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全站仪在既有线养护维修中综合应用北京铁路局工务处2005-02&秦皇岛近几年来，为适应国民经济和铁路自身跨越式发展的需要，铁路先后进行了五次大规模提速。由于在历次提速改造工程中，大量具有高科技含量的新技术、新设备的相继使用，以及列车速度和行车密度的提高，给工务维修工作带来的极大干扰，传统的工务维修手段和修程、修制面临新的挑战。大家知道，铁路轨道从线路平面上看，不外乎直线和曲线两种。单就线路方向来说，就是直线要直，曲线要园。能满足这种要求的养护维修手段有很多，但都或多或少的存在这样那样的弊端，难以适应提速后线路养护维修的需要。传统线路养护维修手段存在的问题目前，在工务维修工作中多采用目测法，就连技术含量较高的的曲线测设，也主要是绳正法和偏角法两种。但由于偏角法需要在线路上架设经纬仪，受行车干扰太大，测设效率较低，所以既有线曲线维修养护过程中，大多采用还是绳正法。在提速改造以前，上述维修养护工作方法发挥了巨大作用，但随着提速列车的大面积开行，对轨道几何尺寸的要求越来越高，其弊端也逐渐显露出来。下面，我们就重点阐述一下既有线提速区段应用绳正法测设曲线存在的几个主要问题。绳正法测设曲线存在的几个主要问题“绳正法”整正曲线，主要是测量曲线的正矢。圆曲线上正矢的大小与曲线半径、弦长有关，当弦长一定时，半径大的，正矢小，半径小的，正矢大，其近似计算公式为f=l2/8R。应用“绳正法”测量曲线要求在无风的天气里，每测点测量2~3次取平均值。并且要求在测量前，最好先将曲线前后的直线拨直，把一切不正常的弯曲（鹅头）拨入曲线范围以内，当曲线方向很差时，还需要预先荒拨一次。内业整正计算需要多次进行测量正矢倒累计、正矢差累计、半拨量、拨量的试算，计算过程烦琐。绳正法测设曲线存在的几个主要问题在大提速的形势下，未测量先拨道，是很难做到的。同时在现场测量时受天气（如风力）和人员技术素质的影响较大，测量数据往往存在一定误差。再加上在其计算过程中存在大量积累误差传递，满足不了提速形势下轨道几何尺寸的精度要求，致使现场难以实现曲线整正目的。即使一时满足了《维规》有关曲线圆顺度的规定，却不能够切实改善、恢复线路的平面技术状态。绳正法测设曲线存在的几个主要问题可既有线在经过机车车辆的长期作用下，曲线会经常发生变化，曲线头尾出现鹅头甚至反弯，个别曲线还会因为不科学的养护方法，发生较大的方向偏差和位置变动，造成曲线晃车以及水加病害的集中出现，影响列车的平稳运行。这就需要我们对曲线进行及时整正，保证列车运行安全。但“绳正法”却存在着计算烦琐，不能满足提速后对轨道几何尺寸精度要求和为保证整正效果。而进行“未测量先拨道”的不足，所以我们认为“绳正法”在既有线提速区段作为曲线日常的一般检查手段有其不可替代的价值，但作为既有曲线的测设整正手段却急需改进和提高。为此，我们引进全站仪，就曲线测设整正进行了探索和研究。全站仪介绍1．全站仪的概念–简单的说，全站仪就是全站型电子速测仪。•在传统的测量中，人们已经提到了“速测法”，它是指一种从仪器站同时测定某一点的平面位置和高程的方法。而速测仪就是根据速测法原理而设计的测量仪器。最初速测仪的距离测量是通过光学方法来实现的，我们称这种速测仪为“光学速测仪”。•随着电子测距技术的出现，大大地推动了速测仪的发展。出现了用电磁波测距仪代替光学视距经纬仪的“电子速测仪”。然而，随着电子测角技术的出现，这一“电子速测仪”的概念又相应地发生了变化，根据测角方法的不同分为半站型电子速测仪和全站型电子速测仪。•半站型电子速测仪是指用光学方法测角的电子速测仪，也有称之为“测距经纬仪”。这种速测仪出现较早，并且进行了不断的改进，可将光学角度读数通过键盘输入到测距仪，对斜距进行化算，最后得出平距、高差、方向角和坐标差，这些结果都可自动地传输到外部存储器中。•全站型电子速测仪则是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统，测量结果能自动显示，并能与外围设备交换信息的多功能测量仪器。由于全站型电子速测仪较完善地实现了测量和处理过程的电子化和一体化，所以人们也通常称之为全站型电子速测仪或简称全站仪。全站仪介绍2．全站仪的基本组成–由上所知，全站型电子速测仪是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储系统等组成，它本身就是一个带有特殊功能的计算机控制系统。从总体上看，全站仪有下列两大部分组成：•1)为采集数据而设置的专用设备：主要有电子测角系统、电子测距系统、数据存储系统，还有自动补偿设备等。•2)过程控制机：主要用于有序地实现上述每一专用设备的功能。过程控制机包括与测量数据相联接的外围设备及进行计算、产生指令的微处理机。只有上面两大部分有机结合，才能真正地体现“全站”功能，即既要自动完成数据采集，又要自动处理数据和控制整个测量过程。全站仪介绍九十年代以来，随着计算机技术的不断发展与应用以及用户的特殊要求与其它工业技术的应用，全站仪出现了一个新的发展时期，出现了带内存、防水型、防爆型、电脑型等等的全站仪，使得全站仪这一最常规的测量仪器越来越能满足各项测设工作的需求。从上述介绍来看，应用它来进行线路维修养护的测设工作具有不用上线、不受行车干扰，以及测量快速、准确的优点，无疑是我们线路维修的得力助手。全站仪在线路维修工作中的应用由于全站仪是具有电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统，所以他能够完成曲线设计整正、直线方向调整等大部分线路维修的测量工作。因为直线方向调整和曲线设计整正原理基本相同，所以在这里我们只就全站仪测设、整正曲线的原理和测设方法进行讲述。全站仪在线路维修工作中的应用（一）全站仪测设、整正曲线的原理–1、全站仪的曲线测量原理•我们知道“线”是“点”的集合，所以，任何一条铁路曲线都可以在平面直角坐标系中得到表示。一条曲线切线上的各点和曲线上各点在平面直角坐标系中都有一对（x,y）值与之相对应。这就是全站仪测量曲线的原理，也就是说——全站仪测量曲线就是测量曲线上各点的坐标。全站仪在线路维修工作中的应用（一）全站仪测设、整正曲线的原理–2、利用全站仪进行曲线整正设计的原理•(1)曲线切线及转向角的求取直线（曲线的切线）和曲线在平面直角坐标系中遵循“两点定线”、“三点定圆”的平面解析公式，其理论图形和理论方程方程推演如下：根据左图所示，设（x1,y1）、（x2,y2）和（x6,y6）、（x7,y7）四点，均分布在曲线两切线上，则：全站仪在线路维修工作中的应用(1)曲线切线及转向角的求取①、切线1的直线方程为：(Y-y1)/(y2-y1)=（X-x1）/(x2-x1)(y2-y1)X+[-(x2-x1)]Y+[y2(x-x1)-x1(y2-y1)]=0其斜率k1=(y2-y1)/(x2-x1)②、切线2的直线方程为：(Y-y6)/(y7-y6)=（X-x6）/(x7-x6)(y7-y6)X+[-(x7-x6)]Y+[y7(x-x6)-x6(y7-y6)]=0其斜率k2=(y7-y6)/(x7-x6)(2)转向角的求取将两条切线视为任意坐标系中的有向（沿测量方向为正）线段，首先分别求出两切线与X轴之间的正向夹角，从而得到转向角α。全站仪在线路维修工作中的应用（3）曲线设计半径的求取如下图所示，设（x3,y3）、（x4,y4）和（x5,y5）为圆曲线上的三点，（x0,y0）为曲线圆心坐标，则有：(x5-x0)2+(y5-y0)2=R2(x3-x0)2+(y3-y0)2=R2(x4-x0)2+(y4-y0)2=R2联立上述方程，解出该曲线建议半径R（这个半径R是我们设计整正曲线的参考值，他告诉我们曲线设计半径应该围绕他来选取）。全站仪在线路维修工作中的应用（一）全站仪测设、整正曲线的原理–2、利用全站仪进行曲线整正设计的原理上述原理的实际应用就是我们的曲线测设和整正原理，请看下图：将既有曲线（图中细线）置于任意平面直角坐标系中，任意选取（x1,y1）、（x2,y2）、（x6,y6）、（x7,y7）为既有曲线外直线（方向直顺区段）上的四点，（x3,y3）、（x4,y4）和（x5,y5）为既有曲线圆曲线部分的三个特征点，应用上面所述方程，解得设计曲线（图中粗实线）的切线方程和曲线转角α以及设计曲线的建议整正半径R。再选取适当缓和曲线，应用支距法化算出设计曲线与既有曲线里程相对应各点的设计坐标，将其与既有曲线上的各点坐标值进行代数运算得到曲线整正拨量。需要注意的是在设计计算结束后，要及时进行线间距、建筑物限界的检算，发现问题，要及时调整。全站仪在线路维修工作中的应用（二）全站仪测设曲线的测量方法1、测量仪器和机具准备序号仪器、机具单位数量备注1全站仪台12棱镜块4~63转点架个1430米钢尺把25方尺把26对讲机台9~147线间距、建筑物记录手薄本1~28油漆若干9石笔、毛笔若干全站仪在线路维修工作中的应用（二）全站仪测设曲线的测量方法2、人员组织工作项目人数备注防护2里程丈量3司尺2人，划标1人建筑物及线间距丈量3司尺2人，划标1人司镜1~2全站仪自动存储数据时1人测点棱镜3转点架设1合计13~14全站仪在线路维修工作中的应用（二）全站仪测设曲线的测量方法3、测设步骤①在曲线外，选直线方向直顺的处设置测量起点，而后用钢尺、方尺按每20米（为保证大机应用精确法拨道，最好5米）一点沿曲线中线进行里程丈量，并逐点作好标记。②逐点测量各点线间距，以及相临建筑物的限界尺寸，并作好记录。③选择对整个测量范围通视处所，架设全站仪，选择坐标测设功能。若通视条件不好，还应选择适当处所架设转点棱镜。④逐点测量既有曲线上的各点坐标。⑤测量完最后一个测点，需后视测量起点处2~3点、二次测量终点处2~3点，该4~6点的二次测量误差不能大于20mm/km。⑥将测量资料读入计算机，进行内业的整正计算。全站仪在线路维修工作中的应用（二）全站仪测设曲线的测量方法4、需要注意的问题①、一定要选取足够长度的直线段，或则预先将直线部分拨直、拨顺。测量起点位置，一定要选择在方向直顺的直线上。②、两曲线相距较近时，最好是连测连算。③、当测设曲线外的直线部分伸入岔区时，进行曲线计算时，一定要注意保证至少有两个直线控制点在道岔主线上。全站仪在线路维修工作中的应用（二）全站仪测设曲线的测量方法5、测设中，转点的设置方法在通视条件不好的情况下，测量作业时，需要设置转点，为了保证该次作业在一个任意坐标系中，应注意按下述步骤进行转站：①、设置作业→增加作业→设置初始测站→输入初始测站坐标（x=0,y=0）→保存→按‘F4’开始测量②、测量转点坐标→起名并保存③、转站后，重新开始作业→选择原作业→设置该转点→输入该转点名→输入该转点坐标→确认并保存→进行坐标定向→检索上一测站号并确认→照准上一测站→测存→按‘否’→按‘F4’继续测量并复核转站前最后一测点→复核无误继续曲线整正与直线定向软件的使用本软件是从现场维修养护工作的工作实际出发而编制的，具有数据采集、既有曲线测设整正、长大直线定向等功能，能够一次完成多行别、多曲线的整正任务。但由于时间关系，数据的自动实时采集模块尚未完成，以待进一步完善解决。曲线整正与直线定向软件的使用单击“开始”并将鼠标指针移动指向“程序”，弹出程序栏，将鼠标指针指向“既有曲线整正与直线定向”，单击“既有曲线整正与直线定向”该系统启动（如图2-1）完成，进入图2-2所示系统界面。曲线整正与直线定向软件的使用1、数据录入在该模块中有手工录入、由全站仪读入、实时随机录入三项功能，后两项因时间关系尚未完成，所以该版本只能使用第一项功能。鼠标指向“数据录入”，弹出下拉菜单，单击“手工录入”，弹出录入窗口如下曲线整正与直线定向软件的使用1、数据录入依次输入线名、起点里程、点数、测点间距。需要注意的是，某行若没有数据，应将某行里程赋空、某行测点数置“0”。而后弹击“输入测点数据按钮”：曲线整正与直线定向软件的使用1、数据录入数据输入时请遵守以下约定：“既有线间距”顺里程增大方向，本行左临线间距为正，本行右临为负，单位米。“备注”目前只能在既有曲线前后的直