盧建康,劉 華

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031;2.鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院,北京 100038)

1 概述

高速鐵路旅客列車行駛速度高(250～350km/h),為了達(dá)到在高速行駛條件下保證旅客列車的安全性和舒適性,要求高速鐵路必須具有非常高的平順性和精確的幾何線性參數(shù),精度要保持在毫米級的范圍以內(nèi)。傳統(tǒng)的鐵路測量方法和精度已不能滿足高速鐵路建設(shè)的要求。要實(shí)現(xiàn)高速鐵路軌道的平順性,必須建立一套與之相適應(yīng)的精密工程測量體系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2 我國的高速鐵路工程測量技術(shù)體系建立的背景

我國的高速鐵路工程測量技術(shù)體系是伴隨著我國鐵路客運(yùn)專線無砟軌道工程的建設(shè)而逐步建立和完善的。2004年,鐵道部決定在遂渝線開展無砟軌道綜合試驗(yàn)后,在施工過程中就發(fā)現(xiàn)原有的測量控制網(wǎng)精度及控制網(wǎng)布設(shè)不能滿足無砟軌道施工要求。為此,中鐵二院與西南交通大學(xué)合作在遂渝線開展了無砟軌道鐵路工程測量技術(shù)的研究,并建立了遂渝線無砟軌道綜合試驗(yàn)段精密工程測量控制網(wǎng)。

2006年隨著京津城際、武廣、鄭西客運(yùn)專線無砟軌道鐵路的全面開工建設(shè),原有的鐵路測量體系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已不能適應(yīng)客運(yùn)專線無砟軌道建設(shè)的要求。為了適應(yīng)我國客運(yùn)專線無砟軌道建設(shè)的形勢,根據(jù)鐵建設(shè)函[2005]1026號《關(guān)于編制 2006年鐵路工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃的通知》的要求,在鐵道部建設(shè)管理司和鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院主持下,開始編制《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》。主編單位中鐵二院與西南交大通學(xué)合作完成了《無砟軌道測量技術(shù)的研究》、《無砟軌道控制測量理論和方法研究》以及《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測量控制網(wǎng)精度標(biāo)準(zhǔn)的研究》。對無砟軌道施工控制網(wǎng)精度設(shè)計(jì)的有關(guān)問題,包括控制網(wǎng)設(shè)計(jì)的精度準(zhǔn)則、精度閾值以及精度計(jì)算方法等進(jìn)行了研究論證,為無砟軌道測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供理論依據(jù);根據(jù)客運(yùn)專線無砟軌道鐵路線下工程工后變形監(jiān)測和無砟軌道平順性施工要求,反演推算各級控制測量的精度要求,取得了一系列的成果。編制組根據(jù)科研成果,在吸取遂渝線無砟軌道綜合試驗(yàn)段測量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),并參考國外有關(guān)無砟軌道測量規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,編制完成了《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》。初步形成了我國高速鐵路工程測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

隨著高速鐵路建設(shè)大規(guī)模地展開,在《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國高速鐵路建設(shè)特點(diǎn)和現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展,開展了《高速鐵路 CPⅢ測量標(biāo)準(zhǔn)及軟件研制》和《基于自由測站的高速鐵路 CPⅢ高程網(wǎng)測量及其標(biāo)準(zhǔn)的研究》,對京津、武廣、鄭西、京滬、哈大、合寧、合武、石太等高速鐵路工程測量經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié),按照原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新的原則,對《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》進(jìn)一步完善,編制完成了《高速鐵路工程測量規(guī)范》,形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的我國高速鐵路工程測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3 建立客運(yùn)專線鐵路精密工程測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的必要性

3.1 傳統(tǒng)的鐵路工程測量方法及不足

(1)傳統(tǒng)的鐵路工程測量方法簡介

傳統(tǒng)的鐵路工程是以線路中線控制樁作為鐵路勘測設(shè)計(jì)和施工的坐標(biāo)基準(zhǔn),其測量作業(yè)模式和流程如下。

初測→定測→線下工程施工測量→鋪軌測量。

①初測

平面控制測量—初測導(dǎo)線:坐標(biāo)系統(tǒng)為 1954年北京坐標(biāo)系;測角中誤差導(dǎo)線全長相對閉合差:光電測距1/6000,鋼尺丈量1/2000。

高程控制測量—初測水準(zhǔn):高程系統(tǒng)為 1956年黃海高程/1985年國家高程基準(zhǔn);測量精度:五等水準(zhǔn)

②定測

以初測導(dǎo)線和初測水準(zhǔn)點(diǎn)為基準(zhǔn),按初測導(dǎo)線的精度要求放出交點(diǎn)、直線控制樁、曲線控制樁(五大樁)。

③線下工程施工測量

平面測量以定測放出交點(diǎn)、直線控制樁、曲線控制樁(五大樁)作為線下工程施工測量的基準(zhǔn);高程測量以初測水準(zhǔn)點(diǎn)為基準(zhǔn)。

④鋪軌測量

直線用經(jīng)緯儀穿線法測量;曲線用弦線矢距法或偏角法進(jìn)行鋪軌控制。

(2)傳統(tǒng)的鐵路工程測量方法的缺陷

上述鐵路工程測量方法是一百多年來一直沿用的傳統(tǒng)的鐵路測量方法,在過去測量方法主要靠經(jīng)緯儀、鋼尺丈量測距的年代,是一種行之有效的方法,適合于普通速度鐵路工程測量。但是在測量已廣泛采用GPS、全站儀、電子水準(zhǔn)儀新技術(shù)的今天,這一傳統(tǒng)的鐵路工程測量方法已不能適應(yīng)我國現(xiàn)代化鐵路建設(shè)的要求。它存在著以下的不足。

①平面坐標(biāo)系投影差大:采用 1954年北京坐標(biāo)系3°帶投影,投影帶邊緣邊長投影變形值最大可達(dá) 340 mm/km,不利于 GPS、RTK、全站儀等新技術(shù)采用坐標(biāo)定位法進(jìn)行勘測和施工放線。

②線路平面測量可重復(fù)性較差:以線路中線控制樁作為鐵路勘測設(shè)計(jì)和施工的坐標(biāo)基準(zhǔn),沒有采用逐級控制的方法建立完整的平面高程控制網(wǎng),線路施工控制僅靠定測放出交點(diǎn)、直線控制樁、曲線控制樁(五大樁)進(jìn)行控制,當(dāng)出現(xiàn)中線控制樁連續(xù)丟失后,就很難進(jìn)行恢復(fù);由于路基地段沒有分級建立平面控制網(wǎng),沒有穩(wěn)固的平面控制基準(zhǔn),施工后線路中線控制樁就被破壞,只是在路基工程施工期間根據(jù)中線控制樁設(shè)置護(hù)樁進(jìn)行平面控制。無法使用統(tǒng)一的平面控制基準(zhǔn)進(jìn)行線下工程和軌道工程施工。

④軌道鋪設(shè)精度難以滿足設(shè)計(jì)線形和平順度要求:軌道的鋪設(shè)不是以測量控制網(wǎng)為基準(zhǔn)按照設(shè)計(jì)的坐標(biāo)定位,而是按照線下工程的施工現(xiàn)狀采用相對定位進(jìn)行鋪設(shè),這種鋪軌方法由于測量誤差的積累,往往造成軌道的幾何參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)相差甚遠(yuǎn)。在浙贛線提速改造時,采用定位進(jìn)行鋪軌就出現(xiàn)了圓曲線半徑與設(shè)計(jì)半徑相差太大、大半徑長曲線變成了很多不同半徑圓曲線的組合、曲線五大樁位置與設(shè)計(jì)位置相差太大、縱斷面整坡變成了很多碎坡等問題。

3.2 建立高速鐵路精密工程測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系是我國高速鐵路建設(shè)的要求

傳統(tǒng)鐵路測量方法采用定測中線控制樁作為聯(lián)系鐵路勘測設(shè)計(jì)與施工的線路平面測量控制基準(zhǔn),中線控制樁在線路竣工后已不復(fù)存在,鐵路平面控制基準(zhǔn)已經(jīng)失去,因而在竣工和運(yùn)營階段的線路復(fù)測只能通過相對測量的方式進(jìn)行,這種方式只適合測量精度要求低的普速鐵路測量。而高速鐵路軌道必須具有非常精確的幾何參數(shù),使軌道的幾何參數(shù)與設(shè)計(jì)的目標(biāo)位置之間的偏差保持在最小,精度要保持在毫米級范圍以內(nèi)。從浙贛線提速發(fā)現(xiàn)軌道幾何參數(shù)與設(shè)計(jì)值存在的巨大差異,說明僅僅依靠相對測量方法對線路進(jìn)行維護(hù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,必須引入絕對測量系統(tǒng),建立一套完整精密測量系統(tǒng)。

4 高速鐵路精密測量體系的特點(diǎn)

4.1 “三網(wǎng)合一”的測量體系

高速鐵路工程測量的平面、高程控制網(wǎng),按施測階段、施測目的及功能不同分為:勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運(yùn)營維護(hù)控制網(wǎng)。我們把高速無砟軌道鐵路工程測量的這三個階段的測量控制網(wǎng),簡稱“三網(wǎng)”。

勘測控制網(wǎng)包括:CPⅠ控制網(wǎng)、CPⅡ控制網(wǎng)、二等水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)。

施工控制網(wǎng)包括:CPⅠ控制網(wǎng)、CPⅡ控制網(wǎng)、水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)、CPⅢ控制網(wǎng)。

運(yùn)營維護(hù)控制網(wǎng)包括 :CPⅡ控制網(wǎng)、水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)、CPⅢ控制網(wǎng)、加密維護(hù)基標(biāo)。

為保證三階段的測量控制網(wǎng)滿足高速鐵路勘測、施工、運(yùn)營維護(hù) 3個階段測量的要求,在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營階段構(gòu)建和保持高速鐵路軌道空間幾何形位的一致性,滿足高速鐵路工程建設(shè)和運(yùn)營管理的需要,3階段的平面、高程控制測量必須采用統(tǒng)一的基準(zhǔn)。即勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運(yùn)營維護(hù)控制網(wǎng)均采用 CPⅠ為基礎(chǔ)平面控制網(wǎng),以二等水準(zhǔn)基點(diǎn)網(wǎng)為基礎(chǔ)高程控制網(wǎng)。簡稱為“三網(wǎng)合一”。

4.2 建立框架控制網(wǎng) CP0

高速鐵路建立框架控制網(wǎng) CP0,是在總結(jié)京津城際鐵路,鄭西、武廣、哈大、京滬、石武高速鐵路平面控制測量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的。由于高速鐵路線路長、地區(qū)跨越幅度大且平面控制網(wǎng)沿高速鐵路呈帶狀布設(shè)。為了控制帶狀控制網(wǎng)的橫向擺動,沿線必須每隔一定間距聯(lián)測高等級的平面控制點(diǎn),但是由于沿線國家高級控制點(diǎn)之間的兼容性差,基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)CPⅠ經(jīng)國家點(diǎn)約束后使高精度的 CPⅠ控制網(wǎng)發(fā)生扭曲,大大降低了 CPⅠ控制點(diǎn)間的相對精度,個別地段經(jīng)國家點(diǎn)約束后的 CPⅠ控制點(diǎn)間甚至不能滿足規(guī)范要求的 CPⅠ控制點(diǎn)相對中誤差≤1/180000。在測量中不得不采用一個點(diǎn)和一個方向的約束方式進(jìn)行 CPⅠ控制網(wǎng)平差,但這種平差方式給 CPⅠ控制網(wǎng)復(fù)測帶來不便。為此,在京津城際鐵路、哈大、京滬、石武高速鐵路平面控制測量首先采用 GPS精密定位測量方法建立高精度的框架控制網(wǎng) CP0,作為高速鐵路平面控制測量的起算基準(zhǔn),不僅提高了 CPⅠ控制網(wǎng)的精度,也為平面控制網(wǎng)復(fù)測提供了基準(zhǔn)。

4.3 高速鐵路平面控制網(wǎng)的分級布網(wǎng)

(1)平面控制網(wǎng)分級布網(wǎng)的原則

高速鐵路工程測量平面控制網(wǎng)應(yīng)在框架控制網(wǎng)(CP0)基礎(chǔ)上分三級布設(shè),第一級為基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPⅠ),主要為勘測、施工、運(yùn)營維護(hù)提供坐標(biāo)基準(zhǔn);第二級為線路平面控制網(wǎng)(CPⅡ),主要為勘測和施工提供控制基準(zhǔn);第三級為軌道控制網(wǎng)(CPⅢ),主要為軌道鋪設(shè)和運(yùn)營維護(hù)提供控制基準(zhǔn)。三級平面控制網(wǎng)之間的相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 高速鐵路三級平面控制網(wǎng)示意(單位:m)

高速鐵路工程測量平面控制網(wǎng)應(yīng)在框架控制網(wǎng)(CP0)基礎(chǔ)上分三級布設(shè),是因?yàn)闇y量控制網(wǎng)的精度在滿足線下工程施工控制測量要求的同時必須滿足軌道鋪設(shè)的精度要求,使軌道的幾何參數(shù)與設(shè)計(jì)的目標(biāo)位置之間的偏差保持在最小。而軌道的鋪設(shè)施工和線下工程路基、橋梁、隧道、站臺等工程的施工放樣,是通過由各級平面高程控制網(wǎng)組成的測量系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的,為了保證軌道與線下工程路基、橋梁、隧道、站臺的空間位置坐標(biāo)、高程相匹配協(xié)調(diào),必須按分級控制的原則建立鐵路測量控制網(wǎng)。

(2)各級平面控制網(wǎng)的主要技術(shù)要求

高速鐵路工程平面控制測量各級平面控制網(wǎng)的主要技術(shù)要求見表1。

表1 各級平面控制網(wǎng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)要求

4.4 平面坐標(biāo)系統(tǒng)的要求

平面坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)采用邊長投影變形值≤10mm/km的工程獨(dú)立坐標(biāo)系。高速鐵路工程測量精度要求高,施工中要求由坐標(biāo)反算的邊長值與現(xiàn)場實(shí)測值應(yīng)一致,即所謂的尺度統(tǒng)一。由于地球面是個橢球曲面,地面上的測量數(shù)據(jù)需投影到施工平面上,曲面上的幾何圖形投影到平面時,不可避免會產(chǎn)生變形。采用國家 3°帶投影的坐標(biāo)系統(tǒng),在投影帶邊緣的邊長投影變形值達(dá)到 340mm/km,這對無砟軌道的施工是很不利的,對工程施工的影響呈系統(tǒng)性。從理論上來說,邊長投影變形值越小越有利。德國高速鐵路采用 MKS定義的特殊技術(shù)平面坐標(biāo)系統(tǒng)。MKS可根據(jù)需要把地球表面正形投影到設(shè)計(jì)和計(jì)算平面上,發(fā)生的(不可避免的)長度變形限定在 10mm/km的數(shù)量級上,即投影變形誤差控制在1/100000以內(nèi)。在京津城際高速鐵路工程測量中,博格公司要求基礎(chǔ)控制網(wǎng)平面相對精度為1/100000。武廣線、鄭西線無砟軌道 CPⅢ控制網(wǎng)的測量實(shí)踐也表明,在滿足邊長投影長度變形值不大于 10mm/km的條件下,線下工程施工時,可不進(jìn)行邊長投影改正直接利用坐標(biāo)反算距離進(jìn)行施工放線,CPⅢ觀測距離不需進(jìn)行投影改化進(jìn)行平差計(jì)算就可滿足 CPⅢ控制網(wǎng)的精度要求。

4.5 高程控制測量的布網(wǎng)要求

(1)高速鐵路工程測量高程控制網(wǎng)分二級布設(shè),第一級線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng),為高速鐵路工程勘測設(shè)計(jì)、施工提供高程基準(zhǔn);第二級軌道控制網(wǎng)(CPⅢ),為高速鐵路軌道施工、維護(hù)提供高程基準(zhǔn)。

(2)高速鐵路高程控制測量布網(wǎng)要求見表2。

表2 高速鐵路高程控制網(wǎng)布網(wǎng)要求

4.6 CPⅢ自由測站邊角交會網(wǎng)測量

CPⅢ為軌道控制網(wǎng),是鋪軌加密基標(biāo)和軌道精調(diào)的基準(zhǔn),為了保證鋪軌加密基標(biāo)和軌道精調(diào)測量的精度,其點(diǎn)位間距以 60m為宜。CPⅢ控制網(wǎng)應(yīng)采用自由測站邊角交會網(wǎng)進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)測量,以 CPⅠ或 CPⅡ作為基準(zhǔn)進(jìn)行固定數(shù)據(jù)約束平差。CPⅢ自由測站邊角交會網(wǎng)如圖2所示,自由測站間距為 120m左右,每個CPⅢ控制點(diǎn)有 3個自由測站點(diǎn)的距離、方向交會。

圖2 CPⅢ平面網(wǎng)觀測網(wǎng)形示意(單位:m)

CPⅢ自由測站邊角交會網(wǎng)測量與常規(guī)導(dǎo)線網(wǎng)測量比較具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)點(diǎn)位分布均勻,有利于鋪軌加密基標(biāo)和軌道精調(diào)作業(yè)精度的控制;

(2)網(wǎng)形均勻?qū)ΨQ,圖形強(qiáng)度高,每個 CPⅢ控制點(diǎn)有 3個方向交會,多余觀測量多,有利于提高網(wǎng)的可靠性和測量精度;

(3)相鄰點(diǎn)間相對精度高,兼容性好,能有效控制軌道的平順性;

(4)控制點(diǎn)采用強(qiáng)制對中標(biāo)志,自由測站沒有對中誤差,消除了點(diǎn)位對中點(diǎn)誤差對控制網(wǎng)精度的影響。

4.7 構(gòu)筑物變形監(jiān)測

高速鐵路線路長,路基、橋梁、涵洞、隧道工程量大,沿線復(fù)雜地質(zhì)條件對工程建設(shè)影響大,線下構(gòu)筑物變形是無砟軌道鐵路的重要參數(shù),一直貫穿于設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營養(yǎng)護(hù)、維修各階段。高速鐵路構(gòu)筑物的變形監(jiān)測與控制是高速鐵路建設(shè)成敗和安全運(yùn)營的關(guān)鍵,為使變形監(jiān)測所獲取的數(shù)據(jù)科學(xué)、可靠并連續(xù),因此在《高速鐵路工程測量規(guī)范》中,專門作為一章對構(gòu)筑物變形測量的監(jiān)測網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)、測量精度、監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)及測量方法進(jìn)行了規(guī)范。這是高速鐵路精密工程測量體系的一個特點(diǎn)。

5 結(jié)語

以《高速鐵路工程測量規(guī)范》(TB10601—2009)為代表的高速鐵路精密工程測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的編制實(shí)施,開創(chuàng)了我國高速鐵路工程測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系,大大提高了我國鐵路工程測量的技術(shù)水平,有力地推動了鐵路工程測量技術(shù)進(jìn)步,及時為我國高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)提供了測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。采用該標(biāo)準(zhǔn)成功地建成了武廣、鄭西客運(yùn)專線無砟軌道鐵路以及膠濟(jì)、合寧、合武、甬臺溫、溫福、石太、福廈等客運(yùn)專線,目前在建的京滬、哈大、京石、石武等無砟軌道高速鐵路及一批有砟軌道客運(yùn)專線均按照此標(biāo)準(zhǔn)開展精密工程測量。高速鐵路精密工程測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為我國建設(shè)世界一流的高速鐵路提供了技術(shù)支撐。

[1]TB10601—2009,高速鐵路工程測量規(guī)范[S].

[2]TB10601—99,新建鐵路工程測量規(guī)范[S].

[3]何華武.鐵路工程技術(shù)論集[M].北京:中國鐵道出版社,2007:267-272.

[4]朱 穎.客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測量技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2008.