無砟軌道高速鐵路中精密工程測(cè)量體系的應(yīng)用研究

無砟軌道高速鐵路中精密工程測(cè)量體系的應(yīng)用研究摘要：高速鐵路中無砟軌道的施工具有精度要求高、控制困難的特點(diǎn)，因此必須構(gòu)建一套與之適應(yīng)的精密工程測(cè)量體系，才能保證鐵路的高平順性與舒適性。本文充分結(jié)合高速鐵路、精密工程測(cè)量的特點(diǎn)，比較了傳統(tǒng)工程測(cè)量的不足之處，從而提出了構(gòu)建高速鐵路精密工程測(cè)量體系的必要性，并詳細(xì)介紹了高速鐵路精密工程測(cè)量中的內(nèi)容以及測(cè)量方法。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；精密；測(cè)量

中圖分類號(hào)：tb22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a

改革開放以來，我國(guó)基礎(chǔ)鐵路設(shè)施的建設(shè)飛速發(fā)展。同時(shí)隨著列車的不斷提速，高速鐵路的建設(shè)不斷涌現(xiàn)。然而對(duì)于高速鐵路來說，安全問題才是重點(diǎn)，同時(shí)也為了滿足舒適的需求，因而要求高速鐵路軌道具有較高的平順性。無砟軌道又稱之為無碴軌道，采用的是諧振式軌道電路傳輸技術(shù)，具有高平順性、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單、軌道形變較少等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為了高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。而無碴軌道施工技術(shù)的關(guān)鍵就在于高精密的測(cè)量技術(shù)[1]。因此，本文充分結(jié)合高速鐵路、精密工程測(cè)量的特點(diǎn)，分析了高速鐵路中精密工程測(cè)量體系構(gòu)建的必要性，并詳細(xì)介紹了高速鐵路精密工程測(cè)量中的內(nèi)容以及測(cè)量方法。

一、高速鐵路精密工程測(cè)量體系的必要性

（一）傳統(tǒng)鐵路工程測(cè)量的缺陷

在過去，鐵路建設(shè)的目標(biāo)速度都較低，因而對(duì)軌道的平順要求都比較低，同時(shí)在進(jìn)行勘測(cè)、施工過程中都沒有制定一套完整的控制測(cè)量體系。傳統(tǒng)測(cè)量模式如圖1所示。

圖1傳統(tǒng)鐵路工程測(cè)量作業(yè)流程

傳統(tǒng)測(cè)量各級(jí)控制網(wǎng)測(cè)量精度指標(biāo)主要考慮線下工程施工要求制定，沒有考慮過軌道施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)測(cè)量控制網(wǎng)的要求。高斯投影變形和高程投影變形都比較大，尤其是在高原地區(qū)和線路高差大的地方[2]。例如北京54和西安80坐標(biāo)系統(tǒng)一般采用3度帶投影，不利于gps—rtk、全站儀進(jìn)行勘測(cè)和施工放樣。測(cè)量精度都較低，平面一般五等導(dǎo)線精度，高程測(cè)量采用五等水準(zhǔn)，多屬于普通工程測(cè)量的范疇。測(cè)量過程中經(jīng)常出現(xiàn)曲線偏角超限問題，使得施工單位只有已改變曲線要素的方法進(jìn)行施工。施工交樁一般也是只交中樁，不會(huì)給施工單位提供導(dǎo)線點(diǎn)和gps控制點(diǎn)，因而施工單位也不用坐標(biāo)法施工。

（二）精密工程測(cè)量的特點(diǎn)

高速鐵路精密工程測(cè)量是相對(duì)于傳統(tǒng)的鐵路工程測(cè)量而言，為了保證鐵路非常高的平順性，軌道測(cè)量精度要達(dá)到毫米級(jí)[3]。其測(cè)量方法、測(cè)量精度與傳統(tǒng)的鐵路工程測(cè)量完全不同。

1、確定了平面控制測(cè)量分三級(jí)布網(wǎng)的布設(shè)原則

第一級(jí)：基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)（cp?。瑸榭睖y(cè)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供坐標(biāo)基準(zhǔn)；第二級(jí)：線路控制網(wǎng)（cpⅱ），為勘測(cè)和施工提供控制基準(zhǔn)；

第三級(jí)：基樁控制網(wǎng)/施工加密網(wǎng)（cpⅲ），為線下工程、無砟軌道施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供控制基準(zhǔn)。

高速鐵路工程測(cè)量三級(jí)平面控制網(wǎng)如圖2所示。

圖2三級(jí)平面控制網(wǎng)示意圖

2、確定了“三網(wǎng)合一”的測(cè)量體系

鐵路測(cè)量平面高程控制按照施工目的、時(shí)間以及作用不同可分為施工控制網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)控制網(wǎng)以及勘測(cè)控制網(wǎng)，合稱為三網(wǎng)[4]。精密工程測(cè)量體系的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了三網(wǎng)坐標(biāo)高程系統(tǒng)的統(tǒng)一，統(tǒng)一了三網(wǎng)的起算基準(zhǔn)以及測(cè)量的精度。

3、確定了絕對(duì)定位以及相對(duì)定位相結(jié)合的鋪軌測(cè)量模式

采用相對(duì)定位的方法可以有效的解決軌道短波不平順的問題，但卻不適用于長(zhǎng)波的不平順性。高速鐵路其軌道曲線彎道較長(zhǎng)，半徑較大，僅采用相對(duì)定位，而不運(yùn)用坐標(biāo)進(jìn)行絕對(duì)控制則很難使軌道線型達(dá)到設(shè)計(jì)要求。例如以一半徑為2800m的彎道為例，曲線外矢距f=c²/8r，式中c為弦長(zhǎng)，r為半徑。鋪軌時(shí)若按10m弦長(zhǎng)3mm的軌向偏差（即用20m弦長(zhǎng)的外矢距偏差）的軌向偏差來控制曲線，則：當(dāng)軌向偏差為0時(shí)，r=2800m；當(dāng)軌向偏差為+3mm時(shí)，r=2397m；當(dāng)軌向偏差為-3mm時(shí)，r=3365m。這一問題在浙贛線提速改造建設(shè)中已暴露出來，即一個(gè)大彎道由幾個(gè)不同半徑的曲線組成，且半徑相差幾百米。由此可見，只采用10m弦長(zhǎng)2mm（無砟）的軌向偏差來控制軌道的平順性是不嚴(yán)密的，因此必須采用相對(duì)控制與坐標(biāo)絕對(duì)控制相結(jié)合的方法來進(jìn)行軌道鋪軌控制。

4、提出了平面測(cè)量獨(dú)立坐標(biāo)系

高速鐵路在施工過程中必須首先滿足尺度的統(tǒng)一，即坐標(biāo)反算的邊長(zhǎng)值要與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)值相同[5]。但是由于地球是橢球曲面，當(dāng)曲面幾何圖形投影到平面上時(shí)，則其形狀必然會(huì)發(fā)生一定變形。如果運(yùn)用3°帶投影的坐標(biāo)系統(tǒng)，當(dāng)邊長(zhǎng)投影的變形量超過340mm/km，，其測(cè)量精度遠(yuǎn)超過全站儀的精度，會(huì)嚴(yán)重影響無砟軌道的施工。因此，高速鐵路測(cè)量網(wǎng)必須采用獨(dú)立工程坐標(biāo)系，使邊長(zhǎng)投影的變形量控制在10mm/km以內(nèi)，才能夠滿足施工的要求。

二、高速鐵路精密工程測(cè)量的內(nèi)容及方法

高速鐵路精密工程測(cè)量的內(nèi)容主要包括線路平面控制測(cè)量、高程控制測(cè)量、控制網(wǎng)復(fù)測(cè)、線下工程施工測(cè)量。

（一）平面控制測(cè)量

平面控制測(cè)量作業(yè)流程共分為三步，分別為基礎(chǔ)平面控制測(cè)量（cp?。⒕€路控制測(cè)量（cpⅱ）、軌道控制測(cè)量（cpⅲ）。

cpⅰ控制測(cè)量一般在初測(cè)時(shí)完成，為無砟軌道鐵路工程提供平面基準(zhǔn)。按二等gps施測(cè)，小于4km布設(shè)一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)點(diǎn)對(duì)，點(diǎn)對(duì)間距大于等于800m。測(cè)量時(shí)使用雙頻gps接收機(jī)，按靜態(tài)測(cè)量方式觀測(cè)兩個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段90分鐘，使用廣播星歷解算基線

cpⅱ控制測(cè)量一般在定測(cè)時(shí)完成，作為無砟軌道鐵路工程施工平面控制網(wǎng)。采用gps法測(cè)量，按三等gps測(cè)量施測(cè)，點(diǎn)間距在600～800m。使用雙頻gps接收機(jī)測(cè)量，按靜態(tài)測(cè)量方式觀測(cè)兩個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段60分鐘，使用廣播星歷解算基線。

cp?？刂茰y(cè)量在施工測(cè)量時(shí)施測(cè)，線下工程施工時(shí)作為施工加密平面控制網(wǎng)，鋪設(shè)無砟軌道時(shí)作為無砟軌道鋪設(shè)基樁控制網(wǎng)。每隔兩個(gè)接觸網(wǎng)柱建立一個(gè)測(cè)量點(diǎn)位，兩個(gè)方向各瞄準(zhǔn)3×2個(gè)永久標(biāo)記點(diǎn)，每個(gè)永久標(biāo)記點(diǎn)將被瞄準(zhǔn)三次，最大的測(cè)量范圍的距離約150m，儀器在每個(gè)方向測(cè)量?jī)纱危ccpⅱ控制點(diǎn)進(jìn)行連接測(cè)量。

（二）高程控制測(cè)量

無砟軌道高速鐵路高程控制網(wǎng)應(yīng)按二等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求施測(cè)。在勘測(cè)階段，不具備二等水準(zhǔn)測(cè)量條件時(shí)，可分兩階段實(shí)施，即：勘測(cè)階段按四等水準(zhǔn)測(cè)量要求施測(cè)，線下工程施工完成后，全線再按二等水準(zhǔn)測(cè)量要求建立水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)。

沿線布設(shè)基巖點(diǎn)、深埋水準(zhǔn)點(diǎn)和一般水準(zhǔn)點(diǎn)（線路水準(zhǔn)基點(diǎn)）三種類型，組成統(tǒng)一的高程控制網(wǎng)，水準(zhǔn)點(diǎn)位設(shè)在線路施工的影響范圍以外。

基巖點(diǎn)：按約每100km設(shè)置一座。京津城際高速在北京和天津共設(shè)置2座，京滬高速北京至徐州段采用既有和新布設(shè)基巖點(diǎn)共計(jì)6座。

深埋水準(zhǔn)點(diǎn)：京津城際每4km設(shè)置一個(gè)深埋水準(zhǔn)點(diǎn)，共設(shè)置28個(gè)，京滬高速北京至濟(jì)南段部分路段地處區(qū)域性地面沉降區(qū)，按每6~8km設(shè)置一個(gè)深埋水準(zhǔn)點(diǎn)。深度根據(jù)地質(zhì)地層條件及橋梁墩設(shè)計(jì)深度單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，平均深度約50m左右。

一般水準(zhǔn)點(diǎn)（線路水準(zhǔn)基點(diǎn)）：沿線一般水準(zhǔn)點(diǎn)不大于2km布設(shè)一個(gè)，在特大橋、隧道附近和車站范圍內(nèi)增設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)。為便于施工單位施工放樣對(duì)高程點(diǎn)的引用，一般水準(zhǔn)點(diǎn)盡量與cpi、cpⅱ點(diǎn)位共用。

（三）控制網(wǎng)復(fù)測(cè)

控制網(wǎng)復(fù)測(cè)分為定期復(fù)測(cè)和不定期復(fù)測(cè)。

定期復(fù)測(cè)維護(hù)是對(duì)高速鐵路平面高程控制網(wǎng)全面復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)內(nèi)容包括全線cp0、cpⅰ、cpⅱ及線路水準(zhǔn)基點(diǎn)，設(shè)計(jì)單位交樁后和cpiii建網(wǎng)前必須進(jìn)行一次全面復(fù)測(cè)，特殊地區(qū)、地面沉降地區(qū)或施工期間出現(xiàn)異常的地段，適當(dāng)增加復(fù)測(cè)次數(shù)

不定期復(fù)測(cè)維護(hù)內(nèi)容包括施工標(biāo)段范圍內(nèi)cpⅰ、cpⅱ及線路水準(zhǔn)基點(diǎn)及施工加密控制點(diǎn)復(fù)測(cè)，檢查控制點(diǎn)間的相對(duì)位置是否發(fā)生位移。

復(fù)測(cè)應(yīng)該使用與建網(wǎng)時(shí)相同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、作業(yè)方法、精度等級(jí)相同的儀器設(shè)備

（四）線下工程施工測(cè)量

線下工程施工測(cè)量可分為線下施工控制網(wǎng)加密、線路測(cè)量、路基測(cè)量、隧道測(cè)量。

施工控制網(wǎng)加密測(cè)量可采用導(dǎo)線或gps測(cè)量方法測(cè)量，施工控制網(wǎng)加密必須就近附合到cpⅱ或cpⅰ控制點(diǎn)，采用固定數(shù)據(jù)約束平差。點(diǎn)位選在距線路中線較近、穩(wěn)固可靠且不易被施工破壞的范圍內(nèi)，便于長(zhǎng)期保存，方便測(cè)設(shè)中線。加密高程控制測(cè)量應(yīng)起閉于線路水準(zhǔn)基點(diǎn)，采用同級(jí)擴(kuò)展或向下一級(jí)發(fā)展的方法，按二等水準(zhǔn)測(cè)量要求施測(cè)。

線路測(cè)量的目的是確定線路的空間位置，主要是將線路中線（包括直線和曲線）按設(shè)計(jì)的位置進(jìn)行實(shí)地測(cè)設(shè)。根據(jù)cpⅰ控制點(diǎn)或cpⅱ控制點(diǎn)和加密的施工控制點(diǎn)，采用極坐標(biāo)法或gpsrtk測(cè)設(shè)。極坐標(biāo)放線應(yīng)置鏡點(diǎn)宜為附合導(dǎo)線點(diǎn)，采用支導(dǎo)線時(shí)應(yīng)有檢核條件，最多支1站。

路基測(cè)量包括路堤路塹施工放樣測(cè)量、地基加固工程施工放樣、樁板結(jié)構(gòu)路基施工放樣。地基加固范圍施工放樣和路堤路塹施工放樣測(cè)量可在恢復(fù)中線的基礎(chǔ)上采用橫斷面法、極坐標(biāo)法或gpsrtk法施測(cè)。樁板結(jié)構(gòu)路基是一種特殊的路基結(jié)構(gòu)，由下部鋼筋混凝土樁基和上部鋼筋混凝土承載板與地基共同組成，鋼筋混凝土承載板直接與軌道結(jié)構(gòu)相連接。樁板結(jié)構(gòu)路基平面控制測(cè)量可采用gps測(cè)量、導(dǎo)線測(cè)量，要求樁位及承載板平面控制點(diǎn)的線路縱、橫向中誤差不大于10mm；高程控制測(cè)量采用水準(zhǔn)測(cè)量，樁頂及承載板高程控制點(diǎn)的高程中誤差不大于2.5mm。

隧道施工測(cè)量包括洞外控制測(cè)量以及洞內(nèi)控制測(cè)量。洞外平面控制測(cè)量宜結(jié)合隧道長(zhǎng)度、平面線型、地形和環(huán)境等條件，采用gps測(cè)量或?qū)Ь€測(cè)量。洞外高程控制測(cè)量應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)精度，結(jié)合地形情況、水準(zhǔn)路線長(zhǎng)度以及儀器設(shè)備條件，采用水準(zhǔn)測(cè)量或光電測(cè)距三角高程測(cè)量。洞內(nèi)平面控制網(wǎng)宜布設(shè)成多邊形導(dǎo)線環(huán)，導(dǎo)線點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在施工干擾小、穩(wěn)固可靠的地方，點(diǎn)間視線應(yīng)離開洞內(nèi)設(shè)施0.2m以上。洞內(nèi)高程控制點(diǎn)應(yīng)每隔200～500m設(shè)置一對(duì)。

三、結(jié)束語(yǔ)

作為高效、節(jié)能的運(yùn)輸方式，高速鐵路正在越來越為人們所青睞。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速鐵路的建設(shè)規(guī)模也將日益擴(kuò)大，同時(shí)也會(huì)更加安全、舒適、快捷。通過在軌道施工、維護(hù)中運(yùn)用高精度的測(cè)量手段，從而能夠有效的確保鐵路的平順性。高速鐵路蓬勃發(fā)展也為軌道精密工程測(cè)量技術(shù)提供了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。除了學(xué)習(xí)與借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)