高速鐵路精密工程測(cè)量問(wèn)題研究

王曉凱

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102699)

2018年太青高鐵即將竣工通車(chē)，這也意味著中國(guó)鐵路框架網(wǎng)的建設(shè)即將全部完成，已進(jìn)入收官階段。自2005年京津城際開(kāi)工建設(shè)到今天，我國(guó)的高速鐵路技術(shù)發(fā)展已經(jīng)穩(wěn)健地邁入了成熟期，在“引進(jìn)-消化吸收-再創(chuàng)新”戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，高鐵技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化取得了累累碩果，形成了一系列自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，創(chuàng)造了獨(dú)一無(wú)二的中國(guó)高鐵品牌。2017年3月20日，國(guó)家發(fā)改委正式發(fā)布了“八縱八橫”的路網(wǎng)規(guī)劃：計(jì)劃到2020年，隨著一批重大標(biāo)志性項(xiàng)目的建成投產(chǎn)，鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到15萬(wàn)km，其中高速鐵路3萬(wàn)km，覆蓋80%以上的大城市。在我國(guó)高鐵持續(xù)穩(wěn)定高速發(fā)展的情形下，進(jìn)一步消化吸收前期建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)完善各階段技術(shù)、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)的標(biāo)準(zhǔn)化管理十分有意義。

2009年，鐵道部發(fā)布了《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》(TB10601—2009)。通過(guò)京滬、哈大、京石武等多條高鐵的實(shí)踐證明：所采用的標(biāo)準(zhǔn)體系經(jīng)受住了勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)全階段的考驗(yàn)，驗(yàn)證了其科學(xué)性、先進(jìn)性、適用性和可靠性。但在一些細(xì)節(jié)方面，仍然存在著一些需要改進(jìn)的地方。比如控制網(wǎng)建網(wǎng)時(shí)機(jī)與前期設(shè)計(jì)脫節(jié)，控制網(wǎng)設(shè)計(jì)單純考慮自身網(wǎng)形未顧及施工實(shí)際情況等。

1 建網(wǎng)時(shí)機(jī)

傳統(tǒng)鐵路工程控制網(wǎng)是在初測(cè)階段建立低等級(jí)控制網(wǎng)，方案穩(wěn)定后另行開(kāi)展精密工程測(cè)量，存在著初測(cè)控制基準(zhǔn)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)文件與施工基準(zhǔn)文件不一致的情況，常會(huì)出現(xiàn)土石方量偏差大、上跨下穿凈空不足等隱患。新建鐵路的比選方案較多，在方案不穩(wěn)定時(shí)直接建立全套精密測(cè)量控制體系不經(jīng)濟(jì)。因此，在參考傳統(tǒng)測(cè)量控制工序的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)階段的建網(wǎng)時(shí)機(jī)進(jìn)行了如下的規(guī)定：

(1)CP0控制網(wǎng)應(yīng)在初測(cè)前采用GNSS測(cè)量方法建立，全線一次性布網(wǎng)，統(tǒng)一測(cè)量，整體平差[1]。

(2)CPⅠ控制網(wǎng)宜在初測(cè)階段建立，困難時(shí)應(yīng)在定測(cè)前完成，全線應(yīng)一次布網(wǎng)，統(tǒng)一測(cè)量，整體平差[1]。

(3)CPⅡ控制網(wǎng)宜在定測(cè)階段完成，采用GNSS測(cè)量或?qū)Ь€測(cè)量方法實(shí)測(cè)[1]。

CP0建網(wǎng)時(shí)間的選擇：我國(guó)高鐵建設(shè)初期，國(guó)家控制網(wǎng)不完善且精度不足，因此規(guī)范要求在初測(cè)階段建立CP0。2008年7月1日我國(guó)正式啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系后，國(guó)家網(wǎng)精度差的情況在絕大多數(shù)地區(qū)已經(jīng)不復(fù)存在，因此該條規(guī)定在今天也就不一定完全適宜。現(xiàn)階段我國(guó)高速鐵路及干線鐵路網(wǎng)絡(luò)已初具規(guī)模，采用兩端既有鐵路的控制基準(zhǔn)，直接實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)控制平順搭接的方式可能更加有效合理。

“CPⅠ控制網(wǎng)宜在初測(cè)階段建立”是為了防止初測(cè)勘察設(shè)計(jì)資料與施工階段控制網(wǎng)資料不一致而規(guī)定的。初測(cè)階段比選方案眾多，此時(shí)實(shí)施精密測(cè)量會(huì)造成較大的成本浪費(fèi)；另外，從初測(cè)到開(kāi)工會(huì)經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間，在這個(gè)階段建立起的控制網(wǎng)，往往會(huì)出現(xiàn)大區(qū)段的控制樁毀壞，甚至?xí)霈F(xiàn)控制網(wǎng)功能局部喪失的情況。隨著國(guó)家CORS基準(zhǔn)站建設(shè)的逐步完善，這方面的矛盾也有了根本性的解決方案。目前，我國(guó)有27個(gè)省市建成了平均站間距40～70 km的省級(jí)CORS網(wǎng)，其余省份也已列入規(guī)劃。各鐵路設(shè)計(jì)院在多條鐵路勘察設(shè)計(jì)過(guò)程中開(kāi)展的CORS技術(shù)應(yīng)用證明：在鐵路初測(cè)階段，CORS技術(shù)的精度足以保證勘察設(shè)計(jì)應(yīng)用，且生產(chǎn)效率也會(huì)大大提高。

因此，合理的推薦方案應(yīng)當(dāng)為：在初測(cè)前對(duì)線路資料進(jìn)行分析，明確本線采用的框架控制網(wǎng)基準(zhǔn)；在2000國(guó)家控制不足或CORS基站無(wú)法覆蓋的區(qū)域，采用GNSS測(cè)量方法建立CP0控制網(wǎng)，并與國(guó)家A、B級(jí)GNSS控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)；初測(cè)可以采用CORS完成，待方案基本穩(wěn)定后，全線建立CPⅠ并進(jìn)行定測(cè)(如表1)。

表1 精密測(cè)量控制網(wǎng)不同工序優(yōu)缺點(diǎn)比較

隨著全國(guó)測(cè)繪地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精度越來(lái)越高，密度越來(lái)越大，尤其是連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)CORS的建設(shè)越來(lái)越成熟完善，為測(cè)量工作帶來(lái)了巨大的便捷和精度保障，在高速鐵路精密測(cè)量控制方面，傳統(tǒng)的流程體系已經(jīng)出現(xiàn)了一定的缺陷，應(yīng)當(dāng)在實(shí)施過(guò)程中做一些調(diào)整。

2 控制網(wǎng)布網(wǎng)

現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定CPⅠ控制網(wǎng)為每隔4 km布設(shè)1個(gè)GNSS控制點(diǎn)。經(jīng)歷過(guò)施工期及運(yùn)營(yíng)期，可能會(huì)出現(xiàn)控制樁丟失的情況，直接影響到線路控制網(wǎng)CPⅡ和軌道基準(zhǔn)網(wǎng)CPⅢ的復(fù)測(cè)穩(wěn)定性判斷，也會(huì)進(jìn)一步影響到軌道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)波不平順維護(hù)。因此，建議CPⅠ按對(duì)點(diǎn)埋設(shè)在受施工干擾較小的區(qū)域。

隨著GNSS-RTK技術(shù)的引進(jìn)，使得精度要求不高的線下施工不再依賴(lài)于全站儀施工放樣，作業(yè)模式的改變使得鐵路控制網(wǎng)點(diǎn)間的通視要求在局部地段已經(jīng)不再是硬性條件(山區(qū)隧道段除外)；同樣，控制點(diǎn)距線路中線的要求也應(yīng)該有所變化，應(yīng)當(dāng)側(cè)重于點(diǎn)位的維護(hù)及GNSS的作業(yè)方便。因此，GNSS控制網(wǎng)的布網(wǎng)要求在規(guī)范限定中應(yīng)該有所優(yōu)化調(diào)整：CPⅠ基礎(chǔ)控制網(wǎng)建議為每隔4 km布設(shè)1對(duì)(對(duì)點(diǎn)盡量垂直線路方向布設(shè))，間距由當(dāng)前的50～1 000 m調(diào)整為400～1 000 m；CPⅡ線路控制網(wǎng)建議由當(dāng)前的50～200 m調(diào)整為200～400 m；CPⅡ線上加密控制點(diǎn)應(yīng)布設(shè)于鐵路建設(shè)限界內(nèi)?？刂凭W(wǎng)布設(shè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮周邊控制點(diǎn)的位置情況，使整條鐵路控制網(wǎng)的分布及控制更加合理。

3 水準(zhǔn)網(wǎng)的穩(wěn)定性控制

控制網(wǎng)平面觀測(cè)采用人工干預(yù)少、穩(wěn)定性強(qiáng)的GNSS作業(yè)，成果較為可靠。而高程測(cè)量過(guò)程中，受到國(guó)家控制基準(zhǔn)、地域沉降、穿越隧道、跨越江河等諸多影響，存在的問(wèn)題較多。在高速鐵路精密測(cè)量控制工作中，水準(zhǔn)測(cè)量的質(zhì)量保證以及數(shù)據(jù)處理方式的合理與否至關(guān)重要。已經(jīng)建成高鐵的運(yùn)營(yíng)復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，許多地段存在著較為嚴(yán)重的沉降情況，甚至導(dǎo)致了鐵路限速。在這些地區(qū)，如果沒(méi)有穩(wěn)定的控制點(diǎn)，控制網(wǎng)復(fù)測(cè)往往會(huì)出現(xiàn)控制基準(zhǔn)穩(wěn)定性無(wú)法判定的情況。為了在這些區(qū)段進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，必須要從可靠的穩(wěn)定控制點(diǎn)(國(guó)家基巖點(diǎn))引出，監(jiān)測(cè)工作往往費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。

《客運(yùn)專(zhuān)線無(wú)砟軌道鐵路工程測(cè)量暫行規(guī)定》中沒(méi)有對(duì)鐵路高程控制網(wǎng)中深埋及基巖點(diǎn)進(jìn)行要求。在京津城際、京滬高速鐵路實(shí)施過(guò)程中，由于沿線地質(zhì)條件非常復(fù)雜，存在多個(gè)不均勻沉降漏斗區(qū)，有些地方地表沉降非常嚴(yán)重，因此采用了深埋水準(zhǔn)基點(diǎn)的控制方式。多次復(fù)測(cè)證明，相對(duì)于地面控制標(biāo)石，深埋點(diǎn)具有顯著的抗沉降性，可為鐵路的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、監(jiān)測(cè)提供長(zhǎng)效的高程基準(zhǔn)支持。因此，《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》對(duì)深埋標(biāo)石做了如下的要求：在地表沉降不均與及地質(zhì)不良地區(qū)，宜按每10 km設(shè)置一個(gè)深埋水準(zhǔn)點(diǎn)，每50 km設(shè)置一個(gè)基巖水準(zhǔn)點(diǎn)?；鶐r水準(zhǔn)點(diǎn)和深埋水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)盡量利用國(guó)家或其他測(cè)繪單位埋設(shè)的穩(wěn)定基巖水準(zhǔn)點(diǎn)和深埋水準(zhǔn)點(diǎn)[1]。

因此，在地表沉降不均勻與及地質(zhì)不良地區(qū)，基巖水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)作為線路水準(zhǔn)基點(diǎn)的高一級(jí)控制點(diǎn)，每50 km設(shè)置一個(gè)。深埋水準(zhǔn)點(diǎn)是線路水準(zhǔn)基點(diǎn)的同級(jí)控制點(diǎn)，但其較之一般水準(zhǔn)點(diǎn)抗沉降性好，在控制網(wǎng)復(fù)測(cè)過(guò)程可作為區(qū)段穩(wěn)定性判斷的重要依據(jù)。深埋水準(zhǔn)點(diǎn)可以選擇穩(wěn)定的老舊建筑基礎(chǔ)、大型橋臺(tái)基礎(chǔ)等替代；也可以選擇國(guó)家或其他測(cè)繪單位埋設(shè)的基巖、水準(zhǔn)點(diǎn)作為深埋控制樁(不兼容的情況下可不采用原國(guó)家控制成果，僅作為本條線路的深埋控制)。

4 長(zhǎng)大隧道貫通后水準(zhǔn)控制網(wǎng)的處理

高速鐵路精密測(cè)量控制網(wǎng)在勘察設(shè)計(jì)階段建立。在跨越大江大河及長(zhǎng)大隧道時(shí)，水準(zhǔn)采用繞行觀測(cè)或者跨河觀測(cè)的方式。橋梁鋪架施工完成或隧道貫通后，對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量而言，新的貫通條件產(chǎn)生了，路線會(huì)大大縮短，在一定范圍內(nèi)的閉合精度也會(huì)大大提高。以某山區(qū)鐵路隧道高程控制為例：設(shè)計(jì)隧道長(zhǎng)度約10 km，受地形及交通條件影響，水準(zhǔn)繞行路線達(dá)到100 km。按照二等水準(zhǔn)的觀測(cè)方法實(shí)施，隧道貫通前符合路線閉合差限差為40.0 mm；貫通后限差為12.6 mm，精測(cè)網(wǎng)高程在隧道貫通后可能會(huì)產(chǎn)生斷高。若前期未做任何附加考慮，甚至在隧道貫通測(cè)量之前進(jìn)行了隧道段的精密測(cè)量，將會(huì)給后期施工造成較大的影響。因此，在此類(lèi)特殊的施工條件下，必須對(duì)工點(diǎn)的精密測(cè)量進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)。

(1)根據(jù)水準(zhǔn)繞行設(shè)計(jì)觀測(cè)成果計(jì)算隧道兩端高程控制點(diǎn)間閉合差。

(2)根據(jù)斜井閉合條件、貫通路線及水準(zhǔn)限差估算貫通后兩端高程控制點(diǎn)間閉合差；每公里水準(zhǔn)測(cè)量的全中誤差按下式計(jì)算

(1)

式中W——經(jīng)過(guò)各種改正后的水準(zhǔn)環(huán)閉合差/mm；

L——水準(zhǔn)環(huán)線周長(zhǎng)/km；

N——水準(zhǔn)環(huán)數(shù)。

依據(jù)式(1)，取MW=2，N=1，L=10，則可計(jì)算出水準(zhǔn)閉合差W=6.3 mm；

(3)計(jì)算最不利情況下產(chǎn)生的最大斷高值：

H閉合=H繞行-H貫通

放樣施工及無(wú)砟軌道施工應(yīng)預(yù)留斷高調(diào)整段。

(4)完成貫通測(cè)量后，根據(jù)貫通測(cè)量水準(zhǔn)閉合情況設(shè)置施工斷高，并在局部范圍內(nèi)與兩端精測(cè)網(wǎng)相協(xié)調(diào)一致。在竣工測(cè)量中，全線精密測(cè)量控制網(wǎng)統(tǒng)一平差，消除斷高，并根據(jù)最新的精測(cè)網(wǎng)成果對(duì)線路情況進(jìn)行復(fù)測(cè)并評(píng)估，必要時(shí)進(jìn)行豎曲線的二次設(shè)計(jì)。

類(lèi)似的情況還包括：大型江、河的跨河橋施工水準(zhǔn)貫通測(cè)量；無(wú)砟軌道過(guò)渡段施工(道岔板施工精調(diào)、道岔安裝后的前后順接)；地鐵區(qū)間高程貫通測(cè)量等。

5 結(jié)束語(yǔ)

《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》頒布實(shí)施已近10年，隨著測(cè)繪科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及干線工程由建設(shè)期向運(yùn)營(yíng)期的轉(zhuǎn)變，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的完善和改進(jìn)，建立系統(tǒng)權(quán)威的完整測(cè)繪基準(zhǔn)。控制網(wǎng)復(fù)測(cè)更新后的成果如何更加有效安全地應(yīng)用于鐵路工務(wù)精調(diào)，提高線路的平順優(yōu)化水平等尚需進(jìn)一步研究。綜上所述，對(duì)我國(guó)高速鐵精密測(cè)量控制技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的系統(tǒng)研究非常必要，有助于保證高速鐵路的測(cè)量精度，提高施工、運(yùn)營(yíng)期間的測(cè)量效率和質(zhì)量，節(jié)約成本，具有明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。