铁路工程测量的认识与实践

张玉世

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安 710043)

1 概述

时速为350 km的武广高速铁路、郑西高速铁路的通车运营,以及其他时速350 km的铁路的大规模建设,标志着中国铁路已进入高速铁路时代。

为保证铁路工程的质量,铁路建设者将“高标准、讲科学、不懈怠”的要求真正落到实处,牢记工程质量人命关天,不容忽视,抓工程质量要坚持“抓源头、抓过程、抓细节”,始终保持“如履薄冰、如临深渊、如坐针毡”的精神状态,确保工程质量“零缺陷”。

铁路工程测量为铁路工程中最基础、最关键的环节之一,尤为重要。铁路工程测量也将进入更加精细化的精密工程测量时代,原有的一些测量设备与测量方法已经不能适应高速铁路的发展,必须要有一个崭新的理念与认识。本文就笔者铁路工程测量实践中遇到的有关精密控制测量问题结合现行规范进行分析认识,并归纳一些实践经验,供同行参考。

2 铁路工程测量的认识

2.1 铁路工程测量的概念与内容

铁路工程测量,就是为铁路工程建设的勘测设计、施工、养护、运营管理等所进行的测量工作。按照测量的方式分为平面控制网、高程控制网;按施测阶段、施测目的及功能,可分为勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网。

铁路工程测量平面控制网遵循分级布网、逐级控制的原则。

(1)框架控制网(CP0):采用卫星定位测量方法建立的三维控制网,作为全线(段)的坐标起算基准。

(2)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,采用卫星定位测量方法进行测量。

(3)线路平面控制网(CPⅡ):主要为勘测和施工提供控制基准。

(4)轨道控制网(CPⅢ):主要为轨道铺设和运营维护提供控制基准。

(5)其他施工测量:包括施工控制网加密测量、隧道控制网测量、桥梁控制网测量、施工放样、建筑物变形测量、线路中线贯通测量、竣工测量等。

(6)运营及维护测量:包括各级控制网的复测、构筑物变形监测、区域沉降地段变形监测、轨道几何状态检测等。

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。

2.2 铁路工程测量的技术标准

《铁路工程测量规范》(TB10101—2009)、《改建铁路工程测量规范》(TB10105—2009)、《高速铁路工程测量规范》(TB10601—2009),于2009年12月1日施行,在实践工作中,根据铁路设计要求、设计时速、有砟或无砟,执行相应标准。各设计、施工、监理、建设、运营维护单位,应准确理解与认识规范含义与要求,严格执行。同时,在规范的使用过程中,应根据实践中出现的问题,及时反馈,不断完善,不断研究创新不断提高。

设计时速250～350 km的高速铁路工程测量执行《高速铁路工程测量规范》(TB10601—2009),设计时速200 km及以下新建有砟轨道铁路工程测量执行《铁路工程测量规范》(TB10101—2009),设计行车速度200 km/h及以下标准轨距有砟轨道改建铁路工程测量执行《改建铁路工程测量规范》(TB10105—2009)。

2.3 铁路工程测量坐标系的选择

平面坐标系采用2000国家大地坐标系基本椭球参数(长半轴为6378137,扁率298.257222101)。按高斯窄带投影的方法建立工程独立坐标系,按照200 km/h及以下有砟铁路满足投影变形不大于25 mm/km的要求,200 km/h无砟轨道铁路及250～350 km/h高速铁路满足投影变形不大于10 mm/km的要求,进行分带投影。同时平面坐标引入1954年北京坐标系、1980西安坐标系,以便与既有地形图资料进行衔接处理。高程采用1985国家高程基准。

铁路工程测量的工作流程如图1所示。

3 铁路工程测量的工作实践

3.1 三网合一的理念

为保证铁路工程测量统一的尺度和起算基准,勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网进行设计时要体现“三网合一”的测量理念。在实际工作中,由于工期紧,加之铁路线路中心线线位存在一定的不确定性,使航测控制网、初测控制网、定测控制网、施工控制网等存在一定的不协调性。生产中,比较实用的方法就是首先建立CP0控制网,提供初测控制网的基准,初测控制网应代替航测控制网在航测像控点测量前完成,在铁路线路中心线线位较稳定的区段,可在初测控制网中,按照精测网要求建立CPⅠ控制网;铁路线路中心线线位稳定的区段,定测控制网就建立CPⅡ控制网。铁路线路中心线线位如果不稳定,先期建立CPⅠ、CPⅡ,将增加许多重复工作,带来一定的经济损失,并且容易产生数据、点位的混乱。

图1 铁路工程测量的工作流程

3.2 控制网的设计

在进行控制网设计时,充分利用既有国家A级、B级GPS点资料;根据测区钻探资料、地形地貌资料确定控制点的埋设要求,确定深埋水准点的密度与数量、控制点的埋设方式;布设控制点时,根据各级工程测量的需要,在长大隧道进出口、斜井口、长大桥梁端头布设CPⅠ对点。控制网的设计方案需经过评审后进行实施。

3.3 控制点的埋设

作业前对所有参与人员进行技术交底,对新工人要进行技术培训与质量意识教育,合格后方可上岗。作业人员要人手一册“埋桩作业操作程序”并融会贯通、严格执行。控制点的埋设工作要严格按照规范要求进行,现场选点后,经过点位、点间距、通视等检核后方可挖坑作业,埋桩过程要由技术人员跟踪照相,相片要能够证明埋桩质量的有效性。埋桩作业人员要现场填写相应“控制点选点作业手簿”、“控制点埋桩作业手簿”、并由检查人员检查签名;技术管理人员填写相应“控制点点位检查表”、“控制点埋桩相片检查表”,并由验收人员进行检查验收、签名,必要时验收人员要到现场于桩撅侧面局部挖桩检查,不合格者发放整改通知书,限期整改后再查,直至合格,以保证控制点桩撅埋桩满足规范要求,为各项工作提供坚实的质量保证。埋桩工作结束后把现场绘制的控制点点之记整理绘制成电子文件,点之记各项内容按照规范要求格式填写,其中概略位置坐标要与GPS观测的大地坐标核对,以防止人为粗差。对于方案变动而引起重新埋设CPⅠ、CPⅡ点情况,必须将作废点破坏,防止张冠李戴、点位成果混乱等情况出现。

同时,在控制点桩撅的埋设中,对于可能出现的问题,如:盐碱地地区、移动沙丘地区、大面积河漫滩区域、水田密布地区等,在铁路工程测量规范中没有明确的埋设方法,实践工作应根据实际情况寻求行之有效的方法,以保证控制点桩撅的稳定性。铁一院采用钢管固桩法进行深埋,对桩撅的稳定性起到了一定的作用。

3.4 控制点的测量

作业前对所有参与人员进行技术交底,对新工人要进行技术培训与质量意识教育,合格后方可上岗。作业人员要人手一册“GPS测量及水准测量作业操作程序”并认识到位,严格执行。作业中各种数据严格执行手工记录、电脑录入、数据备份的有关规定,严禁篡改原始数据,拼凑技术指标,一经发现伪造数据,将所有数据视为作废,并将测量单位记入黑名单。

平面控制网应采用满足规范精度要求的仪器,并需鉴定合格,CP0、CPⅠ、CPⅡ采用GPS测量的方式进行,速度200 km/h及以下的铁路工程CPⅡ测量也可采用满足规范要求等级的导线测量方法,CPⅢ以及隧道洞内CPⅡ采用满足规范要求的导线测量方式进行。各种仪器使用前,对所用仪器要进行检查与试用,以防仪器缘故贻误生产、对数据质量造成隐患。作业人员现场填写“GPS测量作业手簿”,作业中出现异常,要及时填写并通知生产调度。数据处理人员,要将原始记录的“GPS测量作业手簿”整理为电子文件,并备注异常数据的技术处理方法。各项技术指标满足现行规范要求时,方可提供解算成果。

高程控制网应采用满足规范精度要求的水准仪、水准尺及尺垫等设备,使用前要认真检查各项设置,并进行相应检核与试用,使之处于正常使用状态。严格按照规定的水准测量等级与测量方法进行作业,采用光学水准仪作业时,要认真填写“光学水准仪水准测量观测手簿”,现场需逐站计算各项观测指标,当天作业完成后,需录入到电脑制成电子文件,核算各项观测指标,如超限,需分析原因进行返工补测。也可采用PDA掌上电脑,采用电子记录方式,严格设置各项限差要求,超限部分可现场及时补测,当天测完后,用数据线传入电脑进行复核与检查。采用电子水准仪作业时,也需编制填写“电子水准观测手簿”,记录有关内容,防止测段点号错误或数据混乱问题的出现,保证数据的正确性。作业手簿均要由作业人员、检查人员签名。数据处理人员,也要填写“水准测量观测数据整理表”,“水准测量高差计算表”,并有计算者、检核者签名。特别注意在工作初期,一定要进行仪器的试用,并加强数据的检核,及时采取措施,防止大量不合格数据出现造成返工。

3.5 测量数据平差处理

对于高等级GPS精测控制网,宜采用专门的GPS数据处理软件,以便使技术指标与数据成果适应现行规范的技术要求,即运用GPS接收机配备的随机数据处理软件进行基线解算。CP0需用专门处理长基线的软件进行解算基线,然后将基线数据输入到专门的GPS数据处理软件中进行平差,平差显示的各项技术指标满足规范要求即为合格。目前,国内GPS数据处理软件较多,有些软件的技术指标已经按照现行铁路规范技术参数进行了软件升级,同时也希望有更多与新规范、生产实践更加贴切的数据处理软件诞生和推广运用,以满足铁路建设高潮中大量数据处理的需要。

运用手工或简单的Excel方式进行高程测量数据平差,已经不能够满足水准测量精度及生产工期的要求,一般运用专门的水准数据平差处理软件,有些平差处理软件录入观测数据格式较为固定与繁琐,需要手工编辑处理。希望对软件进行升级或编制新软件,以更加友好的界面,直接接受各种常用测量设备观测数据进行平差处理,并能够反映现行规范要求的各项技术指标与成果格式。

3.6 测量成果评审

控制网测量数据处理完成后,编制各项成果报告、平差报告、技术总结报告,各项测量成果经过咨询、评审无误后交付使用。

3.7 控制网交桩与复测

在实践中曾发现,个别复测单位未采用规范要求的仪器设备,个别复测单位观测过程及观测数据未符合规范要求,高山区未采用正常水准面不平行改正等,造成复测数据与原测数据相差较大。因此,各单位要高度重视控制网测量工作,设计院将评审过的控制网成果交建设单位及施工、监理单位后,宜对有关单位进行技术交底,施工单位提出“复测技术方案”,进行与原设计同精度复测,宜采用与原设计院同等设备、同等数据处理方法进行复测,严禁采用不符合规范要求的测量设备与方法。复测单位测量人员要经过技术培训,监理单位要对测量过程进行跟踪、指导、检核,监理单位要在观测数据、数据测量过程、复测成果上签字,复测满足观测要求及精度要求时,再与设计院原测成果进行比较,比较结果与问题处理按照现行规范相应要求进行。复测工作结束后,由建设单位组织有关单位进行评审后启用控制网。

3.8 施工控制网加密

施工单位在精密控制网的基础上,按照规范要求的方法进行施工控制网加密测量,原测水准高差各项改正内容,在加密测量计算时也需进行相应改正,同时根据规范进行有关隧道控制网测量及桥梁控制网测量,控制网测量成果经过咨询评估合格后方可施工启用。

3.9 隧道洞内CPⅡ精密控制网及线路CPⅢ控制桩的测量

隧道贯通后,需进行洞内CPⅡ测量与洞内高程点测量(全线贯通水准测量);线下工程完成后,需对CPⅠ、CPⅡ进行复测,并进行全线整体平差,运用经过复测合格的CPⅠ、CPⅡ点进行CPⅢ测量,用于铺轨、精调。为满足布设测量标志的精度要求并便于各项工作衔接,建议隧道内电缆槽进行施工时,同步将CPⅡ、CPⅢ、水准点的测量标志进行浇筑布设,洞外对电气化杆埋设时,同步将CPⅢ的测量标志进行浇筑布设,桥梁段也可同步将CPⅢ的测量标志布设到相应部位,以便于观测及保证精度要求。

3.10 控制网的移交与维护

铁路施工完成后,需由建设单位组织将复测合格的控制网向铁路运营单位移交。控制网从布设开始,任何单位都有义务与责任进行控制桩桩撅的宣传与保护,严禁施工期间人为破坏、人为造成沉降,建设单位宜组织有关单位签定保护桩协议。

4 结束语

本文所述方法,是笔者最近参与的几项新建高速铁路及新建、改建普速铁路中精密控制网工程测量工作,以及到业主单位、施工单位进行复测问题处理过程的经验与体会,所提出的方法,对保证质量、提高效率起到了一定的作用。中国幅员辽阔、地形复杂、各种观测条件存在差异,在具体的铁路工程测量工作中,还需要进一步总结与提高。

[1]TB10601—2009 高速铁路工程测量规范[S]

[2]TB10101—2009 铁路工程测量规范[S]

[3]TB10105—2009 改建铁路工程测量规范[S]

[4]GB/T15314—1994 精密工程测量规范[S]

[5]GB/T18314—2009 全球定位系统(GPS)测量规范[S]

[6]TB10054—97 全球定位系统(GPS)铁路测量规程[S]

[7]GB/T12897—2006 国家一、二等水准测量规范[S]

[8]GB/T12898—2009 国家三、四等水准测量规范[S]