CRTSⅠ型板式無砟軌道中軌道基準(zhǔn)點(diǎn)(GRP)的測量方法研究

孫繼成

(中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽合肥 230011)

1 概述

滬寧城際鐵路位于長三角地區(qū)，經(jīng)由上海、昆山、蘇州、無錫、常州、丹陽、鎮(zhèn)江至南京，全長301雙線公里，軌道設(shè)計(jì)為CRTSⅠ型板式無砟軌道。滬寧城際鐵路無砟軌道施組工期極為緊張，無砟軌道鋪設(shè)時(shí)間平均約為2個(gè)月左右，鋪軌完成后即開始聯(lián)調(diào)聯(lián)試。鋼軌精調(diào)工作只能利用鋪軌運(yùn)輸間隙與其他專業(yè)施工并行開展施工，時(shí)間僅有20d左右。在如此短的工期內(nèi)，按原引進(jìn)的施工技術(shù)方案將難以完成按期開通運(yùn)營的目標(biāo)要求。為了滿足滬寧線整體施工需要，借鑒CRTSⅡ型板精調(diào)控制方法，提出引入軌道基準(zhǔn)點(diǎn)(GRP)作為軌道板精調(diào)控制和鋼軌精調(diào)控制基準(zhǔn)的測控體系。

2 現(xiàn)狀調(diào)查與研究目標(biāo)

傳統(tǒng)CRTSⅠ型板式無砟軌道施工測量中，首先利用既有的CPⅠ、CPⅡ控制網(wǎng)和二等水準(zhǔn)控制網(wǎng)建立CPⅢ控制網(wǎng)，然后在施工完成的凸形擋臺上沿線路中線方向設(shè)置加密基樁和基準(zhǔn)器。加密基樁和基準(zhǔn)器依據(jù)相鄰CPⅢ控制點(diǎn)進(jìn)行加密，逐一測定其位置和高程后控制其垂直于線路中線方向的限差合格后并標(biāo)定點(diǎn)位。加密基樁和基準(zhǔn)器測設(shè)完成后，作為控制基準(zhǔn)進(jìn)行軌道板的鋪設(shè)及調(diào)整定位。

采用傳統(tǒng)CRTSⅠ型板式無砟軌道施工工藝，在軌道板精調(diào)時(shí)需使用專用三角規(guī)進(jìn)行測量，軌道板控制范圍較小且采用水準(zhǔn)氣泡控制，精度控制有限，鋪設(shè)完成的軌道板精度只能實(shí)現(xiàn)軌道板結(jié)構(gòu)的大致平順，無砟軌道精調(diào)工作集中到鋪軌完成后。在鋼軌精調(diào)階段，由于加密基樁和基準(zhǔn)器為一次性使用，鋪軌后的軌道精調(diào)只能以CPⅢ控制網(wǎng)為起算控制網(wǎng)通過全站儀任意架站定位，逐承軌點(diǎn)測量鋼軌絕對坐標(biāo)并固定鋼軌位置，即絕對定位階段。在此基礎(chǔ)上再對各承軌點(diǎn)進(jìn)行平順性調(diào)整，即相對調(diào)整階段。此過程全站儀設(shè)站繁瑣，承軌點(diǎn)測量工作量大，作業(yè)效率低，需要較長作業(yè)時(shí)間多次調(diào)整才能滿足聯(lián)調(diào)聯(lián)試的條件。

而滬寧城際鐵路無砟軌道施工工期極為緊張，鋼軌精調(diào)只能利用鋪軌時(shí)間與鋼軌鋪設(shè)交叉進(jìn)行。為了保證全線按期開通目標(biāo)要求，需要系統(tǒng)地優(yōu)化無砟軌道施工測量方案，減少軌道鋪設(shè)完成后鋼軌精調(diào)工作量和作業(yè)時(shí)間。為此，借鑒CRTSⅡ型板無砟軌道測量方法，提出了優(yōu)化滬寧城際鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道測控網(wǎng)體系的研究目標(biāo):

①在CPⅢ控制網(wǎng)下增設(shè)控制點(diǎn)軌道基準(zhǔn)點(diǎn)(GRP)，并提出測量和數(shù)據(jù)處理方法。

②結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證引入軌道基準(zhǔn)點(diǎn)(GRP)進(jìn)行CRTSⅠ型板式無砟軌道施工的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

3 研究和應(yīng)用

3.1 資料收集

查閱了CRTSⅠ、Ⅱ型板式無砟軌道的設(shè)計(jì)和施工測量方案，收集了京津城際鐵路關(guān)于CRTSⅡ型板式無砟軌道GRP點(diǎn)測量作業(yè)方法等技術(shù)資料。

3.2 理論分析和測設(shè)方案

結(jié)合滬寧城際鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道特點(diǎn)，借鑒CRTSⅡ型板式無砟軌道中GRP點(diǎn)的測量方法，分析研究CRTSⅠ型板式無砟軌道中GRP點(diǎn)的點(diǎn)位埋設(shè)、外業(yè)測量、數(shù)據(jù)處理和平差方法以及精度控制指標(biāo)，提出滿足滬寧城際鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道施工要求的軌道基準(zhǔn)點(diǎn)(GRP)測量方案。

(1)GRP點(diǎn)定義

CRTSⅠ型板無砟軌道基準(zhǔn)點(diǎn)(GRP)，布設(shè)于凸形擋臺中心處，一般每隔一塊軌道板設(shè)一處，通過CPⅢ網(wǎng)測定其三維坐標(biāo)，其坐標(biāo)數(shù)據(jù)將直接用于軌道板精調(diào)和后期的軌道精調(diào)，具有以下特點(diǎn):

①沿軌道軸線布設(shè)，近似直線導(dǎo)線。依據(jù)CPⅢ點(diǎn)，粗略放樣GRP點(diǎn)，然后精確測定。

②左、右線分開布設(shè)，以提高軌道的橫向精度。

③平面和高程分開測定，以提高高程的精度。

④相鄰點(diǎn)間平面精度0.2 mm，相鄰點(diǎn)高差精度0.1 mm。

(2)GRP點(diǎn)作業(yè)流程

GRP點(diǎn)以已測設(shè)完成的CPⅢ控制網(wǎng)為起算數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，其主要作業(yè)流程如下:

①GRP點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)計(jì)算。

②GRP點(diǎn)初放樣。

③GRP點(diǎn)埋設(shè)。

④GRP點(diǎn)平面測量和數(shù)據(jù)處理。

⑤GRP點(diǎn)高程測量和數(shù)據(jù)處理。

⑥成果輸出。

(3)GRP點(diǎn)埋設(shè)

在GRP點(diǎn)初放樣后，按要求對GRP點(diǎn)進(jìn)行埋設(shè)，考慮到軌道板精調(diào)的需要，滬寧城際鐵路GRP點(diǎn)設(shè)于凸形擋臺中心，按每5 m(CRTSⅠ型軌道板的長度)布設(shè)一個(gè)，左、右線分別布設(shè)，埋設(shè)位置偏離放樣點(diǎn)位置不大于5 mm。標(biāo)志的埋設(shè)分別為以下兩種情況:

①對于底座板施工完成后隨即進(jìn)行凸形擋臺的情況(如直線段)，可在GRP點(diǎn)放樣點(diǎn)的位置上鉆孔，預(yù)埋如圖1所示的GRP點(diǎn)基標(biāo)釘，并用黏合劑錨固。

②對于軌道板精調(diào)后施工凸形擋臺的情況(如曲線段)，在底座板施工時(shí)，在放樣點(diǎn)位置上預(yù)埋如圖2所示的鋼棒型GRP點(diǎn)標(biāo)志點(diǎn)，其鋼棒直徑為30 mm。

(4)GRP點(diǎn)的編號

GRP點(diǎn)的編號分左右線分別進(jìn)行，沿線路里程增加方向編號，統(tǒng)一為七位。具體規(guī)則為:L(左線)/R(右線)+×××(里程整公里數(shù))+×××(該公里段GRP點(diǎn)序號)。

圖1 GRP點(diǎn)基標(biāo)釘

圖2 鋼棒型GRP點(diǎn)標(biāo)志點(diǎn)

3.3 GRP點(diǎn)的測量與數(shù)據(jù)處理

GRP點(diǎn)三維坐標(biāo)的測量，采用平面和高程分開施測的方法進(jìn)行。相鄰GRP點(diǎn)之間的平面和高程相對精度滿足表1要求。

表1 相鄰GRP點(diǎn)間相對精度要求

(1)GRP點(diǎn)的平面測量

GRP點(diǎn)平面測量外業(yè)觀測滿足下列要求:

①全站儀設(shè)站點(diǎn)盡量靠近GRP點(diǎn)的連線方向。

②左、右線GRP點(diǎn)的測量，分別設(shè)站觀測。

③同一測站觀測的CPⅢ控制點(diǎn)不少于4對，觀測的GRP點(diǎn)宜為10～14個(gè)(可視天氣情況作相應(yīng)調(diào)整)，其中包括與上一個(gè)測站搭接的5個(gè)GRP點(diǎn)。

④同一測站每個(gè)測回GRP點(diǎn)觀測都由遠(yuǎn)及近依次進(jìn)行觀測。觀測完畢后沿GRP觀測順序進(jìn)行搬站，即后退式搬站。

⑤每一測站重復(fù)觀測上一測站的CPⅢ控制點(diǎn)不少于2對，重復(fù)觀測上一測站觀測的GRP點(diǎn)不少于5個(gè)。

以左線測量為例，GRP點(diǎn)平面測量的方法示意如圖3所示，右線測量與左線類似。

圖3 GRP點(diǎn)平面測量方法示意(左線)

(2)平面數(shù)據(jù)處理

GRP點(diǎn)平面測量的數(shù)據(jù)處理，采取約束聯(lián)測的CPⅢ點(diǎn)坐標(biāo)的方法進(jìn)行平差計(jì)算。以本站聯(lián)測的CPⅢ控制點(diǎn)和各GRP點(diǎn)坐標(biāo)的均值作為觀測值，利用本站聯(lián)測的CPⅢ控制點(diǎn)的已知坐標(biāo)作為起始值，采用平差的方法求解CPⅢ控制點(diǎn)兩套坐標(biāo)(線路獨(dú)立坐標(biāo)系和測站站心坐標(biāo)系)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，再根據(jù)得到的轉(zhuǎn)換參數(shù)對各GRP點(diǎn)的坐標(biāo)均值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

(3)GRP點(diǎn)的高程測量

為保證GRP點(diǎn)高程測量的精度，GRP點(diǎn)高程測量采用高精度電子水準(zhǔn)儀和一把配套條碼水準(zhǔn)尺施測，施測時(shí)采用附合水準(zhǔn)路線和中視法支水準(zhǔn)測量路線相結(jié)合的方法進(jìn)行。

水準(zhǔn)儀設(shè)站點(diǎn)盡量位于相鄰兩個(gè)CPⅢ控制點(diǎn)之間，每一測站要求如表2所示。

表2 GRP點(diǎn)高程測量主要技術(shù)要求

左右線GRP點(diǎn)高程分別測量。

每300 m左右與線路同側(cè)穩(wěn)定的CPⅢ控制點(diǎn)閉合一次;同一測段進(jìn)行往返測。

同一測段內(nèi)左線(或右線)其余CPⅢ控制點(diǎn)均作為轉(zhuǎn)點(diǎn)，用于對高程測量成果進(jìn)行檢核，測段內(nèi)所有GRP點(diǎn)均作為中視點(diǎn)。

同一測段不需重復(fù)測量GRP點(diǎn)。

不同測段間重復(fù)觀測的GRP點(diǎn)不少于3個(gè)，在橋上作業(yè)時(shí)搭接點(diǎn)盡量預(yù)留在每孔梁的固定端。

以左線往測為例，GRP點(diǎn)高程測量的方法示意如圖4所示，左線返測與右線測量均與此類似。

(4)高程數(shù)據(jù)處理

往測水準(zhǔn)路線閉合差滿足要求后，先對作為轉(zhuǎn)點(diǎn)的CPⅢ控制點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算，得到各轉(zhuǎn)點(diǎn)處CPⅢ控制點(diǎn)的高程，再據(jù)此計(jì)算各中視GRP點(diǎn)的往測高程。返測水準(zhǔn)路線閉合差滿足要求后，也是先對作為轉(zhuǎn)點(diǎn)的CPⅢ控制點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算，得到各轉(zhuǎn)點(diǎn)處CPⅢ控制點(diǎn)的高程，再據(jù)此計(jì)算各中視GRP點(diǎn)的返測高程。最后取所有GRP點(diǎn)的往返測高程的均值作為本測站GRP點(diǎn)的采用高程。

3.4 現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證

(1)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

依托滬寧城際先導(dǎo)段，以測設(shè)完成的GRP點(diǎn)為控制基準(zhǔn)進(jìn)行軌道板精調(diào)，安裝扣件并鋪設(shè)鋼軌，然后分別以GRP點(diǎn)和CPⅢ點(diǎn)為基礎(chǔ)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行鋼軌靜態(tài)檢測，檢核鋼軌鋪設(shè)后的軌道幾何狀態(tài)以及GRP點(diǎn)在軌道靜態(tài)檢測中的測量效率和測量精度?，F(xiàn)場采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表3 基于GRP點(diǎn)軌道靜態(tài)檢測綜合評價(jià)

由以上軌道靜態(tài)檢測綜合評價(jià)表可知:

①鋪設(shè)后的鋼軌平面和高程絕對精度合格率達(dá)到100%，每個(gè)扣件節(jié)點(diǎn)處的鋼軌幾何狀態(tài)基本精準(zhǔn)。

②鋪設(shè)后的鋼軌軌向長波(150 m弦)以及高低長波(150 m弦)合格率達(dá)到100%;軌向短波(10 m弦)合格率97.13%，最大偏差4.1 mm;高低短波(10 m弦)合格率在99%左右，最大偏差2.6 mm;鋼軌相對精度基本合格，只有少部分扣件需調(diào)整。

③采用GRP點(diǎn)進(jìn)行軌道靜態(tài)檢測結(jié)果與采用CPⅢ網(wǎng)進(jìn)行軌道檢測結(jié)果基本一致，但在絕對精度和相對精度上都較好。

表4 基于CPⅢ控制網(wǎng)軌道靜態(tài)檢測綜合評價(jià)

④采用GRP點(diǎn)進(jìn)行軌道靜態(tài)檢測結(jié)果與采用CPⅢ網(wǎng)進(jìn)行軌道檢測結(jié)果中平面較差差別較大，最大較差4.5 mm。

(2)現(xiàn)場試驗(yàn)分析

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可見，利用測設(shè)完成的高精度的GRP點(diǎn)進(jìn)行軌道板精調(diào)，能夠較好地控制鋪軌后的軌道精度，保證鋼軌扣件節(jié)點(diǎn)處的幾何狀態(tài)能夠滿足絕對定位要求，使鋼軌精調(diào)直接進(jìn)入相對調(diào)整階段。同時(shí)，鋼軌的相對平順性也基本合格，只需進(jìn)行少量的軌道調(diào)整，極大地減少了后期的鋼軌精調(diào)工作量。

采用GRP點(diǎn)進(jìn)行軌道檢測和精調(diào)時(shí)，儀器在測設(shè)完成的GRP點(diǎn)上強(qiáng)制對中設(shè)站后開始測量，一方面可以減少傳統(tǒng)方法中的CPⅢ網(wǎng)自由設(shè)站的設(shè)站誤差，提高測站間的相對精度，保證檢測成果能夠更準(zhǔn)確地反映軌道的真實(shí)狀態(tài);另一方面軌道調(diào)整與軌道板調(diào)整采用的控制數(shù)據(jù)都為GRP點(diǎn)，保證了控制數(shù)據(jù)的一致性，提高了鋼軌靜態(tài)檢測軌向、高低等平順性控制質(zhì)量。

4 結(jié)論

我國鐵路建設(shè)正逐步進(jìn)入高速鐵路建設(shè)時(shí)期，為了滿足高速鐵路建設(shè)“高速度、高平順性、高舒適度”的需要，在借鑒國外先進(jìn)技術(shù)和國內(nèi)成功經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，必須要堅(jiān)持走“消化，吸收，再創(chuàng)新”的道路，針對不同的建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行無砟軌道施工工藝優(yōu)化和創(chuàng)新。在滬寧城際鐵路建設(shè)中，通過引入 GRP測量點(diǎn)，在保留CRTSⅠ型板式無砟軌道的施工方便簡捷、成本低的前提下，又進(jìn)一步提高了軌道板的施工控制精度以及后期軌道靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量。一方面保證了鋪軌后鋼軌扣件節(jié)點(diǎn)處的幾何狀態(tài)能夠滿足絕對定位要求，另一方面減少了后期鋼軌精調(diào)工作量，從而為在短時(shí)間內(nèi)完成軌道幾何狀態(tài)精調(diào)施工并提供聯(lián)調(diào)聯(lián)試條件打下了基礎(chǔ)。

[1]TB10601—2009 高速鐵路工程測量規(guī)范[S］

[2]鐵建設(shè)函[2009］674號 高速鐵路無砟軌道工程施工精調(diào)作業(yè)指南[S］

[3]張正祿，等.工程測量學(xué)[M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2005

[4]朱 穎.客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測量技術(shù)[M］.北京:中國鐵道出版社，2009