浅谈减小高速铁路线形测量误差的研究

浅谈减小高速铁路线形测量误差的研究

江垚强

上海铁路北斗测量工程技术有限公司 200040

摘要：线路测量误差影响因素较多且不容易控制，本文通过分析线路测量施工过程中遇到的问题及误差的影响因素从而提出如何有效控制线路测量误差的措施。

关键词：铁路工程测量、线路测量、测量误差影响因素分析、SIWEI智能轨道检测仪

1上海局内高速铁路线路测量现状

铁路工程测量是高速铁路施工养护中一项重要的项目，贯穿于工程全过程，意义重大，而线路测量是确定铁路轨道空间位置的一项重要的方法，是测量中精度较高且常用的方法。现上海铁路局内，测量任务量大、任务时间急的时候普遍采用SIWEI智能轨道检测仪（以下简称轨检仪）进行测量，与传统的以安博格、瑞邦小车等相比，它的优势明显，工作效率高，便携性好。影响测量精度的因素主要有仪器误差、观测误差和外界因素。

2轨检仪介绍

轨检仪测量工作原理是电测传感器测量轨道的里程、轨距、超高，全站仪测量轨检仪的空间位置，从而得到轨道的空间位置和变化情况。使用的仪器有轨检仪、手簿、全站仪、多功能小车、棱镜等。它采用电测传感器、先进检测和数据处理设备，可检测高低、水平、扭曲、轨向等轨道不平顺参数。上海局铁路在动静态不平顺差异较小的有砟、无砟轨道线路，以及在新线施工中，整道、检查铺设精度、验收作业质量时，广泛应用轨检仪。

3轨检仪测量的误差分析和控制方法

轨检仪测量过程中产生误差的原因主要有这三方面，分别是仪器误差、观测误差、外界因素。

3.1仪器误差

仪器误差主要由轨检仪、全站仪、棱镜这三个方面产生组成。

3.1.1轨检仪产生的误差

轨检仪产生的误差主要是倾角传感器、里程编码器、轨距适配器、轨距测量轮、走行轮、中梁引起的。倾角传感器的误差会引起测量过程中轨道超高测量的误差。里程编码器的误差会引起里程编码错误，而这个错误发生在轨道精调的时候将引起巨大的事故。轨距适配器松动滑落，轨距测量轮磨耗变小，两端走行轮不均匀磨耗，连接扣件松动，中梁磨耗、凹陷凸起或连接处有异物都会引起轨距、超高测量的误差。因此要减小轨检仪产生的误差，我们在使用仪器前确保仪器处于年检时限内，仪器各项传感器、适配器、零部件等工作良好。同时我们应该在每次上道作业时必须进行检查、标定工作，才能减小误差。

3.1.2全站仪产生的误差

全站仪是由电子测角、光电测距、微处理器与机载软件组合而成的智能光电测量仪器，它的基本功能是测量水平角、竖直角和斜距。测量误差主要是同轴望远镜、补偿器、测角系统、测距系统引起的。全站仪误差会导致测量的线路中心线出现误差，引起线路中心线横向、垂向偏差误差和轨道左右股的横向、垂向偏差误差。因此要减小全站仪产生的误差，我们在使用仪器前确保仪器处于年检时限内，仪器补偿器、同轴望远镜、双轴自动补偿、水准气泡等零部件工作良好。同时我们应该在每次上道作业时必须进行检查，才能减小误差。

理想状态下，全站仪动态测量过程应是一个稳定的连续系统，其离散数据应随时间的变化而稳定持续的变化。但现实中，由于动态测量系统的随机性和运动性，测量过程容易受目标运动状态、测量仪器设备以及外部环境等因素的影响而发生数据跳变或其它未知情况。全站仪测量出现缺失情况的原因主要是全站仪内外光路的转换，一般持续1～2s，尽管缺失持续时间较短，但是对于运动目标的跟踪测量，数据的缺失无法实现测量过程的实时性^[1]。

3.1.3棱镜产生的误差

棱镜产生的误差主要是由棱镜常数不一致导致的。在测量过程中，我们通常会用到好几个棱镜坐标定位和全站仪跟踪测量，每个棱镜都有一个棱镜常数且各不相同，因此我们在测量过程中棱镜改正时只能输入一个中值，如±17.5mm、±30mm、±34.4mm，所以在测量过程中必然会因为棱镜常数差异产生误差。因此要减小棱镜常数差异产生的误差，我们在使用棱镜前应该选择棱镜改正改正数一样或非常接近的棱镜，测量过程中架设在轨检仪上面的棱镜必须是与改正数差值最小的那个棱镜，平时在使用过程中也要定期对棱镜进行检校，通过这些方法我们可以减小因棱镜产生的误差。

3.2观测误差

观测误差主要来源是测量人员对仪器使用不当造成的，主要来源于操作轨检仪人员、操作全站仪人员、立棱镜人员。

3.2.1操作轨检仪人员造成的误差

操作轨检仪人员造成的误差主要来源于测量过程中轨检仪放置物品、轨检仪停止后没有闭合制动器、轨检仪动态测量推行速度过快，仪器周围震动。

高速铁路线形测量一般在夜间作业，相对于日间作业，作业人员更易疲劳。操作人员可能会在静态测量结束后将测量手簿安置于轨检仪上，虽然测量手薄一般就半斤、一斤左右的重量，但是在测量过程中一拿一放，轨检仪就会产生沉降，因此测量过程中绝对不能把物品放置于轨检仪上面。

铁路线路具有坡度，测量过程中，操作人员碰到轨检仪极易导致其轻微滑动，而滑动距离比较微小，不易引起操作人员的注意，导致测量结果造成较大的误差。所以测量过程中轨检仪停止推行时应该闭合制动器，避免轨检仪滑动。

当进行动态测量时，由于全站仪照准部的快速旋转，导致补偿器偏离其应有位置，而测量并不是在旋静止且补偿器稳定下进行的，因此其对方向测量将产生影响。为防止较大误差的出现和减小误差，测量过程中应采取措施尽可能低照准部的运动幅度，例如目标棱镜低速运动（即轨检仪低速推行），或尽量采用径向方法进行测量等^[2]。

轨检仪周围震动主要是由几方面引起的。一是操作轨检仪人员自身走动和立棱镜人员经过；二是铁路周围其他单位施工造成（如建筑单位打地基）；三是铁路内部人员施工。夜间作业经常是几个作业单位一起在一个区间作业的，像工务的捣固、应力放散等引起钢轨的震动，这时测量的误差就比较大。所以我们就要减小周围震动产生的影响从而减小误差。因此作业前应了解作业区间周围有没有其他单位在施工；作业时应该减少走动；立棱镜人员经过时远离轨检仪；依据现场实际情况，与现场施工单位进行沟通，决定是暂停测量等待还是继续测量。

3.2.2操作全站仪人员造成的误差

操作全站仪人员造成的误差主要来源于测量前全站仪没有静置、全站仪架设时没架好、在任何一站测量过程中多功能小车放置或拿走物品、仪器周围震动。

测量前，仪器放置仪器箱内，仪器温度与外温有差异，引起仪器部件涨缩，可能使轴线产生几秒的偏差，从而使测量误差增大，所以在作业前应先将全站仪从仪器箱拿出来静置半小时。减小仪器温度与外温差异造成的误差。

作业过程中，全站仪安置于多功能小车上，通过勾手把多功能小车固定在钢轨股道上，这过程中有一步步骤没牢牢固定必然会导致误差的扩大，所以我们必须将全站仪与多功能小车、多功能小车与钢轨固定住。在测量过程中，由于全站仪转动，建站调平等因素，全站仪和多功能小车的连接会产生松动，应不时的拧紧螺丝固定全站仪。而且由于全站仪照准部快速旋转，多功能小车重心又偏于全站仪这一端，对多功能小车远离全站仪的那一端影响就比较大，因此我们可以将全站仪箱子，多功能包放置于这一端，将重心往中间移，减小影响。

与上述操作轨检仪一样，在任何一站测量过程中放置或取走物品、仪器周围震动，必然会影响测量精度，增大误差，所以我们要正确应对实际情况，减小误差。

3.2.3立棱镜人员造成的误差

立棱镜人员造成误差是因为棱镜与棱镜基座有空隙、棱镜面没完全朝向全站仪引起的，所以我们立棱镜时棱镜与棱镜基座严密贴合，棱镜面朝向全站仪，从而减小误差。

3.3外界因素

影响测量精度的外界因素主要是温度、湿度、大气压、天气（雨、雾、大风）。

激光在传输中受温度、湿度、气压影响会引起测量误差，全站仪根据温度、湿度、气压计算出PPM值用来补偿此项误差。我们夜间作业时，作业时间一般是4小时左右，因此测量开始与结束PPM可能相差好几十mm，夏天的时候尤为明显。因此条件允许情况下尽量每一测站都进行一次大气改正。

春秋起雾，夏天下雨，部分地区还存在雾霾天气的影响，空气中水汽浓度的增大或其他细小颗粒浓度的增大，都会影响到激光在空气的传播。而且下雨起雾时会有细小水滴依附棱镜面、望远镜面，同样影响激光的传播与接收，从而影响距离、角度测量，增大测量误差。因此我们在实际测量的时候应避免在雨、雾、霾天气进行作业。

大风天气会导致仪器滑动、全站仪晃动等，而且激烈的空气波动也会影响激光传播，所以应避免在大风天气作业。

结束语

实际测量中，减小和消除误差的方法都是以增加时间或采取更多的步骤为代价。高速铁路施工作业时间短，而且不能超过规定的时间作业，因此需要作业人员在休闲时间采取规范的办法，严格执行正确步骤，练习仪器，才能在测量中提高观测的速度和测量精度。

参考文献：

[1] 林远胡.动态测量技术在轨道测量中的应用研究及其软件研制[EB/OL].https://www.docin.com/p-976728076.html.