无砟轨道误差合成分析与应对措施

邹振中,赵东田,刘 伟

(1.铁道部宜万铁路建设指挥部,湖北恩施 445000;2.铁道部工程管理中心,北京 100844; 3.中铁十八局集团公司技术中心,天津 300222;4.武汉铁路局,武汉 430071)

无砟轨道误差合成分析与应对措施

邹振中1,2,赵东田1,3,刘 伟1,4

(1.铁道部宜万铁路建设指挥部,湖北恩施 445000;2.铁道部工程管理中心,北京 100844; 3.中铁十八局集团公司技术中心,天津 300222;4.武汉铁路局,武汉 430071)

根据误差理论和现场数据统计分析,可认为轨道几何参数误差呈正态分布,将无砟轨道各施工阶段的误差源组成进行了简单剖析,定量或定性地分析了制造产生的误差、测量仪器系统误差、施工操作误差、混凝土浇筑产生的影响误差,提出选择合理施工方案、重视扣件系统管理和保证轨道测量可靠等是使合成误差尽可能降低的控制措施。

宜万铁路;无砟轨道;误差;评价;改进措施

1 概述

无砟轨道具有“高精度、高平顺性、耐久性”的结构特点,从施工方案选择、底板施工、轨枕(板)铺设、混凝土(CA砂浆)浇筑、换铺长钢轨、钢轨预打磨,到轨道的动态检测和顺利运营,其观测数值和精度受到诸多确定和随机性因素的影响[1～3],需要提高施工过程中的精度控制,也就是最大可能地降低误差,通过对误差源和误差传递规律系统分析,使其合成误差最小或者说达到最优程度。本文以施工控制最为复杂的CRTSⅠ型双块式无砟轨道为例,结合宜万线、秦沈线、温福线、武广、福厦线、襄渝二线等铁路的数据统计进行分析,并提出应对措施。

2 双块式无砟轨道设计及施工现状

2.1 结构形式

轨道结构按跨区间无缝线路设计,道床板为耐久性C40钢筋混凝土,60kg/m无螺栓孔500m新钢轨, WJ-7A型扣件,轨道结构断面见图1。

图1 CRTSⅠ型双块式无挡肩无砟轨道结构断面(单位:mm)

2.2 特点

结构稳定的无砟轨道是高速度铁路轨道的首选形式[4～12],但其对技术要求极高,从测量控制、施工过程等方面都需要严格控制误差,以最大可能减少合成误差来满足以下要求。

(1)提供稳定的轨道结构和平顺的运行表面。

(2)保证旅客舒适度。高速行车时,车体发生共振,横向加速度增大,不仅要控制10m弦长的线路不平顺,也要消除相应敏感波长的线路不平顺。

2.3 施工现状

由于对无砟轨道施工误差产生、各种误差传递缺乏判识或重视程度不够,出现了许多值得思考的教训,如CRTSⅡ型双块式的测量多次传递误差、较大的扣件误差;一些线路上的错误使用轨道几何状态测量仪、未正确处理重叠搭接段数据,造成一些周期性不平顺、降低了过程控制精度,放大了误差等,导致无砟轨道初始精度不高,后续调整工作量大;某些项目的无砟轨道施工完毕后,初始精度不高,铺轨后的轨道调整工作量很大,扣件更换件多,前后轨道整理时间达6个月甚至更长,以至于某些无砟轨道调整扣件量达到20%以上。

3 误差及误差传递

误差是某未知量的观测值与其真值的差数。该差数称为真误差。测量工作中,对某个未知量进行观测必定会产生误差。一般情况下,某未知量的真值无法求得,此时计算误差时,用观测值的最或然值代替真值(观测值的最或然值是接近于真值的最可靠值)。

根据无砟轨道施工过程、动态检测和我国广大铁路专家学者的研究,为便于分析,从系统误差和随机误差等方面以目标函数形式来表示最终误差。

式中 Ki——影响权值;

φ——系统误差;

ε——随机误差;

n——误差存在项数。

3.1 误差源

静态检测主要指标分为轨距、水平、中心线、轨向和弦长,根据无砟轨道各施工阶段存在误差特点,其误差主要存在项主要有:选择的施工方案、精密控制网精度、底部的沉降变形、轨枕定位和轨排组装误差、扣件系统误差、钢轨偏差、测量仪误差、混凝土浇筑影响、道床板质量影响、长钢轨铺设和线路锁定影响、行车的影响,静态与动态测量数据的检测差异等。

3.2 误差的组成及分析

轨道最终的误差是各阶段产生的各种各样误差的组合,也称为合成误差,无论是理论分析还是实践验证,各种误差对轨道轨距、中线、波长等参数的影响权值是不同的,需要分开研究。为便于综合认识无砟轨道的误差产生,下面从设备、测量、施工和人员方面等四大类来分析。

3.2.1 制造产生的误差

(1)钢轨。包括作为中介工具循环使用的工具钢轨(即工装)和换铺到线路上的正式钢轨2类。

作为高速铁路和客运专线上使用的钢轨,断面尺寸和制造工艺比一般线路用钢轨严格得多,影响较大的项目和允许偏差:高度允许偏差±0.6mm,断面不对称—轨头≤0.5mm、底≤1mm,轨头宽度±0.5mm,轨底宽度±1mm,轨底平整度—凹陷≤0.3mm;端面垂直度≤0.6mm。

因此,作为轨道上的正式钢轨,可控制的是选择合格供应商和按照检验频率检查,并在现场定期、定批复查确认,包括出场检验的可靠性、吊运中有无损伤、焊接质量是否符合要求等,在动态验收和运营前采取对钢轨进行打磨措施,尽可能消除钢轨头部的裂纹萌生区、钢轨周期性和非周期性短波不平顺。

而作为施工过程中的工具钢轨,是循环使用的,呈周期性,它对轨道结构最终的合成误差影响大,因此所占权值要大,误差控制也要更加严格。为了便于现场工人的操作和减少误差积累,可把工具钢轨的主要指标定为:高度允许偏差0.3mm,轨头断面不对称≤0.5mm,轨头宽度0.5mm,轨底宽度0.5mm,轨底坡1∶(40±2)。

(2)扣件。包括铁垫板、绝缘缓冲垫板、轨下橡胶垫板、轨距块、弹条等。

设计中,铁垫板轨底坡1∶40,铁垫板、绝缘缓冲垫板、轨下橡胶垫板的厚度均是定值,弹条扣压力根据部位和低阻力、标准阻力要求分为达到 100～120N·m和300～350N·m等。由于铁垫板为铸铁制造,工艺所限,其离散性是比较大的,根据检测统计,有60%的偏差达到0.4～0.7mm,5%的偏差达到0.8～1.2mm,个别甚至达到2mm,同时绝缘缓冲垫板和轨下橡胶垫板也存在一定量的小偏差。

由于铁垫板上的螺栓孔是椭圆形,其轨距调整量可在+12～-12mm范围内无级调整,若不加以控制,其安装导致的轨距和中线偏差40%～60%也会达到2～6mm,最大的甚至超过12mm。

综上所述,扣件系统安装虽然是一道很简单的工序,但它可能产生的误差却很大,因此,应当将组装轨排用的扣件原位保留,通过轨排精调将该系统可能产生的不利影响消除在道床板混凝土浇筑前。

3.2.2 测量仪器的系统误差

按测量误差对观测结果影响性质的不同,测量误差分为系统误差和偶然误差两大类。系统误差是指在相同的观测条件下,对某量进行的一系列观测中,数值大小和正负符号固定不变,或按一定规律变化的误差。无砟轨道施工,控制它的是三级精密控制网和目前精度最高的轨检仪(由全站仪和测量小车两部分组成),轨检仪可提供内部的相对轨道几何状态(轨距、超高、高低、轨向)和外部的绝对轨道几何状态(高程、中线)。

系统误差具有累积性,对观测结果的影响很大,但它们的符号和大小有一定的规律。因此,系统误差可以采用适当的措施消除或减弱其影响。通常可采用以下3种方法。

(1)观测前对仪器进行检校。如,确保仪器的几何轴线关系的正确性,确保水平的平稳性。

(2)采用适当的观测方法,如,全站仪尽量在CPⅢ点中间设站,困难条件下,全站仪距离最近CPⅢ点的最短长度也不能小于15m;换站测量时要联测3对CPⅢ点。

(3)研究系统误差的大小,对观测值加以改正。如,根据现场温度改正温度差影响,通过研究建模形式和公式来提高对测量结果的评判和合理处理数据。

3.2.3 施工操作误差

现代管理理论认为,人的因素是第一位的,先进的设备和仪器是基础,而测量人员的思想素质、技术水平则是保证检测质量的重要保证[13]。总结武广线的精调经验[14],甚至可以说,轨道调整工作的成败,不取决于对精调技术掌握的熟练程度,而决定于现场管理的严谨性和管理水平。可以从测量示值误差和调整到位程度来说明这个问题。

(1)测量示值误差

如果测量人员没有严格执行班前仪器检核、补偿,仪器由于搬运振动会造成示值的不真实而产生大的误差或者说错误。如,水平没有检核,现场甚至出现过10mm的错误示值;双轴补偿纵、横向指标差(l,t),垂直编码度盘指标差(i),水平视准差(c),水平轴倾斜误差(a),自动目标识别的瞄准误差(ATR)值的检核补偿不到位,高程、中线的示值与真值间的偏差会超过2mm。

大风、强烈阳光、灰尘,人员流动性较大,施工现场各种非可控因素的影响等恶劣环境,会造成补偿器稳定性较差,造成仪器对话框提示数据出现错误或者较大的数据偏差。

对CPⅢ复测、棱镜安装质量、仪器支立状态不细致、严格,达不到操作要求的情况下,测量数据也会出现偏离其真值2mm以上的粗大误差。

(2)轨道的调整误差

根据偏差逐步消除的原则[15],将轨道调整分为准确就位、粗调和精调3个工步;准确就位目的是减少粗调工作量、提高整体施工效率和减少排架变形;粗调目的是使轨道分级逐步逼近设计位置,精调目的是使轨道结构达到较精确的三维定位、整体趋于均匀和平顺。如果轨道调整次数过少,会导致一次调整量大,使工具轨产生塑性变形、牵动前后调整点发生变化,增加了误差。不合理的操作一般会增大误差值0.3,甚至达到1.0mm。

3.2.4 混凝土浇筑产生的影响误差

包括施工方案和无砟轨道工程特点产生的误差,不同的方案产生的扰动值不同。

(1)工具轨法,该工法是将钢轨作为工具用于现场组装轨排,通过精密螺杆调节器和地锚、轨距调节器、边撑等来调整和固定轨排。操作人员和混凝土浇筑对轨距、中线、高程、轨向等参数的影响比较大,如,混凝土浇筑前后变化幅值轨距有的达到1.5mm,中线达到1.0mm。

(2)轨道组合排架法[15～16],该工法是将轨排框架作为工具用于现场组装轨排,轨向、轨距和水平等参数通过工厂精确加工的组合排架来自动满足轨道内部几何状态,其集成化性能好、刚度大,轨道调整、固定系统由轨排框架螺柱支腿和轨向锁定器(无级调整)完成。轨距误差可严格控制在1mm以内,操作人员和混凝土浇筑对中线、高程、轨向等参数的影响也可控制在0.3～0.5mm以内。该工法对合成误差的影响取决于排架加工误差和使用中的组合与调整。

3.3 误差传递

在实际测量工作中,某些量的大小往往不能直接观测到的,未知量的值是由直接观测值通过一定的函数关系间接计算求得的。因此,观测值的误差必然使得其函数带来误差。如有2个随机量之和的方差为

式中:Kx1x2为x1、x2的相关矩。

3.3.1 静态

(1)轨距,为相对几何参数。最终误差主要由测量示值误差和混凝土浇筑影响组成。

(2)中线,为绝对几何参数。最终误差主要由测量示值误差、扣件制造安装误差、仪器系统误差、测量操作误差、混凝土浇筑影响和数据顺接处理误差组成。

(3)高程,为绝对几何参数。最终误差主要由测量示值误差、仪器系统误差、测量操作误差、扣件和钢轨制造误差、混凝土浇筑影响和数据顺接处理误差组成。

(4)轨向,为相对几何参数。最终误差主要由测量示值误差、钢轨制造误差、混凝土浇筑影响和数据顺接处理误差组成。

(5)高低,为相对几何参数。最终误差主要由测量示值误差、扣件制造误差、混凝土浇筑影响和数据顺接处理误差组成。

(6)水平,为相对几何参数。最终误差主要由测量示值误差、钢轨制造误差、混凝土浇筑影响产生的误差组成。

3.3.2 动态

轨道动态调整是在联调联试期间根据轨道动态检测情况对轨道局部缺陷进行修复,对部分区段几何尺寸进行微调,对轨道线形进一步优化,使轮轨关系匹配良好,进一步提高高速行车的安全性、平稳性和乘座舒适度,是对轨道状态和精度进一步完善、提高的过程,使轨道动、静态精度全面达到高速行车条件。一般来讲,当静态检测良好、精度控制比较高、扣件联结状况优良,过程施工控制都到位的情况下,动态检测也是容易过关的,动态检测可以在动态中发现过程控制中的部分错误和较大误差的复合超限。

4 减少合成误差的相应措施

可采用控制论的手段来系统把握各施工环节,保证无砟轨道综合施工质量。

4.1 减少各分项误差

(1)仔细研究编制施工方案,吸收目前国内比较成熟的技术与经验,起点要高,减少各分项误差,使得其变化幅值小,明确每一工序的精度控制指标,尽量减少误差积累。

(2)合理选择、使用和保护好工装设备。一是测量仪器、混凝土检测设备;二是混凝土浇筑设备;三是轨道精调支撑固定系统。

(3)认真进行工艺性试验段建设和全面分析总结,仔细观测和研究工装设备、操作人员、混凝土品质、测量方法对无砟轨道施工精度的影响(误差)。

(4)按照施工工艺精细、规范作业,保证轨排调整精度,正确处理支撑位置、间距、接头顺接,工具轨清洗干净等细节。

(5)WJ -7型扣件原位留用,并注意组装顺序及操作要点。

①清除轨枕或轨道板承轨面的泥污。②绝缘缓冲垫板孔与预埋套管孔对中。③铁垫板螺栓孔中心与套管孔中心对正(图2,右图)。④使平垫块距圆孔中心较长一侧朝内。⑤锚固螺栓螺纹部分涂满铁路专用防护油脂旋入预埋套管中;在锚固螺栓拧紧前调整铁垫板位置使铁垫板上标记线与平垫块上的标记线对齐。⑥用专用扳手按照扭矩要求上紧螺栓,扣件与轨枕顶、钢轨底密贴,弹条前端3点要与轨距块密贴(双控措施)(图2,左图);⑦复查此轨排的螺栓安装质量及轨枕间距;⑧检查轨距方向,如有不适,横向挪动铁垫板予以调整,必要时将平垫块调头使用。

图2 WJ-7型扣件T型螺栓安装

(6)高度重视每个环节的测量工作。①CPⅢ按要求测设、评估、验收和批准后方可用于无砟轨道测量施工;②轨道几何状态测量仪要检验校定合格,按照说明书要求,进行日常校验和比对校验;③全站仪后视CPⅢ的点数和上一阶段的重叠点数要满足要求(通常不少于3对),按规定方法进行平差,平差不满足要求,不得进行下一步测量;④轨排的调整定位分步进行,精度控制指标宜逐步达到;⑤正确处理搭接段施工,下一步段施工测量时,一定要搭接复测上一施工段,较大偏差要按精度要求顺平。

(7)高度重视轨道测量人员的素质,确保测量数据真实可靠。测量人员必须经过专业培训;测量仪器检校补偿满足精度要求;测量方法、设站精度等必须科学、合理。

(8)换铺长钢轨工序应规范,钢轨焊接满足平顺标准。

铺轨之前,必须对扣件进行全面、彻底清理,经监理检查验收后,方可进行铺轨施工。无缝线路放散、锁定后,将扣件作为主要项目严格按照规定标准进行验收。轨道静态调整之前,应对钢轨、扣件状态进行全面检查确认后方可进行测量和调整,否则,测量的数据是不真实的,据此调整的精度是不可靠的。提高焊缝打磨精度,无缝线路锁定后,应对所有焊缝进行全面检查,不合格接头必须重新处理。

(9)联调期间应安排计划全面检查,轨道调整后必须对扣件状态进行复查确认。要保证扣件安装正确,无缺少、无损坏、无污染、无空吊,扭力矩达到设计标准(±10%),弹条中部前端下颏与轨距块凸台间隙≯0.5mm,轨底外侧边缘与轨距块间隙≯0.3mm,挡肩与轨距块间隙≯0.3mm。

4.2 重视信息收集和反馈

建立反馈控制、现场控制、预先控制的综合控制系统,形成闭环控制。

(1)加强技术管理。通过设立的施工先行段试验来总结掌握技术,调整补充和固定工艺、方法。

(2)加强对扣件和焊缝的检查。扣件、焊缝的局部缺陷对静态精度和低速行车的影响甚微,但对于高速行车(250km/h以上)影响非常大,甚至危及行车安全。动力学检测中出现的减载率、脱轨系数偏大的主要原因是焊缝平顺性不好,扣件扣压力不足和垫板不密贴等。

(3)严格标准化,分工明确,规范程序化作业,精细化作业,制定奖惩措施,做到管理到边到底。

4.3 重视理论分析,提高对现场各项数据的综合评判和正确处理能力

观测值接近真值的程度,称为准确度,愈接近真值,其准确度愈高。

系统误差对观测值的准确度影响极大,在观测前,应认真检校仪器,观测时采用适当的观测法,观测后对观测的结果加以计算改正,消除系统误差或减弱至最低可以接受的程度。一组观测值之间相互符合的程度(或其离散程度)为精密度。准确度与精密度两者均高的观测值才称得上高精度的观测值。

偶然误差作为主要研究对象,根据其统计特性,当对某量有足够多的观测次数时,其正负误差可以互相抵消。因此,可以采用多次观测,并取其算术平均值的方法,来减少偶然误差对观测结果的影响而求得较为可靠的结果。

根据偶然误差的特性对该组观测值进行数学处理,求出最接近于未知量真值的估值,根据观测值的偶然误差大小,来评定观测结果的质量,即评定精度。

在一定的观测条件下,偶然误差的绝对值不会超过一定的限度。根据数理统计和误差理论,在大量等精度观测中,偶然误差绝对值大于1倍中误差出现的概率为32%;大于2倍中误差出现的概率仅为4.6%;大于3倍中误差的出现的概率仅为0.3%。在实际测量中观测次数很有限,绝对值大于2倍或3倍的误差出现机会很小,取2倍中误差作为容许误差,如果观测值超出上述限值的偶然误差,可视该观测值不可靠或出现了错误,应舍去不用,尤其是在钢轨接头部位,应据现场实际情况综合判断、正确取值。

5 结语

由以上分析可看出,无砟轨道施工精度是轨道精度的基础,是控制的源头,关注重点是选择合理的施工方案、扣件系统的管理,轨道测量的可靠。无砟轨道施工精度对后期的轨道调整影响巨大,施工精度高,则调整工作量小,调整件用量少,容易获得较高轨道精度和综合质量。所以,将无砟轨道施工精度严格控制在允许范围内是科学、合理和必要的,而精度控制的关键和实质是对各子系统误差的控制和最大可能的减少,从而达到最终合成误差最小的目的。因此,降低误差的主要措施可认为是以工程控制技术主线,将程序、标准贯彻落实到每个工作岗位,解决人员素质、设备工具导致的可避免的误差传递,解决主要矛盾、减少次要矛盾。

[1] 何华武.无砟轨道技术[M].北京:中国铁道出版社,2005.

[2] 赵东田.双块式无砟轨道原理及工程实践[J].铁道标准设计, 2008(10):1 -5.

[3] 赵东田.双块式无砟轨道施工质量控制技术及措施[J].铁道工程学报,2009(5):24 -27.

[4] 卢祖文.客运专线铁路轨道工程[M].北京:中国铁道出版社,2008.

[5] 赵东田.高速铁路精密控制网布设和量测分析[J].山东大学学报(理学版),2009(12).

[6] 赵东田,孙 晖.CRTSⅠ双块式无砟轨道综合整理技术[J].铁道标准设计,2009(11):28 -30.

[7] 朱 颖.客运专线无砟轨道铁路测量技术[M].北京:中国铁道出版社,2008.

[8] 赵东田.贯彻新理念 提高过程控制标准 确保无砟轨道控制精度[J].铁道标准设计,2010(S1):59 -62.

[9] 段昌炎,邹振华,赵东田,等.创时速321.5km客运专线长轨铺设综合技术[Z]∥湖北省重点科技成果(二等奖).武汉:2005.

[10] 雷晓燕.轨道力学与工程新方法[M].北京:中国铁道出版社, 2002.

[11] 卢祖文.铁路轨道结构及维修[M].北京:中国铁道出版社,2002.

[12] 赵国堂.客运专线轨道动态检测中应注意的几个技术问题[J].中国铁路,2005(4).

[13] 王行广.检测质量控制[M].北京:中国铁道出版社,2002.

[14] 伍 林.CRTSⅠ双块式无砟轨道精调技术研究[J].铁道标准设计,2010(1):74 -79.

[15] 赵东田,宗德明,胡华军,等.客运专线双块式无砟轨道组合轨道排架法施工工法∥2007～2008年度铁道部部级工法.铁道标准设计,2009(S1).

[16] 赵东田,朱鹏飞,上官涛,等.隧道双块式无砟轨道的控制技术和提高精度措施[J].现代隧道技术,2009(9).

U213.2+44

A

1004 -2954(2010)08 -0041 -05

2010 -05 -10

邹振中(1967—),男,高级工程师,1991年毕业于石家庄铁道学院桥梁专业。