城市軌道交通軌道工程測(cè)量技術(shù)

1、城市軌道交通軌道工程測(cè)量概述近年來，我國(guó)迅速發(fā)展的地鐵、輕軌等城市軌道交通，對(duì)列車安全行駛、乘客旅途舒適性的要求越來越高。由于城市軌道交通的軌道結(jié)構(gòu)采用混凝土整體道床，軌道工程一次定位，幾乎不能再調(diào)整；而鋪軌基標(biāo)是高標(biāo)準(zhǔn)軌道混凝土整體道床的軌道鋪設(shè)控制點(diǎn)，故高精度滿足鋪軌要求的測(cè)量工作，重點(diǎn)是用鋪軌基標(biāo)來保證軌道的設(shè)計(jì)位置和線路參數(shù)，同時(shí)也保證行車隧道的限界要求。這就對(duì)鋪軌精度提出了更嚴(yán)格要求，因此精確測(cè)設(shè)鋪軌基標(biāo)是保證地鐵軌道高精度施工的重要環(huán)節(jié)。何謂鋪軌基標(biāo)？鋪軌基標(biāo)是高標(biāo)準(zhǔn)軌道整體道床的軌道鋪設(shè)控制點(diǎn)，它是具有精確平面坐標(biāo)和高程的標(biāo)志；按精度等級(jí)可劃分為控制基標(biāo)和加密基標(biāo)；鋪軌基標(biāo)埋設(shè)位置有兩種，即位于線路中線或線路中線的一側(cè)。圖一為：利用直角道尺（精度0.5mm）通過沿線布設(shè)的鋪軌基標(biāo)精確確定一股鋼軌的位置和標(biāo)高。（圖一）（圖二）軌道工程測(cè)量的實(shí)質(zhì)？軌道工程測(cè)量的主要工作是鋪軌基標(biāo)測(cè)量。其實(shí)質(zhì)是按照設(shè)計(jì)線路和鋪軌綜合設(shè)計(jì)圖的要求，以一定的間隔，在線路中線或其一側(cè)測(cè)設(shè)具有精確平面坐標(biāo)和高程的標(biāo)志，作為鋪軌的平面和高程依據(jù)。見圖二。在廣州市城市軌道交通軌道工程建設(shè)中，我們總結(jié)如下《城市軌道交通軌道工程測(cè)量作業(yè)流程圖》：城市軌道交通軌道工程測(cè)量作業(yè)流程圖從《城市軌道交通軌道工程測(cè)量作業(yè)流程圖》中，我們可以看出軌道工程測(cè)量主要包括：施工控制點(diǎn)復(fù)測(cè)（四等平面控制、二等高程控制）、控制基標(biāo)測(cè)設(shè)（三維放樣、歸化改正滿足規(guī)范要求精度）、加密基標(biāo)測(cè)設(shè)（三維放樣、復(fù)測(cè)滿足規(guī)范要求精度）、竣工測(cè)量、其他測(cè)量工作等。2鋪軌基標(biāo)測(cè)量作業(yè)程序2.1施工控制點(diǎn)的交接和復(fù)測(cè)軌道專業(yè)施工所需的中線方向、里程、高程等均是由地面精密控制點(diǎn)引入，為保證鋪軌精度，要求鋪軌前應(yīng)全面的對(duì)其檢測(cè)，通過貫通測(cè)量后，對(duì)施工控制點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)整和平差后再設(shè)置基標(biāo)，以保證基標(biāo)的精度。鋪軌基標(biāo)的測(cè)設(shè)依據(jù)為業(yè)主測(cè)量隊(duì)提供的施工控制點(diǎn)。施工單位進(jìn)場(chǎng)后，在駐地監(jiān)理工程師的主持下由施工單位測(cè)量隊(duì)、業(yè)主專業(yè)測(cè)量隊(duì)、業(yè)主代表四方進(jìn)將岔前點(diǎn)和岔后點(diǎn)或?qū)⒉硇狞c(diǎn)也設(shè)置為控制基標(biāo)，那么120m線路內(nèi)會(huì)多兩個(gè)或一個(gè)控制基標(biāo)，導(dǎo)致兩兩控制基標(biāo)間距離太短。從測(cè)量技術(shù)角度分析，短邊對(duì)測(cè)角精度的影響較大，這不利于道岔在120m線路范圍內(nèi)的直順。反之，將道岔基標(biāo)作為加密基標(biāo)測(cè)設(shè)，即可用間距為120m的兩個(gè)控制基標(biāo)進(jìn)行測(cè)設(shè)；這不但滿足道岔定位的精度，也滿足道岔與線路的直順。（2）規(guī)范中，明確“道岔鋪軌基標(biāo)測(cè)設(shè)方法，可按鋪軌基標(biāo)坐標(biāo)直接測(cè)設(shè)，也可先測(cè)定岔心和直股與曲股線路方向，然后利用道岔線路中線點(diǎn)測(cè)設(shè)基標(biāo)”；同時(shí)規(guī)范明確了“利用線路中線點(diǎn)測(cè)設(shè)道岔鋪軌基標(biāo)時(shí)，其測(cè)定限差應(yīng)滿足的要求”。由此，可以看出：道岔鋪軌基標(biāo)的測(cè)設(shè)方法有兩種，前者“按坐標(biāo)直接測(cè)設(shè)”，即按加密基標(biāo)測(cè)設(shè)；后者“根據(jù)岔心和直股與曲股線路方向測(cè)設(shè)”，即將岔前點(diǎn)和岔后點(diǎn)或?qū)⒉硇狞c(diǎn)當(dāng)作道岔的“軸線點(diǎn)”，然后控制道岔其他基標(biāo)的測(cè)設(shè)，但也未明確“軸線點(diǎn)”一定是“控制基標(biāo)”。2.3鋪軌基標(biāo)測(cè)設(shè)的內(nèi)外業(yè)工作2.3.1內(nèi)業(yè)計(jì)算對(duì)于高精度的鋪軌基標(biāo)測(cè)設(shè)來說，其精度除了受到所選放樣方法和已知點(diǎn)精度影響外，還與鋪軌基標(biāo)坐標(biāo)、高程的計(jì)算精確程度有很大關(guān)系。坐標(biāo)計(jì)算通常是在局部坐標(biāo)系下通過截取坐標(biāo)級(jí)數(shù)展開式的有限項(xiàng)求得，這不可避免地影響坐標(biāo)的精確程度。鋪軌基標(biāo)測(cè)設(shè)數(shù)量大、精度高、報(bào)檢資料多、時(shí)間緊，故鋪軌基標(biāo)坐標(biāo)及高程計(jì)算是測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)的重點(diǎn)工作。為滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，廣州地鐵項(xiàng)目部已完成《鋪軌基標(biāo)測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)軟件》的開發(fā)；該軟件采用統(tǒng)一坐標(biāo)系下不受線性限制的復(fù)合辛普森公式作為計(jì)算鋪軌基標(biāo)坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，在設(shè)有豎曲線地段采用不受坡度和半徑大小影響的嚴(yán)密公式作為計(jì)算豎曲線高程的數(shù)學(xué)模型；并融數(shù)據(jù)計(jì)算、報(bào)表生成、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)管理于一體，輕松實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)工作程序化操作。其計(jì)算結(jié)果以Exlce表格形式保存，并自動(dòng)生成符合業(yè)主要求的報(bào)表，直接打印即可提交資料；其計(jì)算數(shù)據(jù)還可通過數(shù)據(jù)線或數(shù)據(jù)卡批量輸入全站儀，外業(yè)即可利用儀器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行作業(yè)，避免大量數(shù)據(jù)手工輸入帶來的人為錯(cuò)誤，大大提高外業(yè)效率。2.3.2鋪軌基標(biāo)測(cè)設(shè)的基本原則由于軌道專業(yè)施工時(shí)，車站控制點(diǎn)一般從地面直接投測(cè)，精度比較高，加之車站線路一般為直線，線路與站臺(tái)間距限差要求很嚴(yán)，不宜在車站進(jìn)行線路調(diào)整。因此在基標(biāo)測(cè)設(shè)中，堅(jiān)持“車站不動(dòng)，調(diào)整區(qū)間”的原則，以“兩站一區(qū)間”為鋪軌單位，進(jìn)行鋪軌基標(biāo)測(cè)設(shè)。2.3.3控制基標(biāo)的測(cè)設(shè)由于城市軌道交通是以車站和區(qū)間分段施工，所以測(cè)量控制基標(biāo)也是分段分批測(cè)放的。鋪軌控制基標(biāo)的測(cè)設(shè)是以“兩站一區(qū)間”為測(cè)設(shè)單位，主要采用全站儀坐標(biāo)放樣法?？刂苹鶚?biāo)的測(cè)設(shè)精度直接影響加密基標(biāo)的測(cè)設(shè)精度，故放樣控制基標(biāo)應(yīng)注意：每放樣一個(gè)控制基標(biāo)，必須進(jìn)行方向歸零檢核，歸零誤差應(yīng)在限差之內(nèi)，否則重新放樣。鋪軌控制基標(biāo)的測(cè)設(shè)包括三個(gè)步驟:初步測(cè)設(shè)：根據(jù)鋪軌基標(biāo)坐標(biāo)資料，采用全站儀坐標(biāo)放樣法測(cè)設(shè)至地面，并初步固定。串線測(cè)量：控制基標(biāo)埋設(shè)完成后，應(yīng)對(duì)“測(cè)設(shè)單位”的控制基標(biāo)進(jìn)行串線測(cè)量，主要檢測(cè)控制基標(biāo)間角度、邊長(zhǎng)、高差等幾何關(guān)系是否滿足規(guī)范要求。當(dāng)控制基標(biāo)間幾何關(guān)系超限，并與線路存在較大偏差時(shí)應(yīng)進(jìn)行調(diào)線測(cè)量。歸化改正：調(diào)線前，先計(jì)算控制基標(biāo)間夾角實(shí)測(cè)值與理論值較差△α，根據(jù)△α和控制基標(biāo)間距計(jì)算出控制基標(biāo)在垂直于線路方向的改正值△s，然后在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)△s較差超過規(guī)范時(shí)所涉及的控制基標(biāo)進(jìn)行歸化改正。歸化改正時(shí)要照顧到相鄰基標(biāo)改正值的相互影響，往往僅改正一個(gè)點(diǎn)就可使相鄰點(diǎn)幾何關(guān)系滿足要求。鋪軌控制基標(biāo)的高程則利用施工控制水準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)定，其觀測(cè)方法和限差按二等水準(zhǔn)測(cè)量的主要技術(shù)要求施測(cè)?！窘?jīng)驗(yàn)交流】由于一條線路將埋設(shè)大量的鋪軌基標(biāo)，因此測(cè)設(shè)鋪軌基標(biāo)時(shí)必須采用分段控制，中間加密的方法，即先測(cè)設(shè)控制基標(biāo)，然后在控制基標(biāo)間測(cè)設(shè)加密基標(biāo)。這樣每一個(gè)鋪軌基標(biāo)的精度才能達(dá)到規(guī)范要求。由此，我們可以看出：軌道工程測(cè)量精度最高、難度最大的工作就是控制基標(biāo)的測(cè)設(shè)，而控制基標(biāo)的測(cè)設(shè)關(guān)鍵是歸化改正?？刂苹鶚?biāo)“歸化改正”往往需反復(fù)進(jìn)行多次，如若控制基標(biāo)高程及其之間的角度與邊長(zhǎng)不能滿足限差要求時(shí)，則重新進(jìn)行“歸化改正”，直至滿足要求為止。通常，初次進(jìn)入城市軌道施工的單位，都會(huì)出現(xiàn)因測(cè)量技術(shù)無法快速解決控制基標(biāo)精度而導(dǎo)致軌道鋪設(shè)嚴(yán)重窩工的情況，比如：廣州地鐵二號(hào)線時(shí)，我們項(xiàng)目部在公-紀(jì)區(qū)間因控制基標(biāo)測(cè)設(shè)未能按時(shí)測(cè)量合格，導(dǎo)致該區(qū)間鋪軌受影響；廣州地鐵三號(hào)線時(shí)，中鐵一局客-大區(qū)間控制基標(biāo)歸化改正15天未達(dá)到規(guī)范要求的精度，導(dǎo)致嚴(yán)重窩工。通常我們采用的歸化改正方法有兩種：（1）坐標(biāo)法：根據(jù)調(diào)線測(cè)量平差結(jié)果，計(jì)算各控制基標(biāo)改正數(shù)，分別改正。（2）角度距離法：根據(jù)控制基標(biāo)串測(cè)導(dǎo)線的角度、距離偏差，沿線路垂直方向調(diào)整控制基標(biāo)點(diǎn)位，使相鄰控制基標(biāo)的夾角滿足限差要求。通過廣州城市軌道交通四號(hào)線的實(shí)踐、分析和總結(jié)，我們對(duì)以上兩種歸化改正方法進(jìn)行闡述。A、坐標(biāo)法：坐標(biāo)法能嚴(yán)格將點(diǎn)位改正到理論位置，該法利用控制基標(biāo)“雙重屬性”的特性進(jìn)行強(qiáng)制性歸化改正?？刂苹鶚?biāo)是首先是“測(cè)設(shè)點(diǎn)”，通過內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)和計(jì)算可獲得“設(shè)計(jì)坐標(biāo)”；其次是“導(dǎo)線點(diǎn)”，控制基標(biāo)初步測(cè)設(shè)后，對(duì)“測(cè)設(shè)單位”的控制基標(biāo)進(jìn)行串線測(cè)量，記錄控制基標(biāo)間角度、邊長(zhǎng)，使其與施工控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)形成附合導(dǎo)線，通過嚴(yán)密平差計(jì)算可獲得控制基標(biāo)“實(shí)測(cè)坐標(biāo)”。（1）普通坐標(biāo)法：無需歸化改正計(jì)算模型，只需簡(jiǎn)單利用控制基標(biāo)“實(shí)測(cè)坐標(biāo)”與“設(shè)計(jì)坐標(biāo)”差值（Vx，Vy）進(jìn)行點(diǎn)位改正，屬于強(qiáng)制性歸化改正。但這種方法，實(shí)地操作相當(dāng)困難，僅僅是停留在理論上，一般不被采用。（2）圖形坐標(biāo)法：無需歸化改正計(jì)算模型，只需簡(jiǎn)單利用控制基標(biāo)“實(shí)測(cè)坐標(biāo)”與“設(shè)計(jì)坐標(biāo)”的比例圖形進(jìn)行點(diǎn)位改正，屬于強(qiáng)制性歸化改正。該方法簡(jiǎn)單易懂，但實(shí)地操作不方便，建議實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足的測(cè)量工作者采用。圖中Pj-1、Pj、Pj+1是實(shí)測(cè)點(diǎn)位，P是設(shè)計(jì)點(diǎn)位。先畫PjP，使其圖紙比例尺是1：1，并將其延長(zhǎng)至圖紙邊緣。然后以較小的比例尺畫出Pj-->Pj-1和Pj-->Pj+1的方向線。再畫指北線N供防止錯(cuò)誤用。帶著這些圖紙去現(xiàn)場(chǎng)。借助小針將圖紙的Pj點(diǎn)放在實(shí)地的控制基標(biāo)點(diǎn)上，旋轉(zhuǎn)圖紙以兩條方向線定向圖紙。然后沿PjP方向用鋼板尺丈量距離，得P的點(diǎn)位。我認(rèn)為如果細(xì)心操作歸化的精度可接近0.5mm。此方法得到北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院的教授級(jí)高工秦長(zhǎng)利和上海同濟(jì)大學(xué)測(cè)量教授陳龍飛的認(rèn)同。（3）改進(jìn)型坐標(biāo)法：回歸控制基標(biāo)點(diǎn)位與線路中線關(guān)系，尋求簡(jiǎn)潔計(jì)算方法，獲取點(diǎn)位縱橫向改正值（VL，VD）。該方法使現(xiàn)場(chǎng)歸化改正形象直觀，簡(jiǎn)單易行，在工程中得到普遍應(yīng)用。通過設(shè)計(jì)圖提供的線路中線要素資料，根據(jù)施工要求設(shè)計(jì)控制基標(biāo)里程和邊距，即可計(jì)算出控制基標(biāo)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)，這是內(nèi)業(yè)計(jì)算的一部分工作（已實(shí)現(xiàn)計(jì)算程序化），可稱之為“坐標(biāo)正算”；反之，根據(jù)控制基標(biāo)“實(shí)測(cè)坐標(biāo)”也可反算出該坐標(biāo)相對(duì)于線路中線的里程和邊距，可稱之為“坐標(biāo)反算”。將控制基標(biāo)“實(shí)測(cè)坐標(biāo)”轉(zhuǎn)換為以“里程和邊距”的表現(xiàn)形式，就很容易計(jì)算設(shè)計(jì)邊距與實(shí)測(cè)邊距的差值、設(shè)計(jì)里程與實(shí)測(cè)理論的差值，這些差值即時(shí)控制基標(biāo)歸化改正的數(shù)據(jù)。實(shí)際作業(yè)中，合理忽略里程偏差，重點(diǎn)考慮邊距（橫向）偏差，因?yàn)辄c(diǎn)位橫向誤差才是影響控制基標(biāo)間角度圓順的主要因素。此方法得到北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院的教授級(jí)高工秦長(zhǎng)利和上海同濟(jì)大學(xué)測(cè)量教授陳龍飛的認(rèn)同。B、角度距離法：先計(jì)算控制基標(biāo)間夾角實(shí)測(cè)值與理論值較差△α，根據(jù)△α和控制基標(biāo)間距計(jì)算出控制基標(biāo)在垂直于線路方向的改正值△s，然后在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)△s較差超過規(guī)范時(shí)所涉及的控制基標(biāo)進(jìn)行歸化改正。角度距離法在滿足施工需要的前提下，合理忽略距離偏差，重點(diǎn)考慮角度偏差，計(jì)算、操作相對(duì)簡(jiǎn)單，在工程中得到普遍應(yīng)用。但通常進(jìn)行角度距離法歸化改正時(shí)，人為判斷和選取需改正的點(diǎn)位，憑借經(jīng)驗(yàn)試探該點(diǎn)橫向改正值。由于在串測(cè)的導(dǎo)線上，一點(diǎn)的橫向改正會(huì)引起相鄰兩點(diǎn)間夾角的變化，因此須反復(fù)試探調(diào)整各點(diǎn)改正值，才能滿足調(diào)線和歸化改正要求。此方法既無固定規(guī)律又不嚴(yán)密，效率又低，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足的測(cè)量工作者很難掌握。這種方法是有經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員最擅長(zhǎng)、也必須掌握的方法。我們也稱之為“手工改正法”。秦長(zhǎng)利，北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院的教授級(jí)高工，主要從事地鐵工程測(cè)量工作和研究，國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)《地下鐵道、輕軌交通工程測(cè)量規(guī)范》主要編寫人。他曾發(fā)表《地鐵控制基標(biāo)歸化改正原理及編程實(shí)現(xiàn)》一文。文章以角度距離法為出發(fā)點(diǎn)，總結(jié)點(diǎn)位橫向改正值與角度改正數(shù)的變動(dòng)規(guī)律，建立較合理的數(shù)學(xué)模型，尋求簡(jiǎn)潔實(shí)用的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)歸化改正點(diǎn)位自動(dòng)選取與對(duì)應(yīng)改正值的自動(dòng)計(jì)算。這才是真正意義上的“角度距離法”。在城市軌道交通四號(hào)線中，測(cè)量隊(duì)也曾借助數(shù)學(xué)軟件Mtlab、Exlce、人工分步計(jì)算實(shí)現(xiàn)了此程序模型，實(shí)踐表明該歸化改正原理模型的理論計(jì)算精度相當(dāng)高，是目前國(guó)內(nèi)同類數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)計(jì)算方法，很值得我們學(xué)習(xí)、分析和借鑒，但完全實(shí)現(xiàn)程序化的難度很大（公司欠缺熟練編程人員）。2.3.4加密基標(biāo)的測(cè)設(shè)加密基標(biāo)的測(cè)設(shè)方法采用全站儀坐標(biāo)放樣法，其測(cè)設(shè)依據(jù)為已經(jīng)精確測(cè)設(shè)的控制基標(biāo)。以控制基標(biāo)間的方向，按加密基標(biāo)的里程，在控制基標(biāo)間測(cè)設(shè)加密基標(biāo)。加密基標(biāo)的高程依據(jù)控制基標(biāo)高程用精密水準(zhǔn)儀測(cè)定。2.3.5道岔基標(biāo)的測(cè)設(shè)道岔基標(biāo)的測(cè)設(shè)方法同加密基標(biāo)。岔區(qū)基標(biāo)一般測(cè)設(shè)在道岔直股一側(cè)，但各種類型道岔的基標(biāo)位置各異，而且它的位置