激光长弦轨道检查仪在京沪高铁病害整治中的应用

龚国甦 上海铁路局上海工务段

徐济松 中国铁道科学研究院

近几年，我国铁路建设步入了快速发展阶段，其建设规模、速度和效率，是世界铁路建设史上罕见的。随着武广、郑西、京沪等高等级线路陆续开通运营，标志着我国铁路已经步入高铁时代，同时也对线路养护维修工作带来了巨大挑战。

当前，随着高速铁路的开通运行，由于客观因素，基于线路两侧的CPIII精密控制网陆续出现了滑移、沉降，甚至遭到破坏等问题，严重影响了进口设备的正常使用。中国铁道科学研究院研制的激光长弦轨道检查仪具有高精度、高效率等优点，能直接检测线路的长短波不平顺，为线路养护维修提供了科学依据。

1 激光准直技术的特点和优势

自上世纪60年代激光问世以来，由于其强度大、方向性好，很快被用作准直光源。激光束的横断面能量分布呈高斯曲线型，其能量中心是一条极为理想的直线，且该光束具有亮度高、方向性好、能量集中等其它光束无法比拟的优点，因而是准直测量的理想光束。多年研究表明激光仍不失其在准直领域中最突出的地位。

激光准直技术在轨道线路检测中具有距离远、精度高等优点。在天气条件良好的条件下，激光准直距离可达200 m甚至更远，即可以检测轨道线路200 m波长的不平顺性。从而为检测长波不平顺提供很好的检测手段，这也是其优于手工弦线检测和其它短弦检测的根本特性。

2 激光长弦轨道检查仪简介

激光长弦轨道检查仪由铁科院铁建所自主研制，主要由两部分组成：激光发射小车与激光接收小车。在激光发发射小车上安装一台激光发射器，能发射出一束直径10 mm的激光束；在激光接收小车上安装一台两维CCD激光接收器。如图1所示。

图1 激光长弦轨道检查仪实物图

2.1 测量原理

将激光长弦轨道检查仪的发射小车和接收小车分别固定在轨道上的指定位置，由激光发射小车与激光接收小车之间的激光束建立“理论弦线”。在接收小车向发射小车推进的过程中，由安装在激光接收小车上的接收器检测出其相对于光束基准在横向和纵向上的偏差。结合里程测量、轨距测量和超高测量的数值便可以检测出轨道的几何状态参数。测量系统原理示意图如图2所示。

图2 系统原理示意图

其中，1—激光发射器；3—线路；4—理论曲线；Fr—激光束；R—曲线半径；G—最大测量间距；A0，A1，A2，A3，A4—两维CCD 接收器的测量点；S1，S2，S3，S4—测量间距。

式中：f0，f1，f2，f3，f4为理论曲线上的点到激光束Fr的距离，由计算机依据曲线方程及相关参数计算出。

fm0，fm1，fm2，fm3，fm4为实际曲线上的点到激光束Fr的距离，由两维CCD接收器测得。

y0，y1，y2，y3，y4为理论曲线上的点的偏差值。

2.2 主要技术特点

（1）直接检测轨道线路长短波不平顺。

采用激光准直技术，通过激光束直接测量轨道的轨向与高低，没有原理性误差，并具有较高的测量精度。激光长弦的使用，有效扩大测量基准弦的长度，可以直接测量轨道的长波不平顺，真实反映轨道状态，这是优越于手工弦线和其它短弦检测设备的最根本的特点。在天气条件良好时一次测量距离可达200m。特别是在隧道内，其一次测量距离可达300m。

（2）测量结果不仅能指导无砟轨的调整，还能直接指导捣固车作业。

数据报表结果可以作为线路竣工验收的设备，指导无砟轨道的调整。同时其检测结果也可以直接用来指导有砟线路维护作业，消除轨道线路的长波不平顺。

（3）具有较高的测量精度和较好的测量重复性，测量速度快。

通过大量的检测试验表明，该检查仪测量速度快，数据重复性好。

（4）既可以相对测量，也可以绝对测量。

配合钢卷尺、水准仪等辅助设备，检测出激光发射点和接收器起点的绝对位置偏差。利用这两个绝对偏差数据，就可以实现激光基准弦的绝对定位，从而将相对测量数值转换为绝对偏差数值。

利用测量数据结果，既可以实现轨道线路位置的绝对控制，又可以得出内部的相对平顺性的参数。这也能满足德国标准中的对内部几何精度和外度几何精度的控制，内部检测具有较高的几何精度，外部控制能满足绝对位置等要求。

2.3 主要检测项目

在良好天气条件下，直线段最大测量距离为200 m；曲线段测量距离则与曲线半径有关。

轨道线路的高低与轨向是用激光长弦来直接检测，可以将长弦测量数据转化成短弦数据，弦长可灵活设定，而且短弦数据的测量精度和重复性都较好，完全能满足客运专线的精调与维护需要。

主要检测项目有：高低、轨向、轨距、水平、扭曲、轨距变化率与里程。

主要性能指标如表1所示。

表1 性能指标表

3 激光长弦轨道检查仪在京沪高铁病害整治中的应用

3.1 直接检测线路长波不平顺

2011年10月13日，上海铁路局蚌埠工务段测量班组于天窗作业时间利用激光长弦轨道检查仪对京沪高铁蚌埠南站站内27519#板1#枕~27563#板10#枕约300 m区段进行了平顺性检测。测量任务由三次搭接测量完成，单次测量距离控制在120 m，搭接长度约20 m，由系统软件将三次测量结果进行连接，并输出最终报表，如图3、图4、图5和图6所示。

图3 27519#板1#枕~27563#板10#枕长弦轨向图

图4 27519#板1#枕~27563#板10#枕长弦高低图

图5 27519#板1#枕~27563#板10#枕水平偏差图

图6 27519#板1#枕~27563#板10#枕轨距偏差图

另据现场反映，该区段已进行多次精调作业，线路状况与检测结果基本一致，进一步说明了激光长弦轨道检查仪具有高效率、高精度等特点，能方便快捷查找病害点，为工务养护维修提供了科学的解决办法。

3.2 精确指导现场精调

2011年10月10日，利用激光长弦轨道检查仪对京沪高铁黄渡2#道岔进行了病害整治工作。按照激光长弦轨道检查仪测量结果，对局部线路进行了调整，调整前后如图7所示。

图7 京沪高铁黄渡2#道岔作业前后轨向对比图

由图3~图5可见，该测量段存在的轨向不平顺被准确测量出，并被有效的消除。因此，激光长弦轨道检查仪在病害整治中具有高效率、高精度等优点，能准确反映病害位置并可实时指导施工。

4 结束语

随着铁路建设的不断发展与进步，轨道精调与维护工具也急需要进一步改善，仅靠人工肉眼和手工弦线的检测办法已无法满足当前线路维护的需求。

激光长弦轨道检查仪采用了激光准直技术，不但可以直接检测轨道线路的长波不平顺，还可以检测短波不平顺。既可以在直线区域进行检测作业，又可以在曲线段进行。在灵活性、精度、效率上都能很好的满足当前轨道线路的精调和维护需求。