精密工程測(cè)量技術(shù)在高鐵工程建設(shè)中的應(yīng)用

邵青川

（中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司，天津 300162）

0 引言

通常來(lái)說(shuō)，速度至少達(dá)到250km/h的專線鐵路或達(dá)到200km/h的既有線鐵路被稱為高速鐵路。高鐵憑借其安全性高、穩(wěn)定性好、速度快的優(yōu)勢(shì)迅速在我國(guó)交通運(yùn)輸中占領(lǐng)重要地位，要想繼續(xù)提升高鐵運(yùn)行的平穩(wěn)舒適，則需要在軌道的平整度、施工工藝、材質(zhì)和尺寸的精準(zhǔn)上精益求精，而傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)已無(wú)法滿足發(fā)展的需求，一定程度上阻礙了高鐵的發(fā)展。因此需要運(yùn)用精密工程測(cè)量技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)方法與精度上的缺陷。本文對(duì)高鐵工程建設(shè)中精密工程測(cè)量技術(shù)的內(nèi)容、要求和具體應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，了解精密工程測(cè)量技術(shù)在高鐵工程建設(shè)中的重要性。

1 精密工程測(cè)量技術(shù)概述

1.1 精密工程測(cè)量技術(shù)的內(nèi)容

精密工程測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用在高鐵工程建設(shè)的前期設(shè)計(jì)、中期施工以及后期的運(yùn)營(yíng)驗(yàn)收與維護(hù)中，測(cè)量?jī)?nèi)容涵蓋了平面高程控制的測(cè)量、高鐵軌道施工的測(cè)量、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的測(cè)量等。高鐵建設(shè)工程占地面積廣，跨域大，常受地形、地質(zhì)等的影響，為了實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的精密測(cè)量，需要在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)特性做好設(shè)計(jì)方案，對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)和水準(zhǔn)基點(diǎn)做出精準(zhǔn)預(yù)判，以保證精密測(cè)量的準(zhǔn)確性[1]。

1.2 應(yīng)用精密工程測(cè)量技術(shù)的目的

高鐵建設(shè)應(yīng)用精密工程測(cè)量技術(shù)的目的在于讓開(kāi)發(fā)人員和技術(shù)人員能夠在高鐵運(yùn)行前，通過(guò)對(duì)高鐵平面高程控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整實(shí)現(xiàn)高鐵工程中具體問(wèn)題的研究和解決，以確保高鐵軌道的位置精度和平順性。同時(shí)要求高鐵項(xiàng)目的施工必須要嚴(yán)格按照線型設(shè)計(jì)，保持幾何線型設(shè)計(jì)方案的參數(shù)和精確度，通常參數(shù)范圍都是以毫米為單位，如偏離時(shí)需要控制在10mm以內(nèi)，保證高鐵建設(shè)的高要求，提高高鐵運(yùn)行的舒適度和安全度，助力我國(guó)高速鐵路運(yùn)輸工程。

1.3 傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)與精密工程測(cè)量技術(shù)的比較

在鐵路工程，傳統(tǒng)的測(cè)量方法采用的是以位置測(cè)量中心線控制樁作為坐標(biāo)數(shù)據(jù)，但隨著施工的結(jié)束，中心線控制樁便會(huì)損壞，若想重新測(cè)量則要重新構(gòu)造測(cè)量方法。對(duì)于普通鐵路工程建設(shè)來(lái)說(shuō)，這一缺陷并無(wú)大礙，但高鐵工程建設(shè)涉及范圍較廣，外部環(huán)境復(fù)雜，測(cè)控?cái)?shù)據(jù)變數(shù)較多且測(cè)控?cái)?shù)據(jù)通常要超過(guò)規(guī)定的精度數(shù)據(jù)的范圍，精密工程測(cè)量技術(shù)可以通過(guò)構(gòu)建精確的精密測(cè)量和控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地可操縱的測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)毫米水平測(cè)量和控制的目標(biāo)。

2 用好精密工程測(cè)量技術(shù)的方法

2.1 應(yīng)用步驟

2.1.1 編制測(cè)量設(shè)計(jì)書(shū)

在高鐵建設(shè)工程中，若想有效發(fā)揮精密工程測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，則需要在設(shè)計(jì)前編制具有針對(duì)性的測(cè)量設(shè)計(jì)書(shū)。在實(shí)際測(cè)量中，首先要對(duì)建設(shè)工程進(jìn)行實(shí)地考察，對(duì)其周邊的地勢(shì)、地形以及建筑物等進(jìn)行綜合考量，給出符合工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)手冊(cè)；其次要在手冊(cè)中對(duì)所建項(xiàng)目進(jìn)行基本分析后，制定相應(yīng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)；最后，為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)測(cè)量并確保測(cè)量的準(zhǔn)確性和合理性，應(yīng)當(dāng)選擇并開(kāi)發(fā)合理的精密測(cè)量技術(shù)，通過(guò)與精密測(cè)量?jī)x器的結(jié)合對(duì)所建項(xiàng)目的實(shí)際領(lǐng)域和內(nèi)容進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)和確認(rèn)，并按照測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格執(zhí)行。

2.1.2 進(jìn)行合理完善的坐標(biāo)設(shè)計(jì)

應(yīng)用好精密工程測(cè)量技術(shù)，不僅要認(rèn)真編制測(cè)量設(shè)計(jì)書(shū)，還要進(jìn)行合理完善的坐標(biāo)設(shè)計(jì)。高鐵各級(jí)測(cè)量控制網(wǎng)的精度要求除了要滿足線下施工精度的要求，還要滿足高鐵軌道工程運(yùn)營(yíng)維護(hù)要求，嚴(yán)格控制高鐵軌道內(nèi)部和外部的幾何尺寸。

在坐標(biāo)設(shè)計(jì)前，為了保證坐標(biāo)投影設(shè)計(jì)的合理性和完整性，需要獲取準(zhǔn)確的信息，根據(jù)其中的信息數(shù)據(jù)使用合理的高速投影設(shè)計(jì)值。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要將實(shí)際測(cè)量值與理論值相結(jié)合比較，對(duì)長(zhǎng)度的投影變形進(jìn)行科學(xué)合理的分析，同時(shí)建立滿足測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)，通過(guò)重復(fù)多次的數(shù)據(jù)對(duì)比，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量長(zhǎng)度的有效性。總之，通過(guò)變形長(zhǎng)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和坐標(biāo)投影設(shè)計(jì)的完善，保證后期精密測(cè)量工作的有序開(kāi)展。

2.2 把握精密工程測(cè)量精度要求

高鐵建設(shè)工程中測(cè)量的精度要求主要體現(xiàn)在高鐵軌道鋪設(shè)的幾何尺寸的精度要求，具體分為外部和內(nèi)部的幾何尺寸。

高鐵軌道的外部幾何尺寸指軌道的空間立體形狀，是以軌道的中心線及周圍的建筑物情況及三維空間坐標(biāo)系的軌跡來(lái)決定的，其測(cè)量必須基于軌道、橋梁、隧道、路基、站場(chǎng)等站前工程構(gòu)筑物，同時(shí)軌道線間距、軌道中線高程等的偏差都要控制在一定范圍內(nèi)。比如一般混凝土道床板模板中線位置只允許偏差2mm；而內(nèi)部幾何尺寸則由高鐵上各點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行確定，內(nèi)部幾何尺寸包含軌道縱向高低參數(shù)和軌道方向參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)的共同作用決定著高鐵軌道的平順性，確保高鐵軌道的設(shè)計(jì)線型與實(shí)際線型相一致。因此高鐵各級(jí)測(cè)量控制網(wǎng)的精度要求除了要滿足線下施工精度的要求，還要滿足高鐵軌道工程運(yùn)營(yíng)維護(hù)要求，嚴(yán)格控制高鐵軌道內(nèi)部和外部的幾何尺寸。

2.3 精密度控制的要領(lǐng)

2.3.1 控制測(cè)量?jī)x器誤差

為保證工程的精確度，需使用精度較高的測(cè)量?jī)x器。要求在使用前對(duì)全站儀和水平儀進(jìn)行校準(zhǔn)。水平儀宜每公里往返測(cè)精度0.3mm及以上，全站儀測(cè)角精度宜0.5″或1″級(jí)。

2.3.2 控制測(cè)站的布設(shè)間距

測(cè)站設(shè)立完成后，應(yīng)對(duì)測(cè)站點(diǎn)或布設(shè)點(diǎn)的精度進(jìn)行復(fù)測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)測(cè)站點(diǎn)或布設(shè)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重移位的情況，則應(yīng)結(jié)合具體情況進(jìn)行剔除，若只是出現(xiàn)一定程度的偏差，則應(yīng)弄清偏差原因，在之后的布設(shè)中加以注意，并且要立即補(bǔ)測(cè)做出調(diào)整。

2.3.3 控制現(xiàn)場(chǎng)CPIII點(diǎn)

當(dāng)全站儀在CPIII點(diǎn)設(shè)立超過(guò)1h，或者設(shè)立點(diǎn)的外界環(huán)境發(fā)生變化，則極易出現(xiàn)偏差，因此需要對(duì)CPIII控制點(diǎn)進(jìn)行校正，且是有效校對(duì)，這樣才能對(duì)方向偏差做到及時(shí)修復(fù)，不影響工程的進(jìn)度。

3 精密工程測(cè)量技術(shù)在高鐵工程中的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 高鐵工程控制網(wǎng)的布設(shè)

高鐵工程測(cè)量采用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，其軌道測(cè)量平面控制網(wǎng)通過(guò)ITRF2005建立，具體在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中可分為以下三級(jí)布置：

（1）CPI。CPI是為測(cè)量、施工、運(yùn)行和維護(hù)設(shè)備而服務(wù)的基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用B級(jí)GPS靜態(tài)的布設(shè)方式進(jìn)行測(cè)量，各網(wǎng)點(diǎn)間距應(yīng)在50~100km。聯(lián)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置完畢后，通常還會(huì)每隔3~4km設(shè)立一個(gè)單點(diǎn)，如果有地形、地勢(shì)原因而造成布設(shè)困難的情況，地段點(diǎn)之間的間距應(yīng)不超過(guò)1km。對(duì)于隧道及一些較長(zhǎng)的道橋部分，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)布設(shè)點(diǎn)進(jìn)行增減，原則上要求相鄰布設(shè)點(diǎn)要保證良好的視點(diǎn)方向。

（2）CPII。CPII是為測(cè)量、施工、運(yùn)行和維護(hù)設(shè)備而提供控制標(biāo)準(zhǔn)的線路平面控制網(wǎng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用C級(jí)GPS靜態(tài)布設(shè)和導(dǎo)線布設(shè)的方式進(jìn)行測(cè)量，由于高鐵工程通常在長(zhǎng)大隧道內(nèi)進(jìn)行，單靠GPS無(wú)法完成CPII控制網(wǎng)的布設(shè)，因此需要加設(shè)復(fù)合導(dǎo)線網(wǎng)。隧道內(nèi)的導(dǎo)線測(cè)量應(yīng)起閉合于洞外CPI控制點(diǎn)，導(dǎo)線兩端均應(yīng)進(jìn)行已知方位邊觀測(cè)。GPS各網(wǎng)點(diǎn)間距應(yīng)在600~800m，導(dǎo)線布設(shè)點(diǎn)間距則在400~800m之間，如果有地形、地勢(shì)原因而造成布設(shè)困難的情況，地段點(diǎn)之間的間距應(yīng)不超過(guò)600m。CPII的網(wǎng)點(diǎn)一般按照線路走向進(jìn)行設(shè)置，需要與線路中線的距離控制在50~100m，并要在路線中選擇地理位置較好的網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)。

（3）CPIII。CPIII是在CPII的基礎(chǔ)上為高鐵軌道的鋪設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)而建立起來(lái)的軌道控制網(wǎng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中沿線路兩側(cè)布設(shè)導(dǎo)線，采用自由測(cè)站、邊角交匯的方法進(jìn)行測(cè)量，各布設(shè)點(diǎn)間距一般為50~70m，其控制點(diǎn)多為嵌入式，在高鐵軌道標(biāo)記螺栓前緣的上側(cè)進(jìn)行嵌入，嵌入位置是墻體上側(cè)的點(diǎn)位和高程位置。需要注意的是，在CPIII高程傳遞測(cè)量時(shí)，如果地面與橋面之間距離過(guò)大，地面的基點(diǎn)無(wú)法傳到橋面控制點(diǎn)上，需要合理運(yùn)用三角高程測(cè)量法，通過(guò)切換不同高度、手工測(cè)量的方法取高度差值的平均值，此平均值即為傳遞高差。

高速鐵路平面控制網(wǎng)參考參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 高速鐵路平面控制網(wǎng)參考參數(shù)

3.2 高鐵軌道施工測(cè)量

（1）軌道安裝定位測(cè)量。軌道安裝定位測(cè)量通常包括支承層施工測(cè)量、軌道底座施工測(cè)量、軌道板安裝測(cè)量等，在安裝前要對(duì)軌道板的規(guī)格、走向進(jìn)行檢測(cè)，確保符合施工要求，承軌臺(tái)與軌道板應(yīng)保證沒(méi)有破損。在完成對(duì)軌道安裝初測(cè)評(píng)估后，一般即可展開(kāi)無(wú)砟軌道施工工作。在長(zhǎng)軌精調(diào)前需要再對(duì)CPIII進(jìn)行一次復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)成果需評(píng)估合格后才能使用。

（2）軌道精調(diào)測(cè)量。現(xiàn)有無(wú)砟軌道施工一般為CRTSI型雙塊式或CRTSⅢ型板，具體精調(diào)過(guò)程為數(shù)據(jù)輸入、儀器檢校、全站儀設(shè)站、安裝精調(diào)小車、軌道精調(diào)測(cè)量。在軌道精調(diào)測(cè)量中靜態(tài)平順度的允許誤差范圍見(jiàn)表2所示。

表2 靜態(tài)平順度允許誤差范圍

軌道的精調(diào)過(guò)程要求必須處于穩(wěn)定環(huán)境中，禁止大風(fēng)大雨、強(qiáng)光等環(huán)境下進(jìn)行精調(diào)工作的開(kāi)展。在軌排精調(diào)完成后，將長(zhǎng)鋼軌應(yīng)力放散并鎖定，即可進(jìn)行長(zhǎng)軌的測(cè)量，主要采取全站儀自由設(shè)站方式配合軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量的方式。首先，精調(diào)前要對(duì)CPIII控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)，測(cè)量結(jié)果出來(lái)后要上報(bào)評(píng)估單位，評(píng)估完成后再行采用合格的數(shù)據(jù)結(jié)果。其次，運(yùn)用DTS精調(diào)軟件進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)模擬調(diào)整，明確高程與平面位置的基準(zhǔn)面；根據(jù)高軌平面位置的調(diào)整來(lái)優(yōu)化軌向，再根據(jù)軌距變化來(lái)確定低軌的平面位置；通過(guò)低軌的高程來(lái)優(yōu)化高低，利用水平和水平變化率調(diào)整高軌的高程；為達(dá)到平順性指標(biāo)則需要通過(guò)對(duì)軌距、高低、水平等主要參數(shù)指標(biāo)曲線圖的“削峰填谷”來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后，完成對(duì)扣件的更換即可結(jié)束軌道的精調(diào)。更換扣件時(shí)，每次拆除扣件不得連續(xù)超過(guò)5根枕木（防止脹軌），并且在更換扣件區(qū)段兩端各松開(kāi)1～2根軌枕扣件，以保證軌道的平滑過(guò)渡，更換完畢后要最后核對(duì)一次調(diào)整量和扣件規(guī)格，確保無(wú)誤后完成長(zhǎng)軌的精調(diào)。

4 精密工程測(cè)量中“三網(wǎng)合一”測(cè)量體系的構(gòu)建

高鐵工程的控制網(wǎng)分為高鐵勘測(cè)控制網(wǎng)、高鐵實(shí)施控制網(wǎng)以及高鐵的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)控制網(wǎng)，簡(jiǎn)稱為高鐵測(cè)量工程的“三網(wǎng)”。勘測(cè)控制網(wǎng)由CPI控制網(wǎng)、CPII控制網(wǎng)及二等水準(zhǔn)基點(diǎn)控制；實(shí)施控制網(wǎng)由CPI控制網(wǎng)、CPII控制網(wǎng)、CPIII控制網(wǎng)及二等水準(zhǔn)基點(diǎn)控制；運(yùn)營(yíng)與維護(hù)控制網(wǎng)由CPII控制網(wǎng)、CPIII控制網(wǎng)、二等水準(zhǔn)基點(diǎn)及加密維護(hù)基標(biāo)控制[2]?！叭W(wǎng)”在各自的運(yùn)行系統(tǒng)中獨(dú)立存在，但為了使精密工程測(cè)量技術(shù)的成果能夠?qū)ⅰ叭W(wǎng)”緊密聯(lián)系起來(lái)，使高鐵建設(shè)滿足國(guó)家需求，精密工程測(cè)量技術(shù)一定要有明確的基準(zhǔn)，也就是要構(gòu)建“三網(wǎng)合一”體系。

4.1 “三網(wǎng)”坐標(biāo)高程系統(tǒng)統(tǒng)一

如果想要做到“三網(wǎng)”高程系統(tǒng)統(tǒng)一，就需要在高鐵建設(shè)工程的設(shè)計(jì)階段、勘探階段、施工階段以及后期運(yùn)營(yíng)和維護(hù)階段使用統(tǒng)一的坐標(biāo)定位，才能保證高鐵建設(shè)的順利進(jìn)行。如果不能達(dá)到統(tǒng)一，則會(huì)造成高鐵施工的線位偏離預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)好的坐標(biāo)高程和位置，軌道工程出現(xiàn)偏差不能和線下工程相交，導(dǎo)致鋪設(shè)好的高鐵軌道出現(xiàn)線路的偏離問(wèn)題。在施工過(guò)程中施工人員保證“三網(wǎng)”高度的一致和統(tǒng)一可以有效地進(jìn)行高程定位控制，以確保高鐵建設(shè)項(xiàng)目中各控制網(wǎng)通過(guò)獨(dú)立的運(yùn)作和統(tǒng)一的調(diào)度有效輔助高鐵建設(shè)項(xiàng)目的順利實(shí)施。

4.2 “三網(wǎng)”起算基準(zhǔn)要統(tǒng)一

“三網(wǎng)”起算基準(zhǔn)的統(tǒng)一是指以基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)（CPI控制網(wǎng)）為平面控制基準(zhǔn)，以“三網(wǎng)”的基礎(chǔ)高程控制網(wǎng)為二等水準(zhǔn)基點(diǎn)網(wǎng)進(jìn)行施工。如果“三網(wǎng)”起算基準(zhǔn)不統(tǒng)一，則很可能造成施工成果的失敗或重來(lái)，其后果十分嚴(yán)重。

總之，“三網(wǎng)合一”是高鐵建設(shè)工程中采用坐標(biāo)進(jìn)行項(xiàng)目的勘探設(shè)計(jì)、施工改造、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的重要前提。每個(gè)里程的坐標(biāo)都具有唯一性，統(tǒng)一基準(zhǔn)后需要將坐標(biāo)與工程項(xiàng)目周邊的建筑一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，這樣才能為后期的運(yùn)營(yíng)、維修與養(yǎng)護(hù)工作做好準(zhǔn)備，創(chuàng)造便利條件的同時(shí)保證高鐵軌道的平滑性和高鐵的正常運(yùn)行?！叭W(wǎng)”起算基準(zhǔn)的統(tǒng)一為鐵路管理的數(shù)字化和信息化創(chuàng)造了良好的條件。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，繼續(xù)提升高鐵運(yùn)行的平穩(wěn)舒適，需要在軌道的平整度、施工工藝、材質(zhì)和尺寸的精準(zhǔn)上精益求精，離不開(kāi)精密工程測(cè)量技術(shù)的支撐。應(yīng)用好精密工程測(cè)量技術(shù)，不僅要認(rèn)真編制測(cè)量設(shè)計(jì)書(shū)，進(jìn)行合理完善的坐標(biāo)設(shè)計(jì)，還要掌握精度控制要領(lǐng)。高鐵各級(jí)測(cè)量控制網(wǎng)的精度要求除了要滿足線下施工精度的要求，還要滿足高鐵軌道工程運(yùn)營(yíng)維護(hù)要求，嚴(yán)格控制高鐵軌道內(nèi)部和外部的幾何尺寸。本文所舉高鐵工程控制網(wǎng)布設(shè)以及軌道施工測(cè)量的例子印證了高鐵工程建設(shè)對(duì)精密工程測(cè)量技術(shù)的需要。設(shè)計(jì)與施工人員需要依據(jù)實(shí)際情況，選擇科學(xué)合理的精密測(cè)量技術(shù)完成對(duì)高鐵軌道的設(shè)計(jì)、勘探、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作，延長(zhǎng)高鐵的運(yùn)行周期，保證高鐵出行的安全平穩(wěn)，為我國(guó)的高鐵建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展助力。