沪蓉铁路运营期精密测量控制网重建及特点

夏朝龙

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

引言

高速铁路精密测量控制网是勘察设计、施工建设、运营维护等各阶段的工作基准，对动车安全、平稳运行作用重大[1]。我国早期建设的高速铁路存在多种互不兼容的控制测量技术体系[2-5]，随着自主高速铁路测量技术标准的不断完善，以及铁路运量和运营维护的需要，有必要对不符合现行技术标准的既有铁路精测网进行升级改造，重建基准统一、功能完善、便于维护的控制测量保障体系。但受检修天窗、防护隔网、安全管理等客观因素影响，不能完全参照现行高速铁路控制测量技术标准执行，需深入研究探讨适应运营维护服务特点的重建方法[2]。

沪蓉快速客运通道是我国“四横四纵”高速铁路网中重要的“一横”，其南京至局界段(下文称“沪蓉铁路”)是由2008年兴建完成的合宁、合武城际铁路以及2014年建成的合肥南环线铁路组成的，存在多种互不兼容的控制测量技术体系。其中合宁铁路是参照《京沪高速铁路设计暂行规定》(铁建设〔2003〕13号)技术标准建立的，合武铁路是参照《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》(铁建设〔2006〕189号)、《时速200～250 km有砟轨道铁路工程测量指南(试行)》(铁建设函〔2007〕76号)等阶段性技术标准建立的[3]，合肥南环线铁路则是依据《高速铁路工程测量规范》(TB10601—2009)(下文简称“《规范》”)技术标准建立的。受山区地形起伏、线路东西走向等客观因素的影响，既有投影分带较多，依据不同标准建立的精测网给运营维护带来诸多不便。另外，该线路自建成以来未进行过系统性复测，线下控制桩点丢失严重，如图1所示，原CPⅢ标志已不符合《规范》技术要求，需参照现行高速铁路测量技术标准重建。

图1 沪蓉铁路CPⅢ原标志

1 精密工程测量控制网重建及技术特点

精密工程测量技术是高速铁路成功建设的关键技术之一[4]。作为我国高速铁路发展阶段的重要历史缩影，合宁、合武及合肥南环线铁路的精测网建设过程经历了我国高速铁路工程精密测量技术体系从形成到逐渐完善的3个重要阶段，体现了铁路工程测量标准体系发展完善的各阶段成果[5]。为适应运营维护及提速改造的需求，全线必须重新建立标准一致、基准统一、精度协调的精测网。

1.1 重构顾及线路现状的投影分带体系

根据沪蓉铁路既有现实状况，以综合投影变形不大于10 mm/km、减少投影分带、与邻近或相接线路共用分带参数为原则，基于CGCS2000国家大地坐标框架重新建立高斯工程独立坐标系，全线投影分带减少至6个，其中南京附近选用京沪高铁的分带参数，合肥附近延用合福高铁分带参数，各分带参数及综合投影变形分析见表1。通过对投影分带的整合，不仅解决了邻近或相接线路间精测网无法衔接的问题，更为后续运营维护减少坐标换带提供了便利条件。

表1 投影分带及大地高设置

1.2 基于运营维护的控制网方案优化

我国高速铁路建设初期，1954北京坐标系和1980西安坐标系国家三角点成果精度难以满足铁路建设的需要[5]。为了满足高速铁路建设对起算点的高精度要求，合宁、合武铁路控制测量技术体系是采用“一点一方向”方法与国家三角点联测建立的；合肥南环线则是通过布设CP0基础框架网和长基线解算，在WGS-84坐标框架内建立的[2]。前者与1954北京坐标系和1980西安坐标系间无法建立严密的转换模型，不利于控制测量技术体系的长久维护和基准统一；后者起算采用IGS站ITRF框架坐标，无法与国家坐标系进行很好的衔接[5]。沪蓉铁路围绕运营维护、沉降监测及提速改造对精测网的需求[6]，参照《规范》有关技术标准，按照分级布设，逐级控制的原则，布设了测量精度协调统一的带状精测网[7]。同时，为了推动区域既有高铁精测网参考系统和起算基准的逐步统一[8]，在CGCS2000国家大地坐标框架下，沿线挑选间距30～50 km的国家A、B级GNSS点作为线路平面框架CP0点，当间距无法满足布设要求时，按高铁特等GNSS技术标准进行内插加密，且尽量与邻近或相接线路的CP0点共用。CPⅠ基础平面控制网按照不大于4 km间距沿线路交叉单点布设，长大隧道进出口分别加密布设可通视的CPⅠ点对，全网起闭于CP0点，在整体平差解算前，充分检核国家A、B级GNSS点间的一致性和稳定性。鉴于重建精测网是为营运维护服务，可将CPⅡ线路平面控制网布设在线上，以达到提升维护效率、减少成本支出的目的，路基、桥梁地段按600～800 m间距交叉单点布设，隧道洞内按300～500 m间距进行对点布设，全网起闭于CPI点。如图2所示，CPⅢ点采用抱箍、卡夹及在电气化H型钢柱上钻孔等方式按50～70 m间距成对布设。CPⅢ轨道平面控制网起闭于CPⅡ点，并按照10 km左右长度分段计算，以减少搭接造成的网形变化。为使线路水准基点控制网兼顾沉降基准功能，按照不大于1 km的间距沿线布设水准基点，并采用墙角标方式埋设在便于观测的桥墩、涵身上或邻近线路的其他稳固结构上，尽量避免埋设浅埋水准标石[9]。线路水准基点控制网起闭于国家基岩点或一等水准基点，并按照二等水准测量技术要求进行施测，通过整体平差计算获得基准统一、精度协调的高程控制网成果。此外，为便于使用自由测站三角高程传递方法进行线下线上高程传递，在线下水准基点对应的线上位置埋设加密水准点。CPⅢ高程网采用矩形环精密水准测量法进行施测，全网起闭于加密水准点，并按照100 km左右长度分段搭接平差处理。

图2 钻孔、钢夹、抱箍式CPⅢ预埋件及安装效果图例

1.3 建立兼顾沉降基准功能的线路水准基点控制网

运营期高速铁路基础结构沉降变形对高速行车的舒适性、安全性影响较大[10-12]。尽管针对不同工程结构有多种沉降监测手段或方法，但传统精密水准几何测量法仍是高精度、低成本且最可靠的监测方法[13]，因此全线必须建立统一的运营期沉降基准网。目前，运营期沉降基准网通常是在施工期线路水准基点控制网的基础上，与沿线CPI、CPⅡ共点联测建立的。受地表沉降、地下水位变化及经济活动等因素的影响，通常这些沉降基准点的稳定性较差且经常遭到破坏，造成沉降观测基准无法长期保持稳定。倘若单独新建沉降基准网，又存在花费巨大、与高程控制基准不统一等问题。高速铁路桥梁墩台、涵身是根据当地地质条件加固设计施工的，墩台桩基埋深一般有30～40 m，较浅埋水准标石稳定性高，加之较早运营的高速铁路的工后沉降已趋于稳定，作为水准点的埋石基础具有良好的稳定性。不仅有利于实现运营期沉降基准网与线路水准基点网“两网合一”，减少控制网维护工作和成本支出，提高水准基点稳定性和安全性；更有利于实现CPⅢ高程变化与线路普查性沉降变化基准和尺度的统一。

在充分考虑沉降基准网对点位间距、桩点稳定性及测量条件等要求的基础上，沪蓉铁路建立了兼顾沉降基准功能的线路水准基点控制网。在山区、地形起伏大等地段，将水准线路布设在线上，以减少测量精度损失。然后参照国家二等水准测量技术要求进行统一施测，起闭于国家基岩点或国家一等水准基点，并适度联测沿线国家一、二等水准基点。附合水准线路相关指标统计见表2，经计算处理水准线路偶然中误差为0.46 mm/km、全中误差为0.58 mm/km，其他精度指标也均符合《规范》要求，平差方案切合实际、合理可靠，能满足运营维护高程控制及沉降监测需要。

表2 线路水准基点控制网附合水准线路指标统计

1.4 基于CPⅢ平面网测量的长大隧道洞内CPⅡ测设方法

沪蓉铁路穿越大别山腹地，某隧道群长度约18 km，由4座长度均超过2 km的隧道组成。由于各隧道间衔接段最长仅有241 m，加之周边地貌、植被等环境变化，导致衔接段均不具备布设方向基准点的条件，洞内CPⅡ导线网只能采取整体布设的方案。但施测过程中，受隧道进出口气象多变、洞内水汽较重、仅能从隧道群两端进出等客观因素的影响，按照《规范》长大隧道CPⅡ导线测量技术标准施测极为困难。

图3 CPⅢ沿线路方向的横、纵向偏移量模拟分析

考虑到运营阶段精测网主要服务于轨道线形测量[14]，轨道的绝对位置精度在大尺度上取决于CPⅡ、CPⅠ点位精度，小尺度上的轨道平顺性则主要取决于CPⅢ的相对点位精度[15]。既有铁路轨道的空间绝对位置已经确定，轨道线形整治的目的在于维护行车安全和改善乘坐舒适性，更关注轨道在小尺度上的相对平顺性[14]。众所周知，CPⅢ平面网具有相对点位精度高、横向精度弱的特点[16]，联测CPⅡ点的目的在于获得绝对位置基准，减少CPⅢ平面网的横向误差，联测具有良好兼容性的CPⅡ点不会破坏CPⅢ平面网的内符合精度，因此缺乏中间位置约束的CPⅢ平面网可以作为检测轨道平顺性的外部基准。以长度为20 km的某段已知CPⅢ平面网为例，当仅约束其两端的CPⅡ点时，CPⅢ平面网沿线路方向的横、纵向偏移变化情况见图3，CPⅢ网中最弱点的横向偏移量为258 mm，横向偏移平均变化率为24.8 mm/km。对不同弦长轨向检测方法的影响见表3，均小于《规范》对应限差值的1/3，对反映动车乘坐舒适性的30 m弦长的影响仅为0.12 mm，可忽略不计。基于上述综合分析和测试结果，沪蓉铁路提出了基于CPⅢ平面网测量的长大隧道洞内CPⅡ测设方法，即利用CPⅢ平面网测量代替长大隧道洞内CPⅡ导线测量。尽管该方法能够满足轨道相对平顺性检测的要求，但线形测量结果会随CPⅢ平面网出现横向偏移，需对轨道线形进行重新拟合。为了确保CPⅢ网和轨道线形测量具有可复测性，在后续复测中应延用本次洞内CPⅡ成果，若发生个别点位破坏或变动时，可采用局部同精度加密的方法予以恢复和更新，以此确保首次建网及线形测量的可延续性。

表3 CPⅢ沿线路横向摆动量对轨向不平顺性的影响分析

2 利用CPⅢ网开展线路普查性沉降监测

高速铁路运营期间的普查性沉降监测，一般是参照《规范》沉降监测技术标准执行，但运营期检修天窗短、通道口有限、受干扰因素多，不能完全参照施工期监测方案执行[13]。如前所述，建立兼顾沉降基准功能的线路水准基点控制网，不仅可以利用CPⅢ高程网开展线路普查性沉降监测，而且CPⅢ高程变化在一定程度上也能反映线路基础结构的沉降变化。2016年上半年沪蓉铁路完成了线路水准基准网和CPⅢ高程网重建工作，2018年上半年又进行了全面系统性复测。如表4所示，各期数据的主要指标均符合三等沉降监测的精度要求。如图4所示，线路左右侧的沉降变化趋势基本一致，个别区域明显的上拱或下沉变化，与轨道动检发现的疑似沉降变形区间基本一致。后续可结合轨道线形数据进一步分析沉降成因，并将变化区段纳入疑似病害地段进行重点监测，掌握沉降变化趋势，对危及动车运行安全和乘坐舒适性的地段及时整治。

表4 以CPⅢ点作为普查性沉降监测点的精度统计

图4 沪蓉铁路2016～2018年两期CPⅢ高程变化

3 基于平面四参数模型的分区线路交点坐标转换。

高速铁路线形参数是基于精测网建立的[17]，当控制测量技术体系发生改变时，线形参数需采用优化技术方法重新建立。目前，既有铁路轨道线形测量是以线路交点坐标和CPⅢ网成果为基础，使用全站仪配合轨检小车测量轨道的内、外部几何状态，计算出轨道实测线形与设计线形之间的偏差量，然后分区段进行线形拟合，给出最优调整量，指导轨道线形精调作业[18]。如前所述，沪蓉铁路原坐标系统与CGCS2000国家坐标系缺乏严密的转换关系，只能利用公共点通过相似坐标转换获得新参考系下的线路交点坐标[19]。为使实测线形与设计线形之间的系统性偏差量最小，选择以“老网”中的部分CPⅢ点作为公共点。夹直线段按照200 m间距选取公共点，当夹直线段长度较短时保证至少拥有2个公共点，并尽可能选择在直缓点、缓直点附近；曲线段按照100～150 m间距选取公共点，且圆曲线上的公共点不少于10个；另外，隧道进出口、桥梁墩台中心等限界控制点附近额外增加公共点。将公共点纳入新建CPⅢ平面网中进行测量，计算得到公共点的“新”坐标，再利用公共点间的相对位置关系判释其稳定性，剔除无法兼容的公共点[20]。考虑到平面四参数坐标转换模型能较好地保持原坐标系的尺度信息，在此基础上沪蓉铁路使用最小二乘法求取线路交点坐标转换参数[21]。在具体实施过程中，首先通过坐标投影换带使公共点的“新”、“老”坐标分别在同一投影带内，其次剔除兼容性较差的公共点，以保证相似变换的协调性，最后在新建投影分带体系下进行线路设计交点坐标的相似变换。相邻投影分带间至少搭接2个交点，以延续交点坐标的相似变换尺度。

4 结语

合宁、合武铁路作为我国最早一批兴建的高速铁路，在设计、建设期正值我国现代铁路工程测量标准探索及完善的重要时期，造成多种互不兼容的控制测量技术体系并存，重新构建精密控制测量技术体系，为运营维护和提速改造奠定了坚实基础。采用国家GNSS点为线路平面框架点和简化CPII网等优化布网、利用既有稳固结构作为CPIII点和水准基点的埋设基础、基于线路现状重构投影分带体系、利用CPⅢ平面网实施长大隧道CPII导线测量、提出线路水准基准网与沉降基准网“两网合一”、让CPⅢ高程网兼顾普查性沉降监测功能以及选用原精测网CPIII点为公共点的分区线路交点坐标相似转换等创新性技术方法，不仅为沪蓉铁路重新建立标准一致、基准统一、精度协调的精测网，为轨道线形整治提供了科学、合理的外部基准，辅助实现了250 km/h的线路提速目标；更为类似项目测量方案的设计与施测提供借鉴和参考，有助于丰富和完善高速铁路运营维护测量技术体系。