淺談高速鐵路精密工程測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)

李石貴

摘要： 我國高鐵建設(shè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，已成為對(duì)外的一張靚麗名片，高鐵安全問題越來越受到人們密切關(guān)注，精密工程測(cè)量技術(shù)是確保高鐵系統(tǒng)安全運(yùn)行的基本前提。本文對(duì)高速鐵路精密工程測(cè)量技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)鐵路測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了充分的分析和論述，以便于高速鐵路管理人員對(duì)高速鐵路精密工程測(cè)量技術(shù)的掌握和使用。

Abstract： The development of high-speed railway construction in China is rapid very much， and it has become a beautiful foreign name card， at the same time， more attention has been paid to the high-speed rail security. Precision engineering measurement technology is the basic premise of the safe operation of the high-speed rail system. In this paper， the characteristics of the technology of precision engineering measurement of high-speed railway relative to traditional railway measurement technology are analyzed and discussed fully， in order to facilitate the high-speed railway staff to grasp and use this technology.

關(guān)鍵詞： 高鐵；精密；工程；測(cè)量

Key words： high-speed railway；precision；engineering；measurement

中圖分類號(hào)：U238 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）15-0126-02

0 引言

高速鐵路對(duì)軌道的精度、平順性等幾何參數(shù)要求十分嚴(yán)格，要求以毫米級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)來控制各部分的測(cè)量精度。從這個(gè)角度來講，高速鐵路也屬于精密工程測(cè)量范疇。與傳統(tǒng)鐵路工程測(cè)量技術(shù)相比，高鐵工程測(cè)量技術(shù)對(duì)測(cè)量?jī)x器、測(cè)量方法等要求都更加嚴(yán)格，而且測(cè)量精度要求精確到毫米級(jí)。我們將適用于高速鐵路工程測(cè)量的技術(shù)體系叫作高速鐵路精密工程測(cè)量。

1 傳統(tǒng)的鐵路工程測(cè)量方法和不足

1.1 傳統(tǒng)的鐵路工程測(cè)量方法

在鐵路工程勘測(cè)與線路設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)鐵路工程測(cè)量技術(shù)是將線路中線控制樁作為坐標(biāo)基準(zhǔn)，從初測(cè)開始，到定測(cè)，再到線下測(cè)量、鋪軌測(cè)量，依靠經(jīng)緯儀和鋼尺逐步展開軌道測(cè)量工作。

①初測(cè)。初測(cè)階段主要涉及導(dǎo)線平面控制測(cè)量和水準(zhǔn)高程控制測(cè)量?jī)身?xiàng)主要任務(wù)。平面控制測(cè)量的坐標(biāo)基準(zhǔn)為1954年北京坐標(biāo)系，測(cè)角中誤差12.5"（25"），導(dǎo)線全長相對(duì)閉合差：光電測(cè)距1/6000，鋼尺丈量1/2000。

高程控制測(cè)量的坐標(biāo)基準(zhǔn)為1956年黃海高程/1985年國家高程基準(zhǔn)，采用五等水準(zhǔn)（30）精度標(biāo)準(zhǔn)。

②定測(cè)。根據(jù)初測(cè)結(jié)果，以初測(cè)導(dǎo)線的精度指標(biāo)放出交點(diǎn)、直線控制樁、曲線控制樁（五大樁）的實(shí)際參數(shù)。

③線下工程施工測(cè)量。線下工程施工測(cè)量主要以定測(cè)階段得到的參數(shù)以及初測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)作為坐標(biāo)基準(zhǔn)，逐步測(cè)放出高程參數(shù)。

④鋪軌測(cè)量。通過經(jīng)緯儀穿線法進(jìn)行直線測(cè)量，通過用弦線矢距法/偏角法進(jìn)行曲線測(cè)量，以此得到精確的鋪軌精度數(shù)據(jù)。

1.2 傳統(tǒng)的鐵路工程測(cè)量方法的缺陷

上述主要測(cè)控工序主要通過鋼尺、經(jīng)緯儀等完成測(cè)控，只能用在對(duì)軌道線形精度要求較低的普速鐵路工程的測(cè)量中。隨著電子水準(zhǔn)儀、GPS、全站儀等先進(jìn)測(cè)量?jī)x器的開發(fā)應(yīng)用，以鋼尺、經(jīng)緯儀為主的傳統(tǒng)鐵路軌道測(cè)量技術(shù)的劣勢(shì)逐漸顯現(xiàn)出來，主要表現(xiàn)在：

①測(cè)量精度低：傳統(tǒng)鐵路工程測(cè)量技術(shù)對(duì)導(dǎo)線方位角測(cè)量精度的規(guī)定較低（25″）。實(shí)際施工中對(duì)導(dǎo)線方位角進(jìn)行復(fù)測(cè)時(shí)常常出現(xiàn)曲線偏角超限現(xiàn)象，施工隊(duì)不得不調(diào)整曲線要素來保證正常施工秩序。該方法基本能滿足普通速度的列車對(duì)行車舒適度和安全性的要求，但如果是高速列車，將無法達(dá)到運(yùn)行要求。

②線路平面測(cè)量可重復(fù)性差：以中線控制樁為坐標(biāo)基準(zhǔn)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)平面高程的分級(jí)測(cè)控，僅通過定測(cè)得到的坐標(biāo)參數(shù)全面控制線路精度，如果中線控制樁連續(xù)丟失，恢復(fù)時(shí)十分困難，客觀上會(huì)耽誤工程測(cè)量進(jìn)度。另外，分級(jí)平面控制網(wǎng)的缺失使得工程測(cè)量始終缺少穩(wěn)固的平面控制基準(zhǔn)，施工完畢后會(huì)直接將線路中線控制樁毀掉，不可重復(fù)利用，也就不能采用統(tǒng)一的平面控制基準(zhǔn)進(jìn)行軌道測(cè)量。

③平面坐標(biāo)系投影差大：采用1954年北京坐標(biāo)系30帶投影，投影帶邊緣邊長投影最大變形值為340mm/km，使用全站儀、GPS進(jìn)行測(cè)量放線可能會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。

2 高速鐵路精密工程測(cè)量的內(nèi)容

高速鐵路精密測(cè)量主要涉及平面高程控制測(cè)量、線下工程施工測(cè)量、構(gòu)筑物變形測(cè)量、軌道施工測(cè)量、竣工測(cè)量以及鐵路投入運(yùn)營后的運(yùn)營維護(hù)測(cè)量。

3 高速鐵路精密工程測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)

在鐵路工程勘測(cè)以及對(duì)平面線形的測(cè)控工程中，傳統(tǒng)測(cè)量方法主要采用定測(cè)中線控制樁為坐標(biāo)基準(zhǔn)，施工單位通常在工程全面竣工后直接將中線控制樁損毀，這就使得鐵路平面測(cè)控工作失去了可參照的坐標(biāo)基準(zhǔn)，如果鐵路在工后或者投入運(yùn)營后需要對(duì)線路進(jìn)行復(fù)測(cè)，就只能使用相對(duì)測(cè)量法完成完成測(cè)量任務(wù)。嚴(yán)格來講，這種測(cè)量模式在普通速度鐵路軌道測(cè)量任務(wù)中基本不會(huì)出現(xiàn)問題，但是距離高鐵線路測(cè)控要求尚有一大段差距。高鐵線路精度非常高，線形參數(shù)都以毫米級(jí)精度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)控。相對(duì)測(cè)量所得到的參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到高鐵毫米級(jí)的精度指標(biāo)，應(yīng)該采用絕對(duì)測(cè)量技術(shù)構(gòu)建一套十分精確的精密測(cè)控體系，才能確保實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的測(cè)控目標(biāo)。

3.1 “三網(wǎng)合一”的測(cè)量體系

高速鐵路工程測(cè)量的平面高程控制網(wǎng)，按施工階段、測(cè)量目的及功能不同分為：勘測(cè)控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運(yùn)營維護(hù)控制網(wǎng)。我們把高速無砟軌道鐵路工程測(cè)量的這三個(gè)階段的測(cè)量控制網(wǎng)，簡(jiǎn)稱為“三網(wǎng)”?？睖y(cè)控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運(yùn)營維護(hù)控制網(wǎng)均采用CPI為基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)，以二等水準(zhǔn)基點(diǎn)網(wǎng)為基礎(chǔ)高程控制網(wǎng)，簡(jiǎn)稱為“三網(wǎng)合一”。

3.2 高速鐵路平面控制網(wǎng)的分級(jí)布網(wǎng)

①平面控制網(wǎng)分級(jí)布網(wǎng)的原則。 如圖1所示，高速鐵路工程測(cè)量平面控制網(wǎng)應(yīng)在框架控制網(wǎng) （CP0）基礎(chǔ)上分三級(jí)布設(shè)，第一級(jí)為基礎(chǔ)平面控制網(wǎng) （CPI），第二級(jí)為線路平面控制網(wǎng)（CPⅡ），第三級(jí)為軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）。

②各級(jí)平面控制網(wǎng)的主要技術(shù)要求。高速鐵路工程平面控制測(cè)量各級(jí)平面控制網(wǎng)的主要技術(shù)要求見表1。

3.3 高程控制測(cè)量的精度標(biāo)準(zhǔn)

高速鐵路工程測(cè)量的高程系統(tǒng)應(yīng)采用1985國家高程基準(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)，為高速鐵路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工提供高程基準(zhǔn)，采用二等水準(zhǔn)測(cè)量等級(jí)控制；第二級(jí)軌道控制網(wǎng)（CPⅢ），為高速鐵路軌道施工、維護(hù)提供高程基準(zhǔn)，采用精密水準(zhǔn)測(cè)量等級(jí)控制。高程控制網(wǎng)的技術(shù)要求見表2。

3.4 CPⅢ自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)測(cè)量

作為高鐵軌道敷設(shè)加密基標(biāo)以及軌道精調(diào)基準(zhǔn)的CPⅢ為軌道控制網(wǎng)，在高鐵軌道測(cè)控中發(fā)揮了重要作用。按照測(cè)控要求，控制網(wǎng)中各點(diǎn)位之間的距離應(yīng)設(shè)為60m，以確保點(diǎn)位坐標(biāo)基準(zhǔn)為工程測(cè)控提供精確的測(cè)控參數(shù)。在實(shí)際測(cè)控中，必須按照設(shè)計(jì)要求通過自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)組建測(cè)控網(wǎng)，以CPI/CPⅡ作為坐標(biāo)基準(zhǔn)以固定數(shù)據(jù)進(jìn)行平差約束。圖2為CPⅢ自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)主體結(jié)構(gòu)。該控制網(wǎng)將自由測(cè)站之間的距離設(shè)為120m，各測(cè)控點(diǎn)位包含3個(gè)自由測(cè)站點(diǎn)的距離、方向交會(huì)。

相對(duì)于與常規(guī)導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)量技術(shù)而言，CPⅢ自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)十分明顯，主要體現(xiàn)在以下幾方面： ①CPⅢ自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)中均勻分布的點(diǎn)位有助于精確控制軌道敷設(shè)加密基標(biāo)準(zhǔn)以及精調(diào)參數(shù)。②CPⅢ自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，點(diǎn)位均勻，圖形整體強(qiáng)度較高，各個(gè)點(diǎn)位有三個(gè)方向交匯，觀測(cè)余量多，這對(duì)實(shí)現(xiàn)精確測(cè)控大有裨益。③相鄰點(diǎn)位之間的相對(duì)精度比較精確，且具有良好的兼容特點(diǎn)，可以保證軌道平順。④控制點(diǎn)采用強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志，自由測(cè)站不存在對(duì)中誤差，因此測(cè)控精度就不會(huì)受到點(diǎn)位對(duì)中點(diǎn)誤差的干擾。

3.5 構(gòu)筑物變形監(jiān)測(cè)

高速鐵路軌道走線長，軌道施工涉及隧道、路橋、涵洞等重要節(jié)點(diǎn)的施工內(nèi)容，施工任務(wù)繁重，而且軌道沿線地質(zhì)狀況復(fù)雜，一定程度上增加了施工難度。另外，針對(duì)無砟軌道鐵路測(cè)控工程，要特別注意對(duì)線下構(gòu)筑物變形的測(cè)控，該環(huán)節(jié)可以為設(shè)計(jì)、施工提供精確的參數(shù)依據(jù)，同時(shí)與鐵路投入運(yùn)營后對(duì)線路及軌道系統(tǒng)的運(yùn)行及維護(hù)工作息息相關(guān)，因此，一定要注意該環(huán)節(jié)的測(cè)控質(zhì)量。

4 結(jié)語

近年來，隨著高速鐵路在鐵路客運(yùn)系統(tǒng)的普及應(yīng)用，百年來一直沿用至今的傳統(tǒng)鐵路工程測(cè)控技術(shù)逐漸表現(xiàn)出與現(xiàn)代鐵路客運(yùn)系統(tǒng)不相適應(yīng)的特點(diǎn)。為了提高國內(nèi)鐵路系統(tǒng)發(fā)展水平，我國不斷學(xué)習(xí)國內(nèi)外高速鐵路先進(jìn)測(cè)控技術(shù)，目前已掌握了高速鐵路精密工程測(cè)量技術(shù)，為適合本國國情的高鐵精密工程測(cè)量模式的成形打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。高鐵精密工程測(cè)量技術(shù)在我國的應(yīng)用，為國內(nèi)高鐵工程的測(cè)控提供了精確的技術(shù)指標(biāo)，為我國建設(shè)世界一流的高速鐵路提供了技術(shù)支撐，為高速鐵路的安全運(yùn)行提供了保障。

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