁路浙江段。

4条高速铁路(动态验收速度350 km/h)开通时的轨道质量指数(TQI)见表4。

线路开通前，列车重复性荷载对线路的破坏作用尚未施加，无砟轨道结构病害尚未形成。

线路质量状态主要取决于线路铺设及精调作业质量，因此轨道质量指数(TQI)可以直接体现轨道精调作业质量。

从表4可知，随着我国高速铁路的建设发展，新线开通时的初始平顺性越来越高。

尤其是新开通的杭长高速铁路，在新的轨道精调模式下，开通时的TQI数值控制
在了相当高的标准上，此外上下行的TQI数值差异比先建的几条线路更小。

由此
说明“绝对+相对”精密测量和“先基准后非基准”精细调整的无砟轨道精调模式更适用于高标准的高速铁路建设。

采用“绝对+相对”精密测量模式，相比于过去仅采用“绝对”测量模式，有利于短波不平顺的控制和测量成果的互相校核，提高了测量数据的准确性。

而且作业过程中可采用与相对测量统一的检测平台，实现了精调过程中质量控制的数据化。

采用“先基准后非基准”精细调整模式，不仅避免了误差的叠加，而且精调作业环节中可检调分开，步步校核，实现了精细化的质量控制。

无砟轨道精调工作作为施工质量的直接体现者，也是系统工程的一部分，还需从组织机构、体系建设、制度落实、安全管理、沟通协调等方面开展落实。

“绝对+相对”精密测量和“先基准后非基准”精细调整的无砟轨道精调模式在杭长高速铁路的轨道精调作业实践中取得了良好的作业效果，实现了2.1 mm的轨
道质量指数(TQI)，可为我国今后无砟轨道精调作业的质量控制提供参考和借鉴。

【相关文献】
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