高速鐵路精密工程測量技術體系的建立及特點

盧建康,劉 華

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031;2.鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院,北京 100038)

1 概述

高速鐵路旅客列車行駛速度高(250～350km/h),為了達到在高速行駛條件下保證旅客列車的安全性和舒適性,要求高速鐵路必須具有非常高的平順性和精確的幾何線性參數(shù),精度要保持在毫米級的范圍以內。傳統(tǒng)的鐵路測量方法和精度已不能滿足高速鐵路建設的要求。要實現(xiàn)高速鐵路軌道的平順性,必須建立一套與之相適應的精密工程測量體系和技術標準。

2 我國的高速鐵路工程測量技術體系建立的背景

我國的高速鐵路工程測量技術體系是伴隨著我國鐵路客運專線無砟軌道工程的建設而逐步建立和完善的。2004年,鐵道部決定在遂渝線開展無砟軌道綜合試驗后,在施工過程中就發(fā)現(xiàn)原有的測量控制網(wǎng)精度及控制網(wǎng)布設不能滿足無砟軌道施工要求。為此,中鐵二院與西南交通大學合作在遂渝線開展了無砟軌道鐵路工程測量技術的研究,并建立了遂渝線無砟軌道綜合試驗段精密工程測量控制網(wǎng)。

2006年隨著京津城際、武廣、鄭西客運專線無砟軌道鐵路的全面開工建設,原有的鐵路測量體系和技術標準已不能適應客運專線無砟軌道建設的要求。為了適應我國客運專線無砟軌道建設的形勢,根據(jù)鐵建設函[2005]1026號《關于編制 2006年鐵路工程建設標準計劃的通知》的要求,在鐵道部建設管理司和鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院主持下,開始編制《客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》。主編單位中鐵二院與西南交大通學合作完成了《無砟軌道測量技術的研究》、《無砟軌道控制測量理論和方法研究》以及《客運專線無砟軌道鐵路工程測量控制網(wǎng)精度標準的研究》。對無砟軌道施工控制網(wǎng)精度設計的有關問題,包括控制網(wǎng)設計的精度準則、精度閾值以及精度計算方法等進行了研究論證,為無砟軌道測量技術標準的制訂提供理論依據(jù);根據(jù)客運專線無砟軌道鐵路線下工程工后變形監(jiān)測和無砟軌道平順性施工要求,反演推算各級控制測量的精度要求,取得了一系列的成果。編制組根據(jù)科研成果,在吸取遂渝線無砟軌道綜合試驗段測量的實踐經(jīng)驗,并參考國外有關無砟軌道測量規(guī)范和標準的基礎上,編制完成了《客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》。初步形成了我國高速鐵路工程測量技術標準體系。

隨著高速鐵路建設大規(guī)模地展開,在《客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》的基礎上,結合我國高速鐵路建設特點和現(xiàn)代測繪技術的發(fā)展,開展了《高速鐵路 CPⅢ測量標準及軟件研制》和《基于自由測站的高速鐵路 CPⅢ高程網(wǎng)測量及其標準的研究》,對京津、武廣、鄭西、京滬、哈大、合寧、合武、石太等高速鐵路工程測量經(jīng)驗進行系統(tǒng)的總結,按照原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進消化吸收再創(chuàng)新的原則,對《客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》進一步完善,編制完成了《高速鐵路工程測量規(guī)范》,形成具有自主知識產(chǎn)權的我國高速鐵路工程測量技術標準。

3 建立客運專線鐵路精密工程測量技術標準體系的必要性

3.1 傳統(tǒng)的鐵路工程測量方法及不足

(1)傳統(tǒng)的鐵路工程測量方法簡介

傳統(tǒng)的鐵路工程是以線路中線控制樁作為鐵路勘測設計和施工的坐標基準,其測量作業(yè)模式和流程如下。

初測→定測→線下工程施工測量→鋪軌測量。

①初測

平面控制測量—初測導線:坐標系統(tǒng)為 1954年北京坐標系;測角中誤差導線全長相對閉合差:光電測距1/6000,鋼尺丈量1/2000。

高程控制測量—初測水準:高程系統(tǒng)為 1956年黃海高程/1985年國家高程基準;測量精度:五等水準

②定測

以初測導線和初測水準點為基準,按初測導線的精度要求放出交點、直線控制樁、曲線控制樁(五大樁)。

③線下工程施工測量

平面測量以定測放出交點、直線控制樁、曲線控制樁(五大樁)作為線下工程施工測量的基準;高程測量以初測水準點為基準。

④鋪軌測量

直線用經(jīng)緯儀穿線法測量;曲線用弦線矢距法或偏角法進行鋪軌控制。

(2)傳統(tǒng)的鐵路工程測量方法的缺陷

上述鐵路工程測量方法是一百多年來一直沿用的傳統(tǒng)的鐵路測量方法,在過去測量方法主要靠經(jīng)緯儀、鋼尺丈量測距的年代,是一種行之有效的方法,適合于普通速度鐵路工程測量。但是在測量已廣泛采用GPS、全站儀、電子水準儀新技術的今天,這一傳統(tǒng)的鐵路工程測量方法已不能適應我國現(xiàn)代化鐵路建設的要求。它存在著以下的不足。

①平面坐標系投影差大:采用 1954年北京坐標系3°帶投影,投影帶邊緣邊長投影變形值最大可達 340 mm/km,不利于 GPS、RTK、全站儀等新技術采用坐標定位法進行勘測和施工放線。

②線路平面測量可重復性較差:以線路中線控制樁作為鐵路勘測設計和施工的坐標基準,沒有采用逐級控制的方法建立完整的平面高程控制網(wǎng),線路施工控制僅靠定測放出交點、直線控制樁、曲線控制樁(五大樁)進行控制,當出現(xiàn)中線控制樁連續(xù)丟失后,就很難進行恢復;由于路基地段沒有分級建立平面控制網(wǎng),沒有穩(wěn)固的平面控制基準,施工后線路中線控制樁就被破壞,只是在路基工程施工期間根據(jù)中線控制樁設置護樁進行平面控制。無法使用統(tǒng)一的平面控制基準進行線下工程和軌道工程施工。

④軌道鋪設精度難以滿足設計線形和平順度要求:軌道的鋪設不是以測量控制網(wǎng)為基準按照設計的坐標定位,而是按照線下工程的施工現(xiàn)狀采用相對定位進行鋪設,這種鋪軌方法由于測量誤差的積累,往往造成軌道的幾何參數(shù)與設計參數(shù)相差甚遠。在浙贛線提速改造時,采用定位進行鋪軌就出現(xiàn)了圓曲線半徑與設計半徑相差太大、大半徑長曲線變成了很多不同半徑圓曲線的組合、曲線五大樁位置與設計位置相差太大、縱斷面整坡變成了很多碎坡等問題。

3.2 建立高速鐵路精密工程測量技術標準體系是我國高速鐵路建設的要求

傳統(tǒng)鐵路測量方法采用定測中線控制樁作為聯(lián)系鐵路勘測設計與施工的線路平面測量控制基準,中線控制樁在線路竣工后已不復存在,鐵路平面控制基準已經(jīng)失去,因而在竣工和運營階段的線路復測只能通過相對測量的方式進行,這種方式只適合測量精度要求低的普速鐵路測量。而高速鐵路軌道必須具有非常精確的幾何參數(shù),使軌道的幾何參數(shù)與設計的目標位置之間的偏差保持在最小,精度要保持在毫米級范圍以內。從浙贛線提速發(fā)現(xiàn)軌道幾何參數(shù)與設計值存在的巨大差異,說明僅僅依靠相對測量方法對線路進行維護是遠遠不夠的,必須引入絕對測量系統(tǒng),建立一套完整精密測量系統(tǒng)。

4 高速鐵路精密測量體系的特點

4.1 “三網(wǎng)合一”的測量體系

高速鐵路工程測量的平面、高程控制網(wǎng),按施測階段、施測目的及功能不同分為:勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運營維護控制網(wǎng)。我們把高速無砟軌道鐵路工程測量的這三個階段的測量控制網(wǎng),簡稱“三網(wǎng)”。

勘測控制網(wǎng)包括:CPⅠ控制網(wǎng)、CPⅡ控制網(wǎng)、二等水準基點控制網(wǎng)。

施工控制網(wǎng)包括:CPⅠ控制網(wǎng)、CPⅡ控制網(wǎng)、水準基點控制網(wǎng)、CPⅢ控制網(wǎng)。

運營維護控制網(wǎng)包括 :CPⅡ控制網(wǎng)、水準基點控制網(wǎng)、CPⅢ控制網(wǎng)、加密維護基標。

為保證三階段的測量控制網(wǎng)滿足高速鐵路勘測、施工、運營維護 3個階段測量的要求,在設計、施工和運營階段構建和保持高速鐵路軌道空間幾何形位的一致性,滿足高速鐵路工程建設和運營管理的需要,3階段的平面、高程控制測量必須采用統(tǒng)一的基準。即勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運營維護控制網(wǎng)均采用 CPⅠ為基礎平面控制網(wǎng),以二等水準基點網(wǎng)為基礎高程控制網(wǎng)。簡稱為“三網(wǎng)合一”。

4.2 建立框架控制網(wǎng) CP0

高速鐵路建立框架控制網(wǎng) CP0,是在總結京津城際鐵路,鄭西、武廣、哈大、京滬、石武高速鐵路平面控制測量實踐經(jīng)驗基礎上提出的。由于高速鐵路線路長、地區(qū)跨越幅度大且平面控制網(wǎng)沿高速鐵路呈帶狀布設。為了控制帶狀控制網(wǎng)的橫向擺動,沿線必須每隔一定間距聯(lián)測高等級的平面控制點,但是由于沿線國家高級控制點之間的兼容性差,基礎平面控制網(wǎng)CPⅠ經(jīng)國家點約束后使高精度的 CPⅠ控制網(wǎng)發(fā)生扭曲,大大降低了 CPⅠ控制點間的相對精度,個別地段經(jīng)國家點約束后的 CPⅠ控制點間甚至不能滿足規(guī)范要求的 CPⅠ控制點相對中誤差≤1/180000。在測量中不得不采用一個點和一個方向的約束方式進行 CPⅠ控制網(wǎng)平差,但這種平差方式給 CPⅠ控制網(wǎng)復測帶來不便。為此,在京津城際鐵路、哈大、京滬、石武高速鐵路平面控制測量首先采用 GPS精密定位測量方法建立高精度的框架控制網(wǎng) CP0,作為高速鐵路平面控制測量的起算基準,不僅提高了 CPⅠ控制網(wǎng)的精度,也為平面控制網(wǎng)復測提供了基準。

4.3 高速鐵路平面控制網(wǎng)的分級布網(wǎng)

(1)平面控制網(wǎng)分級布網(wǎng)的原則

高速鐵路工程測量平面控制網(wǎng)應在框架控制網(wǎng)(CP0)基礎上分三級布設,第一級為基礎平面控制網(wǎng)(CPⅠ),主要為勘測、施工、運營維護提供坐標基準;第二級為線路平面控制網(wǎng)(CPⅡ),主要為勘測和施工提供控制基準;第三級為軌道控制網(wǎng)(CPⅢ),主要為軌道鋪設和運營維護提供控制基準。三級平面控制網(wǎng)之間的相互關系如圖1所示。

圖1 高速鐵路三級平面控制網(wǎng)示意(單位:m)

高速鐵路工程測量平面控制網(wǎng)應在框架控制網(wǎng)(CP0)基礎上分三級布設,是因為測量控制網(wǎng)的精度在滿足線下工程施工控制測量要求的同時必須滿足軌道鋪設的精度要求,使軌道的幾何參數(shù)與設計的目標位置之間的偏差保持在最小。而軌道的鋪設施工和線下工程路基、橋梁、隧道、站臺等工程的施工放樣,是通過由各級平面高程控制網(wǎng)組成的測量系統(tǒng)來實現(xiàn)的,為了保證軌道與線下工程路基、橋梁、隧道、站臺的空間位置坐標、高程相匹配協(xié)調,必須按分級控制的原則建立鐵路測量控制網(wǎng)。

(2)各級平面控制網(wǎng)的主要技術要求

高速鐵路工程平面控制測量各級平面控制網(wǎng)的主要技術要求見表1。

表1 各級平面控制網(wǎng)設計的主要技術要求

4.4 平面坐標系統(tǒng)的要求

平面坐標系統(tǒng)應采用邊長投影變形值≤10mm/km的工程獨立坐標系。高速鐵路工程測量精度要求高,施工中要求由坐標反算的邊長值與現(xiàn)場實測值應一致,即所謂的尺度統(tǒng)一。由于地球面是個橢球曲面,地面上的測量數(shù)據(jù)需投影到施工平面上,曲面上的幾何圖形投影到平面時,不可避免會產(chǎn)生變形。采用國家 3°帶投影的坐標系統(tǒng),在投影帶邊緣的邊長投影變形值達到 340mm/km,這對無砟軌道的施工是很不利的,對工程施工的影響呈系統(tǒng)性。從理論上來說,邊長投影變形值越小越有利。德國高速鐵路采用 MKS定義的特殊技術平面坐標系統(tǒng)。MKS可根據(jù)需要把地球表面正形投影到設計和計算平面上,發(fā)生的(不可避免的)長度變形限定在 10mm/km的數(shù)量級上,即投影變形誤差控制在1/100000以內。在京津城際高速鐵路工程測量中,博格公司要求基礎控制網(wǎng)平面相對精度為1/100000。武廣線、鄭西線無砟軌道 CPⅢ控制網(wǎng)的測量實踐也表明,在滿足邊長投影長度變形值不大于 10mm/km的條件下,線下工程施工時,可不進行邊長投影改正直接利用坐標反算距離進行施工放線,CPⅢ觀測距離不需進行投影改化進行平差計算就可滿足 CPⅢ控制網(wǎng)的精度要求。

4.5 高程控制測量的布網(wǎng)要求

(1)高速鐵路工程測量高程控制網(wǎng)分二級布設,第一級線路水準基點控制網(wǎng),為高速鐵路工程勘測設計、施工提供高程基準;第二級軌道控制網(wǎng)(CPⅢ),為高速鐵路軌道施工、維護提供高程基準。

(2)高速鐵路高程控制測量布網(wǎng)要求見表2。

表2 高速鐵路高程控制網(wǎng)布網(wǎng)要求

4.6 CPⅢ自由測站邊角交會網(wǎng)測量

CPⅢ為軌道控制網(wǎng),是鋪軌加密基標和軌道精調的基準,為了保證鋪軌加密基標和軌道精調測量的精度,其點位間距以 60m為宜。CPⅢ控制網(wǎng)應采用自由測站邊角交會網(wǎng)進行構網(wǎng)測量,以 CPⅠ或 CPⅡ作為基準進行固定數(shù)據(jù)約束平差。CPⅢ自由測站邊角交會網(wǎng)如圖2所示,自由測站間距為 120m左右,每個CPⅢ控制點有 3個自由測站點的距離、方向交會。

圖2 CPⅢ平面網(wǎng)觀測網(wǎng)形示意(單位:m)

CPⅢ自由測站邊角交會網(wǎng)測量與常規(guī)導線網(wǎng)測量比較具有以下優(yōu)點:

(1)點位分布均勻,有利于鋪軌加密基標和軌道精調作業(yè)精度的控制;

(2)網(wǎng)形均勻對稱,圖形強度高,每個 CPⅢ控制點有 3個方向交會,多余觀測量多,有利于提高網(wǎng)的可靠性和測量精度;

(3)相鄰點間相對精度高,兼容性好,能有效控制軌道的平順性;

(4)控制點采用強制對中標志,自由測站沒有對中誤差,消除了點位對中點誤差對控制網(wǎng)精度的影響。

4.7 構筑物變形監(jiān)測

高速鐵路線路長,路基、橋梁、涵洞、隧道工程量大,沿線復雜地質條件對工程建設影響大,線下構筑物變形是無砟軌道鐵路的重要參數(shù),一直貫穿于設計、施工、運營養(yǎng)護、維修各階段。高速鐵路構筑物的變形監(jiān)測與控制是高速鐵路建設成敗和安全運營的關鍵,為使變形監(jiān)測所獲取的數(shù)據(jù)科學、可靠并連續(xù),因此在《高速鐵路工程測量規(guī)范》中,專門作為一章對構筑物變形測量的監(jiān)測網(wǎng)構網(wǎng)、測量精度、監(jiān)測點的布設及測量方法進行了規(guī)范。這是高速鐵路精密工程測量體系的一個特點。

5 結語

以《高速鐵路工程測量規(guī)范》(TB10601—2009)為代表的高速鐵路精密工程測量技術標準的編制實施,開創(chuàng)了我國高速鐵路工程測量技術標準體系,大大提高了我國鐵路工程測量的技術水平,有力地推動了鐵路工程測量技術進步,及時為我國高速鐵路的大規(guī)模建設提供了測量技術標準。采用該標準成功地建成了武廣、鄭西客運專線無砟軌道鐵路以及膠濟、合寧、合武、甬臺溫、溫福、石太、福廈等客運專線,目前在建的京滬、哈大、京石、石武等無砟軌道高速鐵路及一批有砟軌道客運專線均按照此標準開展精密工程測量。高速鐵路精密工程測量技術標準為我國建設世界一流的高速鐵路提供了技術支撐。

[1]TB10601—2009,高速鐵路工程測量規(guī)范[S].

[2]TB10601—99,新建鐵路工程測量規(guī)范[S].

[3]何華武.鐵路工程技術論集[M].北京:中國鐵道出版社,2007:267-272.

[4]朱 穎.客運專線無砟軌道鐵路工程測量技術[M].北京:中國鐵道出版社,2008.