付久容

(中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081)

隨著現(xiàn)代鐵路工程建設(shè)對精度的要求不斷提高，利用控制網(wǎng)進(jìn)行鐵路線路的變形監(jiān)測變得更加重要。目前我國在高速鐵路建設(shè)上實行統(tǒng)一的CPⅢ控制網(wǎng)，在勘測、施工和運營維護(hù)3個階段使用統(tǒng)一的測量控制網(wǎng)基準(zhǔn)[1-2]。這不僅保證了測量基準(zhǔn)和坐標(biāo)系的統(tǒng)一，而且確保了線路中線位置和設(shè)計位置一致，從而最大程度上保證了高速鐵路線路的安全性和可靠性。但我國運行速度160 km/h及以下的普速鐵路控制監(jiān)測網(wǎng)仍處于相對初級的發(fā)展階段，不利于普速鐵路運營過程中的維護(hù)。所以建立良好的普速鐵路控制網(wǎng)對普速鐵路養(yǎng)護(hù)維修有著十分重要的意義。

1 普速鐵路控制網(wǎng)布設(shè)的意義

普速鐵路控制網(wǎng)系統(tǒng)由工程測量平面控制網(wǎng)和工程測量高程控制網(wǎng)組成。沿線路布設(shè)控制樁(或以已有接觸網(wǎng)電桿代替)，并以控制樁為基礎(chǔ)，使用專業(yè)設(shè)備測量、計算并優(yōu)化，從而得到線路的標(biāo)準(zhǔn)線形(通常指理想線形，下同)以及控制樁與標(biāo)準(zhǔn)線形間的空間位置關(guān)系，即形成普速鐵路控制網(wǎng)系統(tǒng)。

在普速鐵路運營維護(hù)過程中，借助控制網(wǎng)可以測出線路的實際線形，再與線路標(biāo)準(zhǔn)線形進(jìn)行對比分析，得到實際線形與標(biāo)準(zhǔn)線形的差異，進(jìn)而得到養(yǎng)路機械所需的起道量、拔道量等基礎(chǔ)信息，滿足普速鐵路線路機械養(yǎng)護(hù)作業(yè)的需要[3]。同時，普速鐵路控制網(wǎng)也可應(yīng)用于普速鐵路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)中的軌道測量，如大機作業(yè)線路維護(hù)數(shù)據(jù)的采集。

2 普速鐵路控制網(wǎng)的布設(shè)

2.1 控制網(wǎng)類型

根據(jù)線路的不同條件，控制網(wǎng)可以分為2種類型[4]：①在線形參數(shù)已知或可以采用專業(yè)設(shè)備測量、計算并優(yōu)化得出線路標(biāo)準(zhǔn)線形的前提下，根據(jù)大地坐標(biāo)系中控制樁基準(zhǔn)點(即控制點)的絕對坐標(biāo)，計算出軌道中心以及軌道鋪設(shè)實際線形與標(biāo)準(zhǔn)線形的相對位置，建立以控制點絕對坐標(biāo)為參考系的絕對坐標(biāo)控制網(wǎng)；②當(dāng)線形參數(shù)未知時，在線路兩側(cè)適當(dāng)位置布設(shè)控制樁，在采用軌檢車等設(shè)備確認(rèn)軌道幾何狀態(tài)(如軌道質(zhì)量指數(shù)TQI[5])已處于理想狀態(tài)后，按照規(guī)定方法測量控制點到軌道中線(或基準(zhǔn)軌)的支距(橫向偏距)和控制點到軌道中線(或基準(zhǔn)軌)的高差(垂向偏距)，從而構(gòu)成相對坐標(biāo)控制網(wǎng)。

2.2 控制樁(點)的設(shè)置

通常沿線路方向在線路兩側(cè)間隔50～140 m布設(shè)控制樁，可根據(jù)線路的實際情況選擇單側(cè)或雙側(cè)布設(shè)。通過預(yù)埋控制樁零部件或抱箍等方式在線路兩側(cè)既有設(shè)施(一般為接觸網(wǎng)電桿)上布設(shè)控制樁。通?？刂茦毒嚯x線路中線2.5～4.0 m，考慮到實際應(yīng)用及相關(guān)影響因素，以高于軌面0.5～0.8 m為宜。

控制樁的位置應(yīng)選在通視良好、交通便利的地方。在小半徑曲線處、通視不佳的地方可以適當(dāng)加密布設(shè)；在線路運行危險點、關(guān)鍵點，如曲線路段、隧道銜接處，可以按需求增加控制樁數(shù)量。

3 普速鐵路控制網(wǎng)的測量

3.1 平面控制測量

工程測量平面控制網(wǎng)通常分2級布設(shè)，第1級為衛(wèi)星定位控制網(wǎng)；第2級為控制樁網(wǎng)。平面控制測量一般采用衛(wèi)星定位觀測法進(jìn)行測量；如果無法進(jìn)行衛(wèi)星定位觀測(如在線路隧道段)，也可使用導(dǎo)線測量法或自由設(shè)站邊角交會法進(jìn)行相應(yīng)精度的測量。

3.1.1 衛(wèi)星定位控制網(wǎng)測量

衛(wèi)星定位控制網(wǎng)設(shè)計精度為四等，應(yīng)按照TB 10054—2010《鐵路工程衛(wèi)星定位測量規(guī)范》中關(guān)于衛(wèi)星定位的主要技術(shù)要求進(jìn)行測量[6]。

控制網(wǎng)的網(wǎng)形設(shè)計與被測地區(qū)的工程地質(zhì)條件有緊密的關(guān)系，需要嚴(yán)格根據(jù)實際地形、地貌在控制網(wǎng)布設(shè)前完成。平面控制網(wǎng)一般選擇沿線路形成帶狀的三角形網(wǎng)或四邊形網(wǎng)。沿線布設(shè)控制樁點后進(jìn)行全線(段)的整體布網(wǎng)和平差。布設(shè)控制點前，應(yīng)提前了解沿線大型建筑控制網(wǎng)的施工要求，合理布設(shè)線路控制點，按規(guī)定埋設(shè)對應(yīng)點標(biāo)志石。埋設(shè)完成后，及時填寫控制點點位說明，丈量標(biāo)志石到標(biāo)識建筑物的距離。

為確?？刂凭W(wǎng)線形的連續(xù)性和準(zhǔn)確性，衛(wèi)星平面控制網(wǎng)應(yīng)在2000國家大地坐標(biāo)系(China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000)中與連續(xù)運行參考站(Continously Operation Reference Station，CORS)基站進(jìn)行全線聯(lián)測。參與聯(lián)測的基站應(yīng)在控制網(wǎng)中均勻分布，且至少有2個基站參與聯(lián)測。同時，與CORS基站聯(lián)測的起算點坐標(biāo)精度應(yīng)不大于0.1 m。如果CORS基站不能滿足要求，則應(yīng)與國家控制點進(jìn)行聯(lián)測。

衛(wèi)星控制測量作業(yè)的基本技術(shù)要求應(yīng)滿足TB 10054—2010中四等精度的規(guī)定。其相鄰點弦長的精度(中誤差)應(yīng)不大于按照下式計算得出的結(jié)果。

(1)

式中：σ為基線弦長中誤差，mm；a為固定誤差，mm；b為比例誤差系數(shù)，mm/km；d為相鄰點間距離，km。

在測量過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照表1所列項目進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，并提交相應(yīng)資料。表中n為閉合環(huán)邊數(shù)。

經(jīng)計算基線質(zhì)量合格后，應(yīng)采用由設(shè)計基線構(gòu)成的控制網(wǎng)進(jìn)行約束平差[7]。平差計算應(yīng)進(jìn)行如下檢驗：

1)將數(shù)據(jù)中存在粗大誤差的異常數(shù)據(jù)剔除后進(jìn)行平差和檢查，直至進(jìn)行平差的數(shù)據(jù)中沒有粗大誤差為止。

2)無約束平差和約束平差后應(yīng)分別提供各點在CGCS2000中的空間直角坐標(biāo)、各基線向量及其改正數(shù)和精度信息。

表1 基線質(zhì)量檢驗限差

3)無約束平差基線改正數(shù)x,y,z坐標(biāo)分量的絕對值VΔx,VΔy,VΔz應(yīng)滿足

(2)

4)相同基線約束平差與無約束平差得到的基線改正數(shù)x,y,z坐標(biāo)分量的較差dVΔx,dVΔy,dVΔz應(yīng)滿足

(3)

3.1.2 控制樁網(wǎng)測量

控制樁坐標(biāo)通常使用其實際控制點的實際空間坐標(biāo)位置，且其空間坐標(biāo)精度依賴于測量控制精度?？刂茦兜牟荚O(shè)方案及測量控制精度指標(biāo)應(yīng)根據(jù)有砟軌道的幾何精度要求，控制網(wǎng)的布設(shè)、復(fù)測及測量和應(yīng)用的效率、經(jīng)濟性等因素確定。之后在確定的測量控制精度指標(biāo)基礎(chǔ)上，確定控制樁的測量方法。精確控制樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)不僅能夠為線路的運營維護(hù)提供良好的工作基準(zhǔn)，更能有效保證列車行車安全，對鐵路的運營維護(hù)有著重大的意義。

控制樁網(wǎng)的測量可以直接使用衛(wèi)星定位的方法，也可以使用全站儀進(jìn)行自由設(shè)站邊角交匯觀測對各個測站進(jìn)行測量。

使用衛(wèi)星定位的方法觀測和解算控制樁平面控制網(wǎng)應(yīng)按照TB 10054—2010中五等精度的規(guī)定進(jìn)行。

圖1 坐標(biāo)計算示意

自由設(shè)站的基本原理就是后方交會，即由2個或以上已知控制點解算出未知測站坐標(biāo)，之后由測站測量其他變形點坐標(biāo)[8-9]。坐標(biāo)計算如圖1所示，已知A,B2點坐標(biāo)，測站點P未知。通過P點測出PA,PB的導(dǎo)線邊長D1,D2及兩邊夾角β。由A點到P點最終附合到B點，可解算得測站點P的坐標(biāo)，之后其他控制點坐標(biāo)由P點直接測量。

3.2 高程控制測量

通常工程測量高程控制網(wǎng)分2級布設(shè)：第1級為線路水準(zhǔn)基點控制網(wǎng)，第2級為控制樁高程控制網(wǎng)。通常相應(yīng)點的高程控制網(wǎng)須要在水準(zhǔn)基點控制網(wǎng)完成之后才可以在其基準(zhǔn)上進(jìn)行布設(shè)。

3.2.1 水準(zhǔn)基點控制測量

在水準(zhǔn)基點的實際測量中，通常選擇四等精度的水準(zhǔn)測量法或三角高程法。測量內(nèi)容包括控制樁投影點的高程，且相鄰水準(zhǔn)基點間距應(yīng)不超過2 km。

水準(zhǔn)基點通常沿線路方向在距離中線不超過200 m 的范圍內(nèi)布設(shè)，且與第1級平面控制點共用。為確保坐標(biāo)準(zhǔn)確，水準(zhǔn)基點須要與國家水準(zhǔn)網(wǎng)聯(lián)測形成附合水準(zhǔn)線路或閉合環(huán)。在重點工程地段(如橋梁、長隧道)可以按需求增設(shè)水準(zhǔn)基點。其技術(shù)要求應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表2 水準(zhǔn)基點控制網(wǎng)的技術(shù)要求

表2中MΔ,MW計算式為

(4)

(5)

式中：Δ為測段往返高差不符值，mm；l為測段長或環(huán)線長，km；m為測段數(shù)；W為附合水準(zhǔn)線路或環(huán)線閉合差，mm。

采用水準(zhǔn)觀測法測量水準(zhǔn)基點時，其主要技術(shù)要求、技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合TB 10101—2009《鐵路工程測量規(guī)范(條文說明)》中四等精度的相關(guān)規(guī)定[10]，其限差應(yīng)符合表3中四等精度的規(guī)定。

當(dāng)山區(qū)水準(zhǔn)測量每千米測站數(shù)S≥25時，采用測站數(shù)計算高差測量限差。

使用全站儀三角高程法測量水準(zhǔn)基點時，其主要

表3 水準(zhǔn)測量限差要求

注：K為被測段水準(zhǔn)線路長度，km；L為水準(zhǔn)線路長度，km；Ri為被檢測段測段長度，km；S為測段水準(zhǔn)測量站數(shù)。

技術(shù)要求應(yīng)符合TB 10101—2009中光電測距三角高程測量的相關(guān)規(guī)定，限差應(yīng)符合表4的各項規(guī)定。

表4 全站儀三角高程測量限差要求

注：D為測距邊長，km；Li為測段間累計測距邊長，km。

3.2.2 控制樁高程控制測量

控制樁高程控制網(wǎng)通常也使用水準(zhǔn)測量法和全站儀自由設(shè)站法進(jìn)行測量，其精度為五等，應(yīng)符合表5的規(guī)定。

表5 控制樁高程測量等級及技術(shù)要求

注：MΔ,MW按照式(4)、式(5)計算。

采用水準(zhǔn)測量法測量控制樁控制點高程時，其限差應(yīng)符合表3中五等精度的規(guī)定。

利用全站儀自由設(shè)站三角高程測量相應(yīng)點高程時，需要在控制樁平面控制測量的基準(zhǔn)上利用在平面控制網(wǎng)測得的邊、角值進(jìn)行測量。為確保高程的準(zhǔn)確，需要每隔2 km與水準(zhǔn)基點進(jìn)行聯(lián)測。其外業(yè)觀測的主要技術(shù)要求應(yīng)符合表6的規(guī)定。

表6 控制網(wǎng)自由設(shè)站三角高程外業(yè)觀測的主要技術(shù)要求

使用該方法測得的高程數(shù)據(jù)須用水準(zhǔn)基點進(jìn)行固定數(shù)據(jù)的嚴(yán)密平差，平差后其精度應(yīng)符合表7的規(guī)定。

由于整個控制網(wǎng)長度較長，可以分割成連續(xù)且不小于4 km的區(qū)段進(jìn)行分段平差。為確保分割后控制網(wǎng)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性，應(yīng)在兩相鄰區(qū)段選取至少3對重疊點進(jìn)行比對，并保證相鄰區(qū)段重疊點獨立平差后

表7 控制網(wǎng)自由測站三角高程網(wǎng)平差后的精度指標(biāo)mm

其高程較差小于等于20 mm。符合要求后，后一區(qū)段可采用與本區(qū)段聯(lián)測的水準(zhǔn)基點及重疊部分前一區(qū)段的1對控制樁點作為約束點進(jìn)行平差計算。

控制樁高程首次測量完成后，為確保高程測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，須采用與首次測量相同的網(wǎng)形和精度指標(biāo)進(jìn)行復(fù)測，并將首測結(jié)果與復(fù)測結(jié)果進(jìn)行對比[11]。若同一控制樁點2次高程測量的較差小于等于20 mm，且相鄰點2次高差的較差小于等于8 mm時，應(yīng)采用首測結(jié)果；若超過允許范圍，確認(rèn)復(fù)測操作及結(jié)果無誤后，應(yīng)分析超差原因，可采用同級擴展的方式對超差的控制樁點成果進(jìn)行更新。

3.3 基于相對測量原理的矢矩法

當(dāng)軌道平順性和軌道幾何參數(shù)較好時，既有線控制網(wǎng)測量一般采用相對測量的方法進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。與衛(wèi)星定位測量絕對坐標(biāo)相比，基于相對測量原理的矢矩法更加方便快捷，便于實際施工作業(yè)時靈活運用[12]。

相對測量控制樁測量包括測量控制樁到基準(zhǔn)軌的支距(橫向偏距)和高差(垂向偏距)，確定軌道相對于控制樁的相對坐標(biāo)，建立相對坐標(biāo)網(wǎng)?？刂茦兜奈恢每梢造`活設(shè)置，無需絕對坐標(biāo)。測量時，使用帶有控制樁相對偏距測量功能和長波測量功能的軌道檢查儀或滿足準(zhǔn)確度要求的其他儀器進(jìn)行測量。在運營維護(hù)過程中，監(jiān)測相對坐標(biāo)的變化，必要時調(diào)整線路的位置。在線路曲線段，支距測量的基準(zhǔn)軌為外軌，控制樁高差的測量基準(zhǔn)軌為內(nèi)軌；在直線段，應(yīng)以大里程方向下一個曲線段的基準(zhǔn)軌為基準(zhǔn)?？刂茦兜臏y量誤差均不大于2 mm。

為避免里程測量的累積誤差，實際測量時使用控制樁位置測量的方法確定沿線路方向的位置偏差。控制樁位置測量包括道岔點、控制樁、橋頭、涵中、集電箱等線路設(shè)施在基準(zhǔn)軌上投影點的控制樁位置。測量時以軌道的中心線為基準(zhǔn)。

根據(jù)測量結(jié)果將控制樁的垂向、橫向偏距與軌道的外部幾何參數(shù)結(jié)合，并與和控制樁點間距相適應(yīng)的軌道長波不平順測量結(jié)果相結(jié)合，擬合出一條優(yōu)化線路。擬合線路是在實際線路基礎(chǔ)上重新優(yōu)化設(shè)計出的線路，與原有的設(shè)計線路可能存在一定的偏差，但從實際運營效果角度評價，它是狀態(tài)較為理想的線路。優(yōu)化擬合線路包括控制樁點、道岔控制點、曲線控制點、橋隧控制點等線路重點監(jiān)測點。擬合線路的平面線形可以為線路的養(yǎng)護(hù)提供平面線形基準(zhǔn)，其結(jié)果適用于普速鐵路的維修作業(yè)及日常養(yǎng)護(hù)。

4 結(jié)語

我國高速鐵路CPⅢ控制網(wǎng)相對完善，使線路的后期運營維護(hù)更加方便快捷，但高速鐵路總里程僅占到全國鐵路總里程的20%，大部分地區(qū)還是以普速鐵路為主。隨著我國鐵路全面、高速發(fā)展，普速鐵路控制網(wǎng)也需要逐漸完善。普速鐵路控制網(wǎng)的建立，不僅能夠在確保軌道平順性的基礎(chǔ)上控制和維護(hù)線路的準(zhǔn)確空間位置，還可以在運營維護(hù)時將實際線路重新優(yōu)化設(shè)計并調(diào)整到滿足線路運營要求、維修工作量較小的理想線形。

除了目前普遍使用的全站儀等測量儀器，衛(wèi)星定位技術(shù)也將廣泛應(yīng)用于普速鐵路控制網(wǎng)的測量和監(jiān)測。衛(wèi)星定位技術(shù)可以實時、精確地測量控制網(wǎng)中平面和高程坐標(biāo)，定位軌道和控制樁的坐標(biāo)，能實時監(jiān)測既有線路軌道幾何狀態(tài)的變化。這對既有線軌道養(yǎng)護(hù)和線路調(diào)整具有重要意義，同時更方便以后將普速鐵路控制網(wǎng)與高速鐵路控制網(wǎng)統(tǒng)一管理。