一种引导铺轨机铺设隧道内有砟轨道的新型测量方法的研究

摘要：铺轨机在隧道内铺设有砟轨道的传统测量方法以“巡线导航”方式进行，该作业方法在测量过程、引导线安置、距离计算等环节对轨道中线有一定影响，造成铺轨机在隧道内铺设有砟轨道的精度难以保证且效率低下。目前，采用高精度“智能全站仪+智能终端App”融合测量技术指导铺轨机在隧道内铺设有砟轨道作业，该技术除了具有外业操作简单、成果信息精准、保证轨道铺设精度、大幅提升作业效率等优点外，还具有较高生产实效性和应用推广价值。

关键词：智能全站仪 智能APP 通信模块 App控制模块 数据传输

Research on a New Measuring Method for Guiding Track Laying Machines to Lay Ballasted Track in Tunnels

MA Zijun1 LI Xian2 LI Xiaopeng1 LIANG Ke1

1. Lanzhou Railway Technician College， Lanzhou， Gansu Province， 730050 China;2. Precision Measurement Company of Xinyun Engineering Co. Ltd.， of China Railway First Group， Xi'an， Shanxi Province， 710103 China

Abstract： The traditional measuring method of track laying machine laying ballasted track in tunnel is carried out in the way of "line-guiding navigation"， which has certain influence on the center line of the track in the process of measurement， placement of guide lines， calculation of distance， etc.， making it difficult to guarantee the accuracy of track laying machine laying ballasted track in tunnel and reduces the efficiency. At present， the high-precision “intelligent total station + intelligent terminal App” fusion measurement technology is adopted to guide the track laying machine to lay ballasted track operation in the tunnel， which not only has the advantages of simple field operation， accurate information of results， guaranteeing the precision of track laying and greatly improving the operation efficiency， etc.， but also has the advantages of high productive effectiveness and the promotional value of application.

Key Words： Intelligent total station; Intelligent App；Communication module; App control module; Data transmission

轨道测量放样是轨道施工过程中非常重要的一个环节，测量放样的质量和精度直接决定了轨道装配成果的可靠性与铺轨施工进度。相较于传统轨道测量放样技术，现有的高精度“智能全站仪+智能终端App”融合技术以智能化计算为支撑，突出智能App搭载的具有独立计算、设计、存储、控制等功能的模块，通过网络终端数据传输，实现人机自主对话，是一种融合高精度“智能全站仪+智能终端App”服务于铺轨机在隧道内铺设有砟轨道的智慧测量技术。该测量技术通过在App设计模块内输入轨道设计数据资料，由App控制模块操控全站仪完成设站并获得测站坐标，全站仪观测铺轨机机头位置上方棱镜，观测经计算获得的线路实测成果与已输入的线路某里程设计数据在App计算模块内进行比对计算，得到实测结果与设计结果偏差。在全站仪的外挂通信模块电台发送比对结果至铺轨机通信模块电台终端后，铺轨机驾驶室操作平台根据接收到的终端实时显示偏差数据作为定位参照，调整和指引铺轨机走行。该技术以智慧测量为切入点，赋能智能计算，具有高精度、智能化、内外业一体化等优点。此项技术作为铺设隧道内有砟轨道的一项新技术，随着其在施工生产中通过验证，后续在相关领域作业中必将被广泛推广、应用。

1 传统作业模式

保证轨道的高平顺性与精确的几何尺寸是轨道施工测量的重点与难点［1］。轨道测量放样是轨道施工过程中非常重要的一个环节，测量放样的质量和精度不仅直接决定了轨道装配成果是否满足行车需要，而且测量放样速度对全线铺轨工程工期进度也有重要影响。传统铺轨机作业采用“巡线导航”方式，该方案通过测量轨道边桩偏距位置，在线路中心放置白色麻线作为引导线，在铺轨机走行过程中，由安置在铺轨机机头中心位置的摄像头瞄准该线作为定向参照，通过图像识别技术计算出摄像头采集图像中点离引导线的距离，据此反馈给铺轨机，间接引导并实现铺轨机自动驾驶。该作业方法受引导线安放、图像采集、距离计算等方面误差影响，不能保证观测成果与线路中线的准确契合，且铺轨工作效率低下。

2 现有测量方法

现有测量方法以智能化计算为支撑，通过网络终端数据传输，实现人机自主对话，是一种融合高精度“智能全站仪+智能终端App”服务于铺轨机在隧道内铺设有砟轨道的智慧测量技术。测量作业时，首先，全站仪利用无线蓝牙模块连接智能终端App，由App控制模块操控全站仪，通过对已知坐标CPⅡ、CPⅢ控制点上安置的棱镜采用后方交会法观测，可完成设站并获得测站点坐标。然后，利用全站仪对铺轨机机头位置上方的棱镜头进行观测，把观测数据传输至智能终端App，借助App搭载的设计、计算、存储、控制等功能，通过计算模块运算，可直观显示线路某里程实测坐标值与该里程设计结果间偏差。最后，铺轨机驾驶室操作平台通过App传输功能同步获得偏差数据，操控平台据此信息指导和调整铺轨机走行，可实现铺轨机在隧道内精准、快速铺设有砟轨道。该法信息化程度高、外业操作简单、成果信息精准、作业速度快，不仅保证了轨道铺设精度、且大幅提升了作业效率。

3 测量技术原理

该测量方法最核心的技术是：测量技术赋能于智能终端App搭载具有独立计算、设计、存储和控制等功能的模块，App控制模块操控仪器，可实现全站仪对铺轨机机头位置上方棱镜头进行观测并获取观测结果；App计算模块经运算获得线路某里程实测坐标和线路该里程设计坐标，并可完成同步比对。具体步骤为：在App设计模块内输入轨道设计数据资料，通过App控制模块操控全站仪完成设站并获得测站坐标；全站仪观测铺轨机机头位置上方棱镜头，观测数据经计算获得的实测成果与已输入的线路某里程设计数据在App计算模块内进行比对计算，得到实测结果与设计结果偏差；通过全站仪外挂通信模块电台发送比对结果至铺轨机通信模块电台终端后，铺轨机驾驶室操作平台根据接收到的终端实时显示偏差数据作为定位参照，调整和指引铺轨机走行。铺轨机走行时，控制模块操控全站仪锁定棱镜，开启跟踪测量模式，实时传输观测数据，显示铺轨机偏差。全站仪一次设站可完成500 m范围内有砟轨道铺设，通过重复设站、观测、调整等过程，可完成隧道内全部有砟轨道铺设。“智能全站仪+终端App”测量工作原理见图1所示。

4 作业过程

该测量技术作业流程见图2所示。

4.1 准备工作

准备全站仪与附件（棱镜组、三脚架、连接件等），测量作业用的全站仪要经过专业机构检定，且应在检定有效期限内。在使用全站仪时，要先检查仪器通讯端口是否开通并进行相关设置，同时，完成智能终端App配置，智能终端App采用无线连接方式与全站仪、铺轨机组上的接收设备连接。有砟轨道作为铁路最基本的结构形式之一[2]，在轨道铺设工程施工过程中，问题的产生是在所难免的，施工人员和管理人员应重视这方面的管理。在测量时，管理人员要为测量工作制订相关的专业工作管理制度，有效实施管理，杜绝因测量人员作业产生的隐患，严格要求测量工作符合规定制度，确保测量工作的准确性[３]。在工作人员方面，所有参与铺轨施工的测量人员应具有过往同类型工程工作经验，能够熟练使用智能全站仪，并在开工前通过对智能终端App功能、连接和应用的全面与系统培训，且考核合格，具备独立操作该系统和解决突发技术故障的能力。

4.2 线性编辑

线路测量是对线路设计意图和结果的具体体现，线路要素、参数和起算数据正确输入则是线路测量成果准确的重要保证和前提。在智能终端App中输入相关线性数据之前，首先，需按测绘行业 “先检核后使用”“双检制”要求，采用独立和平行作业方式对相关图纸设计参数的正确性进行检核；其次，确认设计成果符合精度要求后，根据App线路输入方式，结合线路设计已知数据条件，在终端App内新建项目，打开设计文件输入菜单，依次输入平曲线、竖曲线、加宽、超高、轨距等线路相关参数，完成线路编辑；最后，在控制点成果文件内导入设计单位移交的CPⅡ、CPⅢ控制点成果。

4.3 隧道内控制点复测

洞内控制点复测的目的，一方面是对前期控制测量成果按相同等级和测量方法进行检核，确认成果是否满足规范要求；另一方面是复测，对因施工过程中保管不善丢失的控制桩点进行恢复，保证后续施工测量需要。施工单位应对特定导线点进行相应测量，对测量结果进行细致复查，将数据和测量计算方法进行结合，得出各项数值，并与之前的数据进行相应的参照对比，检查两者之间的数据差异。差异满足限差要求时，以定测成果为准；如果超限，则需上报设计单位协同解决。目前，洞内控制点复测常用高精度智能全站仪通过导线测量方法进行，导线测量具有点位布设灵活、外业观测量较小、观测过程简单、数据可采用软件平差等优点。该测量方法现在隧道洞内平面控制测量工作中被广泛应用。通过导线测量的方法对隧道内的CPⅡ控制点进行复测时，为保证外业观测成果的可靠性，除采取外业观测时关闭风机、控制点点位距离隧道侧壁应保持一定距离、各导线边长要大致相等、瞄准目标时保证必要照明条件、外业观测采用三联脚架法等有利条件外，洞内导线应布设为由附合导线和附合环组成的导线网，以闭合图形作为角度，观测值检核条件并进行平差，此举可有效减小测角误差对导线观测成果的影响，提高导线横向精度。导线网布设如图3所示。

图3 导线网示意图

4.3.1 外业观测

导线外业观测前，应先将仪器开箱放置20 min左右，让仪器与洞内温度保持基本一致。在洞口测站观测时，为保证洞内外观测条件一致，观测宜在傍晚或阴天进行。观测时，应现场测量和记录气压和气温值，并输入仪器自动进行气象改正。洞内控制测量时，为了最大限度地消除测站与目标偏心对短边测量的影响，必须正确选择和精心校正各种对点标志和设备，采取多次对中且每次将仪器底座与照准的棱镜底座旋转 180°再精平对中等措施[4]。同时，为了获得高精度观测成果，测量作业时，可采取停运隧道运砟车辆、关停风机等措施，保证洞内无明显震动，并减小灰尘、遮挡物和光源对测量作业的影响，保证洞内的较好测量观测条件。

4.3.2 数据处理

高铁轨道施工测量技术是新时期高铁项目建设中轨道工程施工测量的重要工艺[5]。在每天的外业观测结束后，测量人员应立即对当天的观测数据进行整理、复核和验算，检查外业观测成果的各项指标是否符合规范要求，对超限部分须及时进行外业补测，保证全部合格。观测数据检核合格后，首先，把地面观测值投影到参考椭球面，进行第一次投影改算；然后，把经投影至参考椭球面改正后的观测值投影到高斯投影面，进行第二次改算。经两次改算后，若实测导线边长与坐标反算边长之差满足投影变形要求，同时，控制网角度闭合差、方位角闭合差和导线全长相对闭合差均符合规范要求后，可进行下一步严密平差。平差后，把CPⅡ控制点复测坐标与设计坐标进行比较，当X、Y坐标差值不大于±15 mm且相邻点间坐标差之差的相对精度小于1/80 000时，可判定设计单位移交的CPⅡ控制点精度满足规范要求，并采用该成果。

4.4 全站仪设站

全站仪设站的目的是以地面已有控制点数据为参照，在仪器内部建立实地坐标系。轨道测量时，该项工作通常按后方交会的方法，采用自由设站形式确定测站坐标，采用自由设站控制网测量，可以有效地保护控制网标志，提高轨道平顺性，也为运营后维护提供基准，具有相邻精度高、数量多、永久性好、控制范围长、易使用等众多优点 [６]。使用该方法设站时，测站点要大致设置在铺轨长度500 m中间位置，各后视点间要通视且不能位于危险圆上，以满足设站观测的需求。智能终端App连接全站仪后，通过App控制模块操控全站仪进入设站功能，对铺轨长度前后250 m范围内的控制点进行依次顺序观测，获得测站坐标，偏差在限差范围内，完成设站。

4.5 铺轨机上的棱镜观测及结果反馈

全站仪设站完成后，在App界面内，利用控制模块操控全站仪直接观测铺轨机组上方的棱镜，把观测得到的数据经App计算模块运算后，与输入的线性数据比对，得到铺轨机在线路某里程实际坐标与该里程设计坐标间的偏差，把该偏差数据通过无线传输同步到铺轨机操作室终端显示平台，机组驾驶操作人员可按照终端显示的偏差调整设备走行。铺轨机组调整铺设方向，在App界面内可设置调整参数，走行调整按里程从小到大增加方向。正偏差显示铺轨机要向左调整，负偏差显示铺轨机要向右调整。

4.6 连续观测

在App界面内，通过控制模块操控全站仪瞄准观测并锁定铺轨机组上的棱镜后，打开激光引导线，开启全站仪连续测量模式，由App计算模块运算观测数据，同步计算线路该里程实测坐标与设计坐标间的偏差，把偏差结果无线传输到铺轨机操作室终端显示平台，由机组操控人员根据终端显示偏差调整设备走行，引导铺轨机组进行有砟轨道铺设，直至铺轨机完成500 m长轨铺设。对于下一段500 m长轨铺设，可利用拖拉车拖拽钢轨的时间段同步完成仪器迁站，持续重复该操作过程，直至完成隧道内有砟轨道铺设施工任务。

5 结语

传统测量技术引导铺轨机在隧道内铺设有砟轨道的作业方法受作业空间、作业条件和作业技术影响和限制，在成果精度、工作效率、作业过程等方面都存在不同程度问题。高精度“智能全站仪+智能终端App”融合技术打破了过去“巡线导航”传统理念，突出智能App搭载具有独立计算、设计、存储和控制等功能的模块，通过控制模块，操控全站仪完成建站并进行观测，根据观测成果反算，进一步确定测站点与铺轨机组上棱镜、铺轨机所在里程与设计里程间的联系和相对位置关系，最终计算出机组线路实时位置与设计结果间的偏差，并据此调整和引导铺轨机精准走行。该技术以智慧测量为切入点，赋能智能计算，具有高精度、智能化、内外业一体化等优点，同时大幅度提升了工作效率，对后期机养施工数据利用也提供了较大便利。该测量方法的产生为铺轨机在隧道内铺设有砟轨道高效作业提供了新思路、新理念和新工艺，随着此项技术在施工生产中通过验证，其必将在相关领域作业中得到广泛推广和应用。

参考文献

[1]郭沈凡，程栋.基于CPIII的地铁轨道施工测量技术研究[J].现代测绘2020，43（2）：15-19.

[2]张智海，肖宏，甘天成，等.三枕捣固装置激扰下有砟轨道振动传递及衰减特性试验研究[J].铁道学报，2024，46（3）：21-31.

[3]涂小毅，刘迎，朱江枫.城市轨道交通工程铺轨施工测量技术及设备管理[J].大众标准化，2023（16）：42-44.

[4]许家伟，吴迪军．城市轨道交通工程精密导线控制测量[J].城市勘测，2023（3）：155-158.

[5]张韶强.高铁轨道施工测量技术在地铁项目中的应用分析[J].工程建设与设计，2022（24）：144-146.

[6]王心旺.城市交通轨道施工测量技术应用分析[J].四川水泥，2022（12）：203-205.