高速铁路精密工程测量技术体系的建立及特点

卢建康,刘 华

(1.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031;2.铁道部经济规划研究院,北京 100038)

1 概述

高速铁路旅客列车行驶速度高(250～350km/h),为了达到在高速行驶条件下保证旅客列车的安全性和舒适性,要求高速铁路必须具有非常高的平顺性和精确的几何线性参数,精度要保持在毫米级的范围以内。传统的铁路测量方法和精度已不能满足高速铁路建设的要求。要实现高速铁路轨道的平顺性,必须建立一套与之相适应的精密工程测量体系和技术标准。

2 我国的高速铁路工程测量技术体系建立的背景

我国的高速铁路工程测量技术体系是伴随着我国铁路客运专线无砟轨道工程的建设而逐步建立和完善的。2004年,铁道部决定在遂渝线开展无砟轨道综合试验后,在施工过程中就发现原有的测量控制网精度及控制网布设不能满足无砟轨道施工要求。为此,中铁二院与西南交通大学合作在遂渝线开展了无砟轨道铁路工程测量技术的研究,并建立了遂渝线无砟轨道综合试验段精密工程测量控制网。

2006年随着京津城际、武广、郑西客运专线无砟轨道铁路的全面开工建设,原有的铁路测量体系和技术标准已不能适应客运专线无砟轨道建设的要求。为了适应我国客运专线无砟轨道建设的形势,根据铁建设函[2005]1026号《关于编制 2006年铁路工程建设标准计划的通知》的要求,在铁道部建设管理司和铁道部经济规划研究院主持下,开始编制《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》。主编单位中铁二院与西南交大通学合作完成了《无砟轨道测量技术的研究》、《无砟轨道控制测量理论和方法研究》以及《客运专线无砟轨道铁路工程测量控制网精度标准的研究》。对无砟轨道施工控制网精度设计的有关问题,包括控制网设计的精度准则、精度阈值以及精度计算方法等进行了研究论证,为无砟轨道测量技术标准的制订提供理论依据;根据客运专线无砟轨道铁路线下工程工后变形监测和无砟轨道平顺性施工要求,反演推算各级控制测量的精度要求,取得了一系列的成果。编制组根据科研成果,在吸取遂渝线无砟轨道综合试验段测量的实践经验,并参考国外有关无砟轨道测量规范和标准的基础上,编制完成了《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》。初步形成了我国高速铁路工程测量技术标准体系。

随着高速铁路建设大规模地展开,在《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》的基础上,结合我国高速铁路建设特点和现代测绘技术的发展,开展了《高速铁路 CPⅢ测量标准及软件研制》和《基于自由测站的高速铁路 CPⅢ高程网测量及其标准的研究》,对京津、武广、郑西、京沪、哈大、合宁、合武、石太等高速铁路工程测量经验进行系统的总结,按照原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新的原则,对《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》进一步完善,编制完成了《高速铁路工程测量规范》,形成具有自主知识产权的我国高速铁路工程测量技术标准。

3 建立客运专线铁路精密工程测量技术标准体系的必要性

3.1 传统的铁路工程测量方法及不足

(1)传统的铁路工程测量方法简介

传统的铁路工程是以线路中线控制桩作为铁路勘测设计和施工的坐标基准,其测量作业模式和流程如下。

初测→定测→线下工程施工测量→铺轨测量。

①初测

平面控制测量—初测导线:坐标系统为 1954年北京坐标系;测角中误差导线全长相对闭合差:光电测距1/6000,钢尺丈量1/2000。

高程控制测量—初测水准:高程系统为 1956年黄海高程/1985年国家高程基准;测量精度:五等水准

②定测

以初测导线和初测水准点为基准,按初测导线的精度要求放出交点、直线控制桩、曲线控制桩(五大桩)。

③线下工程施工测量

平面测量以定测放出交点、直线控制桩、曲线控制桩(五大桩)作为线下工程施工测量的基准;高程测量以初测水准点为基准。

④铺轨测量

直线用经纬仪穿线法测量;曲线用弦线矢距法或偏角法进行铺轨控制。

(2)传统的铁路工程测量方法的缺陷

上述铁路工程测量方法是一百多年来一直沿用的传统的铁路测量方法,在过去测量方法主要靠经纬仪、钢尺丈量测距的年代,是一种行之有效的方法,适合于普通速度铁路工程测量。但是在测量已广泛采用GPS、全站仪、电子水准仪新技术的今天,这一传统的铁路工程测量方法已不能适应我国现代化铁路建设的要求。它存在着以下的不足。

①平面坐标系投影差大:采用 1954年北京坐标系3°带投影,投影带边缘边长投影变形值最大可达 340 mm/km,不利于 GPS、RTK、全站仪等新技术采用坐标定位法进行勘测和施工放线。

②线路平面测量可重复性较差:以线路中线控制桩作为铁路勘测设计和施工的坐标基准,没有采用逐级控制的方法建立完整的平面高程控制网,线路施工控制仅靠定测放出交点、直线控制桩、曲线控制桩(五大桩)进行控制,当出现中线控制桩连续丢失后,就很难进行恢复;由于路基地段没有分级建立平面控制网,没有稳固的平面控制基准,施工后线路中线控制桩就被破坏,只是在路基工程施工期间根据中线控制桩设置护桩进行平面控制。无法使用统一的平面控制基准进行线下工程和轨道工程施工。

④轨道铺设精度难以满足设计线形和平顺度要求:轨道的铺设不是以测量控制网为基准按照设计的坐标定位,而是按照线下工程的施工现状采用相对定位进行铺设,这种铺轨方法由于测量误差的积累,往往造成轨道的几何参数与设计参数相差甚远。在浙赣线提速改造时,采用定位进行铺轨就出现了圆曲线半径与设计半径相差太大、大半径长曲线变成了很多不同半径圆曲线的组合、曲线五大桩位置与设计位置相差太大、纵断面整坡变成了很多碎坡等问题。

3.2 建立高速铁路精密工程测量技术标准体系是我国高速铁路建设的要求

传统铁路测量方法采用定测中线控制桩作为联系铁路勘测设计与施工的线路平面测量控制基准,中线控制桩在线路竣工后已不复存在,铁路平面控制基准已经失去,因而在竣工和运营阶段的线路复测只能通过相对测量的方式进行,这种方式只适合测量精度要求低的普速铁路测量。而高速铁路轨道必须具有非常精确的几何参数,使轨道的几何参数与设计的目标位置之间的偏差保持在最小,精度要保持在毫米级范围以内。从浙赣线提速发现轨道几何参数与设计值存在的巨大差异,说明仅仅依靠相对测量方法对线路进行维护是远远不够的,必须引入绝对测量系统,建立一套完整精密测量系统。

4 高速铁路精密测量体系的特点

4.1 “三网合一”的测量体系

高速铁路工程测量的平面、高程控制网,按施测阶段、施测目的及功能不同分为:勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网。我们把高速无砟轨道铁路工程测量的这三个阶段的测量控制网,简称“三网”。

勘测控制网包括:CPⅠ控制网、CPⅡ控制网、二等水准基点控制网。

施工控制网包括:CPⅠ控制网、CPⅡ控制网、水准基点控制网、CPⅢ控制网。

运营维护控制网包括 :CPⅡ控制网、水准基点控制网、CPⅢ控制网、加密维护基标。

为保证三阶段的测量控制网满足高速铁路勘测、施工、运营维护 3个阶段测量的要求,在设计、施工和运营阶段构建和保持高速铁路轨道空间几何形位的一致性,满足高速铁路工程建设和运营管理的需要,3阶段的平面、高程控制测量必须采用统一的基准。即勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网均采用 CPⅠ为基础平面控制网,以二等水准基点网为基础高程控制网。简称为“三网合一”。

4.2 建立框架控制网 CP0

高速铁路建立框架控制网 CP0,是在总结京津城际铁路,郑西、武广、哈大、京沪、石武高速铁路平面控制测量实践经验基础上提出的。由于高速铁路线路长、地区跨越幅度大且平面控制网沿高速铁路呈带状布设。为了控制带状控制网的横向摆动,沿线必须每隔一定间距联测高等级的平面控制点,但是由于沿线国家高级控制点之间的兼容性差,基础平面控制网CPⅠ经国家点约束后使高精度的 CPⅠ控制网发生扭曲,大大降低了 CPⅠ控制点间的相对精度,个别地段经国家点约束后的 CPⅠ控制点间甚至不能满足规范要求的 CPⅠ控制点相对中误差≤1/180000。在测量中不得不采用一个点和一个方向的约束方式进行 CPⅠ控制网平差,但这种平差方式给 CPⅠ控制网复测带来不便。为此,在京津城际铁路、哈大、京沪、石武高速铁路平面控制测量首先采用 GPS精密定位测量方法建立高精度的框架控制网 CP0,作为高速铁路平面控制测量的起算基准,不仅提高了 CPⅠ控制网的精度,也为平面控制网复测提供了基准。

4.3 高速铁路平面控制网的分级布网

(1)平面控制网分级布网的原则

高速铁路工程测量平面控制网应在框架控制网(CP0)基础上分三级布设,第一级为基础平面控制网(CPⅠ),主要为勘测、施工、运营维护提供坐标基准;第二级为线路平面控制网(CPⅡ),主要为勘测和施工提供控制基准;第三级为轨道控制网(CPⅢ),主要为轨道铺设和运营维护提供控制基准。三级平面控制网之间的相互关系如图1所示。

图1 高速铁路三级平面控制网示意(单位:m)

高速铁路工程测量平面控制网应在框架控制网(CP0)基础上分三级布设,是因为测量控制网的精度在满足线下工程施工控制测量要求的同时必须满足轨道铺设的精度要求,使轨道的几何参数与设计的目标位置之间的偏差保持在最小。而轨道的铺设施工和线下工程路基、桥梁、隧道、站台等工程的施工放样,是通过由各级平面高程控制网组成的测量系统来实现的,为了保证轨道与线下工程路基、桥梁、隧道、站台的空间位置坐标、高程相匹配协调,必须按分级控制的原则建立铁路测量控制网。

(2)各级平面控制网的主要技术要求

高速铁路工程平面控制测量各级平面控制网的主要技术要求见表1。

表1 各级平面控制网设计的主要技术要求

4.4 平面坐标系统的要求

平面坐标系统应采用边长投影变形值≤10mm/km的工程独立坐标系。高速铁路工程测量精度要求高,施工中要求由坐标反算的边长值与现场实测值应一致,即所谓的尺度统一。由于地球面是个椭球曲面,地面上的测量数据需投影到施工平面上,曲面上的几何图形投影到平面时,不可避免会产生变形。采用国家 3°带投影的坐标系统,在投影带边缘的边长投影变形值达到 340mm/km,这对无砟轨道的施工是很不利的,对工程施工的影响呈系统性。从理论上来说,边长投影变形值越小越有利。德国高速铁路采用 MKS定义的特殊技术平面坐标系统。MKS可根据需要把地球表面正形投影到设计和计算平面上,发生的(不可避免的)长度变形限定在 10mm/km的数量级上,即投影变形误差控制在1/100000以内。在京津城际高速铁路工程测量中,博格公司要求基础控制网平面相对精度为1/100000。武广线、郑西线无砟轨道 CPⅢ控制网的测量实践也表明,在满足边长投影长度变形值不大于 10mm/km的条件下,线下工程施工时,可不进行边长投影改正直接利用坐标反算距离进行施工放线,CPⅢ观测距离不需进行投影改化进行平差计算就可满足 CPⅢ控制网的精度要求。

4.5 高程控制测量的布网要求

(1)高速铁路工程测量高程控制网分二级布设,第一级线路水准基点控制网,为高速铁路工程勘测设计、施工提供高程基准;第二级轨道控制网(CPⅢ),为高速铁路轨道施工、维护提供高程基准。

(2)高速铁路高程控制测量布网要求见表2。

表2 高速铁路高程控制网布网要求

4.6 CPⅢ自由测站边角交会网测量

CPⅢ为轨道控制网,是铺轨加密基标和轨道精调的基准,为了保证铺轨加密基标和轨道精调测量的精度,其点位间距以 60m为宜。CPⅢ控制网应采用自由测站边角交会网进行构网测量,以 CPⅠ或 CPⅡ作为基准进行固定数据约束平差。CPⅢ自由测站边角交会网如图2所示,自由测站间距为 120m左右,每个CPⅢ控制点有 3个自由测站点的距离、方向交会。

图2 CPⅢ平面网观测网形示意(单位:m)

CPⅢ自由测站边角交会网测量与常规导线网测量比较具有以下优点:

(1)点位分布均匀,有利于铺轨加密基标和轨道精调作业精度的控制;

(2)网形均匀对称,图形强度高,每个 CPⅢ控制点有 3个方向交会,多余观测量多,有利于提高网的可靠性和测量精度;

(3)相邻点间相对精度高,兼容性好,能有效控制轨道的平顺性;

(4)控制点采用强制对中标志,自由测站没有对中误差,消除了点位对中点误差对控制网精度的影响。

4.7 构筑物变形监测

高速铁路线路长,路基、桥梁、涵洞、隧道工程量大,沿线复杂地质条件对工程建设影响大,线下构筑物变形是无砟轨道铁路的重要参数,一直贯穿于设计、施工、运营养护、维修各阶段。高速铁路构筑物的变形监测与控制是高速铁路建设成败和安全运营的关键,为使变形监测所获取的数据科学、可靠并连续,因此在《高速铁路工程测量规范》中,专门作为一章对构筑物变形测量的监测网构网、测量精度、监测点的布设及测量方法进行了规范。这是高速铁路精密工程测量体系的一个特点。

5 结语

以《高速铁路工程测量规范》(TB10601—2009)为代表的高速铁路精密工程测量技术标准的编制实施,开创了我国高速铁路工程测量技术标准体系,大大提高了我国铁路工程测量的技术水平,有力地推动了铁路工程测量技术进步,及时为我国高速铁路的大规模建设提供了测量技术标准。采用该标准成功地建成了武广、郑西客运专线无砟轨道铁路以及胶济、合宁、合武、甬台温、温福、石太、福厦等客运专线,目前在建的京沪、哈大、京石、石武等无砟轨道高速铁路及一批有砟轨道客运专线均按照此标准开展精密工程测量。高速铁路精密工程测量技术标准为我国建设世界一流的高速铁路提供了技术支撑。

[1]TB10601—2009,高速铁路工程测量规范[S].

[2]TB10601—99,新建铁路工程测量规范[S].

[3]何华武.铁路工程技术论集[M].北京:中国铁道出版社,2007:267-272.

[4]朱 颖.客运专线无砟轨道铁路工程测量技术[M].北京:中国铁道出版社,2008.