從高速鐵路工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)看鐵路工程測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步

劉華

（鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院 高級(jí)工程師 ，北京 100038）

《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》（TB 10601—2009）已于2009年12月發(fā)布實(shí)施，規(guī)范中的測(cè)量體系、技術(shù)方法和精度指標(biāo)是高速鐵路工程測(cè)量的根本，是實(shí)現(xiàn)高速鐵路高平順性、高穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，是鐵路運(yùn)輸安全性和舒適性的保證，從中也體現(xiàn)了近年來鐵路工程測(cè)量技術(shù)的自主創(chuàng)新和科技進(jìn)步。

1 《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》的特點(diǎn)

《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》是依據(jù)我國(guó)高速鐵路的建設(shè)特點(diǎn)，汲取世界先進(jìn)的工程測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，在開展具有針對(duì)性、創(chuàng)新性和先進(jìn)性的重大科研和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)京津城際、武廣和鄭西客運(yùn)專線的工程測(cè)量技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，編制完成的具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速鐵路工程測(cè)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

規(guī)范在內(nèi)容上結(jié)合了鐵路工程測(cè)量的特點(diǎn)和現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，提出了適用于高速鐵路的系統(tǒng)的測(cè)量體系、科學(xué)的技術(shù)方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木葮?biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容涵蓋高速鐵路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工、竣工驗(yàn)收各階段測(cè)量的全過程。

2 高速鐵路工程測(cè)量技術(shù)要點(diǎn)

2.1 平面控制網(wǎng)

平面控制網(wǎng)分三級(jí)布設(shè)，第一級(jí)基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)（CPⅠ），第二級(jí)線路平面控制網(wǎng)（CPⅡ），第三級(jí)軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）。對(duì)于框架平面控制網(wǎng)（CP0），可在國(guó)家控制點(diǎn)不能滿足平面控制測(cè)量間的相對(duì)精度時(shí)先行建立。

2.1.1 框架平面控制網(wǎng)（CP0）

CP0是線路平面坐標(biāo)框架基準(zhǔn)，沿線路每50 km左右建立的GPS控制網(wǎng)，也可將滿足精度和位置要求的國(guó)家GPS點(diǎn)作為CP0控制點(diǎn)。CP0控制網(wǎng)必須與國(guó)家A、B級(jí)GPS點(diǎn)或IGS參考站聯(lián)測(cè)。

2.1.2 基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)（CPⅠ）

CPⅠ是勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的坐標(biāo)基準(zhǔn)，在CP0或國(guó)家控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，沿線路走向每4 km布設(shè)一對(duì)（個(gè)）點(diǎn)的GPS控制網(wǎng)。CPⅠ控制點(diǎn)一般在初測(cè)階段施測(cè)。

2.1.3 線路平面控制網(wǎng)（CPⅡ）

CPⅡ是勘測(cè)設(shè)計(jì)和施工的控制基準(zhǔn)，在CPⅠ基礎(chǔ)上沿線路每600～800 m布設(shè)一個(gè)點(diǎn)，可采用GPS測(cè)量或?qū)Ь€測(cè)量方法。CPⅡ是線路定測(cè)放線和線下工程施工測(cè)量的基礎(chǔ)，一般在線路方案穩(wěn)定后定測(cè)階段進(jìn)行施測(cè)。

2.1.4 軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）

CPⅢ是軌道施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的基準(zhǔn)，起閉于CPⅠ或CPⅡ、沿線路布設(shè)的三維控制網(wǎng)，一般在線下工程施工完成后進(jìn)行施測(cè)。

2.1.5 三級(jí)平面控制網(wǎng)的關(guān)系

三級(jí)平面控制網(wǎng)之間的相互關(guān)系如圖1所示。

2.1.6 平面控制網(wǎng)精度

平面控制網(wǎng)精度要求詳見表1、表2。

表1 平面控制網(wǎng)主要技術(shù)要求

表2 CP0、CPⅠ、CPⅡ控制網(wǎng)GPS測(cè)量主要精度指標(biāo)

2.2 高程控制網(wǎng)

2.2.1 高程控制網(wǎng)布設(shè)

高程控制測(cè)量為線下工程施工、軌道施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供高程控制基準(zhǔn)。高程控制網(wǎng)分二級(jí)布設(shè)：第一級(jí)線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)，為勘測(cè)設(shè)計(jì)和施工提供高程基準(zhǔn)，按二等水準(zhǔn)網(wǎng)施測(cè)，點(diǎn)間距不大于2 km；第二級(jí)軌道控制網(wǎng)（CPⅢ），為軌道施工和維護(hù)提供高程基準(zhǔn)，按精密水準(zhǔn)測(cè)量施測(cè)。

線路水準(zhǔn)基點(diǎn)是全線統(tǒng)一的高程控制基準(zhǔn)，當(dāng)線路水準(zhǔn)基點(diǎn)的密度不能滿足軌道施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的要求，應(yīng)在其基礎(chǔ)上建立第二級(jí)軌道高程控制網(wǎng)CPⅢ。

2.2.2 高程控制網(wǎng)精度

高程控制網(wǎng)精度要求詳見表3。

表3 高程控制網(wǎng)精度

2.3 “三網(wǎng)合一”技術(shù)理念

“三網(wǎng)”是指勘測(cè)控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)控制網(wǎng)。

為保證設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)各階段構(gòu)建和保持的軌道空間幾何形位的一致性，滿足高速鐵路工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理的需要，“三網(wǎng)”的平面和高程控制測(cè)量必須采用統(tǒng)一的基準(zhǔn)，即勘測(cè)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)控制網(wǎng)采用CPⅠ作為基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)，采用線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)作為基礎(chǔ)高程控制網(wǎng)，簡(jiǎn)稱“三網(wǎng)合一”。

2.4 “三網(wǎng)”與平面、高程控制網(wǎng)的應(yīng)用關(guān)系

勘測(cè)控制網(wǎng)包括：CPⅠ控制網(wǎng) （平面）、CPⅡ控制網(wǎng) （平面）、二等水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)（高程）。

施工控制網(wǎng)包括：CPⅠ控制網(wǎng) （平面）、CPⅡ控制網(wǎng)（平面）、水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)（高程）、CPⅢ控制網(wǎng)（平面和高程）。

運(yùn)營(yíng)維護(hù)控制網(wǎng)包括 ：CPⅡ控制網(wǎng)（平面）、水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)（高程）、CPⅢ控制網(wǎng)（平面和高程）、加密維護(hù)基標(biāo)（平面和高程）。

“三網(wǎng)”與平面、高程控制網(wǎng)的應(yīng)用關(guān)系如圖2。

圖2 高速鐵路工程測(cè)量三階段控制網(wǎng)關(guān)系圖

2.5 平面坐標(biāo)系統(tǒng)

目前國(guó)家面坐標(biāo)系統(tǒng)有：1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系、2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。由于高速鐵路測(cè)量精度要求高，采用1954年北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系的測(cè)量精度已不利于高精度的GPS控制網(wǎng)。2000國(guó)家大地坐標(biāo)系是全球地心坐標(biāo)系在我國(guó)的具體體現(xiàn)，其原點(diǎn)為包括海洋和大氣的整個(gè)地球質(zhì)量中心，2008年7月1日起啟用，通過新坐標(biāo)系的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行新舊坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

WGS-84大地坐標(biāo)系是目前GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)，全稱是World Geodical System-84（世界大地坐標(biāo)系-84），它是一個(gè)地心地固坐標(biāo)系統(tǒng)。WGS-84的空間坐標(biāo)與工程測(cè)量中采用的1954年北京坐標(biāo)、1980年西安坐標(biāo)、2000國(guó)家大地坐標(biāo)等國(guó)家坐標(biāo)系必須通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法獲得。

高速鐵路CP0控制網(wǎng)可采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系作為坐標(biāo)基準(zhǔn)，以IGS參考站或國(guó)家A、B級(jí)GPS控制點(diǎn)作為約束點(diǎn)，進(jìn)行控制網(wǎng)整體三維約束平差。

2.6 高程坐標(biāo)系統(tǒng)

高程坐標(biāo)系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。當(dāng)個(gè)別地段無1985國(guó)家高程基準(zhǔn)的水準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，可引用其他高程系統(tǒng)或以獨(dú)立高程起算。在全線高程測(cè)量貫通消除斷高后，必須將其他高程系統(tǒng)或獨(dú)立高程換算成1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

2.7 鐵路GPS控制網(wǎng)

2.7.1 鐵路GPS控制網(wǎng)

鐵路工程GPS測(cè)量劃分為一、二、三、四、五等（詳見表 4）。

一等用于建立CP0或特大橋施工控制網(wǎng)；

二等用于建立高速鐵路的CPⅠ和特長(zhǎng)隧道、特大橋施工控制網(wǎng)；

三等主要用于建立高速鐵路CPⅡ、時(shí)速200 km及以下鐵路的CPⅠ，特大橋、特長(zhǎng)隧道的施工控制測(cè)量；

四等主要用于時(shí)速200 km及以下鐵路的CPⅠ、CPⅡ、大橋和長(zhǎng)隧道的施工控制網(wǎng)、航測(cè)首級(jí)控制網(wǎng)；

五等網(wǎng)用于時(shí)速200 km及以下鐵路CPⅡ和大橋、隧道的施工控制測(cè)量以及航測(cè)平、高控制點(diǎn)測(cè)量。

表4 鐵路GPS控制網(wǎng)主要技術(shù)要求

2.7.2 與國(guó)家GPS控制網(wǎng)的關(guān)系

《全球定位系統(tǒng) （GPS）測(cè)量規(guī)范》（GB/T 18314—2009）中把國(guó)家 GPS控制網(wǎng)劃分為 A、B、C、D、E 五級(jí)（詳見表5）。

A級(jí)主要用于建立國(guó)家一等大地控制網(wǎng)；

B級(jí)網(wǎng)用于建立國(guó)家二等大地網(wǎng)；

C級(jí)用于建立三等大地控制網(wǎng)，區(qū)域、城市及工程測(cè)量的基本控制網(wǎng)；

D級(jí)用于建立四等大地控制網(wǎng)；

D、E級(jí)用于中小城市、城鎮(zhèn)以及測(cè)圖、土地信息、勘測(cè)、建筑施工的控制測(cè)量。

表5 國(guó)家GPS網(wǎng)主要技術(shù)要求

從表4和表5可以看出，國(guó)家GPS控制網(wǎng)的密度和精度不能滿足鐵路工程測(cè)量的要求。鐵路GPS控制網(wǎng)需結(jié)合精度高、布網(wǎng)靈活、相鄰等級(jí)網(wǎng)的布網(wǎng)和測(cè)量方法及觀測(cè)時(shí)間沒有太大差異等因素，根據(jù)鐵路測(cè)量網(wǎng)帶狀布設(shè)及長(zhǎng)、短邊邊長(zhǎng)懸殊大等特點(diǎn)綜合確定，并且必須在國(guó)家A、B級(jí)GPS控制網(wǎng)下采用逐級(jí)加密的方法建立。

2.8 CPⅢ自由測(cè)站邊角交會(huì)測(cè)量

CPⅢ軌道控制網(wǎng)作為鋪軌加密基標(biāo)和軌道精調(diào)的基準(zhǔn)，沿線路每隔50～60 m布設(shè)一對(duì)點(diǎn)，可固定在接觸網(wǎng)基座輔助立柱、橋梁防撞墻或隧道墻壁上（參見表6）。

表6 CPⅢ平面網(wǎng)的主要技術(shù)要求

CPⅢ自由測(cè)站邊角交會(huì)法是指在兩對(duì)CPⅢ點(diǎn)之間、相距100～120 m處設(shè)自由測(cè)站點(diǎn)，對(duì)前后各三對(duì)CPⅢ點(diǎn)（共12個(gè)CPⅢ平面控制點(diǎn)）進(jìn)行距離和方向交會(huì)測(cè)量的方法（見圖3）。這種方法可讓每個(gè)CPⅢ控制點(diǎn)有三個(gè)自由測(cè)站點(diǎn)的距離、方向交會(huì)。

CPⅢ控制網(wǎng)與CPⅠ或CPⅡ控制點(diǎn)可通過自由測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，以CPⅠ或CPⅡ作為基準(zhǔn)進(jìn)行固定數(shù)據(jù)約束平差。

采用CPⅢ自由測(cè)站邊角交會(huì)法進(jìn)行測(cè)量具有點(diǎn)位分布均勻、網(wǎng)形均勻?qū)ΨQ、相鄰點(diǎn)間相對(duì)精度高等優(yōu)點(diǎn)，提高了測(cè)量網(wǎng)的精度和可靠性，有效地控制了軌道的平順性。

3 鐵路工程測(cè)量技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 “三網(wǎng)合一”

“三網(wǎng)合一”技術(shù)理念充分反映了鐵路工程測(cè)量體系的系統(tǒng)性、全面性。

鐵路工程測(cè)量的平面、高程控制網(wǎng)按施測(cè)階段、施測(cè)目的及功能分為勘測(cè)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)三階段控制網(wǎng)，從控制網(wǎng)的測(cè)量成果要滿足技術(shù)要求的原則考慮，三階段的平面、高程控制測(cè)量必須采用統(tǒng)一的尺度和起算基準(zhǔn)，即“三網(wǎng)合一”。在《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中，為完整地體現(xiàn) “三網(wǎng)合一”的理念，將平面、高程控制網(wǎng) CP0、CPI、CPII、CPIII及水準(zhǔn)基點(diǎn)的測(cè)量納入了竣工測(cè)量，保證了運(yùn)營(yíng)維護(hù)測(cè)量與勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工保持相同的基準(zhǔn)。

3.2 分級(jí)布網(wǎng)

平面控制網(wǎng)按 CPI、CPII、CPIII三級(jí)布設(shè)，高程控制網(wǎng)按水準(zhǔn)基點(diǎn)和CPIII兩級(jí)布設(shè)，平面和高程的分級(jí)布網(wǎng)體現(xiàn)了鐵路工程測(cè)量技術(shù)的適用性、嚴(yán)謹(jǐn)性。

分級(jí)布網(wǎng)原則是在吸收國(guó)外無砟軌道鐵路先進(jìn)的測(cè)量控制方法的基礎(chǔ)上，綜合我國(guó)鐵路建設(shè)的特點(diǎn)，開展多項(xiàng)具有針對(duì)性的科研項(xiàng)目后確定的。分級(jí)布網(wǎng)通過建立平面和高程基準(zhǔn)、逐級(jí)加密控制網(wǎng)形和精度的方法，滿足鐵路線路長(zhǎng)、跨越幅度大、帶狀控制網(wǎng)布設(shè)的需求，保證各階段工程測(cè)量的精度和控制網(wǎng)的穩(wěn)定。

3.3 GPS替代導(dǎo)線

以前的鐵路工程測(cè)量，線路控制測(cè)量依據(jù)初測(cè)或定測(cè)時(shí)測(cè)設(shè)的線路控制樁進(jìn)行控制，沒有建立完整的平面、高程控制網(wǎng)。測(cè)設(shè)線路控制樁采用導(dǎo)線方法，測(cè)量精度要求較低，導(dǎo)致線路控制樁測(cè)量精度低，線路測(cè)量可重復(fù)性較差。

隨著現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展和鐵路工程測(cè)量技術(shù)水平的提高，工程實(shí)踐中采用GPS測(cè)量替代導(dǎo)線測(cè)量越來越普遍，GPS測(cè)量有效地提高了測(cè)量工作的質(zhì)量和效率，數(shù)據(jù)精度穩(wěn)定，可重復(fù)性測(cè)量操作性強(qiáng)，體現(xiàn)了鐵路工程測(cè)量手段的先進(jìn)性和通用性。

3.4 軌道施工控制網(wǎng)CPIII

傳統(tǒng)的鐵路測(cè)量不建立軌道施工控制網(wǎng)，平面測(cè)量在已施工完成的橋梁、隧道、路基上，采用相對(duì)定位的方法鋪設(shè)軌道，高程以初測(cè)線路水準(zhǔn)基點(diǎn)為基準(zhǔn)，按等外水準(zhǔn)測(cè)量的精度進(jìn)行控制。

采用CPIII對(duì)軌道施工進(jìn)行控制，可有效地提高控制網(wǎng)的可靠性，準(zhǔn)確地設(shè)置鋪軌加密基標(biāo)，嚴(yán)格地控制軌道精調(diào)作業(yè)精度，從而實(shí)現(xiàn)高速鐵路的高穩(wěn)定性、高平順性，并滿足旅客乘坐舒適度的需求。建立軌道施工控制網(wǎng)CPIII體現(xiàn)了我國(guó)鐵路工程測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)高速鐵路測(cè)量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和測(cè)量技術(shù)的研究，目前已形成了一套完整的、適合我國(guó)國(guó)情的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速鐵路工程測(cè)量技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)鐵路工程測(cè)量技術(shù)的再創(chuàng)新。這些凝聚了設(shè)計(jì)、施工、院校等單位鐵路工程測(cè)量專業(yè)科研人員心血的新技術(shù)、新方法，是我國(guó)高速鐵路工程建設(shè)的技術(shù)基礎(chǔ)和有力支撐。