高速铁路有砟轨道不平顺的解决方法

孙和金，张杰

（南宁铁路局，广西 南宁 530029）

高速铁路有砟轨道不平顺的解决方法

孙和金，张杰

（南宁铁路局，广西 南宁 530029）

高速铁路高低和轨向不平顺直接影响列车运行安全性和舒适性。从高速铁路有砟轨道平顺性检测内容、影响轨道平顺性的主要指标和根据TQ I值确定线路综合维修任务方面论述确定高速铁路有砟轨道不平顺区段；针对线路平纵断面偏差数据采集，从测量设站原则、设站精度要求和数据采集间隔要求方面进行阐述；从平纵断面优化原理、平纵断面起拨道量计算、实测数据优化处理和确定维修作业数据方面分析起拨道量数据优化处理，并对现场实际应用的作业条件、作业数据和作业效果进行分析。

高速铁路；有砟轨道；不平顺；解决方法；偏差数据采集；起拨道量

0 引言

高速铁路高低和轨向不平顺直接影响列车运行的安全性和舒适性。无砟轨道具有整体性强、稳定性好、维修工作量少等特点，具有高平顺性[1]。有砟轨道的结构特点与无砟轨道有较大区别，与无砟轨道相比其平顺性不容易保持，经高速列车碾压冲击后，线性线位容易发生变化，特别是曲线地段和道岔区域。为确保有砟轨道的高平顺性，需要合理安排周期性综合维修，采取精测与精捣的维修模式，以保证轨道结构的相对稳定及恢复线路平纵断面的平顺度。因此，探讨利用轨道精测控制网测量线路平纵断面的起拨道量，并对数据进行二次优化，通过研究高速铁路有砟轨道不平顺区段的解决方法，实现线路精细化修理、提高作业效率、改善线路的平顺性、延长综合维修周期，具有重要现实意义。

1 高速铁路有砟轨道不平顺区段确定

1.1 平顺性检测内容

我国高速铁路快速发展，高速铁路轨道检测设备不断更新，检测手段也日益先进、成熟。目前，国内高速铁路轨道平顺性检测主要分为静态检测和动态检测。

（1）静态检测。利用0级电子道尺、0级轨道检查仪、弦线、轨道测量小车等设备对轨道的轨距、水平、三角坑、高低、轨向、曲线正矢、线路平纵断面的绝对偏差量进行静态检测，具有检测精度较高、位置准确等特点，检测数据是确定高速铁路线路综合维修的主要依据。

（2）动态检测。利用动态检测车、车载式线路检查仪、便携式线路检查仪，周期性对轨道的轨距、水平、三角坑、高低、轨向、垂向加速度、横向加速度等进行动态检测，主要反映轨道在列车运行时几何尺寸的变化状态及列车运行的舒适性，各项检测指标的综合值表示线路的基本状态。

1.2 影响轨道平顺性的主要指标

从轨道平顺性静态及动态的检查项目可以看出，影响轨道平顺性的指标主要为轨距、水平、轨向、高低、扭曲5项，由此衍生的指标有轨道复合不平顺、垂向加速度、横向加速度、轨距变化率等。轨道平顺性指标的静态检测与动态检测是相辅相成和互相关联的，在此主要研究利用动态检测综合管理值解决轨道不平顺问题，同时结合静态检测指标，分析轨道的变化情况及平纵断面的偏差情况。高速铁路有砟轨道动态不平顺主要通过动态检测车检测，其平顺性指标综合值表示为均值，是反映轨道质量指数（TQI）的数值（见表1）。TQI管理值的中、高、低和轨向按左右股钢轨同时统计，其他项目不分钢轨股别[2]。

表1 有砟轨道TQI管理值 mm

1.3 根据TQI值确定线路综合维修任务

我国速度200～250 km/h的高速铁路以有砟轨道线路为主，轨道在精调及联调联试阶段，最高检测速度按设计速度提高10%，即设计速度250 km/h的线路最高动态检测速度275 km/h。对我国开通的设计速度200～250 km/h的有砟轨道线路进行统计，一般从轨道精调到动态检测结束，平均TQI值基本控制在3.5 mm左右，线路开通初期，轨道具有相对较高的平顺性。线路平均TQI值越低，轨道平顺性越好，反之相反。随着高速列车的运行，轨道平均TQI值逐步升高，为保持轨道的高平顺性，需要周期性对线路进行精调。

高速铁路有砟轨道的综合维修任务主要根据轨道平均TQI值、日常静态检测等数据确定，轨道质量指数管理值中的轨距需要人工改道调整，其他指标大型养路机械综合维修可以解决，平均TQI值按200 m长线路为管理单元，根据近2～3个月的平均TQI值测算，对设计速度200～250 km/h的高速铁路有砟轨道，一般对平均TQI值大于3.6 mm的区段安排综合维修（大型养路机械综合维修及轨距调整），以保持轨道的高平顺性；对综合维修区段平均TQI值的确定，应结合线路等级及线路状态等实际情况合理确定，不能一概而论，避免造成线路过修或欠修。

2 线路平纵断面偏差数据采集

2.1 测量设站原则

高速铁路建设时期布设了轨道精测控制网（CPⅢ），运营期可利用CPⅢ控制点测量设站（见图1）建立统一坐标系，并采集线路平纵断面的绝对偏差及三维坐标值，一般采用三脚架或测量小车将智能全站仪架设于距测量起点（或终点）120～150 m内的轨道中心任意位置（可选取4～8个位置）。CPⅢ控制点测量设站完成即可开始数据采集。

2.2 设站精度要求

高速铁路对轨道测量有较高的精度要求，数据采集时必须对测量精度进行限制，一般情况下东北平面坐标及轨道高程精度限差不大于1 mm，方位角限差不大于2″，测量过程中转站搭接误差不大于2 mm，线路搭接长度不小于10 m。

图1 CPⅢ控制点测量设站示意图

2.3 数据采集间隔要求

目前，常用的线路平纵断面偏差测量小车主要为普通型和惯导快速型。采用普通型轨道测量小车采集数据时，一般按约5 m间隔采集线路中线坐标及平纵断面绝对偏差数据；采用惯导快速型测量小车采集数据时，按不大于1 m间隔设置，并自动采集线路中线坐标及平纵断面绝对偏差数据，以提高线路平纵断面拟合精度。

3 起拨道量数据优化处理

3.1 平纵断面优化原理

不论是采用三维坐标数据，还是线路平纵断面绝对偏差数据，均可采用最小二乘法原理进行拟合。直线部分一般采用直线上多个测点拟合出实际最优线性，获取线路平纵断面最小动道量；曲线部分采用曲线半径和缓和曲线长逐次逼近整体优化方法（见图2），优选出最佳曲线半径和缓和曲线长，使各测点拨量平方和最小。同时曲线半径和缓和曲线长应满足规范要求。线路纵断面的优化基本与平面优化相同，设有竖曲线的部分按圆曲线优化原理优化。最小二乘法原理及算法在许多文献中均有介绍，在此不再赘述。

图2 曲线半径和缓和曲线长逐次逼近整体优化方法示意图

3.2 平纵断面起拨道量计算

（1）直线段。按最小二乘法原理拟合出最佳线性，通用直线方程式为Ax+By+C=0。式中的A、B、C可根据实测已知点坐标求得，任意测点的起拨道量可按点到直线的距离公式计算：

式中：i=±1，左右拨道量或起落道量根据实际使用情况定义。

（2）缓和曲线段。设P为缓和曲线外任意测点，其直缓点坐标设为（x，y），对应的缓和曲线长（简称缓长）设为l，则P点的拨量计算公式：

式中：Alp为缓长l对应的中桩点到P点的方位角；（xl，yl）和βl分别为缓长 l 对应的中桩坐标和缓和曲线角。

（3）圆曲线段计算。各测点的拨量等于圆曲线半径减去测点到圆心点的距离，表示公式为：

设有竖曲线的纵断面起落道量可按式（3）计算。

3.3 实测数据优化处理

根据线路平纵断面优化原理，需要采集线路中心线的三维坐标或平纵断面绝对偏差数据，线路坐标及偏差数据格式排列见表2。由于优化拟合计算较为繁琐，通常根据3.1及3.2所述原理，采用计算机编程计算。计算机编程具体内容在此不再叙述，只列出精测数据计算机优化拟合计算流程（见图3）。

表2 线路坐标及偏差数据格式排列

3.4 确定维修作业数据

利用实测三维坐标值或绝对偏差值优化计算出一组最优的起拨道量值，按大型养路机械捣固数据格式提交。一般情况下，为满足大型养路机械维修作业要求，确保线路平纵断面的平顺性，应按不大于5 m的间距提供作业数据。数据格式排列为里程、拨道量、起道量、点号，文件后缀名为*.ver的文本文件，里程单位km或m，起拨道量单位m或mm。单位的选取主要根据大型养路机械所需数据格式，可灵活设置。

图3 精测数据计算机优化拟合计算流程

4 现场实际应用

4.1 现场作业条件

有砟轨道因大型养路机械周期性的起道及拨道作业，造成轨道平面及纵断面位置发生变化，与原绝对位置不再重合。为确保轨道的平顺性及道床的稳定性，需对轨道绝对偏差值进行优化，而后进行作业。高速铁路受接触网影响，对大型养路机械起拨道作业有严格要求，一次起拨道量不得大于30 mm；桥梁、隧道等地段作业后应满足高速铁路限界要求。

4.2 作业数据分析

选取某高速铁路有砟轨道一段线路，其作业前后实测绝对偏差与优化后偏差对比见图4。图4中A线为优化后实际作业数据，B线为实测线路绝对偏差数据，粗实线表示作业后实际线路中心线位置。对实测绝对偏差数据进行分析，该段线路纵断面起道量值均大于30 mm，不能满足高速铁路线路大型养路机械起道作业要求；平面偏差平均拨道量值约为15 mm，且向曲线外股连续拨道，不利于线路的稳定性。数据优化后起拨道作业量大幅减少，并保证了线路平顺性及道床稳定性；优化后最大起道量约为30 mm，拨道量最大约为10 mm，优化后作业数据满足相关规范要求。

图4 实测绝对偏差与优化后偏差对比

4.3 作业效果分析

南宁铁路局管内柳南与南昆客运专线及南广线精测精捣区段优化作业前后TQI值对比见图5。优化作业后线路动态检测平均TQI值比作业前平均下降0.6 mm，线路质量提升幅度较大，达到高速铁路有砟轨道综合维修目标值，满足高速铁路轨道平顺性要求。

图5 优化作业前后TQI值对比

5 结论与展望

通过对轨道不平顺解决方法的研究，有效提高了大型养路机械维修作业质量，解决了因轨道不平顺造成的线路病害，减少了现场工作量，确保了高速铁路有砟轨道的高平顺性及安全性。通过对设计速度200～250 km/h的高速铁路有砟轨道线路TQI值的分析表明，当TQI值大于3.6 mm时，应安排大型养路机械进行精测精捣及人工精调轨距；宜按优化起拨道量数据进行大型养路机械作业；综合维修周期应控制在1.5～2.0年，高速铁路低速区段（设计速度小于160 km/h）维修周期应控制在1.0年。作业方法和作业数据应满足现场实际情况及铁路线路维修作业相关规范要求。

高速铁路有砟轨道不平顺解决方法也适用于普速铁路的大型养路机械综合维修养护作业。由于普速铁路没有精测控制网，无法测量线路平纵断面的绝对偏差，不同于高速铁路有砟轨道中线三维坐标测量采用的相对测量方法，但其优化原理及作业方法与高速铁路有砟轨道相同。

[1] 潘超．新型轨道不平顺波形检测系统研究[J]．中国铁路，2013(3)：55-57.

[2] 铁运〔2013〕29号 高速铁路有砟轨道维修规则 （试行）[S]. 北京：中国铁道出版社，2013.

Solutions to Irregularities o f HSR Ballasted Track

SUN Hejin，ZHANG Jie
(Nanning Railway Adm inistration，Nanning Guangxi 530029，China）

The longitudinal level and irregularity of high speed railway are two factors directly in fluencing the running safety and com fort of high speed trains. the testing content for HSR irregularity and main factors determining the track irregularity are introduced and relevant maintenance program is prepared according to the TQI (track quality index); data is collected for plan and pro file deviations and requirements on measurement station establishment principles, accuracy and data collection intervals are elaborated; the track lining process is optimized by plan and pro file optimization, data calculation, actually measured data optimization and maintenance data analysis; the onsite operation conditions, operation data and operation effect are analyzed as well.

high speed railway；ballasted track；irregularity；solution；deviated data collection；track lining volume

U216

A

1001-683X（2017）09-0047-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.09.047

中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2016G003-E）

孙和金（1981—），男，工程师，本科。E-mail：sunhejin2006@126.com

责任编辑 李葳

2017-05-11