（载运工具运用工程专业论文）关于建立高精度轨道绝对几何参照系统的研究.pdf

摘要 保证高速列车运营安全和舒适性的首要条件是轨道的高平顺性， 轨道的高平顺性依赖于轨道铺设和养护维修过程中的高质量，而获得 高质量轨道几何线形的基础是精密的测量技术，因此，高速有砟轨道 建立高精度轨道绝对几何参照系统，不仅是施工的需要，也是今后线 路养护维修工作的基础和保证。 本文研究关于建立高精度轨道绝对几何参照系统的可行性。结合 考察国内外最新研究情况，对建立此系统的测量精度标准、埋设标准、 采用仪器标准和此系统与现场线路养护有效连接等技术难点进行研 究；对此系统在线路长大曲线养护，解决线路不平顺特别是长波不平 顺方面的重要作用进行论证研究，为领导决策提供详实的依据，最终 得出一套可操作性的指导现场生产的作业系统。 建立高精度轨道绝对几何参照系统在国内具有其先进性和创新 性，并具有极高的应有价值，对指导时速2 0 0 - - 2 5 0 公里有砟轨道养 护、维修、施工是适宜的，便于操作和实施，具有较高的经济、社会 效益。 关键词：高精度，轨道，绝对几何参照系统 a bs t r a c t t h ef i r s tc o n d i t i o no fh i g h - s p e e dt r a i nw o r ks a f e l ya n dc o m f o r t a b l y i st h eh i g hs m o o t h n e s so fr a i l w a y , t h eh i g hs m o o t h n e s so fr a i l w a y d e p e n d so nt h er a i l w a yc o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c ei nt h ep r o c e s so f h i g h - - q u a l i t y , a n da c c e s st oh i g h q u a l i t yt r a c ki sb a s e do nt h el i n e a r g e o m e t r y o f p r e c i s i o n m e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y , t h e r e f o r e ，t h e e s t a b l i s h m e n to fh i g h p r e c i s i o n r a i l w a ya b s o l u t eg e o m e t r i cr e f e r e n c e s y s t e mo ft h eh i g h s p e e dr a i l w a yb a l l a s tt r a c ks t r u c t u r ei sn o to n l yt h e n e e d so ft h ec o n s t r u c t i o n ，m a i n t e n a n c e1 i n ei nt h ef u t u r ei st h ew o r ko f t h ef o u n d a t i o na n dg u a r a n t e e t h i st h e s i s a n a l y s e s t h e f e a s i b i l i t y o ft h ee s t a b l i s h m e n to f h i g h - p r e c i s i o nr a i l w a ya b s o l u t eg e o m e t r i cr e f e r e n c es y s t e m c o m b i n e d w i t ht h el a t e s tr e s e a r c h s t u d ya t h o m ea n d a b r o a d ，w es t u d yt h e e s t a b l i s h m e n to ft h e s y s t e mo fm e a s u r e m e n ta c c u r a c ys t a n d a r d s ，t h e s t a n d a r d sl a i d u s i n g s t a n d a r d e q u i p m e n ta n dt h ep r o b l e mo ft h e t e c h n o l o g y o nc o n n e c t i n ge f f e c t i v e c o n s e r v a t i o n ，a n do t h e rt e c h n i c a l p r o b l e m s ；s y s t e mh a sg r o w ni nl i n ec u r v ec o n s e r v a t i o nt oa d d r e s st h el i n e i r r e g u l a r i t yi np a r t i c u l a rt h el o n g w a v ei r r e g u l a r i t yt oc a r r yo u tt h e i m p o r t a n t r o l eo fv e r i f i c a t i o n ，l e a d i n gt o d e c i s i o n m a k i n gb a s e do n d e t a i l e di no r d e rt ow o r ko u tas e to fo p e r a t i o n a lg u i d a n c eo n s i t e p r o d u c t i o no ft h eo p e r a t i n gs y s t e m t h ee s t a b l i s h m e n to fh i g h - p r e c i s i o n r a i l w a ya b s o l u t eg e o m e t r i c r e f e r e n c es y s t e mi sa d v a n c e da n di n n o v a t i v e ，a l s oi th a sh i g h l ya p p l y i n g v a l u a b l e i ti sf i tt og u i d e2 0 0t o2 5 0k mp e rh o u rt h eh i g h - s p e e d r a i l w a yb a l l a s tt r a c ks t r u c t u r e sm a i n t e n a n c e ，r e p a i r , c o n s t r u c t i o n i ti s c o n v e n i e n t l yo p e r a t e da n di m p l e m e n t e d ，i th a sah i g he c o n o m i ca n d s o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：h i g h p r e c i s i o n ，r a i l w a y , a b s o l u t e g e o m e t r i cr e f e r e n c e s y s t e m 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特另s j j j n 以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：丛年羔月兰日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名碑蹶盟旺月望日 工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论弟一早珀t 匕 目前，我国铁路养护、维修中大量使用的大型养路机械采用的是“相对作业 法”作业后的线路只是调整和恢复线路几何形状的相对状况( 包括直线、圆曲线 和缓和曲线的相对状况) 。这种线路几何形状的相对状况的调整和恢复是一种 近似法作业，只能达到线路方向的基本平顺，不能完全消除线路方向的偏差，而 且对3 0 m 以上波长的轨道不平顺缺乏检测和维护手段，更不能保证恢复线路的原 设计理论位置。既有线提速至2 0 0 k m h ( 个别线路至2 5 0 k m h ) 后，轨道长波不平 顺成为影响列车运行安全和旅客舒适度的主要因素之一，高速线路要保证高度的 安全性、舒适性，线路必须具有非常精确的几何线形参数。不同波长的轨道不平 顺可激发不同频率的车体振动，在车速较低时，车体振动主要由短波不平顺所引 起，轨道的短波不平顺用“校平方法”就可以修复；在车速较高时，较长波长的 轨道几何不平顺就会产生明显的作用，这种长波不平顺不可能用“校平方法”加 以消除。这就要求铁路工务部门的线路养护也要从“校平方式改变为轨道“绝 对几何参数方式，使轨道实际几何参数与“设计”几何参数之间的偏差保持最 小，也就是高速铁路的养护要采用绝对基准系统。 因此，根据提速线路检测的精度要求和我国的实际情况，借鉴和吸收国外轨 道建筑、维护测量控制的先进经验和技术成果，研究我国提速线路轨道绝对坐标 控制系统、精密测量方案和基于现有捣固车等大型养路机械的长波长整正技术， 形成我国铁路系统科学的轨道监测和维护技术体系已成为十分迫切和重要的课 题。 1 2 国内外现状 1 1 1 我国既有线轨道几何参数的精确测量 我国铁路从八十年代引进捣固车后线路养护水平有了长足的进步，其相似法 工程硕七学位论文 第一章绪论 作业原理确保了第六次大提速的成功。但在速度达到2 0 0 k m h 后，捣固车自身的 车长限制其测量弦长而导致其对长波不平顺的无能为力，铁道部科技司曾经立题 研究如何提高捣固车作业质量以满足提速要求，提出了采用精确法作业的思路。 但由于没有解决长期采用手工拉弦来检测轨道的高低和方向，用道尺来检测轨 距、水平( 超高) 的问题，精确作业的前端偏移量无法精确得到而没有实质解决 问题。近几年，中南大学长沙悦诚机电科技有限公司、江西日月明公司等单位相 继开发出了轨道静态几何参数检查仪，使我国铁路静态几何参数的检查进入了电 子化时代。 关于既有线轨道几何参数的精确测量，我国铁路部门已进行了有益的探索， 其中以南昌铁路局的眠匾距控制法 为代表。 “恒距控制法”是南昌铁路局为了有效进行曲线养护，保证线路方向平顺性， 采用“恒距测量原理进行的有益尝试。即：在曲线外侧打钢桩，每1 0 米一个 桩，曲线及缓和线加密到5 米一个点，在曲线养护到平顺良好时，记录下此轨道 距钢桩的距离，作为恒距控制值。曲线养护前，检测恒距值，得到偏差值，捣固 车作业时，将此偏差值手动输入作为前端偏移量实现精确法作业。 1 1 2 国外高精度轨道绝对几何参照系统测量应用 1 瑞士m a t i s a 的“b 5 0 d 捣固车一p a l s 系统”模式 瑞士m a t i s a 公司生产的b 5 0 d 型高精度连续式捣固车配有基于绝对基准的线 路三维测量系统，适用于建立了绝对轨道位置标定系统的线路作业，可以使线路 经过捣固车起拨道作业后恢复到设计标准，因此可以消除长波长不平顺。 p a l s 系统是瑞士m u l l e r 公司丌发的，主要功能有： 1 ) 根据沿轨道安装的参照点，可以连续准确地测量出轨道的三维几何位置； 2 ) 将测量值与储存在计算机内的数据库中的几何参数比较，能计算出轨道的 三维几何偏差； 2 丁程硕十学位论文第一章绪论 固i - ip a l s 系统工作原理示意图 当捣固车沿轨道运行时p l s 软件系统可以通过测到的角度连续地计算出 其三维的位冠，并根据轨道的标准确定轨道几何参数相对定点的偏差和轨道位簧 的偏差。 瑞士玛蒂萨8 5 0 1 ) 捣固车0 1 在其配套的t o p o r a i l 轨道设计软件、d f a 固定资 产数据库和p a l a s 捣固车作业引导系统配合下，作业精度高，能够消除长波不平 顺、轨道误差得到彻底的修正、使轨道完全恢复到设计的目标儿何形状，并极大 简化作业程序等优点，此系统已经在瑞士铁路、法国t g v 线路全面推广使用。 但此系统存在的问题是要求捣固车在作业前先进进行一次慢速行车测量，然 后再退回起点开始整道作业，这导致占用机时和天窗过多，作业效率不高。不符 合我国国情。 2 奥地利p l a s s e r 的“轨道作业前导测量车e m s a t l 2 0 ”模式 在奥地利、德国，1 9 6 0 年开始使用自动抄平起拨道捣固车。主要进行相对 性的线路修复工作，长期的养护作业后，线路偏离了原先的位置，造成了乘坐舒 适性的下降。从1 9 7 2 年开始，奥地利和德国在标桩或接触网电杆上设置了固定 的基准点，线路养护时先用“轨道作业前导测量车酬一s t 1 2 0 ”来测量出相对于 这些定位点的线路位置，测量的数据直接传输到大型机械，捣固车实现精确作业。 i 。挥硕十学忙论文 第章绪论 图卜2 轨道作业前导测量车e m 一$ a t l 2 0 轨道作业前导测量车e ms a t l 2 0 午婴由三个部分组成：测量车( e m ) ：卫星 前导车( s a t ) ；标记和固定点测量装置。其i 一作原理是：在卫星前导车( s a t ) 和测量车( e m ) 之问设置激光弦，然后测景车朝着前导车丌行，并用相机将激 光束的偏离记录下来：与此同时测量出轨距和超高值，测量车一旦抵达卫星自口导 车位置，即在电杆底部标记点停住不动，而p 星前导车则继续丌行一个电杆跨距， 然后莺新开始下一轮测量过程。 1 3 选题的目的及意义 图卜3e m 一$ a t l 2 0i 作原理示意图 目前在国内未见有类似指导现场生产的的系统，传统的作业模式，技术人员 或工班长多凭经验、目视、拉弦线等简单手段提供线路维修修正值，虽然现部分 站段配备了测量仪器，但由于缺少对应的基准系统，只能局部范围内用相对参考 工程硕士学位论文第一章绪论 系统，保证局部平顺，特别是长大曲线地段，现场采用绳正法虽然可以在局部范 围内以较高的精度测量曲线正矢，进行曲线圆顺度调整，但不能控制曲线的整体 几何形状，并且在曲线头尾位置容易产生鹅头，造成线路的整体不平顺。协1 。保证 高速列车运营安全和舒适性的首要条件是轨道的高平顺性，轨道的高平顺性依赖 于轨道铺设和养护维修过程中的高质量，而获得高质量轨道几何线形的基础是精 密的测量技术，因此，建立一套稳固的、高精度的轨道绝对几何参照系统至关重 要。 国铁路轨道状态的管理体制，从总体上讲分为三级管理模式：铁路局为一级 管理机构，属决策层；铁路分局为二级管理机构，属指挥层；工务段、大修段等 基层单位为三级管理机构，属生产层；为控制线路技术状态的变化程度，我国铁 路对线路的维护修理，划分为线路大修、线路中修和线路维修三种修程。其中线 路维修又分为综合维修、经常保养和临时补修三个层次。 线路大修是以解决钢轨伤损疲劳为重点、按周期有计划地对设备进行更新、 改善和全面修理；线路中修是以解决道床脏污、板结和轨枕失效为重点，按周期 有计划地对设备进行全面修理；线路维修是在线路大中修的f r j 隔时期内，对线路 设备进行综合维修、经常保养和临时补修的总称。 综合维修是安排在线路大中修之间的一项修程，它的主要目的是消除轨道r 益增加的残余变形，恢复线路的平顺性和线路设备的完整性。经常保养是在综合 维修以外对线路进行的日常养护。经常保养的目的是经常保持线路质量处于均衡 状态。它既没有周期的要求，也没有次数的规定。它是以线路变化的现时情况为 依据，有计划、有重点的进行。临时补修是以保持轨道具有一定的平顺性和整体 性为前提，以保证行车安全为目的而进行的临时性修理。临时补修是以轨道几何 偏差尺寸为判定依据的。这一偏差尺寸一经扩大到临时补修的管理限值，轨道不 平顺的变化速率将加快。因此，对这类处所及时进行临时补修，以控制轨道的机 和尺寸在容许的范围内，确保行车平稳与安全。 工务部门各单位除按规定执行各项定期的或经常的线路设备检查制度外，根 据铁道部和铁路局的要求，铁路分局还组织工务段进行春秋季设备检查。春秋季 设备检查的目的和作用如下： 5 工科硕十学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 全面掌握线路设备状态 ( 2 ) 作为次年编制计划的依据 ( 3 ) 针对线路设备存在的问题，立即采取技术组织措施，组织力量进行整修 处理，以保证设备质量良好。 具体来讲，贯穿轨道状态的维护施工任务的主线由“检查、计划、作业、验 收 四个环节组成。 ( 1 ) 轨道状态检查 现阶段我国铁路工务部门对于轨道状态的检查作业包括静态检查和动态检 查两种制度。其中，静态检查工作主要有基层生产单位的工人或技术人员对管辖 区段的全线路段进行人工检查。铁路局和铁路分局在每年的春秋季节各组织工务 段进行一次设备检查，结合检查结果进行线路设备状态评定b 2 1 嘶1 。 动态检查：铁路局每半月使用轨道检查车对全局正线进行一次检查，对主要 干线进行一次抽查。铁路分局每月通过使用列车添乘仪对管内主要工f 线进行一次 抽查，对于发现的级超限或严重不良处所填写线路动态检查及处理分账，并通知 有关单位查处处理。 ( 2 ) 维护计划制订 我国工务部门对于轨道的维护目前还是按照“预防为主，预防与整治相结合 的原则制定作业计划。 目前轨道的中修和大修是铁路局根据运输的发展和线路设备的大中修周期， 制订全局的大中修规划作为分局安排线路大中修的依据。而工务段和大修段根据 线路大中修规划结合线路设备实际状态，填写大中修申请书，经分局、路局批准 下达施工任务计划d 9 1 。 线路维修计划包括月计划和日计划。工务段根据有铁路局或分局下达的年度 线路维修计划编制分季维修计划。基层生产单位( 机械化维修对、机械化工队、 养路工区) 根据工务段批准的年度分季任务来制订月计划。而r 计划又是根据月 计划安排，是月计划的细化。 ( 3 ) 维修作业实施 目前，我国铁路工务系统对于轨道线路的维护作业基本有两种方式：一种是 利用列车间隔进行线路维修作业的传统方式，另一种是利用大型养路机械或小机 6 工程硕士学位论文 第一章绪论 群开“天窗”进行作业的方式。在传统的作业方式中，主要由线路养护工区按照 日计划工作进度进行维护工作，以手工劳动为主。大型养路机械的引进和使用时 间还不长，规模不大，它的作业范围为铁路局管内各线，开“天窗”进行综合维 修作业。 ( 4 ) 维修结果验收 验收是评定维修作业质量的一种手段，也是确定轨道状态的有效方法。目前， 我国工务部门对线路状态的验收评定主要有以下几种制度： 回检：在每天地施工作业收工前，由工班长及一名工人对当天作业质量进行 检查，如发现质量不合标准时，在当天组织返回整修，检查结果添入记事簿内， 以便进行分析，改进作业方法。 自检：按月计划进行维修施工后，对当月综合维修的线路轨道，由工班长及 有经验的工人进行一次验收，自检结果填写纪录。对于不合格的项目，补修后， 上报领工区，工务段进行验收。对于大型养路机械作业后的线路，由工务段技术 人员跟随作业车辆进行实时验收，对于不合格的项目，及时返修。 维修与铁路运营紧密相关，无维修化是各国铁路工务部门多年奋斗的目标， 它与铁路现代化进程紧紧相联，无论是企业管理现代化还是维修作业机械化都是 铁道科技超高的具体体现。现代铁路事业比较发达的国家有日本和欧美等几个国 家，他们的铁路维护体制不尽相同，但他们在生产过程中对于管理、计划、检测、 维护普遍结合了信息技术，能够更加准确的反映铁路轨道状态，同时可实现铁路 维护工作的设计、计划、施工等多方面的决策支持，从而更加有效得维护铁路基 础设施。我国铁路轨道维护管理体制，管理方式，随着铁路运输的发展，大中修 任务的增加，大型养路机械的应用，发生了很大的变化，但与铁路事业比较发达 的国家相比较，还有许多需要进一步改进的地方。 电子、计算机、互联网技术的飞速发展，为企业的集中化，动态化管理和快 速准确的决策提供了可能。欧美、日本等铁路工务部门大都利用计算机技术进行 企业管理，在线路的维护管理上实现了办公自动化。目前国外的实用化的维护管 理系统大多具有以下几种功能： 检测装置、仪器、仪表所测定的数据可以自动输入 7 ：程硕十学位论文第一章绪论 能方便、迅速地输出分析结果，指导维护施工作业 数据资料共享，查询方便快捷 不同部门之间沟通便利 我国铁路工务工作的组织机构分为三级管理模式，当前铁路工务维修项目主 要采取逐级上报，逐级下达任务的管理模式。具体来讲，工区或现场一线人员发 现问题，上报至工务段，在由工务段汇总，反馈至路局工务处，在由工务处将汇 总材料形成维修方案并调拨相应的物资，由工务段负责进行设施的维护。在日常 的维护生产中，由铁路局做出规划，决策，铁路分局指挥，基层段、领工区组织 生产；在这种组织方式下，部门繁多，相互之间的沟通相当困难。目前我国工务 部门的沟通方式仍然采用的是传统的申请、批复、下达这种渠道，就更加剧了这 种趋势。另一方面，工务部门管理体制的主要成分仍然是以计划为主，对于铁路 轨道的大修、中修、物资的购进，新线的建设等生产过程中的许多环节，都才采 用基层申请，上级计划批复的模式；我国铁路局的管辖范围都是跨省区的，这种 情况就造成了计划周期长，批复时间长的局面，对于动态的管理非常不利。最后， 我国铁路工务部门，在同常的维护施工过程中，要制作各种各样的报表、图纸， 在线路的维护作业过程中需要经常地绘制核查阅这些图纸，对比当前数据和设计 数据，从而掌握设施的运行现状，为之提供依据。目前，这些图纸的绘制和查阅 主要以人工方式进行，不仅工作量繁重，而且极有可能产生差错。另外图纸的保 存也需要特别的关注。 检测业务在线路业务中所占的比例约3 0 ，与维修业务占相同的比例。在铁 路轨道检测的初期，由于路网不大，列车运行速度较低，行车密度较小，因此， 轨道维护管理的主要目的是监督行车安全，检测手段也局限于人i n 量，检测工 具简单。近若干年来在世界铁道工程领域内，轨道的检测技术已经并得日趋重要。 检测数据是轨道状态的反映，检测技术的高低，直接影响到检测数据的准确性， 进一步影响到管理决策系统决策的正确性，最终导致铁路轨道维修质量的优劣。 欧美，同本等国家的铁路轨道检测技术也走到了世界的前列。如普拉塞公司在最 新一代的轨检车上配置了一套大容量，高运速的计算机系统，在测量速度大于 2 0 0 k m h 时，把整个检测过程全部记录在磁盘上，然后根据纪录对轨道状态进行 丁程硕士学位论文第一章绪论 评定。日本在轨道状态的监护方面甚至采用了线路设施监视系统，该系统能把线 路相关信息准确地直接传送到分局，工务段，可以在办公室中2 4 小时监视线路 状态。 目前我国工务部门对轨道维护施工工作的开展是围绕“检查、计划、作业、 验收”四个环节进行的阳1 。检查是轨道状态的主要信息来源，验收是评判作业质 量的依据，但是在这两个环节上，目前还存在着检查手段落后，检查数据不完备 的问题。在轨道状态的日常检查和作业质量验收的过程中，主要是由经验丰富的 工人使用简易的工具进行测量，这种操作，个体差异性大，数据主观性强，很难 准确地反应轨道的真实状态。同时，这种检验数据也将对后一阶段大中修计划周 期地制订，重点施工维护任务的确定带来误导。虽然近些年来，铁路部门使用轨 检车对线路轨道状态进行检查，但是我国轨检车总量少，只在铁路局配属，并且， 轨检车的造价昂贵，体积庞大，轨检车的检测作业，需要统一的计划，不适合于 基层单位的配备，在这种情况下，铁路局每半月使用轨道检查车对全局正线进行 一次检查，对主要干线进行一次抽查。这种检查以考核为目的，并不能够从根本 上保证铁路轨道在运用中保持良好的状态。 我国铁路部门对于铁路轨道的维护仍然是以计划修为主体。维修周期的确 定，维修内容的设计是各种维修层次计划制定的两项主要工作。我国目前大多数 线路上，主要推行的是一种按时问或按通过总重制订维修计划的管理方式。比如 每一年或每通过总重l o o m t k m k m 时安排一次对线路有计划地综合维修。由于 不同路段的情况差异较大，这种没有与线路实际状态挂钩的计划维修不尽合理， 往往造成一部分路段欠修，一部分路段过修。欠修路段上会余留一些病害隐患， 增加紧急补修和经常保养的工作量；而在过修路段上，则因过于频繁的扰动线路， 增加线路的不稳定性，同时造成维修资金浪费。近些年来，我国的部分铁路局积 极地探索和推广状态修，即按照线路状态来计划对线路的修理。要按照线路的实 际状态或质量来计划修理，首先必须有能够正确反映线路质量手段，其次要有综 线路质量的综合评定方法。但是j 下是在这两个条件上，我国铁路工务部门还存在 着不小的差距。 通过以上的对比分析可以看出，目前我国工务部门在轨道状态的管理和维护 9 丁：程硕士学位论文第一章绪论 方面还有较大的差距。为提高施工机械化程度，我国通过引进、吸收、创造的途 径，已经能够生产捣固车，清筛机、铺轨机等一批大型的养路机械，结合传统的 小型的作业机群，施工作业机械化程度正在逐渐提高；但是影响国内铁路轨道养 护质量的另一个主要因素是落后的检查验收手段。正是由于现行的检测手段不能 完全正确地反映铁路轨道的真实状态，才造成了维修周期不准确，维修计划不科 学，验收结果不可靠等一系列影响轨道维护质量的因素。 另一方面，在整个世界范围内，铁路工务部门对于线路的维护和管理正朝着 信息化轨向迅猛发展，出现了形形色色的工务部门的生产指挥管理系统和线路的 维护施工决策系统，如z t e a - t e c ha s s o c i a t e s 公司丌发的应用在加拿大铁路的 m a i n t e n a n c eo fw a yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，欧洲轨道研究院( e u r o p e a nr a i l r e s e a r c hi n s t i t u t e ) 开发的b c o t r a c k 轨道维护及更新决策支持系统( d e c i s i o n s u p p o r ts y s t e mf o rt r a c km a i n t e n a n c ea n dr e n e w a l ) 等。但是它们都对反 映线路轨道状态的数据资料存在着巨大的依赖性，检测数据的能否正确反映轨道 状态直接影响到轨道的维修策略和施修质量。因此凡是工务信息化技术发达的国 家，都有一整套完善的轨道状态检测系统。近几年来国内研制了几个工务管理信 息化系统，分别是“北京铁路局工务地理信息查询系统”、“南昌铁路局铁路工务 管理信息系统”、“沪宁铁路工务管理信息系统”、沈阳铁路局使用的“铁路工务 设备综合管理系统”、“广深线养护维修计算机管理系统针 、株洲工务段的“铁 路工务生产指挥管理信息系统。从总体上看，国内的铁路工务管理信息系统 普遍具有数据管理、统计、查询等传统的m i s 系统的功能，只是简单的取代手工 报表，实现的是行政管理的自动化，对于轨道状态的监视功能较弱，普遍缺乏决 策支持功能，在这种现状下，即使加入决策管理功能，也会因为缺少能够真i f 反 映轨道状态的信息，使决策失败。 近年来，铁路部门开始使用轨检车对线路轨道状态进行检查。轨检车用于检 测轨道的各种动态参数，其检测的稳定性、可靠性、精度等各方面都较高。但是 我国轨检车总量少，只在铁路局配属。并且，轨检车的造价昂贵，体积庞大，检 测成本很高，设备投资大，维修保养费用高；轨检车的检测作业，需要统一的计 划，不适合于基层单位的配备。在这种情况下，铁路局每半月使用轨道检查车对 1 0 工程硕士学位论文第一章绪论 全局正线进行一次检查，对主要干线进行一次抽查。 七十年代以来，随着微型计算机的发展与广泛应用，在测试技术的领域中出 现了完全突破传统概念的一代仪器仪表。这种仪器仪表内部含有微处理器，使计 算机技术和仪器、测量技术有机地结合起来，具有信号采集、数据处理、显示记 录、传输和测试过程自动控制等一系列功能。人们习惯上把这类仪器称为智能仪 器( i n t e lli g e n ti n s t r u m e n t ) 。 对轨道参数检测中，手工检测落后且存在手段落后、劳动强度大、人力物力 消耗大测量不连续、测量间距不等、效率低；测量结果与测量人有关；个体差异 性大、主观因素影响大、信息再加工性能薄弱；数据可移植性差、没有事后分析 功能；信息损失大、无法科学评价轨道质量、不能充分利用历史数据记录、也不 能被其他管理信息系统使用、辅助维修生产决策的意义不大等很多问题，高科技 轨道检查车动态检查又存在着使用的局限性。因此，运用智能检测技术，研制一 种便捷、轻巧、精度高、连续测量，具有数据显示、存储、传送等功能的轨道参 数检测仪器取代基层工务部门落后的检测工具，准确地反映轨道状态，提供可靠 的原始数据，推动轨道维护信息化的发展，解决铁路轨道维护中检测手段落后， 劳动强度大，工作效率低，数据粗糙等状况，提高轨道参数测量的工作效率和精 度，减轻劳动强度，为轨道维护施工提供可靠的原始数据和管理决策信息，推动 轨道维护信息化的发展，对促进铁路各部门技术进步，进行技术改造，提高劳动 生产率和社会经济效益有着深刻的意义。 选题的目的：建立有效、经济实用的施工运营维护控制网，确保施工放样运 营维护的精度，对此系统建成后的测量应用进行了初步研究，并在胶济线利用此 系统进行了线路平纵断面测量，指导了大机抬拨道工作，取得了较好的效果，为 下一步解决提速线路绝对坐标测量系统与大型机械作业关联技术的研究奠定了 基础。 1 4 论文的主要工作 1 、从理论上和实际中分析建立高精度轨道绝对几何参照系统必要性； 2 、平面控制网布设和技术要求的研究； 工程硕十学位论文第一章绪论 3 、高程控制网布设和技术要求的研究； 4 、高精度轨道绝对几何参照系统定期维护； 5 、既有线利用精密控制网测量应用研究。 1 5 本章小节 本章介绍了稳固的、高精度轨道绝对几何参照系统研究的背景、国内外现状、 选题的目的和意义以及论文开展的主要工作。 1 2 工程硕士学位论文第二章建网的技术标准和方案研究 第二章建网的技术标准和方案研究 2 1 平面坐标和高程的确定 确定平面坐标与高程系统应尽可能的与勘测设计阶段一致，以便充分利用已 有的勘测测量成果。若勘测设计阶段资料不满足现阶段坐标投影变形的要求则应 重新进行设计。 高程一般采用基于1 9 8 5 国家高程基准的高程系统，为了确保高速有砟轨道 高精度轨道绝对几何参照系统的相对精度不受起始点坐标误差的影响，必须建立 独立的坐标系统，并与国家或城市坐标建立关系；即通过联测国家或城市控制点， 求得高速有砟轨道高精度轨道绝对几何参照系统的坐标与国家坐标的转换关系。 由于高速有砟轨道高精度轨道绝对几何参照系统要求投影变形小于2 5 p p m ， 必须采用独立投影带坐标系，相邻投影带之间至少有一对公共点的坐标。根据投 影变形公式， 聊小景， ( 2 - 1 ) 式中，m - l 为投影变形，y 为横坐标，r 为地球平均曲率半径。当m l = 2 5 p p m 时，可求得其横坐标y 不超过4 5 k m ；对于东西走向的线路，可能出现分带过多， 对设计和旌工都会带来不便。考虑到高速铁路线路主要沿线路方向延伸，与线路 图2 - 1 投影带划分方法 1 3 1 ， ， ， f - 4 1 j 程硕十学位论文第二章建网的技术标准和方案研究 垂直方向的坐标变化一般远远小于线路的延伸方向；因此，以线路延伸方向 作为纵坐标轴建立独立的工程坐标系，其横坐标变化就不会太大，可以有效地控 制投影变形，减少分带数量。如图2 1 投影带划分方法所示，当高速铁路线路 发生转向时，从转向点开始可以重新设立投影带，建立新的投影平面坐标系。如 、 果工程坐标系原点的国家坐标为婶o ，y o ，则工程坐标系纵坐标轴在国家坐标系 中的方位角为o 【，则工程坐标系坐标到国家坐标的变换可表示为， x g2x o + x c o s g + y s l n 口 y g2 y o x s i n a + y c o s c r ( 2 2 ) 其中，g g ，y g ) 为国家坐标，x ，y 为工程坐标，如果变换后国家坐标的横坐 标y g 数值较大，还需要考虑投影变形改正。 高速铁路工程坐标系的投影面高程建议采用铁路线路的平均高程面，由于铁 路桥梁或路基距地面的平均高度一般不会太高，即使平均高于地面2 0 米，所引 起的投影变形只有- 3 p p m 。考虑到这项变形与高斯投影变形符号相反，能够相互 抵偿，因此建议采用平均地平面作为投影面。 在胶济线试验段中，我们最开始考虑采用联测国家三角点，然后通过三角点 平差后建立抵偿坐标系，通过联测后发现联测的两个三角点高密东岭( g m d l ) 和周 家村( z j c ) 兼容性不是很好，三维约束平差后尺度参数：u = 7 2 3 0 9 p p m ，接近 1 0 p p m ，这样无形中降低了控制网的内符合精度，经过反复考虑最终采用固定一 点一方向方法，固定一点为高密东岭( g m d l ) ，一方向为从高密东岭( g m d l ) 至周 家村( z j c ) 的坐标方位角；平差参数设置如下：中央子午线：1 1 9 7 7 0 8 4 4 4 2 度， 投影点纬度：3 6 3 7 7 0 4 3 5 1 8 度，加常数x o ：o k m 、y o ：5 0 0 o k m ，投影面大地高： 0 米，高程异常：o 米。其中三角点高密东岭( g m d l ) 平面坐标输入转化后的中央 子午线为1 2 0 度的坐标值，h 输入“1 0 1 8 7 米。平差后将中间联测的三角点高 平庄( g p z ) 作为检核点，将平差成果和其对应的中央子午线为1 2 0 度成果进行了 比较见下表： 1 4 工程硕士学位论文第二章建网的技术标准和方案研究 表2 - 1 比较表 每千米水限差 水准测量准测量偶 每千米水准 等级然中误差 测量全中误检测已测 往返测附合路线或左右路线 差m w 段高差之 m 不符值环线闭合差高差不符值 差 二等水准 1 02 o64 l44 l4 一l 三等水准 3 06 o2 04 l1 24 l1 24 l84 l 四等水准 5 0l o 03 04 l2 04 l2 04 l1 44 l 通过上述比较可知，固定一点一方向平差方法合理，平差结果正确，固定三 角点高密东岭( g m d l ) 平面坐标为中央子午线1 2 0 度的坐标值，为以后该工程前后 衔接预留了条件m 射。 2 2 平面、高程控制点埋设方式和稳定性 2 2 1 埋设基岩点与深埋控制点的必要性 对于东部平原地区，这些地区的地面沉降严重且不均匀，无规律可循；埋设 基岩点，可以得到一个统一、稳定可靠的平面和高程基准。高速铁路的轨道平顺 性要求高，以确保列车高速运行时乘客的安全、舒适；其施工工序多，施工周期 长，常需要分段施工；测量精度要求高，定期进行复测和检测的频率高；在运行 后还经常需要检测和监测。只有设置基岩点，：j 能保证高程基准在施工与运行过 程中的稳定。由于平原地区的地层厚，埋设基岩点的费用高，不可能埋设大量基 岩点。因此，需要在基岩点之间增加部分深埋控制点，深埋控制点埋设到某一稳 定地层，能够在较长时间内保持相对稳定，在线路施工和维护中需要复测加密控 制点时，只需要从邻近的深埋控制点开始，而不需要从基岩点进行全线复测，这 样会省时省力些。尽管增加了深埋控制点投入，但为后续复测与检测减少了很多 工作量，不仅可以节省总的费用，而且施测相对方便、周期短，便于工程的施工。 所以高精度轨道绝对几何参照系统的平面和高程基准必须采用基岩点，基岩点之 间增设部分深埋控制点，建立这个统一、稳定的基准网是必不可少的。基岩点和 深埋点的数量则根据沿线地质、地层情况而定。现在长大线路的无砟轨道一般按 照5 0 r - - - 1 0 0 k m 左右设置一个基岩点，2 5 k m 左右设置一个深埋水准点的方式进行 1 5 工程硕十学位论文第二章建网的技术标准和方案研究 布设。对于长大干线的有砟轨道也应该参照这个标准进行埋设，这样就对后续运 营养护维修及复测建立了一个统一、稳定的高程基准。在胶济线试验段中，由于 距离较短，所以没有考虑埋设基岩点和深埋水准点心。 2 2 2 平面与高程控制点的埋设方式 1 ) 基岩点和深埋点 基岩点应直接埋设到基岩上，埋设深度取决于地层的厚度，深的可达数百米； 深埋控制点需要埋设到某一持力层上，埋设深度一般在3 0 m 5 0 m 之间，其埋设 尺寸如图图2 - 2 基岩点、深埋点的埋设剖面图所示。 图2 - 2 基岩点、深埋点的埋设剖面图 1 6 工样硕十学他论文第一章建网的技术标准利方案研究 纛 穗雾 中风化基岩 图2 - 4 基岩点施i 后现场 如果施工区域能找到裸岩，只要将其表面的m 化层清理干净，在基岩上直接 用钢筋混凝土浇灌观测墩或镶入测量标志即可。 2 ) 其他控制点 c p i 、c p i i 、c p i i i 平面控制点尽量考虑与高程控制点共用。其埋设深度较 浅，按照暂规和指南的要求，一般只有 m 2 m ，具体深度与该区域冻土层有关， 这些点位稳定性较差，特点是高程的沉降将非常显著”。 胶济线试验段运行速度为2 5 0 k m h ，属高速铁路区段。该区段为新筑高路基 地段，路基高度多在5 米以上，受地形所限，线路坡度变化较大，道路通行情况 较差，属j j 类幽难地区，且线路两侧均有防护网，路肩接触网杆密集，而且酿区 间终点高密有22 k m 铁路桥个、蓝村有i2 k m 铁路桥个、区r j 内还有8 0 0 米 一9 0 0 米铁路桥两个，客观l 给控制桩的选点、埋石及高精度测量工作带来很大 稗硕1 学位论文 第二章建阿的技术标准雨i 方案研究 闲难，尤为突出的是胶济线作为客运专线，行车密集，而且作为高速实验段，动 车组过往频繁，阿有效作业时间较短。 1 c p i 点 根据现场情况及仪器设备作业隋况，出于c p i 采用g p s 进行观测，仪器对空 要求较高，观测时间长，所以将c p i 点都选在路基下，地面铁路防护阀之外，便 于开展观测的开阔地标石类型均为现场浇注混凝土。其剖面图如圈25c p i 剖 面囤所示： i 一乃7 7 “卜 ， 图2 5c p i 剖面图 图2 - 6 埋设后桩面 2c p i i 点 结合济南铁路局工务检测所要求，路基地段绝大部分点选在路肩上，标石类 工程硕十学位论文第二章建网的技术标准和方案研究 型均为现场浇注混凝土其剖面图如i 茎| 圈2 7c p i i 剖面图所示；桥梁地段选在桥 墩墩台上，标石类型均为用电钻钻设标。 图2 c wtf 而匿 囝2 - 8 埋设后桩面 3 c p i i i 点 c p i i i 点，路基地段绝大部分点选在路肩k ，标石类型均为现场浇注混凝土 工程硕十学位论文第二章建网的技术标准和方案研究 剖面图如图2 - 9c p i i i 剖面图所示；桥梁地段选在支撑人行道板下面的角铁上， 如图2 1 1 红圆点标记处，标石类型均为用小型电钻钻设，小孔中心镶铜心，以 示点位；少部分点选在水泥基座上，标石类型为电钻钻设标。由于c p i 、c p i i 埋 设完成后桩面整饰不是很美观，而且加盖为5 0 c m x5 0 c m ，特别沉重，所以在埋 设c p i i i 时根据现场情况进行了修正。修正后桩面整饰美观，而且便于使用n 4 1 7 1 。 5 0 c m s c n p 、677 ：t，v ，vv v ，口口口0v ，口vv n tv v 口77 ，? 9 ：vpv 、 p 口口m ，99 ，vf f v vf t vc t t 、。c t n 口t 口口”f t 口cv 、9v 口 m f 川f 川t 7f t tv0 口口口f7r c 口7 f 口v rp l j 口vr v f 口口v ql 口t ，口vp ，v 口 0v v7 口口i9 vv 口99 口、 p 口：口口tv 洲v tv q c tv f9 、 f 口口v 口9 口vv 9 7 口fvvv n 一口r 口vv f 口口q 口vv 口? 口p 口vv q v 川9 川9v 川v 1 2 i j j l t 卫z i 二l ：j 土口姐口z j 工口j j j l z j 魁 4 0 f 1 卜 桩6 封面图 图2 - 9c p i i i 剖面图 l 1 3 c n 一j 3 c n j 工程硕士学位论文第章建叫的技术标准和方寮研究 图2 - 10 埋设完成后桩面 图21 1 桥梁上c p i i i 位置 4 水准点 和平面点可共用的直接利用，不能共用的另外设标，标石类型为墙标，用电 钻钻设。其剖面图如 = t ：程硕十学位论文 第二章建网的技术标准和方案研究 2 一1 2 厂 一4 0 一 刁一 图2 - 1 2 水准点剖面图 2 2 3 平面与高程控制点的稳定性分析 图 地面沉降主要对工程的高程产生影响。基岩点埋设到基岩上，因有外套管保 护，确保高程的稳定性；地面沉降本身对平面位置的影响不大，基岩点的点位基 础比较大，能够确保平面位置的稳定性。因此可以这样认为，只要不发生地震等 激烈的地壳运动，基岩点是稳定可靠的1 。 由于深埋控制点埋设到深度为3 0 - - 5 0 米的持力层，在