高速铁路精密测量技术在城市轨道交通中的应用研究

2013-04-16

铁道勘察 2013年2期

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海　201804)

高速铁路精密工程测量技术是我国高速铁路成功建设的关键技术之一，也是我国拥有自主知识产权的成熟技术。高速铁路建设与运营实践验证了我国高速铁路精密工程测量技术标准的科学性、先进性、适用性和可靠性[1]。

高速铁路的轨道结构形式与城市轨道交通类似，高速铁路的先进技术对城市轨道交通有较多的可借鉴之处。若充分考虑城市轨道交通的复杂性以及与高速铁路的差异性，将高铁精密测量技术引入城市轨道交通建设与运营管理中，必将较大幅度提高城市轨道交通轨道结构的几何线性参数，使轨道在建设阶段达到高平顺性，带动轨道建设质量整体提升，从源头上减缓振动和噪声问题的发生和发展速率，提高列车行驶的平稳性和舒适性。

宁波市轨道交通1号线进行了高铁精密测量技术引入城市轨道交通建设的应用试验，将高速铁路轨道基础控制网(CPⅢ)测量与无砟轨道精调的相关技术引入至轨道工程施工中，在试验段建立了一套高精度并长期保存使用的轨道基础控制网，使用轨道几何状态测量仪(轨检小车)指导浇筑混凝土前的轨道精调、道床混凝土浇筑后的轨道几何状态检测及长轨精调，融合、改进了传统的铺轨测量方法与施工工艺。

1　试验段概况

试验段位于宁波市轨道交通1号线一期工程望春桥站至泽民站区间左、右线，区间长度约为1.2 km。

左、右线分别建立轨道基础控制网(CPⅢ)，作为轨道精密检测的测量基准。

其中左线利用传统铺轨测量方法及施工工艺，即利用导线点放样铺轨基标(控制基标和加密基标)，丁字直尺、一级道尺与弦线等工具由人工进行测量，然后进行轨排调整。

右线采用轨道精密测量技术进行试铺，即利用轨道基础控制网，采用轨道几何状态测量仪(轨检小车)指导轨排精调，实时测量每个钢轨支撑架处的轨顶高程、轨道中线位置、轨道平顺度等几何形位，根据轨检小车上计算机实时显示的数据，调整钢轨支撑架和斜向支撑，使轨道的几何参数满足铺轨施工精调要求。

轨道铺设施工完成后，利用传统测量方法和轨检小车检测整体道床混凝土浇筑施工后的轨道几何状态，并综合对比分析传统铺轨测量方法与轨道精密测量技术在实际应用过程中的优缺点及可实施性。

2　轨道基础控制网建立

2.1　轨道基础控制网的布设

试验段为地下圆形隧道，控制点成对布设在隧道侧墙上，点对纵向间距为30～60 m，依据曲线半径的大小而设置，满足全站仪自由测站每站观测4对轨道基础控制点的要求。为避免点位被遮挡，根据设计限界图中线路设备的设计位置及限界要求，左侧控制点布设在侧向平台以上10 cm位置，距轨面约1.0 m；右侧控制点布设在给水管与区间电话箱之间侧墙上，距轨面约0.9 m。

轨道控制点的测量组件由预埋件、平面测量杆、专用平面测量棱镜、高程杆四部分组成。均采用精加工元器件，控制点标志重复安置精度和互换安装精度X、Y、Z三方向分别小于0.4 mm，0.4 mm，0.2 mm。预埋件埋设在隧道侧墙上，平面、高程测量杆在测量时均安装在预埋件中，其中平面测量杆需连接专用测量棱镜。

2.2　轨道基础控制网的测量

轨道基础控制网采用自由测站边角交会的方法测量，每个自由测站观测4对控制点，测站间重复观测3对控制点，每个控制点有四个自由测站的方向和距离观测量，主要技术要求如表1所示，具体测量方法如图1所示。

表1　轨道基础控制网平面测量的主要技术要求

图1　轨道基础控制网平面测量示意

平面测量水平方向采用全圆方向观测法进行观测，水平方向观测要求如表2所示。

表2　平面测量水平方向观测技术要求

距离观测采用多测回距离观测法，距离观测要求如表3所示。

轨道基础控制网平面测量时，每隔300 m左右联测一个既有的高等级线路控制点，同时联测每个车站布设的经过联系测量的控制点。与控制点联测时，至少通过两个或两个以上自由测站进行联测。

表3　平面测量距离观测技术要求

轨道基础控制网高程测量采用全站仪自由测站三角高程测量方法，与平面测量合并进行，替代精密水准测量[2]。采用全站仪不同自由测站所测得相邻点的高差，按图2所示构网，技术要求如表4所示。

图2　单个测站自由测站三角高程网示意

表4　轨道基础控制网自由测站三角高程外业观测的主要技术要求

轨道基础控制网高程测量时，附合于既有线路水准控制点上，每1 km左右联测一个线路水准控制点，同时联测每个车站布设的地下高程起算点。与既有线路水准控制点或地下高程起算点的联测采用独立往返水准测量的方法进行。

2.3　轨道基础控制网测量成果解算及精度评估

轨道基础控制网数据计算和平差处理采用中铁工程设计咨询集团有限公司研发的高速铁路轨道基础控制网数据处理与平差软件。处理平面测量数据时，先采用独立自由网平差，再采用合格的平面起算点进行固定约束平差。

以试验段右线为例，在进行轨道基础控制网测量时，平面控制网共联测了4个控制点，通过自由网平差进行起算点精度检核，检核结果如表5所示，除yt6控制点外，其余各起算点的坐标残差均≤3 mm，精度可靠，可用于控制网平差起算数据计算。

表5　平面起算点精度检核

选择w2、yt5、yt1三个控制点作为平面控制网起算点，再经过自由网和约束网平差处理，自由网精度指标统计情况如表6所示，约束网精度指标统计情况如表7所示。

处理高程测量的数据时，以区段头尾的高程控制点为起算点进行约束平差(如表8)。

表6　平面测量自由网平差精度统计

通过以上成果解算并结合试验过程，表明该试验段建立的轨道基础控制网，从控制点埋设、外业测量及数据处理方法方面均符合《高速铁路工程测量规范》[3]相关技术要求，可以用于后续轨道施工。

表7　平面测量约束平差精度统计

表8　高程控制网水准测量平差后精度统计　mm

3　铺轨新工艺试验

3.1　试验过程与方法

在试验段右线，以轨道基础控制网坐标成果为基准，利用轨道几何状态测量仪实时测量并控制轨排几何状态，并增加了道床混凝土浇筑后的轨道几何状态测量及长轨精调过程。长枕埋入式整体道床主要应用于一般减振要求地段，也是宁波市轨道交通1号线一期工程中主要的道床结构类型。以长枕埋入式整体道床为例，改进后的工艺流程图如图3所示。

图3　轨道几何状态测量仪精调工艺流程

试验过程中，轨排精调的几何参数控制指标参照《地下铁道工程施工及验收规范》(GB 50299—1999)中相关标准。

3.2　试验结果

对采用传统铺轨工艺的左线，采用轨道几何状态测量仪对浇筑混凝土后的轨道进行几何状态检测。检测结果表明：绝对精度方面，平面位置超过[-3，3]mm为46.41%，最大偏差13.1 mm；轨面高程超过[-2，2]mm为51.1%，最大偏差21.3 mm；相对精度方面，左、右轨轨向超过10 m弦/2 mm分别为38.84%、37.15%；左、右轨高低超过10 m弦/2 mm分别为49.01%、53.11%。

右线采用精密精密测量技术进行铺轨，采用轨道几何状态测量仪对浇筑混凝土后的轨道进行几何状态检测，检测结果表明：绝对精度方面，平面位置超过[-3，3]mm为15.47%，最大偏差为4.7 mm；轨面高程超过[-2，2]mm为15.18%，最大偏差为5.7 mm；相对精度方面，左、右轨轨向超过10 m弦/2 mm分别为10.13%、15.89%；左、右轨高低超过10 m弦/2 mm分别为8.91%、15.77%。

从检测及统计数据可以看到，用轨道精密测量技术铺设完成的轨道，各项平顺性指标均优于传统施工方法，且整体平顺性大幅提高。