运营高铁重点监测地段轨道变形测量评估分析方法

李 昊 唐浩耀 郑旭东 陈 铮 谭社会 张献州

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 611756； 2.中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071)

轨道是铁路运输的基础，轨道的高平顺性是列车能够高速行驶的前提条件[1]。在高速铁路运营期间，受自然环境变化、桥梁和路基的沉降、列车荷载以及铁路周边施工等因素的影响，导致轨道线形发生变化，致使列车左右摇摆和上下颠簸，影响列车运行的安全性、平稳性、舒适性[2]。为了使线路平顺性满足运营的需要，必须对轨道进行测量及养护维修。目前，众多的学者对轨道平顺性检测展开了研究，董志国[3]等采用递推测量法原理对轨道的不平顺性进行检测，给出了利用递推测量法计算铁轨高度方向上几何量的具体算法。陈强[4]等提出基于车载近景摄影采集轨道数字图像以检测轨道线形的方法，该方法采用轨面移动平台搭载数码相机采集连续高分辨率数字影像，使用近景摄影测量空间解析几何模型，平差解算轨道测点三维坐标。在运营期高速铁路咨询评估方法上，张宇昕[5]等提出了运营期高速铁路重点地段综合变形监测评估方法。黄雨微[6]等结合运营高铁精测网复测与基础变形监测项目，探讨了运营高铁精测网复测与基础变形监测咨询评估管理模式。但目前针对运营高铁重点监测地段轨道变形测量评估分析方法的研究较少，且我国运营期高速铁路轨道线形检测具有复杂性、周期性、长期性等特点，因此，建立一套完整的运营高铁受环境变化影响的轨道变形测量数据质量控制与变形分析的评估方法，更好地分析评价轨道几何状态，以满足高速列车对轨道平顺性的要求，是当前亟需解决的问题之一。

1 线形测量数据检核内容及标准

高速铁路线路是由路基、轨道、涵洞、桥梁和隧道建筑物等部分构成的整体工程[7]。线形是指铁路中心线的空间位置，由线路平面和纵断面上的直线及曲线组成。高速铁路线路的中心线在水平面上的投影称为线路平面，表示线路在平面上的曲直变化状态。线路平面由直线段、缓和曲线段和圆曲线段构成。高速铁路中心线沿铅垂剖面纵向展直后所得的立面称为线路纵断面[8]，体现了线路的高低起伏情况。线路纵断面由直线段和圆曲线段构成。

1.1 车载全站仪免置平设站轨道线形测量

目前运营铁路工务部门运营维护中采用的轨道线形测量方式有4种模式：(1)车载全站仪惯导型轨道测量仪；(2)GNSS惯导型轨道测量仪；(3)里程计惯导型轨道测量仪；(4)扫描仪惯导型轨道综合测量仪。其中，车载全站仪惯导型轨道测量仪是兼顾高精度与效率的“相对测量”和“绝对测量”在机械、电子、软件、信息、功能等方面的一体化集成轨道测量方式[9]，该模式在进行轨道测量时，首先通过车载免置平全站仪自由设站测量，观测沿线布设的4对CPⅢ控制点，见图1，获得轨道测量仪的绝对位置，并通过惯导系统获取轨道测量仪的初始姿态[10]。当轨道测量仪获得起始位置信息后，快速推动轨道测量仪前行，通过陀螺仪或惯导模块采集线路相对轨迹，使用轨道绝对位置信息(即全站仪免置平设站成果，免置平设站间距为60～100 m)对线路相对轨迹进行约束，从而得整条线路每个轨枕处的绝对位置信息和轨道平顺性信息。

图1 车载全站仪惯导型轨道测量仪作业示意

利用全站仪进行自由设站时，自由设站点的精度及全站仪完成自由设站后，CPⅢ控制点的坐标不符值应满足表1的要求[11]。

表1 全站仪自由设站点精度指标

1.2 轨道变形测量的内容及其精度评定

轨道线形测量是掌握高速铁路轨道线形质量状态的主要手段，也是指导铁路线路现场养护维修的主要依据。根据测量方式的不同，线形测量可分为直接测量和间接测量[12]，直接测量数据包括依靠轨检仪自身集成的距离、倾角传感器，记录轨道的轨距、水平(超高)，以及通过CPⅡ、CPⅢ等外部控制测量基准测量轨道的三维空间坐标。间接测量是以直接测量的成果为基础，借助线路设计参数，通过数学方法计算获得的，间接测量数据主要包括里程、中线偏差、轨面高程偏差、轨向、高低、扭曲(三角坑)等指标。

以上指标可以评价轨道平面及纵断面的相对位置关系，并且为高速铁路轨道的整正工作提供理论依据。TB10601—2009《高速铁路工程测量规范》对高速铁路平顺性指标作了相应的规定[13]。对线形测量数据进行精度评定，评定的主要内容有外业测量数据的内几何尺寸、外几何尺寸、搭接精度等[14]。

内几何尺寸主要包括编码差、轨距粗差率、水平粗差率等，其中编码差指编码器采集的测点里程与计算出的测点里程之差的绝对值。轨距粗差率是指作业中轨距的均值与逐个测点的轨距值之差中粗差占总测点数的比例。水平粗差率是指作业中水平(超高)的均值与逐个测点的水平值之差中粗差占总测点数的比例。

外几何尺寸主要包括最大间距、距离修正点、垂向修正点、横向修正点等，其中最大间距是指在全站仪跟踪测量期间，全站仪自动暂停时轨检仪推行距离。距离修正点是指相邻测点间距过大，在计算中对相邻测点间距进行修正的点。垂向修正点指测点高程与附近测点趋势不符，小波计算时进行垂向修正的测点。横向修正点指测点平面与附近测点趋势不符，小波计算时进行横向修正的测点。

1.3 轨道不平顺性

为科学有效的评价铁路轨道的几何质量状态，我国铁路部门通过对轨道实测数据进行数学统计计算，以此来对区段轨道质量状态进行评价[15]。该方法充分利用待评价轨道区段范围内所有样点数据的指标特征值，对相应范围内的轨道质量几何状态进行评价，是我国评价轨道不平顺性的先进技术手段。

由于无砟轨道和时速200 km及以上有砟轨道铁路平顺性和轨道养护精调精度要求高，因此该类型的线路应进行轨道静态平顺性分析，对于采用轨道测量仪测量的时速200 km以下有砟轨道铁路可根据需要进行轨道静态平顺性分析。目前我国动检车轨检主要采用轨道质量指数(TQI)来描述铁路轨道的平顺性，TQI通过计算200 m区段范围内轨距、水平、扭曲、左右轨向和高低七项轨道不平顺指标的标准差之和[16]，来综合判定该区段范围内的轨道平顺性，TQI指数反映了200 m区段范围内轨道的平顺性，相应的TQI值越大，表明轨道平顺性质量越差，对列车的运行安全越不利[17]。TQI计算公式为

(1)

(2)

(3)

针对不同速度的轨道线路，铁路管理部门相应的设定了不同的TQI质量评价指标[18]，见表2。

表2 高速铁路轨道静态平顺度允许偏差

平顺性分析成果有利于工务部门评估线路的运行质量。无砟轨道铁路线路复测主要以相对定位平顺性检测为主，绝对坐标主要用于评价线路的变形。

双线并行地段上下行同断面横向及垂向偏差对比，对于分析线路结构的整体性及是否存在横向差异沉降具有较为重要的作用，在重点段落还可进一步结合轨道控制网CPⅢ的建网和复测成果进行分析，通过多源数据对比以增加分析结果的可靠性。

2 轨道变形测量评估分析方法

针对区域变形重点监测地区、并涉铁施工、大机捣固等复杂线路工况下铁路局运营高铁轨道变形测量数据质量控制与变形分析咨询评估项目，结合多条线路的实践经验，全面系统的总结了一套行之有效的运营高铁重点监测地段轨道变形测量数据质量控制与变形分析评估方法，其流程见图2。

图2 轨道变形测量评估分析流程

运营高速铁路轨道线形测量作业具有安全压力大、天窗时间短、质量要求高、数据处理快捷等特点。为此，积极运用信息化管理手段开展测量作业与数据分析，以更好地指导铁路的养护维修生产，针对某铁路局运营高铁轨道变形测量数据质量控制与变形分析咨询评估项目，开发了“运营铁路技术咨询评估服务平台”，该平台是集线形数据处理和数据管理于一体的服务平台。平台采用B/S系统结构，在浏览器中对轨道变形测量数据进行评估，平台主要功能有工作完成统计、工程分段信息、两遍数据比较、成果数据展示、作业数据管理、质量进度管理、作业评估结果等，见图3。

图3 作业成果数据展示

在测量项目部将线形数据传至评估单位后，评估人员使用分配的账号、密码登录“运营铁路技术咨询评估服务平台”系统。登录主界面后，点击轨道线形监测中相应的项目类型，选择相应工程，点击作业数据管理，选择作业数据上传，进入作业数据上传页面；点击导入数据，选择线路类型(有砟、无砟)，填写作业遍次，选取计算软件生成的压缩包，填写操作日志，点击保存，完成文件上传。

评估结果页面有本作业的分数和评估结果，数据成功上传后，进入评估信息界面，查看作业评估结果、搭接信息、精度分析、建站精度分析等，见图4。

图4 作业评估结果

为进一步验证轨道线形测量的精度，在利用平台对线形数据评估的基础上，结合前后数期轨道线形测量数据，对双线并行地段上下行同断面横向及垂向偏差对比分析。同时，通过计算每200 m区段范围内轨距、水平、扭曲、左右轨向和高低七项轨道不平顺指标的标准差之和，得到该区段的轨道质量指数，以辅助评估轨道线形测量的精度。

3 案例分析

杭深线正线全长约360 km，设计时速250 km，沿线穿越海积平原及海湾滩涂地等大量不良地质带，力学性质差，地质条件复杂。温州鹿城环贸港项目选址位于杭深线瓯江特大桥西侧，里程K582+350～K582+700范围内，为评估温州鹿城环贸港项目施工过程中，对临近铁路带来的影响，特对该线路K582+100～K582+900区段范围进行线形监测，并对其大机捣固后的一期(2020年9月21日)线形测量数据进行质量控制和变形分析。

3.1 轨道线形检测建站精度分析

在该期轨道线形测量任务中，上下行共完成19次全站仪自由设站。对全站仪自由设站点精度进行统计分析可知，所有全站仪自由设站的站心三维坐标中误差均小于1 mm。对参与全站仪自由设站的CPⅢ控制点的坐标不符值进行统计可知，共有28个点参与平差计算，CPⅢ线路横向不符值最大值为2.068 mm，共2个点超过限差；CPⅢ线路纵向不符值最大值为-4.584 mm，均在限差以内。因此，就整体而言，上下行不整平自由设站满足精度控制的指标要求。

3.2 线形测量数据精度检核

为检核大机捣固后该段线形测量数据的精度，将原始线形测量数据导入运营铁路技术咨询评估服务平台。数据上传成功后，进入作业管理界面，查看作业评估结果、作业搭接结果、作业精度分析等。对该期上下行线形数据各项指标进行统计，见表3。

表3 上下行线形精度指标统计

由表3可知，该区段上下行线形测量数据满足精度控制的指标要求。

3.3 轨道横向及垂向偏差对比分析

为进一步说明轨道线形测量的精度，更好的反应大机捣固前后轨道线形的变化，结合该区段大机捣固前的一期(2020年6月17日)轨道测量数据和大机捣固后的两期轨道测量数据(2020年9月21日期次和2020年11月4日期次)，并对三期上下行横向及垂向累计变化量进行分析，见图5、图6。

图5 大机捣固工程整治结果分析

由图5、图6可知，大机捣固前，上行线和下行线横向累计变化量最大值分别为-36.51，-31.68 mm，垂向累计变化量最大值分别为-37.58，-37.21 mm；大机捣固后，2020年9月21日期次和2020年11月4日期次，该区段上行线和下行线横向变化、垂向变化趋势相近。由此可见，该区段在大机捣固前轨道横向、垂向变化显著，轨道几何质量状态较差，经过大机捣固后轨道线形质量得到明显的改善，邻近涉铁施工未对区段轨道造成明显影响，轨道线形状态保持良好。

图6 大机捣固工程整治结果分析

3.4 轨道平顺性分析

轨道质量指数(TQI)一般由动检车给出，由于未得到动检TQI相关佐证数据，为了辅助说明大机捣固后轨道线形改善情况，这里利用大机捣固后轨检仪三维监测的上行K582+093～K582+911、下行K582+103～K582+911段数据计算轨道质量指数(TQI)，得到每200 m区段左高低、右高低、左轨向、右轨向、轨距、水平、三角坑等七项轨道尺寸不平顺指标的标准差及标准差之和即(TQI)，参考规范规定设计速度为200～250 km/h的轨道质量指数(TQI值应在8 mm内)，具体计算指数见表4。

表4 大机捣固后上下行轨道质量指数

由表4可知，该区段上下行TQI均在8 mm以内，可见经过线形维护后，线形较上次观测线形平顺性明显改善。

4 结论

基于某铁路局运营高铁轨道变形测量数据质量控制与变形分析咨询评估的实践经验，提出了一套完整的运营高铁重点监测地段轨道变形测量评估分析方法。该方法首先利用运营铁路技术咨询评估服务平台对原始线形数据进行建站精度和作业精度进行评估，待上述精度符合相应规范要求后，结合多期轨道线形测量数据，对双线并行地段上下行同断面横向及垂向偏差对比分析，同时通过计算每200 m区段范围内的TQI，以辅助分析轨道线形测量的精度。实验结果如下。

(1)利用服务平台对原始线形数据进行建站精度分析和作业精度分析合格后，计算该线路每200 m区段范围内的TQI均在8 mm以内，结合双线并行地段上下行同断面横向及垂向偏差对比分析，该区段轨道在大机捣固后，邻近涉铁施工未对区段轨道造成明显影响，轨道线形状态保持良好。

(2)提出的运营高铁重点监测地段轨道变形测量评估分析方法，能够有效分析评价轨道几何状态，为区域变形重点监测地区、涉铁施工、大机捣固等复杂线路工况条件下保障高速铁路运营安全提供技术支撑。