浅谈道岔三维定位及精确测量

浅谈道岔三维定位及精确测量铁路运输是我国的主要交通运输工具，铁路运输线则是我国国民经济的大动脉，在国家建设中占据着主要地位，随着铁路的六次大提速，铁路运输的主题是安全性，安全生产的关键是设备和人身安全。铁路线路是铁路运输的基础，是为了进行铁路运输所修建的固定路线。是铁路固定基础设施的主体。分为正线、站线及特别用途线。正线是连结并贯穿分界点的线路。站线包括到发线、调车线、牵出线、装卸线、段管线等。特别用途线包括站内和区间的安全线、避难线及到企业厂矿砂石场等地点的岔线。根据线路意义及其在整个铁路网中的作用，划分为3个等级：Ⅰ级铁路：保证全国运输联系，具有重要政治、经济、国防意义和在铁路网中起骨干作用的铁路，远期国家要求的年输送能力800万吨；Ⅱ级铁路：具有一定的政治、经济、国防意义，在铁路网中起联络、辅助作用的铁路，远期国家要求的年输送能力≥500万吨；Ⅲ级铁路：为某一地区服务，具有地方意义的铁路，远期国家要求的年输送能力500万吨。随着我国改革开放的深入和经济的高速发展，对铁路运输的需求也在增加，铁路运输的发展着重于高速和重载运输，这样就会加重铁路线路的承载力从而造成铁路线路的损害，影响铁路运输。因此对轨道线路的养护维修也有一定的要求，我身为铁路工务部门的一员，如何搞好工务线路设备的维修与养护工作是我的责任，铁路安全运输具有重要的意思。因此，就要加强对铁路线路的养护维修，提高铁路线路的抵抗能力，因而了解和掌握铁路线路常见的病害分析及养护、整治至关重要。目前道岔养护维修手段已不能满足铁路高标准发展要求。为此，道岔的养护维修投入新技术、新方法势在必行，只有这样才能满足铁路高速发展。工务部门习惯于原始的养护维修手段，用肉眼观察法来判断道岔几何尺寸的位置偏差，长期以来，起、拨道的累积和叠加，会导致道岔与既有设计空间位置出现严重的偏差。采用三维定位系统可以确定道岔的空间位置，道岔发生空间位置偏差可以及时发现，根据偏离高差来调整道岔的空间状态。原始的维修方法是用肉眼来确定道岔的水平、方向、高低等几何尺寸，由于目视误差对大水平、大方向不容易控制，借助三维定位系统，可以将道岔与道岔前后的线路调整到同一水平面和同一条直线上。针对目前原始的道岔养护维修方法存在的弊端和误差，提出利用三维定位方法养护维修道岔的新思路，并详细介绍了使用三维定位系统进行道岔养护诶秀的施工组织设计，提出该方法能精确控制道岔位置，减少线路晃车，提高了维修质量，值得推广。铁路旅客列车运行速度提高，为实现运行条件下，旅客列车的安全性和舒适性，要求轨道必须具有高平顺性，和精确的几何线性参数包括轨道内部集合尺寸与外部几何尺寸如规矩、轨向、高低、水平、扭曲、与设计高程及中线的偏差等，精度要求控制在1mm到2mm范围内。因此对铁路进行精密测量并保持高精度是建设铁路的关键技术之一。铁路精密工程测量技术标准核心是研究确定平面和高程控制网的精度要求，以满足铁路施工控制要求进而保证铁路的安全平稳运行。根据铁路轨道平顺性精度高的要求，线路必须具备非常准确的几何参数。轨道的几何参数测量包括一定的外部几何尺寸测量和内部集合尺寸测量。轨道的外部几何尺寸是轨道在三维坐标系中的坐标和高程，外围几何尺寸的测量也称之为轨道的绝对定位。内部几何尺寸及轨道自身的几何尺寸包括轨距、水平、以及轨道纵向高低和方向的参数。内部几何尺寸的测量也可以称之为轨道的相对定位。铁路轨道必须具有精确的几何线型，精度要求控制在±1mm到2mm之间，测量控制网的精度在满足线下工程施工控制测量要求的同时必须满足轨道铺设的精确要求，使轨道的几何参数与设计的目标位置之间的偏差保持最小，而轨道的铺设施工和线下工程施工放样是通过由各级平面高程控制网组成的测量系统来实现的。为了保证轨道与线下工程的空间位置坐标、高程相匹配，需根据铁路探测施工运营维护设立精密测量控制网。一、三维定位及精确测量的重要意义。铁路在当今运输事业中占有不可替代的位置，线路作为铁路的主要部分，其作用更是不能忽略。铁路提速、列车对数增加及轴重加大，对工务设备质量提出了更高要求。轨道线路精细化修理已经成为目前工务系统工作的首选方法之一。目前道岔养护维修手段已不能满足铁路高标准发展要求。为此，道岔的养护维修投入新技术、新方法势在必行，只有这样才能满足铁路高速发展。工务部门习惯于原始的养护维修手段，用肉眼观察法来判断道岔几何尺寸的位置偏差，长期以来，起、拨道的累积和叠加，会导致道岔与既有设计空间位置出现严重的偏差。采用三维定位系统可以确定道岔的空间位置，道岔发生空间位置骗吃可以及时发现，根据偏离高差来调整道岔的空间状态。原始的维修方法是用肉眼来确定道岔的水平、方向、高低等几何尺寸，由于目视误差对大水平、大方向不容易控制，借助三维定位系统，可以将道岔与道岔前后的线路调整到同一水平面和同一条直线上。随着铁路速度的大幅提高,特别是高速铁路的不断涌现,将要求轨道必须具有高平顺性和精确的几何线性参数,因此对铁路进行精密测量将非常重要。本文以精密工程控制测量为基础,阐述了铁路线路精密测量的原理、方法、步骤以及未来发展方向。二、道岔三维定位系统的建立1、道岔定位桩的设置。道岔定位桩按岔区单元统一设置，每组正线12#、9#道岔设置5个定位桩,18#道岔设置7个定位桩，设置位置分别位于：基本轨接头（岔头）、尖轨限位器（跟端）、辙叉跟端（岔尾）各设置一个定位桩，其余两个定位桩加密设置在尖轨中部和导曲中部，18#道岔在以上部位在加两个定位桩。岔区前后50米各埋设1对定位桩，夹直线及岔前岔后200米线路可20--25米设置一定位桩，如含曲线，直缓点位置必须设一定位桩，进曲线不必在设置定位桩位。在岔区设置永久观测桩，岔区每单元第一组及最后一组道岔前顺坡终点前50m各设置一个，站线长的岔区可在岔区中心位置在加设一组。在保证全站仪视线良好的情况下设置（注意躲开接触网杆），用以对定位桩定期进行复测及恢复定位。2、定位桩的制作与埋设。道岔定位桩采用60kg/m废旧钢轨制作。道岔定位桩埋设在直股一侧，直股位于两线间时埋设在两线中心，复线地段要尽量埋设在两线间以便共用。定位桩在路基上埋深不小于800mm，基础采用混凝土浇筑，断面不小于600×600mm，基础顶面与地面平齐。定位桩顶面不高于线路钢轨顶面且不低于200mm，定位桩中心距离直股钢轨外侧面间距不小于1500mm（两线间除外），且不宜大于2000mm。3、道岔定位桩的编号及油刷在对道岔定位桩进行编号前，先将岔区划分单元，以大里程往小里程进行划分，重车线大里程岔区编制为第一单元，小里程岔区编制为第三单元，空车线大里程岔区编制为第二单元，小里程岔区编制为第四单元。在单元岔区编制的时候要注意，一个站场存在中间岔区时按照奇数偶数进行顺序编制，便于记忆标注。岔区单元确定后就进行定位桩编号，岔区定位桩按岔区单元以里程前进方向顺序编号。例如一单元定位桩自第一个定位桩开始设置为1-1，1-2，……1-n。现场若存在一单元与二单元共用一个定位桩的情况时，对共用定位桩标注为G，多个共用定位桩时按序号进行标注G1,G2……GN。定位桩的油刷，定位桩埋设完成后，统一油刷为白色，并在定位桩顶面中心位置用红油漆标注出中心点。定位桩油刷的数据主要是定位桩与钢轨的高程及位移，定位桩数据标注于定位桩对应的钢轨外侧轨腰部位，采用红底白字，文字和数字用40×30mm的字体，高程与位移中间空出一个字体的距离。例如L=1111G=111。三、道岔三维定位的方法1、现场布点及数据采集在对岔区单元进行三维定位前要对岔区单元进行布点，方便后期数据采集使用。岔区单元布点从第一个定位桩开始为第一点，往后没5米拉一点，在钢轨上进行标准，一直布到最后一个定位桩位置。在对岔区单元进行布点时要注意，有的定位桩可能不在刚好的5米点位置，遇到这个情况要在将定位桩对应的钢轨轨面与上一点的距离标注出来，并对定位桩进行单独标注。布点工作完成后，利用全站仪测量单元岔区的钢轨坐标，进行原始数据的采集。全站仪采用自由设站的方式测量站场岔区钢轨坐标，则该段坐标是以全站仪所在点为（0，0）点，以最远端的第一点和最后一点为（1，0）（L，0）点建立坐标系，随后逐个测量各个点。2、坐标转换与建立新的坐标系在取得单元岔区上钢轨各个点坐标后，将个点坐标在CAD中以图形的方式展现出来，选择基准坐标建立新的直角坐标系。一般采用起终点为新的坐标基准点，将1点设为原点，坐标设为（0，0），另一终点坐标设定为（L，0），L为1点到N点的直线距离，两点间直线距离在布点时就已经求出，不需要在另行计算。3、测量数据的出来与优化计算个点与新坐标系极限间的方位角，首先计算新坐标系原点与终点，即1点到N点形成的直线与老坐标系之间的方向角α，之后逐点计算1-2，1-3，…1-（N+1）之间与老坐标之间的方向角β2，β3，…，α-βN即为各线段与新坐标之间的方向角，以θ表示。方向角计算公式如下：α=arctan[(y1-y2)(x1-x2)]η=α-θn4、逐点转换坐标根据三角函数相关公式，逐点转换实测坐标至新坐标系下：X=Ll-ncosηY=Ll-nsinη5、水准仪高程数据采集通过属准以采用闭合导线水准测量方法，一般从一个单元去另一个单元回，进行三维定位桩处的高程数据采集，并对纵断面拉坡。高程测量较为普遍，在此不做描述。