多模式测量下普速铁路轨道精捣作业及效果评估

王鹏 楼梁伟，3 张也 何复寿 叶晓宇

1.北京铁科特种工程技术有限公司，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081

随着铁路技术进步和改革的不断深入，普速铁路精细化维修已成为必然趋势。对于普速铁路参考高速铁路轨道精测精调作业模式［1］，依据精测数据制定大型养路机械维修方案并指导大型养路机械精确捣固，可实现对轨道长波不平顺以及线形线位的有效控制，提高普速铁路线路测量和维修质量，延长线路设备维修周期［2-3］。

我国运营普速铁路捣固作业多采用近似法，即根据捣固车检测系统检测到的线路水平、轨向误差指导起拨道作业，使线路达到近似平顺状态［4］。受捣固车自身检测弦长限制，采用近似法只能基本满足平顺性要求，不能完全消除线路轨向、高低等几何参数的偏差。如当前国内最先进、精度最高的DWL-48型捣固稳定车，其起道弦线长度仅15.0 m，拨道弦线长度仅16.7 m，无法检测出对旅客乘坐舒适性有较大影响的长波不平顺［5-6］。尽管部分厂家在捣固稳定车上配置了二维激光准直系统［7-8］，但其仅能在长大直线段作业，且存在准备时间长、激光对准效率较低等问题，与我国铁路天窗时间紧、作业效率要求高的现状不符，在现场施工中不适用。此外，部分工务段采用水平尺和水准仪测量线路水平、高差等数据，通过人工计算得到起拨道量，在捣固车作业前按一定间隔标注在轨枕上，该方法存在人工干扰因素大、作业效率低等问题［9］。总之，目前我国运营普速铁路捣固维修作业主要存在控制网年久失修，无法应用于轨道精确测量；大型养路机械捣固没有轨道精测数据支持，线路形位的恢复达不到理想效果。鉴于此，本文结合京广铁路实际维修情况，建立多模式测量和数字化捣固为核心的普速铁路精测精捣作业方案，从轨道几何状态和动力学性能改善两方面评估作业方案的应用效果。

1 普速铁路精测精捣作业方案

普速铁路测量精度要求相对较低，若完全沿用高速铁路测量控制体系则投入过高。为此，本文提出精测精捣作业方案：①在普速铁路合理采用卫星定位、激光定位、惯性测量等技术进行多模式轨道测量；②结合有砟轨道线路特征和平顺性控制要求，科学制定起拨道量调整方案，将其输入捣固车计算机系统实施数字化捣固。

1.1 多模式轨道测量

近年来轨道惯性测量仪广泛应用于高速铁路养护维修工作中。在普速铁路引入高速铁路相对+绝对的测量理念，提出适用于运营普速铁路的多模式轨道测量技术。具体如下：①在卫星观测条件良好地段，按15～20 km间距布设北斗基准站（可布设在车间或工区院内）。轨道测量采用卫星定位+惯性测量组合模式，通过惯性测量单元和高精度传感器完成轨道轨迹测量，测量仪每行进一定距离（通常为100～150 m）后进行卫星定位，获取控制点处轨道中心坐标，并利用这些坐标和轨道轨迹得到轨道各点的绝对坐标，最终实现轨道中线各点三维绝对坐标的快速、精准测量，如图1（a）所示。②在隧道、车站道岔区、无砟道床过渡段等区段布设固定桩控制网。轨道测量采用激光定位+惯性测量组合模式，测量仪每行进一定距离后需在控制点断面处停留，搭载的断面仪发射激光束测量标靶，获取控制点处轨道中心坐标，结合轨迹得到轨道中线各点的三维绝对坐标，如图1（b）所示。

图1 多模式轨道测量

1.2 数字化捣固

1.2.1 线形拟合

通过多模式轨道测量获取轨道中线各点三维绝对坐标后，根据原有线路设备技术台账对线路平纵断面进行重构，拟合得到与轨道实测线形相吻合的线形参数。具体拟合流程如下：①根据线路原始台账，结合线路设计规范和现场要求确定圆曲线半径、坡度等参数的限值。②确定一定长度的弦，由测点坐标计算各弦所在直线斜率的变化率，按照直线段、缓和曲线段和圆曲线段斜率变化规律，大致确定直线段与圆曲线段包含的测点，按正交最小二乘数学模型拟合直线及圆曲线。③计算交点坐标、曲线偏角等曲线要素及线路中线偏差。④判断拟合前后分段点坐标差是否小于阈值，若小于，则完成线路线形拟合；若不小于，则重新调整分段点位置进行拟合，直至小于阈值。

1.2.2 起拨道量调整方案的制定

普速铁路线路养护维修主要依据TG/GW 102—2019《普速铁路线路修理规则》，其中指出轨道短波平顺性以10 m弦矢高4 mm管理值控制，但为进一步控制长波不平顺，目前普速铁路采用70 m弦矢高10 mm管理值控制［10］。除需满足轨道平顺性控制要求外，还需考虑起拨道量调整范围及比例、顺坡率、建筑限界、线间距、桥梁偏心等约束条件，对线路平纵断面进行优化，最终生成满足捣固车要求的起拨道量调整方案。

具体要求：

1）轨道平顺性须满足

式中：H(A)、H（i）和H(B)分别为线路调整后检测弦的起点、中点和终点位置的平（纵）断面剩余偏差；α为检测弦长对应的管理幅值。

2）拟调整量须满足

式中：t（i）为拟调整量；tmax、tmin分别为考虑约束条件后调整量的上限和下限。

1.2.3 捣固作业流程

普速铁路线路养护维修多采用单捣+单捣+稳定作业模式。两次单捣作业时，将起拨道量调整方案输入到捣固车计算机系统，在作业过程中对捣固车检测弦前端偏差进行补偿，从而实现精确起拨道作业，有效改善轨道高低、轨向长波不平顺。在两次单捣作业后通过动力稳定车对轨道产生压力和振动，改善道砟颗粒的排列，在短时间内增强道床横向阻力，从而达到提高道床稳定性的目的。为实现数字化捣固，作业时应满足以下要求：①捣固作业前应检查捣固车标定记录，确保捣固车作业精度满足要求。②正确选择加载轨，曲线段加载超高轨，直线段可加载任意一股钢轨。③捣固作业时应完全采用起拨道量调整方案，由捣固车计算机系统实施自动化作业。④作业过程中工务人员应在控制点处核对捣固车作业里程与起拨道量调整方案中里程的一致性。当里程误差大于0.5 m时，必须转动测距轮或修正捣固车计算机系统中的里程以消除误差。

2 工程验证

2.1 精测精捣作业方案的制定

选取京广铁路上行线K565+800—K567+800精测精捣作业区段为试验段，分别从轨道几何状态和动力学性能改善两个方面评估精测精捣作业方案的应用效果。该区段线路速度等级为120（不含）～160 km/h，由于沿线卫星信号较好，轨道测量采用卫星定位+惯性测量组合模式，捣固作业采用DWL-48连续式捣固稳定车，捣固作业模式为单捣+单捣+稳定。

根据轨道测量结果，对试验段平纵断面参数进行优化。由于该区段线形线位状况较好，平面参数中仅对曲线桩点里程进行调整，纵断面参数保持不变。优化前后线路平面参数见表1。曲线方向左偏右偏是面向大里程而言。

现场由于受供电设备、开通条件等因素限制，制定起拨道量调整方案时单次起道量不超过30 mm，拨道量不超过15 mm。为保证作业效果，基本起道量为10 mm。现场捣固起拨道量调整方案如图2所示。

图2 现场捣固起拨道量调整方案

2.2 作业效果分析

目前，我国铁路工务部门主要采用轨道质量指数（track quality index，TQI）、不平顺指标幅值［11］来量化精测精捣作业效果。

试验段精捣作业前后各项不平顺指标及TQI对比见表2。可知：精捣后试验段TQI由8.61 mm降至5.04 mm，改善率为41.5%；七项不平顺指标中轨向、高低改善率较明显，在45.8%～55.0%；水平改善率39.8%，三角坑改善率为35.8%；轨距无明显变化，这是因为捣固作业无法对轨距进行调整。

表2 试验段精捣作业前后各项不平顺指标及TQI对比 mm

试验段精捣前后左轨不平顺指标分布对比见图3。以轨向、高低为例，精捣作业对轨道不平顺的改善效果明显，不平顺指标分布范围显著变窄，整体向零线靠拢。左轨轨向绝对值的平均值由1.44 mm降至0.69 mm，降幅52.1%；左轨高低绝对值的平均值由1.07 mm降至0.53 mm，降幅50.5%。

图3 精捣前后左轨不平顺指标分布对比

3 车轨动力学性能仿真分析

3.1 模型的建立

采用动力学仿真方法，建立普速铁路车辆与轨道动力分析模型。车辆模型由车体、构架、轮对和轴箱多个刚体组成。该车辆模型共有50个自由度，各刚体通过一系悬挂和二系悬挂相连。车轮采用LMA型车轮踏面，钢轨采用60 kg/m轨，采用Kalker简化滚动接触理论计算轮轨蠕滑力和蠕滑力矩，采用Fastsim算法计算轮轨作用力。因仅分析精测精捣作业对运营普速铁路列车运行安全性的改善效果，故未考虑轨道结构、基础的影响。采用实测的捣固前后线路不平顺作为激励，仿真模拟车辆以160 km/h通过试验段。

3.2 结果分析

精捣前后列车动力学性能指标对比见表3。表中数据均为各项指标绝对值。可知：精捣后脱轨系数、轮重减载率、车体振动加速度整体上均呈下降趋势。脱轨系数最大值降幅达到40.0%，轮重减载率最大值降幅达到38.6%。车体横向振动加速度最大值降幅达到80.5%，车体垂向振动加速度最大值降幅达到31.6%。

表3 精捣前后列车动力学性能指标对比

4 结论

1）结合京广铁路实际维修情况，提出了以多模式轨道测量和数字化捣固为核心的普速铁路精测精捣作业方案。经工程验证，精捣试验段TQI改善率42%；轨向、高低、水平、三角坑不平顺指标改善率在36%～55%。可见，该作业方案适用于运营普速铁路日常养护维修。

2）动力学仿真分析结果显示，精捣作业后脱轨系数、轮重减载率最大值降幅约40%，车体垂向振动加速度最大值降幅约31.6%，车体横向振动加速度最大值降幅80.5%，有效改善了列车运行安全性。