關(guān)于提高鐵路測量精度的思考

關(guān)于提高鐵路測量精度的思考

隨著高速鐵路的發(fā)展，鐵路工程的測量、設(shè)計、施工和運營組織發(fā)生了重大變化。它來勢迅猛,測量工程師們還沒來得及做好充分的技術(shù)準備。迫于形勢需要,除借鑒國外已有先進技術(shù)外,討論得比較多的就是提高測量精度。其實除適當提高測量精度外,改進測量方法和流程,降低成本,提高效率,是當前鐵路工程測量更為重要的課題。1三位一體控制網(wǎng)鐵路工程測量標準的提高依賴資金、人力、物質(zhì)、時間投入的增加。不經(jīng)充分的實驗資料和嚴謹?shù)睦碚撜撟C,大幅提高測量精度,看似加大了保險系數(shù),其實造成資金、人力、時間的浪費;也有可能仍不滿足工程要求而產(chǎn)生質(zhì)量事故。這種做法即使從測量質(zhì)量的角度來看也是弊大于利。《京滬高速鐵路測量暫行規(guī)定》中提到:“高速鐵路由于列車運行速度快,對線路平順性要求高,其測量精度也較一般鐵路要求要高。”文中并未解釋為什么“列車運行速度快,對線路平順性要求高,其測量精度也要高”。也未論證測量精度高多少為合適。各設(shè)計院撰寫的有關(guān)高速鐵路測量的論文和擬定的細則中,多次有人提到用國家二、三等平面和高程控制網(wǎng)精度控制勘測、設(shè)計、施工各階段測量;還有人考慮國家控制網(wǎng)精度還不夠,設(shè)想為每條高速鐵路建立獨立的二、三等控制網(wǎng)。各設(shè)計院測量工程師的想法從經(jīng)濟、效率、和質(zhì)量各方面考慮有如下困難。(1)控制測量每提高一個等級其經(jīng)費增長約40%,觀測時間成倍增加。就目前情況來看,多數(shù)工程項目給予勘測的工期都十分緊張。(2)二、三等控制網(wǎng)精度是以對應(yīng)十幾至幾十公里的長邊為條件的,其密度不能滿足鐵路測量需要,當進一步用0.5km短邊加密時,其精度回落到一級導(dǎo)線的精度。(3)布設(shè)高等級控制網(wǎng)除精度要求高外還面臨其他難題:如起算聯(lián)測的一等控制點少;平差、計算不同于低等級控制網(wǎng),更復(fù)雜;要進行天文、重力測量需要更專業(yè)的部門來完成,鐵路設(shè)計院和工程局一般不具備施測能力。(4)關(guān)于建立獨立的高速鐵路二、三等控制網(wǎng),不強制閉合到國家等級控制網(wǎng)上的設(shè)想因下列原因而不可取:(1)獨立坐標系統(tǒng)一般用于區(qū)域性小范圍地區(qū),地球面可近似當作平面,不需做高斯投影;長大鐵路途經(jīng)幾省,其球面特性不可忽略。(2)不具備進行高精度天文、重力測量的能力,數(shù)百公里控制網(wǎng)呈狹窄線形,其精度不易控制。(3)已有的各種比例尺地形圖及沿途經(jīng)由的道路、江河、城市、機構(gòu)等,都是以國家統(tǒng)一大地坐標定位;鐵路另辟蹊徑,相關(guān)關(guān)系很難理順。列車速度提高使路基、軌道、橋梁結(jié)構(gòu)等受力發(fā)生變化,高速運行列車的平穩(wěn)性要求對鐵路線形提出很高標準,這些都和列車速度直接相關(guān)。測量精度和高速度并不直接相關(guān),只有間接的關(guān)系。這種間接關(guān)系在以下幾個方面對測量精度提出要求。1.1測線精度的提高橋、隧或橋隧群通常用假定坐標獨立控制網(wǎng)控制,以保證橋隧施工所需精度,其剩余誤差由相鄰路基測量吸收。在橋、隧建筑高密度區(qū),路基段很短,難以在精度許可范圍內(nèi)平順連接各個獨立結(jié)構(gòu)。表1是鐵道第四勘察設(shè)計院參與勘測設(shè)計的幾條快速通道橋隧占線路總長的比例。因此將線路控制測量閉合精度提高到1/20000,使其滿足1000m以下大橋、2000m以下隧道的控制測量精度。只對1000m以上特大橋、2000m以上長隧道用假定坐標獨立控制網(wǎng)進行控制測量,以解決上述矛盾。1.2差以聯(lián)測,測設(shè)標準城鄉(xiāng)或直線用穿線或撥角、量邊的極坐標法測設(shè)中線,允許誤差較大:1/3000閉合精度,3~5km在彎道處聯(lián)測1次,允許閉合差為1~1.5m;聯(lián)測后不平差,甩掉閉合差以聯(lián)測的新坐標繼續(xù)往前穿。該方法的優(yōu)點是能以較低的精度進行測量,保證中線不因誤差累積而斷裂,但測設(shè)的中線和圖上定線不一致,相差較遠。當遇到長大直線段,3~5km內(nèi)不能聯(lián)測甩掉誤差時,會使實測線路偏離圖上設(shè)計線路較遠,產(chǎn)生的誤差累積可達數(shù)米。使用全站儀、GPSRTK,采用直角坐標法直接放樣,誤差分配在各個中樁上不累積,能很好地保持測設(shè)的中線和圖上定線的一致。但這種方法對控制網(wǎng)測量精度要求較高,要保證從相鄰的控制點測設(shè)同一個中樁時,較差的限差在5cm以內(nèi)。1.3提高鋪軌精度,滿足改線和征地整體道床、無碴道床鋼軌可調(diào)節(jié)的范圍較小,施工對平面和高程測量精度的要求有所提高。以下列出我國秦沈鐵路和德、法、日、西四國高速鐵路鋪軌竣工和養(yǎng)護的精度要求(如表2、表3、表4、表5及表6所示)。從以上諸表可以看出,在各種道床上鋪軌應(yīng)滿足以下軌向和高低對精度的要求:(1)軌向可容許誤差為2mm/10m,相當于1/5000。也就是說,控制測量高于1/5000(相當于GB50026—93中三級導(dǎo)線的標準)才可以滿足鋪軌時軌向順滑的要求。適當提高到1/10000(二級導(dǎo)線),足以滿足鋪軌的軌向精度要求。(2)高低可容許誤差為3mm/10m。若以2km設(shè)置一個水準點,兩點之間精度為30L(mm),其相對精度為:302/2=20(mm/km)=0.2mm/10m,足以滿足鋪軌的高低精度要求。上世紀90年代以前,常規(guī)鐵路對軌向和高低的平順要求分別為4mm/10m和5mm/10m。當時,平面控制精度為1/2000~1/3000,高程控制精度為30L。而直到目前,現(xiàn)代工程和大地測量儀器精度也還不能夠分辨2mm、4mm或3mm、5mm。所以,根據(jù)鋪軌平順和列車運行時乘客舒適來要求控制精度達到毫米不可能也不必要。隨著國民經(jīng)濟和建設(shè)快速增長,鐵路建設(shè)拆遷、征地費用增加。為了保證圖上選線和實地放線一致,減少改線測量和盲目拆遷、征地。對控制測量和航測圖均應(yīng)提高精度要求,而且航測圖和中線測量應(yīng)受同一控制系統(tǒng)控制。綜上所述,高速鐵路工程控制測量,平面采用一級導(dǎo)線、一級小三角(三邊)或E級GPS(3~5km一對點)網(wǎng)控制,達到1/20000精度,高程采用五等水準或三角高程達到精度,可以很好地滿足速度200km/h以上鐵道工程設(shè)計、施工和運營對測量精度的要求。對速度在200km/h以下鐵道工程,增加的測量工作量也不多。制定一個統(tǒng)一標準,指導(dǎo)鐵路工程測量是很有必要的和可行的。2簡化測量過程,提高測量質(zhì)量鐵路工程測量精度一直是一個倍受測量工程師關(guān)注的問題,但鐵路測量從未因精度問題對設(shè)計和施工產(chǎn)生過影響。問題都出在測量錯誤、測量資料處理錯誤等方面。理清各個測量環(huán)節(jié)之間的關(guān)系;簡化測量過程使其更簡潔、明晰、規(guī)范;以容易控制的內(nèi)業(yè)逐步取代難以控制的外業(yè)測量(如橫斷面),對提高測量質(zhì)量,保證設(shè)計、施工順利實施更為重要。從簡化測量過程,使用最先進測量方法,合理規(guī)定測量精度標準著手,提出改進當前鐵路工程測量方法和流程的新模式。2.1地面后系統(tǒng)誤差現(xiàn)行鐵路測量流程如圖1所示。從流程圖可以看出,航測、線路各自和國家等級控制點聯(lián)測,形成兩個獨立系統(tǒng)。航測通過外業(yè)、制圖后提供給線路,到初步設(shè)計階段就只能當作示意圖。由于和線路測量不是同一個控制系統(tǒng),航測圖上定的線放到地面后存在以下系統(tǒng)誤差式中M———圖上選線和實地放線誤差;MJ———加密國家等級點誤差影響;MC———初測導(dǎo)線誤差影響;Md———定測交點測量誤差影響。(1)式M的3個分項中,MJ由于精度和控制網(wǎng)圖形強度都很高,其影響很小。但航外控精度要求距最近國家等級點中誤差為0.7m,故有MJ=0.7m。初測導(dǎo)線10km聯(lián)測一次,相對中誤差為1/10000,故有MC=1m。交點測量每3km聯(lián)測一次,相對精度為1/5000,即Md=0.6m。因為存在1.36m的系統(tǒng)誤差,盡管航測圖已經(jīng)達到高精度,實現(xiàn)了數(shù)字化、電子文檔,仍不能參與實質(zhì)性設(shè)計。1.36m的系統(tǒng)誤差不消除,勘測設(shè)計一體化就不能進行。最多進行勘測選線一體化,其作用有限,地形圖使用效率也很低。2.2測量方法的特點為了扭轉(zhuǎn)這種狀況,使得圖紙上定線放樣到實地后消除1.36m的系統(tǒng)誤差,需要改變鐵路測量流程如下。(1)一次布網(wǎng)把原航外控、加密四等控制點、初測導(dǎo)線、定測交點,合并為3~5km一對GPS點或邊長500~1000m的導(dǎo)線,做相對精度為1/1.5~1/2萬的一次布網(wǎng),并對其作五等水準測量。后續(xù)航測外控、初測低精度導(dǎo)線(1/3000)、定測中線以至于施工控制都以此為惟一控制依據(jù)。消除Mj、Mc、Md的影響。合并后,除能消除地形圖和實地同名點的系統(tǒng)差外,還有以下主要作用:(1)簡化測量程序,減少測量工作量;(2)勘測、設(shè)計、施工都只用一次布網(wǎng)的資料和控制樁,資料簡單清晰,差錯少。(2)從一次布網(wǎng)控制點直接測設(shè)中線傳統(tǒng)中線測量以實地測設(shè)樁為準,造成很大的累積誤差Md。從一次布網(wǎng)的控制點,采用全站儀、GPSRTK等設(shè)備直接測設(shè)中線,跳過初測導(dǎo)線和定測交點測量。這樣測設(shè)的中線樁和航測圖處于同一控制模型控制之下,其誤差只有幾厘米,實測線路和圖上選線達到高精度吻合。其實質(zhì)是以理論坐標控制測設(shè)中線。這種以理論坐標控制測設(shè)中線具有明顯的優(yōu)越性:(1)直接從一次布網(wǎng)控制點測設(shè)中樁,不用長距離連續(xù)轉(zhuǎn)點,避免了誤差累積。(2)可以任何里程切入測量,只要不是改線都不會出現(xiàn)斷鏈。這一特點使得中線測量能夠不連續(xù)進行?？梢韵葴y設(shè)橋、隧地段,使地質(zhì)、橋梁、隧道等專業(yè)能及早開展工作。提高航測精度后,還可以只對重點地段測設(shè)中樁,一般路基在航測模型上直接量測。(3)從航測模型量測橫縱斷面在航測模型上量測橫縱斷面,國外多家機構(gòu)進行過研究且已投入使用。國外采用1/3000~1/5000大比例尺攝影,或初測做小比例尺攝影,定測再做一次大比例尺攝影。國內(nèi)有許多單位,特別是鐵道部屬各設(shè)計院進行過研究,但因精度達不到《新建鐵路工程測量規(guī)范》的規(guī)定限差而未能進行下去。橫斷面測量檢測限差為由(2)式可以看出,《新建鐵路工程測量規(guī)范》規(guī)定斷面點高程限差一般小于0.3m。航攝像片測圖能達到精度推導(dǎo)如下:(1)攝影比例尺與高程精度的關(guān)系焦距(攝影機)的大小與高程精度成反比,即攝影機焦距越小,像對同名點兩光線交會角越大,高程精度越高。但焦距小于一定值以后又會產(chǎn)生植被遮擋等問題。所以按常規(guī)一般可以選擇88mm、152mm、200mm、300mm等幾種規(guī)格的焦距鏡頭。焦距為150mm時,其攝影比例尺、航高H和高程精度關(guān)系如表7所示。(2)利用像元算法的計算公式其中,1個像元差為25μm=±0.025mm,Δh=±H/4000。理論上兩種計算方法均可得出高程精度在H/5000~H/3000之間是可靠的。采用1/8000~1/5000攝影比例尺,按表7航高(1200~750m),高程精度為0.4~0.15m。該推導(dǎo)得到鐵四院航察處認同。據(jù)以上推導(dǎo),1~2級地形采用1/8000攝影比例尺,3級地形采用1/5000攝影比例尺,可以使模型點高程誤差控制在0.3~0.5m。這一誤差仍大于《新建鐵路工程測量規(guī)范》規(guī)定限差(見(2)式)。從計算土石方的角度來看,橫斷面點的精度越高,土石方計算越準確,但20~50m才做一個斷面,如果在這20~50m之間任意另選一個斷面,如果不是很平坦,這個斷面和兩頭斷面的較差遠不止0.3~0.5m,這個精度配比顯然不合理。采用航攝模型截取斷面,斷面點的高程精度適當放寬到0.3~0.5m,把斷面間距縮小到原來的1/2~1/3,土石方計算精度將大大提高。以上3項改變,實際上構(gòu)成了一個新測量模式。第三步需在第一、二步進行以后才能保證航測模型和實地一致,進而在航模上做橫、縱斷面。第二步從控制點直接測設(shè)中線,控制網(wǎng)必須是一次布網(wǎng)才能保證中線測設(shè)正確。改進測量模式后的流程如圖2所示。按照這個流程圖,在勘測、設(shè)計及施工各階段,以至于運營都在一次布網(wǎng)統(tǒng)一控制之下。航測適當加大投入,進行1/5000~1/8000攝影,提高測圖精度。當一次布網(wǎng)密度不夠時,初測只做低精度導(dǎo)線供各專業(yè)測繪和調(diào)查,初測導(dǎo)線樁不必保留。定測從一次布網(wǎng)控制點上用全站儀或GPSRTK直接測設(shè)中線。中線樁只供勘測設(shè)計階段使用,不必保留。當航測精度較高,植被不過于濃密時,橫斷面、部分縱斷面直接從航測模型上截取,或者直接進入勘測設(shè)計一體化工作站進行設(shè)計。交樁資料為一次布網(wǎng)控制點和各專業(yè)設(shè)計建筑物的理論坐標。整個測量過程環(huán)節(jié)少、效率高,外業(yè)工作量大幅減少,資料十分簡潔,圖紙、資料和實地樁標注一致。鐵道第四勘察設(shè)計院在鄭西線試用航測技術(shù)測