CPIII精测网及轨检小车在高速铁路轨道精调和养护中的应用

戴宗林 上海铁路局合肥工务段

随着我国经济社会持续快速发展，铁路迎来了前所未有的发展机遇期，国务院批准的《中长期铁路网规划》绘就了中国发展快速客运铁路的宏伟蓝图。继2010年7月沪宁城际建成通车，2010年11月沪杭高铁开通运营，目前京沪高铁正在紧张的联调联试之中。

高速铁路对轨道要求有极高的平顺性。无碴轨道铁路测量技术作为无碴轨道铁路建设成套技术的一个重要组成部分，在无碴轨道铁路建设和运营管理过程中越来越显示出其重要性。同样，在后期的联调联试和养护运营过程中也显示出它的必要性。

1 高速铁路精测系统介绍

高速铁路工程测量平面坐标系采用工程独立坐标系统。边长投影在对应的线路轨道设计高程面上，投影长度的变形值不大于10 mm/km。高速铁路工程测量的平面、高程控制网，按施测阶段、施测目的及功能分为勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网。为了保证勘测、施工、运营维护各阶段平面测量成果的一致性，应做到三网合一。

高速铁路工程测量平面控制网应按分级布网的原则分四级布设。第一级为框架平面控制网（CP0），第二级为基础控制网（CPⅠ），第三级为线路平面控制网（CPⅡ），第四级为轨道控制网（CPⅢ）。

为便于施工和数据处理，在无砟轨道施工和CPⅢ控制网测量前，将线路划分成若干长度不等的线段。之后CPⅢ控制网按区段进行独立测量，并通过上一级控制网进行独立约束平差。每一CPⅢ控制网的区段长度不应短于4 km。

2 CPIII精测网特点及布设要求

2.1 精测网特点

CPⅢ平面网是一个边角控制网，但其测量方法较传统边角网测量有很大差异。它采用自由测站进行边角交会测量，而其距离只能进行单程观测。

CPⅢ控制网的测量仪器均需采用高精度和自动化程度高的电子测量仪器。其平面网测量要求全站仪具有含电子驱动、目标自动搜索和操作系统功能的测量机器人（如LeicaTCRA1201、Trimble S6和S8系列全站仪等）；高程测量一律采用电子水准仪（如Trimble DiNi12、Leica DNA03等）。CPⅢ平面网的主要技术指标见表1。

表1 CPⅢ平面网主要技术指标

测站和测点均强制对中，测点标志要求具有互换性和重复安装性，X、Y、Z三维互换性和重复安装性误差要求小于0.3mm。

控制网的使用较传统方法有很大不同。首先是采用自由测站后方边角交会测量的方式确定测站点的三维坐标，然后用三维极坐标测量的方式进行无砟轨道板和长钢轨的粗调、精调和精测以及轨道的维护管理等。CPⅢ测量标志的加工和安装精度要求见表2。

表2 CPⅢ测量标志加工和安装精度要求

2.2 目标组件

轨道控制网（CPⅢ）点的实际空间物理位置的反射目标，由永久性的预埋件、平面测量杆、高程测量杆和精密棱镜组成。CPIII的三维坐标点，是一个虚拟的控制点，其对应的位置是CPIII目标组件中棱镜的几何中心。测量棱镜应有相应的资质认证，强制对中支架应采用抗腐蚀、耐磨的材料制成，且需易于保护（见图1）。

图1 目标组件

2.3 CPⅢ控制点埋设

CPⅢ控制点应沿线路布置在路基两侧的接触网杆或基础、桥梁防撞墙及隧道侧壁上。当CPⅢ控制点布置在桥梁防撞墙上时，点位应设置在桥墩固定支座端上方的防撞墙上。

CPⅢ控制点沿线路布置时纵向间距宜为60 m左右，且不应大于70 m，横向间距不超过结构宽度。各CPⅢ点应大致等高，其高度应在设计轨道顶面以上30 cm的地方。

(1)一般路基地段宜布置在接触网杆上(见图2～图4)。

图2 桥梁上一般布置在桥梁固定支座端防护墙上（1）

图3 桥梁上一般布置在桥梁固定支座端防护墙上（2）

图4 沪宁城际铁路CPIII标志

（2）隧道内一般布置在电缆槽顶面以上50 cm左右的边墙内衬上（见图5）。

图5 隧道内CPⅢ控制点布置图

3 轨检小车测量及数据处理

3.1 轨检小车的概念

轨检小车是一种通过CPIII控制网、智能型全站仪、倾角及轨距传感器和专用测量软件，自动检测线路中线坐标、轨顶高程和轨距、水平、高低、扭曲和轨向等轨道静态参数，并自动进行记录整理的智能化轻型轨道检测设备（见图6）。

图6 在沪宁城际铁路进行轨检小车检测

轨检小车的功能和精度：

轨距测量，误差≤±0.5 mm。

超高测量，误差≤±0.5 mm。

轨检小车和全站仪之间建立无线数据通讯。

使用全站仪并配合CPIII、轨检小车，可测量并计算出轨道中心的三维位置X、Y、Z，X、Y、Z的误差均应≤±1.0 mm。

测量结果和设计位置比较后给出调整量，据此进行轨道板和轨道的粗调和精调。

3.2 轨距测量原理

轨距测量原理如图7所示。

图7 轨距测量原理图

3.3 超高测量原理

超高测量原理如图8所示。

图8 超高测量原理图

3.4 平面位置和高程测量原理

使用全站仪实测得轨检小车上棱镜的三维坐标，然后结合标定的轨检小车几何参数、小车的定向参数、水平传感器所测横向倾角及实测轨距，即可换算出对应里程处的实测平面位置和轨面高程，继而与该里程处的设计平面位置和轨面高程进行比较，得到其偏差，用于指导轨道调整（见图9）。

图9 平面位置和高程的测量原理图

3.5 轨向与高低的测量原理

轨向与高低的测量原理如图10所示。

图10 轨向与高低测量原理图

3.6 长波与短波不平顺计算原理

（1）30 m弦每隔5 m检核（见图11）。

图11 30 m弦每隔5 m检核图

（2）300 m弦每隔150 m检核（见图12）。

图12 300 m弦每隔150 m检核图

3.7 数据采集前期工作

（1）输入并核对设计数据（平曲线、竖曲线、超高、控制点，如存在断链，需分别输入，左右线（如沪宁前期、沪杭前期）也需分别输入；

（2）设置项目属性，如平面位置和高程测量基准等；

（3）缓和曲线类型选择回旋曲线（名义上为三次抛物线）；

（4）进行正确的项目属性设置；

（5）东北坐标不要误输入；

（6）全站仪检定。

3.8 数据采集注意事项

（1）对控制点进行检查，确保控制点（平面坐标和高程）正确无误，检查控制点是否被破坏；

（2）螺杆调节器的功能与润滑，扳手操作正常；

（3）全站仪和精调机工作正常，全站仪工作之前要适应环境温度；

（4）每天开始测量之前检查全站仪测量精度,测量过程中如对测量结果有疑问，也须及时检查，必要时进行校准；

（5）测量时棱镜要对准全站仪；

（6）采集数据时小车要停稳，全站仪应采用精确模式；

（7）恶劣天气条件下禁止作业，最好是在阴天或者夜间进行，避免在阳光强烈的条件下作业，以免影响测量精度。

3.9 数据分析

一般根据现场调查结合动检、轨检、添乘仪的数据和人体感觉，决定需要作业的范围和数据采集的范围，组织专业队伍进行数据采集。采集数据在进行模拟调整前，必须复核数据的真实、可靠性。调整原则："先整体、后局部，先轨向、后轨距，先高低、后水平"，优先保证参考轨的平顺性，另外一股钢轨通过轨距和水平控制。一般轨距控制在±1 mm以内；水平控制在1 mm以内；轨向和高低控制在2 mm以内（具体偏差要求按各线具体规定，如沪杭高铁要求轨距控制在＋0.2 mm-0.5 mm以内；水平控制在1 mm以内；轨向和高低控制在1 mm以内），轨枕变化率控制在0.3‰以内。当试算时遇到调整量突然变化较大的地段，需注明要求现场核对或重新测量后再做调整。

轨道模拟调整的原则（见图13～图15）：

图13 平面调整

图14 高程调整

（1）生成的报表中，导向轨为"-1"表示右转曲线，平面位置以左轨（高轨）为基准，高程以右轨（低轨）为基准；导向轨为"1"表示左转曲线，平面位置以右轨（高轨）为基准，高程以左轨（低轨）为基准；

（2）先整体后局部：可首先基于整体曲线图，大致标出期望的线路走向或起伏状态，先整体上分析区间调整量，再局部精调；

（3)先轨向后轨距：轨向的优化通过调整高轨（基准轨）的平面位置来实现，低轨的平面位置利用轨距及轨距变化率来控制；

（4)先高低后水平：高低的优化通过调整低轨（基准轨）的高程来实现，高轨的高程利用超高和超高变化率来控制；

（5)在 DTS轨道精调软件中，平顺性指标可通过对主要参数（平面位置、轨距、高程、水平）指标曲线图的"削峰填谷"原则来实现；目的：直线顺直，曲线圆顺。

（6）符号法则：以面向大里程方向定义左右；平面位置：实际位置位于设计位置右侧时，调整量为负，反之为正；轨面高程：实际位置位于设计位置上方时，调整量为负，反之为正；水平：外轨（名义外轨）过超高时，调整量为负，欠超高时调整量为正；轨距：以大为正，实测轨距大于设计轨距时，调整量为负，反之为正。

图15 沪杭高铁某段模拟调整前后的平面位置对比图

4 现场精调

（1）根据试算结果利用DTS软件统计扣件、垫板调整的种类和数量，组织落实相应材料。

（2）材料进场后，技术人员先核对规格和数量，并熟悉不同规格调整件的辨别方法，然后组织作业人员进行交底，确保所有参与调整作业的人员能迅速辨别不同规格的调整件（如沪宁城际使用的是WJ-7型扣件，而沪杭高铁使用的是WJ-8型扣件）。

（3）根据当天作业计划，带齐相应的材料、工机具等，组织作业人员到现场进行精调。作业前负责人需再次强调作业程序，各自分工及职责；要安排专人标注调整量。

（4）技术员根据提供的调整报表，准确找出需要更换扣件的轨枕位置，并用石笔标出起点和终点（左右股分别标注），并在轨枕头或内侧轨枕板位置标识平面的调整量和方向，在钢轨顶面标识高程的调整量（见图16）。

图16 钢轨顶面高程调整量

标注原则：用横线加箭头标注调整地段起始点，在轨枕一侧用数字标注调整量（和报表显示数据一致，平面要注意调整的方向）。为方便现场作业，可加箭头标注改动方向。高程只需

标注数字，正负即可分辨出降低或抬高（见图17）。

图17 用横线加箭头标注调整地段起始点

（5）调整量标注完毕后进行第一次现场复核，确认调整量是否与实际情况相符。一切检查无误后，现场负责人组织作业人员拆换扣件。高程调整件更换需使用起道机将钢轨稍微抬起，平面个别轨距挡块需要使用小撬棍辅助更换。更换完毕紧固扣件前，再核对一遍是否有错，然后按规定扭力矩上紧扣件。同一股钢轨上扣件时，直线地段一般先紧固调整量为正的一侧，再紧固调整量为负的一侧；曲线地段先紧固曲线内侧扣件（低的一侧），再紧固另外一侧（高的一侧）。

（6）调整平面作业时必须把未动道前轨距与记录在钢轨面上的调整量相加得出调整后轨距理论值，用此轨距控制方向股调整。调整后轨距与理论值误差标准≯0.2 mm，相邻轨枕间轨向递变率≯0.3 mm；方向股调整完毕后，按上述方法调整轨距，轨距标准控制在1 434.5 mm～1 435.2 mm之间，轨距递变率≯0.3‰（沪杭标准）。

（7）所有扣件更换完毕后，现场负责人再次检查确认更换效果并做第二次现场复核，然后做好详细记录，以便汇报工作量和日后备查。

（8）清理回收更换下来的扣件和垫板，清理现场，做到工完料尽。

5 相关注意事项

严格按照下述作业流程图进行整个精调作业（见图18）。

图18 精调作业流程图

（1）所有作业按照营业线施工规定管理，加强安全教育和安全防护知识培训，做好驻站和现场防护，备齐防护用品，重点做好人身安全防护和设备安全防护。作业过程中，不得将手、脚放到钢轨与垫板之间，避免挤伤或压伤。用起道机抬升钢轨时，注意防止机把伤人；使用撬棍撬动钢轨或轨距挡块时，要防止撬棍脱落伤人。作业过程中互相提醒，做到不伤自己，不伤他人，也不被他人伤害。

（2）数据采集一定要严谨、仔细，确保测量数据和现场实际吻合，才能为数据处理提供准确参考，否则很难将轨道调整到理想状态。

（3）模拟调整时，要严格把握调整原则。要先宏观地观察一下整个采集区段，确定调整目标，该调整的一定要调，不该调整的坚决不调，可调可不调的要针对具体情况决定是否需要调整，主要应考虑前后的平顺性。一般第一遍精调尽量将线型向设计位置调整，第二遍精调重点实现轨面的平顺性。

（4）轨道精调坚持"少动、慎动、多人集中动"和"结合高低整水平，结合方向调轨距"的作业原则。

（5）调整后用弦绳复合平面是否顺直和圆顺，严禁正矢存在倒递增递减关系，差之差不得大于2 mm，连续差和曲线最大最小值不得大于3 mm。如遇短波不平顺，可利用道尺和弦绳现场解决，遇长波不平顺可用小车重新测量处理。

（6）更换扣件过程中，如果有列车通过，防护员提前通知现场负责人；负责人检查好现场，安排作业人员、机具下道后并确认不影响行车安全后，通知防护员放行。如果单股钢轨连续超过5根轨枕正在更换扣件而列车要通过，可以迅速先隔2个上紧1个扣件让列车通过。

（7）各环节必须有专人负责复核，避免出错，避免返工和不必要的损失。作业完毕后必须进行复核，一方面可以检查调整效果是否合理，是否达到预期目的，另一方面也可为内业数据处理积累经验，提供参考。

6 结束语

按照前述方法和现场不断摸索总结，我们在沪杭高铁的联调联试中做到了"六个消灭"，最高试验速度达到了416.6 km/h，为今后进一步做好高铁的精调和养护作业积累了经验。

随着我局管内沪宁城际、沪杭高铁的相继开通运营和我国高速铁路的快速发展，无碴轨道精密测量技术将得到更加广泛的应用，在高铁的日常养护过程中要保持轨道的高平顺、高稳定性也离不开轨道精密测量。充分发挥CPIII精测网和轨检小车的作用，将为高铁的前期联调联试和后期维护管理提供坚实的保障。