高速鐵路精密控制測量技術

王錫和

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢430063）

高速鐵路精密控制測量技術

王錫和

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢430063）

說明了高速鐵路精密控制測量技術體系的總體框架、主要內(nèi)容、技術特點、建網(wǎng)方法以及工程應用。并簡要提出高速鐵路精密控制測量技術需求及要深入研究的方向。

精密控制測量；框架控制網(wǎng)；平面控制網(wǎng)；軌道控制網(wǎng)；線路水準基點

2007年，中國首條長度達100 km高速鐵路京津城際軌道交通完成鋪軌。2009年，全長 1000 km，時速350 km的武漢至廣州客運專線建設完成并開通運行，標志著我國將全面跨入高速鐵路時代。

按照中國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，在今后幾年時間內(nèi),我國通過建設高速鐵路客運專線、發(fā)展城際客運軌道交通和既有線提速改造，形成以“四縱四橫”高速鐵路客運專線為骨干，以及三個城際快速客運系統(tǒng)，連接全國主要大中城市的高速鐵路客運網(wǎng)絡。

1 高速鐵路精密控制測量技術體系

1.1 為什么要建立高速鐵路精密控制測量技術體系

第一、高速鐵路動車以350 km/小時高速運行，動車運行的安全、舒適性要求高速鐵路軌道具有極高的平順度。建立高速鐵路精密控制測量技術體系是滿足高速鐵路軌道高平順度的重要保證。

第二、高速鐵路軌道靜態(tài)幾何尺寸允許偏差要求非常嚴格。其軌道高低幅值、軌向幅值、軌道軌距幅值、軌面高程允許偏差、軌道中線與設計中線較差的允許偏差、線間距允許偏差均在毫米級范圍內(nèi)。要滿足上述軌道靜態(tài)幾何尺寸達到毫米級允許偏差，必須進行高精度精密控制測量。

第三、建立高速鐵路精密控制測量技術體系是我們當前技術條件的要求。表現(xiàn)在以下兩個方面：①建造高速鐵路,在我國屬于新技術項目，缺少經(jīng)驗，沒有相應技術標準。我們通過邊學習、邊研究、邊建立我們自主的高速鐵路技術體系。②我們已建立的傳統(tǒng)鐵路工程測量體系已遠遠不能滿足高速度鐵路建設要求。表現(xiàn)在以下三方面：平面坐標基準投影變形大；自身測量精度、技術要求低；測量控制網(wǎng)分階段施測，未形成一個整體網(wǎng)，各階段起算基準不一致，存在系統(tǒng)差。

1.2 高速鐵路精密控制測量體系的主要技術內(nèi)容

1）技術體系總體框架。高速鐵路精密工程測量總體框架為：平面、高程控制網(wǎng)按施測階段、施測目的及功能分為勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運營維護控制網(wǎng)。各階段平面控制網(wǎng)以框架平面控制網(wǎng)（CP0）為基準。高程控制測量以線路水準基點控制網(wǎng)為基準。平面坐標系采用工程獨立坐標系統(tǒng)。在對應的線路設計高程面上坐標系統(tǒng)的投影長度變形值不宜大于10mm/km。高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準。

2）制測量網(wǎng)的分級。高速鐵路精密工程測量平面控制網(wǎng)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），第二級為線路平面控制網(wǎng)（CPⅡ），第三級為軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）。CP0框架平面控制網(wǎng)主要為全線基礎平面控制網(wǎng)（CPI）提供坐標框架基準；CPⅠ基礎平面控制網(wǎng)主要為勘測、施工、運營維護提供坐標基準；CPⅡ線路平面控制網(wǎng)主要為勘測和施工提供控制基準；CPⅢ軌道控制網(wǎng)主要為軌道鋪設和運營維護提供控制基準。

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；第二級軌道高程控制網(wǎng)（CPⅢ），為高速鐵路軌道施工、維護提供高程基準。

3）精密控制網(wǎng)建立的方法。坐標系統(tǒng)建立方法：平面坐標系統(tǒng)的建立按照投影變形和高程改化之和不大于10mm/km要求，采用WGS84或國家2000橢球，建立投影于抵償高程面上的任意中央子午線的高斯正形投影平面直角坐標系。抵償高程面設為對應的線路軌面設計高程面。采用1985國家高程基準建立高程系。

測量方法：CP0框架平面控制網(wǎng)、CPI基礎平面控制網(wǎng)采用GPS方法測量。CPⅡ線路平面控制網(wǎng)，在路基、橋梁地段采用GPS方法測量，在隧道洞內(nèi)采用導線測量。CPⅢ軌道控制網(wǎng)采用自由設站邊角交會法測量。線路水準基點和CPⅢ軌道控制網(wǎng)的高程采用國家二等水準測量或精密三角高程測量。

1.3 高速鐵路精密控制測量體系的主要技術特點

首先確定了高速鐵路精密控制網(wǎng)分級布設原則。第二，實現(xiàn)了三網(wǎng)合一。將原鐵路工程測量規(guī)范中分別獨立建立的勘察設計控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運營維護控制網(wǎng)合并為高速鐵路精密控制網(wǎng)。統(tǒng)一了坐標基準、高程基準，消除了三個獨立控制網(wǎng)間存在的系統(tǒng)差。使設計線路定位、施工放樣更準確，減少設計與施工間的協(xié)調(diào)。第三，明確了必須采用絕對定位與相對定位測量相結合的鋪軌測量定位模式。第四，提出了建立高速鐵路精密控制網(wǎng)的具體方法，詳細闡述了高速鐵路各級精密控制測量網(wǎng)精度指標和具體技術內(nèi)容。第五，規(guī)定了高速鐵路精密控制測量網(wǎng)，在施工各階段和竣工后的復測要求，并制定了評估驗收和其他相關內(nèi)容。第六，在技術上有所創(chuàng)新。表現(xiàn)在，提出了建立CP0框架平面控制網(wǎng)思想，統(tǒng)一了坐標基準，對精密控制測量網(wǎng)的復測和被破壞樁點的恢復帶來了便利；在軟基地段埋設深埋水準點和基巖水準點，使高程成果的穩(wěn)定性得到了提高；首次提出了使用精密三角高程進行二等水準測量方法，大大提高了山區(qū)高程測量的效率；采用自由設站邊角交會法測量CPIII平面坐標和高程，利用CPIII軌道控制網(wǎng)直接指導鋪軌，同時檢測鋪軌誤差，保證鋪軌精度。

2 高速鐵路精密控制測量技術應用

2.1 武廣客運專線精密控制測量

武廣客運專線北起武漢站，南到新廣州站，穿越湖北、湖南、廣東三省，全長995 km。武廣客運專線精密控制測量分平面控制網(wǎng)測量、CPIII軌道控制網(wǎng)測量、線路水準基點二等水準高程控制網(wǎng)測量。

精密控制測量于2006年底完成，2007年1月完成了武漢站-新廣州站GPS網(wǎng)聯(lián)合整體平差計算，并提交CPI、CPII坐標成果。從2006年10月至11月，完成了除大瑤山隧道段外的二等水準測量工作，大瑤山隧道水準測量貫通于2007年1月完成并提交高程成果。

1）CPI基礎平面控制網(wǎng)、CPⅡ線路平面控制網(wǎng)測量。CPI基礎平面控制網(wǎng)采用GPS方法施測。武漢站-新廣州站GPS基線網(wǎng)由485個點,4131條基線組成。最弱邊邊長相對中誤差為5.4×10-6，限差5.88×10-6。最弱點CPI634點位中誤差為Mx=1.9 cm，My=2.2 cm。

CPⅡ線路平面控制網(wǎng)，除隧道洞內(nèi)采用導線網(wǎng)測量外，其余各點均采用GPS測量。邊長相對中誤差普遍優(yōu)于5.0×10-6，即1/200 000，最優(yōu)則達到0.2× 10-6，(1/495 3256)。全網(wǎng)最弱邊（GSⅡ077-CPⅡ206）邊長相對中誤差為7.12×10-6，小于允許值10×10-6的設計要求。

通過對CPⅠ基礎平面控制網(wǎng)、CPⅡ線路平面控制網(wǎng)測量各項技術指標的統(tǒng)計分析，武廣客運專線CPⅠ基礎平面控制網(wǎng)、CPⅡ線路平面控制網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)質量可靠，全網(wǎng)整體約束平差滿足精度要求，成果質量優(yōu)良。

2）高程控制網(wǎng)測量。武廣客運專線高程控制測量采用二等水準測量和精密三角高程測量兩種方式。二等水準測量按《國家一、二等水準測量規(guī)范》要求執(zhí)行，作業(yè)區(qū)域一般為交通較為方便、高差不大的平地或丘陵地。二等水準測量嚴格規(guī)范要求作業(yè)。

精密三角高程測量作為科研課題，在邊測量邊比較的情況下展開研究。作業(yè)區(qū)大多為交通不方便、高差大的山地。精密三角高程測量是按照獨立往返測量的方法，根據(jù)三角高程測量基本原理，采用自動照準的高精度全站儀同時對向觀測，以基本消除或大大削弱大氣垂直折光的影響。對向觀測時照準棱鏡均固定在全站儀上。在一個測段內(nèi)對向觀測的邊數(shù)均為偶數(shù)條，同時在測段的起止水準點上立高度不變的同一棱鏡，以完全避免量取儀器高和棱鏡高帶來的誤差，同時限制觀測邊的長度和高度角，以減少相對垂線偏差的影響。在觀測時各測站觀測前均測定大氣溫度和氣壓，并在全站儀上進行設置，對邊長自動進行氣象改正。

武廣客專全線水準測量分10個測段，根據(jù)計算每公里偶然中誤差最大為±0.89mm，每公里全中誤差為1.57mm。各測段往返測高差較均滿足二等水準測量要求。

2.2 京滬高速鐵路精密控制測量

京滬高速鐵路精密控制網(wǎng)由框架平面控制網(wǎng)（CP0）、基礎平面控制網(wǎng)（CPⅠ）、線路平面控制網(wǎng)（CPⅡ）、軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）、線路高程控制網(wǎng)組成。

1)框架平面控制網(wǎng)（CP0）測量。2007年4月開始展開京滬高速鐵路“徐滬段”CP0框架基站點的外業(yè)選點工作，具體確定7個深埋水準點和2個高等級國家三角點作為CP0框架基站點。

外業(yè)觀測使用10臺同型號拓普康HiPer系列的雙頻GPS接收機，分4個獨立時段，同步連續(xù)觀測2 d。每個時段觀測9h，不同觀測時段之間間隔0.5～1h。觀測結束后，下載相應的IGS精密衛(wèi)星星歷和聯(lián)測的IGS基站（BJFS和TWTF）觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理使用BerneseGPS4.2軟件。通過對全部載波觀測值進行基于寬波組合觀測值的粗差和周跳探測，檢查外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的質量。并用粗差和周跳清理后的相位觀測值對偽距觀測值進行相位平滑處理。凡是殘差大于 3倍中誤差的觀測值在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中將不再使用。對同步基線不采用逐邊“單基線解算模式”，而采用理論上更嚴密的“多基線解算模式”以獲取基線之間的相關性（方差-協(xié)方差陣）。在“多基線解算模式”下，同步基線環(huán)的閉合差僅為最末有效數(shù)字位的舍入誤差，無須作基線同步環(huán)的閉合差檢驗。BerneseGPS4.2軟件采用以空間直角坐標為未知參數(shù)的GPS網(wǎng)平差方式。GPS基線網(wǎng)平差首先在同步觀測網(wǎng)中進行，然后作異步網(wǎng)整體平差處理。所有基線均進行了重復基線解算較差的檢驗和異步環(huán)閉合差計算檢驗兩個方面的評價。

2)線路高程控制網(wǎng)測量。京滬高速鐵路沿線軟基和地面沉降漏斗地區(qū)較多，為保證線路高程控制網(wǎng)的相對穩(wěn)定，布設了多個基巖水準點和深埋水準點，均按國家二等水準測量要求施測。深埋水準點的埋深由地質專業(yè)根據(jù)地質情況確定，要求至持力層。京滬高鐵深埋水準點一般埋深為60m，在沉降變形區(qū)按20 km間隔埋設一個?；鶐r水準點以利用國家基巖點為主?；鶐r水準點和深埋水準點的埋設，起到了穩(wěn)定線路高程控制網(wǎng)的作用。

3 高速鐵路精密控制測量技術需求

自2006年開展高速鐵路精密控制測量技術研究以來，鐵道部頒布實施了《客運專線無碴軌道鐵路工程測量技術暫行規(guī)定》，通過大量的實踐證明，該暫行規(guī)定存在許多不完善之處。2009年6月，依據(jù)《高速鐵路設計指南》、《高速鐵路施工質量驗收暫行標準》、《客運專線鐵路路基工程施工質量驗收暫行標準》、《客運專線鐵路橋涵工程施工質量驗收暫行標準》、《客運專線鐵路隧道工程施工質量驗收暫行標準》，在現(xiàn)行《客運專線無碴軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》基礎上，充分汲取京津、武廣、鄭西、哈大、京滬、廣深港等高速鐵路和客運專線工程測量的實踐經(jīng)驗，并參考國外有關無碴軌道測量規(guī)范和標準的基礎上編制完成了《高速鐵路工程測量規(guī)范》，標志著高速鐵路精密控制測量技術體系的完善又向前邁了一步。要不斷完善高速鐵路精密控制測量技術體系，有幾個方面值得思考。

1）建立統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)。目前，高速鐵路精密控制網(wǎng)坐標系是按照投影變形和高程改化之和不大于每公里10 mm的要求，采用 WGS84或國家2000橢球，建立投影于抵償高程面上的任意中央子午線的高斯正形投影平面直角坐標系。

按照投影變形和高程改化之和不大于每公里10mm的要求，意味著投影帶寬不能超過40分，與投影面的高程差不得大于60 m。常常我們的高鐵線路或呈東西走向，或穿越高山大川。如向蒲鐵路、蘭渝鐵路，投影分帶非常多，帶寬最窄處線路里程長僅超10 km，給設計、施工帶來非常不便。也很難滿足建立鐵路 GIS系統(tǒng)，實現(xiàn)鐵路信息化管理的要求。因此需要建立能滿足設計、施工、運營維護要求的統(tǒng)一的坐標系。不論建立起來的這種坐標系是什么樣的坐標系，都要在滿足精度條件下，最大限度地方便設計、施工和運營維護使用，即盡可能少分帶或不分帶。

2）路網(wǎng)精準大地水準面模型的建立。高速鐵路線路水準基點控制網(wǎng)是通過沿線路埋設各種水準點建立的。這些點的生存周期是一個不容忽視的問題，比如，京滬高鐵南京至上海段，建立起來不久的線路水準基點控制網(wǎng)，在交樁和復測過程中，均發(fā)現(xiàn)大批量破壞或丟失，對京滬高鐵的建設和建成后運營維護影響很大，需要投入較大力量恢復。被破壞主要原因是當?shù)亟ㄔO發(fā)展速度太快，我國當前正處于高速發(fā)展期，這個問題在其他線路上也在所難免。如果一次性投入，在鐵路沿線建立精準大地水準面模型，即可采用GPS測量方法方便獲得任意點的高精度高程，有效解決上述問題，同時也極大方便了線路營運維護過程中的沉降變形測量，對動車運行安全提供保障。

為了滿足機具行走的效率和安全之間的平衡，臨時軌道根據(jù)切縫機具的尺寸進行加工，滑輪組小于軌道的寬度4mm，輪組采用齒輪塑料材質（POM）。

可以充分利用已建立的高程控制網(wǎng)大量測量數(shù)據(jù)開展路網(wǎng)精準大地水準面模型的建立。

3）大型橋梁、隧道精密控制測量。高速鐵路精密控制網(wǎng)與獨立建立的大型橋梁、隧道精密控制網(wǎng)之間，坐標系建立的方法在起算基準點、坐標軸定義方面存在差別。如果使用具有很高精度的高速鐵路精密控制網(wǎng)，代替獨立建立的大型橋梁、隧道精密控制網(wǎng)，那么不僅可以減少測量工作量，而且使線路與大型橋梁、隧道達到平順連接，提高線路質量。

4）快速精確測量軌道幾何狀態(tài)技術。研究快速精確測量軌道幾何狀態(tài)技術對線路復測、運營維護有很重要的意義。

5）測量新技術在高速鐵路精密控制測量中的應用需求。鐵路工程測量技術屬應用技術，其先進性依賴先進的儀器設備和先進技術手段和方法的運用。高品質的全站儀、電子水準儀、高精度的GPS測量已在高速鐵路精密控制測量中得到廣泛應用，這些應用屬地面測量技術。目前，航空航天遙感、LIDAR、InSar等先進的技術已在許多領域得到廣泛應用，這些技術能得到很高的測量精度，其測量方式是非地面的，具有高效、大范圍測量的特點，是地面測量方式難以比擬的。研究航空航天遙感、LIDAR、InSar技術在高速鐵路精密控制測量中的應用也是我們應共同思考的課題。

4 結語

高速鐵路精密控制測量技術，在鐵道部高度重視下，通過短短三年的發(fā)展，取得了長足的進步，形成了一套基本完善的技術體系，成為了我國高速鐵路建設技術體系中的重要組成部份。從工程測量角度來看，高速鐵路精密控制測量毫米級的高精度要求，是工程測量的一個飛躍，在幾年前，對工程測量工作者而言是難以想象的。隨著我國高速鐵路建設技術的不斷發(fā)展，以及更多成熟的測量新技術、新設備應用到高速鐵路精密控制測量中來，實現(xiàn)高速鐵路精密控制測量技術達到國際先進水平，指日可待。

[1] GB/T12897-2006.國家一、二等水準測量規(guī)范[S]

[2] 張英翔，胡波，羅濤，等.京滬高速鐵路CPII控制網(wǎng)復測技術研究[J].地理空間信息，2008，6（3）：112-114

[3] 吳迪軍，熊偉，張建軍.橋梁施工平面控制網(wǎng)必要精度的研究[J].地理空間信息，2008，6（6）：100-102

Surveying Technology of Precise Control in High-speed Railway

WANG Xihe
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.,Wuhan 430063,China)

The paper introduced the collectivity frame,the primary content,characteristics,the network construction methods and applications of this system.The dem and s and research aspects of the technology were illuminated compendiously,too.

2009-08-19

P258

B

1672-4623(2010)01-0127-04

Keys words:precise control survey;frame control points;horizontal control points;railway control points; bench mark of railway route

王錫和，高級工程師，主要從事勘測管理工作。