广佛环线城际铁路精密工程测量技术体系及特点

周东卫

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

引言

随着我国城镇化水平的不断提高，专门服务于相邻城市间或城市群、旅客列车设计速度200 km/h及以下的快速、便捷、高密度客运专线铁路——城际铁路得到快速发展[1]。与高速铁路相比，城际铁路具有建筑限界小、曲线半径小(困难条件2 000 m，一般条件2 200 m)、采用无砟或有砟轨道结构型式、地下段落大多采用φ8.5 m单线盾构隧道、地下段落作业空间狭小、现场施工条件复杂、地上地下联测条件困难及现场测量工作受施工干扰大等特点。由于城际铁路的上述特点，要求必须建立一套与之相适应的、能满足其勘测设计、施工建设和运营维护各个阶段要求且完整、高效、高精度的精密工程测量技术体系[2-4]。城际铁路精密工程测量技术体系已成为城际铁路建设成套技术的一个重要组成部分，在城际铁路勘察设计、施工建设和运营维护中起到决定性的作用。以下对新建广佛环线(佛山西至广州南站段)城际铁路(以下简称“广佛环城际铁路”)精密工程测量技术体系和标准的建立方法和特点进行论述。

1 工程概况

广佛环城际铁路连接广州市和佛山市，线路起于佛山西站城际场东端，经罗村、张槎、东平新城、北滘、陈村，在客专广州南站东广场地下设城际广州南车站，与佛莞线连接。广佛环城际铁路施工条件非常复杂，线路自2013年9月开工建设，预计2022年正式通车运营，施工建设历时超过8年。

广佛环城际铁路速度目标值为200 km/h，全线采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道，一次性铺设跨区间无缝线路。线路穿越经济发达的珠三角地区，测区高楼林立、交通发达(立交桥、高架桥较多)、水网密布，正线长35.230 km，佛山市境内31.101 km，广州市境内3.900 km。全线地下段长18.238 km，高架段长14.228 km，路基段长2.535 km。高架段和地下段总长32.466 km，占线路总长的92.76%。其中，沙堤隧道、陈村二号隧道采用单线盾构隧道，盾构直径8.5 m。全线设5座车站，其中，3座地下站(东平新城、陈村和广州南站)，2座高架站(张槎车站和北滘车站)，平均站间距7.320 km，最大站间距为佛山西站至张槎站10.848 km，最小站间距为陈村站至广州南站4.505 km。广州南站为全线最大的地下车站，正线长1.195 km，为四线并行[5]。

2 广佛环城际铁路精密工程测量技术体系的建立及特点

2.1 建立“三网合一”精密工程测量技术体系

广佛环城际铁路从最初勘察设计到正式开通运营时间跨度长达十余年，平面坐标系统和高程系统需同时满足勘察设计、施工建设和运营维护各阶段的工作要求，以确保轨道空间几何形位的一致性、高平顺性和精确的几何线形参数[6]。因此，全线在勘察设计阶段建立了完整、统一的平面坐标系统和高程系统，并应用于施工建设及运营维护过程中，且在其全生命周期进行持续性维护，从而实现了勘察设计控制网、施工建设控制网和运营维护控制网“三网合一”。

全线平面坐标系统通过与沿线国家1980西安坐标系三角点进行联测，采用一点一方向的约束平差方法[9]，建立基于1980西安坐标系基本椭球参数、满足边长投影变形值≤10 mm/km的高斯窄带任意中央子午线和抵偿高程面的工程独立坐标系统，全线高程系统通过与沿线国家一等水准点进行联测贯通，统一纳入1985国家高程基准，后续线下工程施工、线上无砟轨道铺设及运营期养护维修均采用勘察设计阶段建立的平面坐标和高程系统，确保了各阶段平面坐标和高程系统起算基准的统一。

广佛环城际铁路全线采用分级布网、逐级控制的原则，按照时速250～300 km高速铁路技术标准[10]，建立了带状平面和高程精密工程测量控制网。其中，CPⅠ基础平面控制网按照铁路二等GNSS测量要求施测，起闭于选定的国家三角点及选定的起算方位角；CPⅡ线路平面控制网地面段落按照铁路三等GNSS测量要求施测，地下段落采用自由测站边角交会网测量技术，按照TB10101—2018《铁路工程测量规范》中“城际铁路、无砟、V=200 km/h”CPⅡ等级测量要求测设，起闭于CPⅠ基础平面控制网及其加密控制网；CPⅢ轨道控制网采用自由测站边角交会网测量技术，按照TB10101—2018《铁路工程测量规范》中“城际铁路、无砟、V=200 km/h”CPⅢ等级平面测量要求测设，起闭于线上或地下CPⅡ加密控制网。高程控制网按照GB12897—2006《国家一、二等水准测量规范》中国家二等水准测量的技术要求施测[11]；CPⅢ高程控制网采用差分法自由测站三角高程测量技术，按照TB10101—2018《铁路工程测量规范》中“城际铁路、无砟、V=200 km/h”CPⅢ自由测站三角高程等级及CPⅢ等级高程测量要求测设，起闭于线路二等水准基点网及其线上或地下加密高程控制网。

广佛环城际铁路通过上述各等级平面和高程精密测量控制网设计和实施，实现了勘察设计、施工建设和运营维护各阶段平面和高程系统统一、起算基准统一、测量精度协调统一，建立了 “三网合一”的精密工程测量技术体系。

2.2 低纬度、城市地区GNSS卫星定位测量

广佛环城际铁路所在测区经济发达，高楼林立，水网遍布，大部分地区GNSS观测条件较差，有些地区甚至无法满足高精度卫星定位的观测条件，这对于CPⅠ、CPⅡ点位的选择、GNSS观测和基线数据处理都提出较高要求。此外，低纬度地区太阳辐射强，气温相对较高，水蒸气含量较高，对流层的高度较高，大气活动也较为频繁，空气对流运动显著，对流层延迟误差较大；另外，低纬度地区电离层活动剧烈，卫星信号在穿过这层空间时，会发生折射、反射和散射而最终导致信号延迟或者相位超前，产生电离层折射误差，导致GNSS观测在不同时段误差较大，数据处理较为困难[12-13]。

广佛环城际铁路通过在GNSS选点、观测和基线数据处理各环节采取一定的措施，有效解决了在低纬度地区、城市区域卫星定位精度及可靠性较低的难题，主要方案和措施如下。

(1)在建筑物密集城区，CPⅠ、CPⅡ控制点优先在高大、稳定建筑物顶面设置标石，同时考虑避开大面积水域和城市玻璃幕墙等高反射物体，避免多路径效应影响，确保满足点位稳定和良好的GNSS观测条件。

(2)根据测区具体情况选择合适的观测时段和观测时长。项目测区位于低纬度和城市地区，电离层与对流层延迟误差是影响GNSS测量准确度的主要因素，通过制定专门的GNSS观测方案，解决精密测量控制网在低纬度、建筑物密集地区精度和可靠性差的问题。每期次观测事前进行星历预报，同时根据前两天测量数据的解算精度及出现的具体情况调整观测时间，确定最佳观测时段和观测时长，以保证观测数据准确可靠。通过观测数据的分析对比发现，在低纬度地区夜间时段观测条件良好，基线解算精度较高，重复基线、同步环及异步环闭合差均相对较小。

(3)基线解算时选取合适的高度角。基线解算过程中通常按照15°高度角进行解算，但考虑到城区GNSS观测情况，当测区一侧的卫星被遮挡时，适当增大截止高度角可使观测卫星的分布较为对称，也有助于减少多路径误差及大气延迟误差的影响，使得基线解算时RMS值最小，Ratio值最大；反之，当测站周围较为开阔、15°以上无大片障碍物时，截止高度角取15°效果较好。实际解算过程中截止高度角根据测站周围的地形、观测条件而定。

(4)削弱电离层、对流层延迟误差对基线解算的影响[14]。通过在GNSS基线解算时利用同一类型不同频率的观测值进行组合，综合解算模糊度、消除或者削弱电离层延迟误差对无线电几何测距的影响；通过在GNSS基线解算时剔除低高度角卫星、根据测区情况，选择适当的气象参数以及选择合适的映射函数模型和干湿延迟映射函数模型，来提高对流层延迟误差模型的准确度，从而实现GNSS基线解算的高精度和高可靠性。

广佛环城际铁路通过专门制定针对低纬度、城市峡谷地区的GNSS选点、卫星定位测量外业观测和基线数据处理方案，解决了精密测量控制网在低纬度地区、高楼林立城市区域卫星定位精度及可靠性差的问题。

2.3 采用自由测站边角交会测量技术建立地下段落CPⅡ控制网

广佛环城际铁路全线地下段落较多，地下段落大多采用φ8.5 m的单线盾构隧道。该隧道受施工前期隧底回填、电缆槽施工未完成等影响，隧道洞内CPⅡ控制点在施工前期无法布设于稳定位置，加之隧道截面较小，角度测量受旁折光影响较大，无法采用常规导线测量方法建立隧道洞内CPⅡ控制网。因此，如何在CPⅠ基础平面控制网及其加密控制网基础上建立满足无砟轨道铺设精度要求的隧道洞内CPⅡ控制网是本项目的一个难点。

广佛环城际铁路在CPⅡ线路控制网测量过程中，采用自由测站边角交会测量技术[15-16]，建立地下段落CPⅡ控制网，地下段落CPⅡ控制网采用自由测站边角交会法有别于常规导线测量方法，与导线法相比具有以下优势。

(1)在洞外CPⅠ及其加密网基础上建立隧道洞内CPⅡ控制网，常规做法是采用交叉导线网方法，控制点成对布设在靠近隧道双侧壁附近的水沟电缆槽上，线路左右侧各点都需架设全站仪和棱镜进行对向边观测，存在的设站点、目标点对中误差对导线网精度影响较大；广佛环城际铁路地下段落均采用自由测站边角交会法进行测量，CPⅡ点位布设在隧道二衬双侧壁上，点位采用强制对中方式且与CPⅢ点位共桩，观测过程中没有全站仪对中误差，也没有目标对中误差，误差源的减少使得CPⅡ控制网各项主要精度指标显著提高。

(2)交叉导线网控制点靠近隧道侧壁，且只能在控制点位上设站、目标点位上安装棱镜进行观测，观测视线靠近隧道双侧壁不但易被遮挡，且由于隧道盾构截面较小，旁折光对角度测量影响显著，将导致误差累积引起的洞内控制网横向偏差不可忽视；自由测站边角交会网采用自由测站方式对目标点进行观测，测站位置选择灵活多变，旁折光影响基本消除，且无需对向观测，观测数据精度和作业效率大大提高。

(3)自由测站边角交会网网形规则对称，网中各控制点的点位精度均匀、图形强度和可靠性较高；而导线环网中各控制点因布设间距、位置和网形等因素影响，各点位精度差异较大，图形强度和可靠性较低。洞内 CPⅡ自由测站边角交会网观测网形如图1所示。从图1可以看出，每个洞内 CPⅡ控制点有 4个测站的方向和距离观测值，每一测站观测 8 个控制点，多余观测数多，可靠性强；而导线网的多余观测数与自由测站边角交会网相比还是偏少，可靠性相对较低。因此，本项目采用自由测站边角交会测量技术建立地下段落CPⅡ控制网。为使洞内CPⅡ所控制的线路中线与隧道施工洞内导线控制的线路中线保持一致，洞内CPⅡ导线测量过程中还与隧道洞内施工控制导线点进行了联测(网形见图1)，将满足CPⅡ控制精度的洞内施工导线控制点或由其构成的方位角作为约束点或约束方位角参与隧道洞内CPⅡ控制网约束平差[7]，有效避免了由于不同施工阶段控制测量精度不匹配，而使得洞内CPⅡ网确定的线路铺轨中线与洞内施工导线确定的隧道贯通中线产生不一致的情况出现，在满足无砟轨道铺设平顺性要求的同时，也尽可能地解决隧道建筑限界可能侵界的问题。

图1 洞内CPⅡ自由测站边角交会网观测网形示意

广佛环城际铁路完成了城市地下段落长大单线盾构隧道贯通后的洞内CPⅡ控制网测量，并在制定测量方案时采用了自由测站边角交会新技术手段建立地下段落CPⅡ控制网，新方法克服了传统导线测量方法在单线盾构隧道中现场点位布设、观测困难，对中误差大，大气旁折光影响大，控制网精度不均匀，多余观测数少和作业效率低等问题，显著提高了控制网精度、可靠性和作业效率，测量成果较好地满足了隧道建筑限界和无砟轨道铺设平顺性的要求。

2.4 采用悬吊钢丝与自由测站边角交会相结合的方法进行竖井联系测量

广州南站为四线并行地下车站，正线长1.195 km，线间有中隔墙分开，车站大里程端仅有竖井辅助通道可供地面与地下进行竖井联系测量，复杂的现场环境给测量作业(选点、通视)带来了极大的困难，地面与地下联测无法采用传统的导线方法进行边角联系测量。因此，如何建立高精度的地下段落洞内CPⅡ控制网是本项目面临的又一个难点。

考虑地面与地下联系测量无法采用传统导线测量方法，为保证广州南站无砟轨道的顺利铺设，经过详细现场踏勘，确定广州南站小里程端(DK35+000)与陈村2号隧道出口端的已测设洞内CPⅡ控制网进行衔接，大里程端(DK36+450)采用悬吊钢丝与自由测站边角交会相结合的竖井联系测量方法纳入地下车站CPⅡ控制网，为地下车站道岔及无砟轨道铺设提供准确可靠的控制基准。现场观测方法如图2所示。从图2可以看出，以1、2号井井上设站点和后视点为起算点，通过极坐标方法可计算出1、2号井的两根钢丝坐标，两次独立测量坐标较差均不超过±1 mm(表1)，最终坐标采用两次测量的平均值作为地下车站CPⅡ控制网的起算点。广州南站洞内CPⅡ控制网平差前方位角闭合差和约束平差后各项精度指标满足规范要求(表2、表3)，且以CPⅡ控制网作为起算点进行后续轨道控制网CPⅢ平差后，广州南站四线CPⅢ控制网各项精度指标均满足规范要求，表明此方法合理可行。

图2 自由测站结合悬吊钢丝法进行竖井联系测量方法示意

表1 竖井钢丝点两次测量坐标对比

表2 洞内CPⅡ自由测站边角交会网方位角闭合差统计

表3 洞内CPⅡ自由测站边角交会网约束平差技术指标统计

在广佛环城际铁路广州南站四线并行车站内地面、地下控制测量中，由于受限于现场测量空间和复杂的施工环境，利用现场预留的竖井辅助通道，采用悬吊钢丝与自由测站边角交会相结合的方法进行地面与地下控制网的联系测量，为地下车站道岔及无砟轨道施工提供准确可靠的控制基准。

2.5 采用差分法自由测站三角高程测量技术建立洞内CPⅢ高程控制网

广佛环城际铁路盾构隧道截面较小，CPⅢ轨道控制网一般在隧底回填和电缆槽施工完成之前就需要建立，此时在CPⅢ控制点上安置水准尺极为困难。因此，一般情况下洞内CPⅢ高程网无法采用精密水准测量的矩形环法进行测量建立，故广佛环城际铁路全线地下段落采用自由测站三角高程测量与CPⅢ平面控制网测量合并、基于差分法构建CPⅢ自由测站三角高程网的技术方法建立CPⅢ高程控制网。其基本原理为[17-20]：考虑到CPⅢ平面网中的斜距和竖直角观测值可按照三角高程测量的原理计算出自由测站点与CPⅢ点之间的高差，进而计算出各相邻CPⅢ点之间的高差并将其按矩形环网的形式进行合并组成CPⅢ三角高程网；依据误差传播定律对形成的间接高差与直接观测量的关系进行定权，根据观测值及其权重建立函数模型，通过建立随机模型、采用间接平差方法计算出CPⅢ控制点高程的最优估值，并对平差后的各高程值及观测量进行精度评定。根据一个自由测站的观测值可计算出相邻CPⅢ点间的三角高差，如图3所示，多个自由测站形成的CPⅢ三角高程网络拓扑关系如图4所示。

图3 单个测站形成的CPⅢ三角高程网络拓扑示意

图4 多个测站形成的CPⅢ三角高程网络拓扑示意

在广佛环城际铁路全线地下段落中应用CPⅢ自由测站三角高程网测量技术具有以下特点。

(1)经全线应用检验，CPⅢ自由测站三角高程网各项精度指标、现场自由设站精度指标以及轨道连续精密测量精度指标均较好地满足了规范要求和现场无砟轨道施工要求，说明此种技术方法能适用于现场实际的测量条件，解决了现场精密水准测量无法实施的难题。

(2)CPⅢ自由测站三角高程网中的每个CPⅢ点经过独立3个测站对其进行方向和距离交会，多余观测值较多，检核条件增多，发现粗差能力提高，测量成果的可靠性提高。

(3)隧道内稳定的气象条件有利于保证三角高程的测量精度，现场采用高精度智能型全站仪，完全实现目标自动照准、多测回盘左盘右自动观测，较好地削弱了竖盘指标差互差的影响，提高了竖直角测量精度，从而有效地提高了自由测站三角高程网的精度。

(4)采用CPⅢ平面网测量的观测量数据、基于差分法构建CPⅢ自由测站三角高程网并进行严密平差计算均为内业工作，无需再进行精密水准测量外业工作，极大地提高了工作效率、降低了生产成本，减少了CPⅢ建网周期，对于在复杂地段无法采用几何水准测量方法建立CPⅢ高程网的工程项目具有非常重要的指导意义。

广佛环城际铁路中利用CPⅢ平面控制网测量采集的观测数据、采用差分法自由测站三角高程测量技术建立CPⅢ高程控制网，经现场实践证明精度和可靠性完全满足CPⅢ高程控制网的要求，且无需再进行几何水准测量，降低成本的同时极大地缩短了建网时间，确保了无砟轨道铺设和长轨精调工作按期顺利开展。

2.6 精密测量控制网施工期间定期复测与维护

广佛环城际铁路建设工期长，从勘察设计、开工建设到交付运营时间跨度将长达十余年，测区城市建设发展、新建道路占用土地导致测量控制点点位损毁较为严重，要实现广佛环城际铁路“三网合一”必须做好施工期间精密测量控制网的复测与维护工作，加强施工建设期间精密测量控制网的桩位补设、成果更新与补设点加密测量工作。通过将新补设控制点的新成果及受扰动控制点的更新成果无缝纳入全线统一的平面坐标和高程系统，确保与线路既有控制测量系统起算基准统一、测量精度协调统一是实现“三网合一”的基础。

广佛环城际铁路精密测量控制网第一次施测工作于2009年2月至2010年6月完成，建设方案稳定后，线路开工建设前，于2012年7月进行了桩撅现场普查，发现60%桩位丢失或损毁，2012年10月完成了全线补桩和重新建网测量。根据施工需要和竣工验收要求，广佛环城际铁路CPⅢ建网和工程静态验收前对精密测量控制网各进行了一次全面系统复测。工程施工建设期间的不定期复测由设计单位会同施工单位根据实际情况按照每年一次的复测频次实施完成。精密测量控制网复测采用同精度、同方法、分级测量的原则，即复测时丢失或破损桩位补设、仪器设备、施测方法、观测网形、精度等级以及数据处理方法均与原建网要求基本相同，按控制网等级由高到低的顺序进行逐级复测，下一级控制网采用上一级复测后更新的成果作为起算基准。复测成果与上一期成果较差满足TB10601—2009《高速铁路工程测量规范》、TB10101-2018《铁路工程测量规范》相应等级限差要求时，采用上一期成果；当较差超限时进行二次复测查明原因，确认点位发生变动后，采用同精度内插扩展的方法更新成果。

广佛环城际铁路采用上述方法完成了精密控制网施工期间的定期复测与维护，对丢失或破损桩位按原测量技术设计方案要求进行了补埋和重新测量，通过施工建设期间全面系统的复测维持了精密控制测量体系的完整性、现势性和可靠性，满足了广佛环城际铁路施工建设和运营管理的需要。

3 结语

广佛环城际铁路位于经济发达的珠三角地区，测区高楼林立，交通发达，水网密布，测量条件和施工条件十分复杂，通过在“三网合一”测量技术体系、GNSS卫星定位测量、地下段落CPⅡ控制网建立、地上地下段落联系测量、地下段落CPⅢ高程控制网建立及精密测量控制网定期复测与维护等方面进行技术创新、严密论证、多方案比选和精心组织施测，构建了科学、合理、完善的城际铁路精密工程测量技术体系。该项目精密工程测量技术体系形成过程中总结的经验及其鲜明的技术特点，可为其他类似项目特别是城市地区城际铁路精密工程测量工作提供借鉴与参考。

广佛环城际铁路精密工程测量建网及历次复测成果正式交付使用后，经广东珠三角城际轨道交通有限公司组织测量咨询单位、专家评审会评估验收以及现场施工使用验证，证明精密工程测量成果正确、可靠、精度良好，成果较好地满足了工程建设各阶段的要求，特别是无砟轨道铺设和长轨精调的高平顺性要求，为工程建设顺利推进提供了有力保障，确保了工程建设满足城际铁路设计标准要求和后续按期开通运营。