杜兆宇

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)正大力建設(shè)鐵路客運(yùn)專線[1]。膠濟(jì)客運(yùn)專線起點(diǎn)青島站，途徑青島北、膠州北、青州市、章丘，終點(diǎn)濟(jì)南東站，全線為有砟軌道，青島～K42+594、K97+715～濟(jì)南設(shè)計(jì)行車速度為200 km/h，K42+594～K97+715 段設(shè)計(jì)速度為250 km/h，運(yùn)營(yíng)速度為200 km/h，采用電力動(dòng)車組牽引。該客運(yùn)專線已于2016 年通車運(yùn)營(yíng)，為了確保運(yùn)營(yíng)安全，保證軌道穩(wěn)定性和平順性，需要對(duì)客運(yùn)專線軌道進(jìn)行維護(hù)，軌道控制網(wǎng)（CPIII）是既有線軌道運(yùn)營(yíng)維護(hù)的控制基準(zhǔn)[2]，為此，該文介紹了膠濟(jì)客專（K220+000～K388+723）軌道控制網(wǎng)精密測(cè)量相關(guān)技術(shù)問題，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較分析。

1 線路平面控制測(cè)量

線路平面控制網(wǎng)（CPII）是軌道控制網(wǎng)的平面基準(zhǔn)。按照逐級(jí)控制的布網(wǎng)原則，線路平面控制網(wǎng)（CPII）是在框架控制網(wǎng)（CP0）、基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)（CPI）的基礎(chǔ)上進(jìn)行，考慮到該項(xiàng)目屬于運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的實(shí)際情況，構(gòu)建線上線路平面控制網(wǎng)。線上加密CPII 控制樁直接在既有線上布設(shè)[3]。路基地段優(yōu)先在滿足觀測(cè)要求的涵洞帽石頂、水泥墩等穩(wěn)定的混泥土構(gòu)筑物上設(shè)置，橋梁地段設(shè)置在既有橋梁的擋砟墻上或橋頭。綜合考慮項(xiàng)目的實(shí)際情況，該標(biāo)段線上加密CPII 測(cè)量由K220～K270、K270～K289、K289～K300、K300～K311與K311～K388 五段進(jìn)行，每個(gè)標(biāo)段之間均有搭接，其中K220～K270 段還要與一標(biāo)段搭接，其搭接點(diǎn)為219P22、220P22。

采用GPS 靜態(tài)測(cè)量方法，按照鐵路四等GPS 觀測(cè)技術(shù)要求設(shè)置衛(wèi)星截止高度角、采樣間隔等參數(shù)[4]。觀測(cè)過程中，在天線附近50 m 以內(nèi)不使用電臺(tái)，10 m以內(nèi)不使用對(duì)講機(jī)，以免干擾接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)。CPII 基線解算和質(zhì)量檢核合格后，在WGS-84 坐標(biāo)系下進(jìn)行三維無約束平差，得到各點(diǎn)WGS-84 坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)、三維基線向量改正數(shù)及邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差等精度信息，剔除粗差觀測(cè)值，檢驗(yàn)線上加密CPII網(wǎng)內(nèi)符合精度。符合要求后，采用聯(lián)測(cè)的CPI 點(diǎn)作為約束點(diǎn)，使用中鐵四院SYGPS 平差軟件進(jìn)行二維約束平差，二維約束平差成果各項(xiàng)精度指標(biāo)均合格。

考慮到此次線上加密CPII 需盡量布設(shè)在線路一側(cè)（天窗不垂直，無法跨線測(cè)量），布設(shè)點(diǎn)位要求衛(wèi)星信號(hào)不受遮擋，點(diǎn)間距要求在600 m左右；而原導(dǎo)線CPIII點(diǎn)交錯(cuò)布設(shè)在線路兩側(cè)，部分點(diǎn)布設(shè)在接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)上，點(diǎn)間距在150～200 m 左右，因此，此次線上加密CPII點(diǎn)采用2011年部分原導(dǎo)線CPIII點(diǎn)。

此次該標(biāo)段線上加密CPII 與2011 年原導(dǎo)線CPIII的平面坐標(biāo)差異較大，其中，橫向方向（X方向）坐標(biāo)較差偏大（最大值為0.208 m）；一方面可能因兩個(gè)控制網(wǎng)之間存在系統(tǒng)偏差，另一方面可能由2011 年CPIII 導(dǎo)線測(cè)量的橫向中誤差引起。

2 高程控制測(cè)量

高程控制是軌道控制網(wǎng)的高程基準(zhǔn)。沿線布設(shè)深埋水準(zhǔn)點(diǎn)和普通水準(zhǔn)點(diǎn)，組成統(tǒng)一的高程控制網(wǎng)，分為線下水準(zhǔn)測(cè)量和線上水準(zhǔn)測(cè)量。

2.1 線下水準(zhǔn)測(cè)量

線下普通水準(zhǔn)點(diǎn)充分利用原膠濟(jì)線線下水準(zhǔn)點(diǎn)樁位，對(duì)受損嚴(yán)重的既有樁位進(jìn)行了維護(hù)處理，當(dāng)不滿足現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)點(diǎn)位要求時(shí)，重新埋設(shè)線下水準(zhǔn)點(diǎn)。水準(zhǔn)基點(diǎn)不大于2 km 布設(shè)一個(gè)，水準(zhǔn)基點(diǎn)選在距中線50～200 m的土質(zhì)堅(jiān)實(shí)、通視良好、施測(cè)方便、高程適宜和便于保存之處。水準(zhǔn)基點(diǎn)盡量與CPI 點(diǎn)共樁，單獨(dú)布設(shè)時(shí)，埋設(shè)要求同CPI。

按照三等水準(zhǔn)測(cè)量施測(cè)，聯(lián)測(cè)國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)采用往返測(cè)支水準(zhǔn)路線形式，在主路線上形成結(jié)點(diǎn)[5]。使用天寶或徠卡的電子水準(zhǔn)儀及配套的3 m銦瓦條碼水準(zhǔn)尺，采用單路線往返觀測(cè)；一條路線的往返測(cè)使用同一類型儀器和轉(zhuǎn)點(diǎn)尺墊，沿同一路線進(jìn)行。在外業(yè)測(cè)量經(jīng)過各項(xiàng)限差驗(yàn)算合格后，首先進(jìn)行高程網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)選取，選用15個(gè)原膠濟(jì)線精測(cè)網(wǎng)水準(zhǔn)點(diǎn)、1個(gè)沿線國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)（JL7）、1 個(gè)濟(jì)青高鐵水準(zhǔn)點(diǎn)（CPI153，與石濟(jì)客專線下水準(zhǔn)點(diǎn)共樁），并對(duì)以上17 個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。采用此17個(gè)點(diǎn)及1個(gè)與一標(biāo)段搭接的濟(jì)青高鐵深埋水準(zhǔn)點(diǎn)（SBM15）作為高程網(wǎng)平差計(jì)算的約束點(diǎn)，采用中鐵四院SYADJ 軟件進(jìn)行整網(wǎng)嚴(yán)密平差，計(jì)算測(cè)量成果；結(jié)果均滿足《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》（TB 10101-2009）的相關(guān)要求。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范和該項(xiàng)目復(fù)測(cè)要求，以“線路水準(zhǔn)基點(diǎn)復(fù)測(cè)與原測(cè)高差較差應(yīng)小于”作為判斷點(diǎn)位發(fā)生顯著沉降與否和點(diǎn)位高程能否繼續(xù)使用的指標(biāo)[6]。分析該標(biāo)段線路21段水準(zhǔn)基點(diǎn)2018年復(fù)測(cè)高差和2011 年復(fù)測(cè)高差的較差，全線共有5 段高差較差超限，占比23.8%。其余16 段高差較差均滿足三等水準(zhǔn)復(fù)測(cè)限差要求。同時(shí)，比較該標(biāo)段2018年復(fù)測(cè)與2011年復(fù)測(cè)線路水準(zhǔn)基點(diǎn)高程較差（見圖1）。由圖1可知：除個(gè)別控制點(diǎn)發(fā)生點(diǎn)位沉降外，其余控制點(diǎn)穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)區(qū)域沉降現(xiàn)象。

圖1 線路水準(zhǔn)基點(diǎn)2018年復(fù)測(cè)高程與2011年復(fù)測(cè)高程較差圖

考慮到該標(biāo)段2018 年線下水準(zhǔn)復(fù)測(cè)補(bǔ)埋63 個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，上一次水準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測(cè)時(shí)間為2011 年，距今時(shí)間較長(zhǎng)，控制點(diǎn)樁損壞嚴(yán)重、樁位丟失較多，原復(fù)測(cè)成果的現(xiàn)勢(shì)性較差，因此，該次高程網(wǎng)復(fù)測(cè)成果全部更新，更新成果時(shí)考慮與一標(biāo)段的銜接。

2.2 線上水準(zhǔn)測(cè)量

線上水準(zhǔn)基點(diǎn)埋設(shè)在線路附近穩(wěn)定可靠且不易被破壞的地方，橋梁部分埋設(shè)于橋梁固定支座正上方擋砟墻頂，盡量保證在橋梁上下聯(lián)測(cè)時(shí)不再進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，可與線上加密CPⅡ點(diǎn)共樁。此次該標(biāo)段線上加密水準(zhǔn)測(cè)量分K220～K270、K270～K289、K289～K300 與K399～K388 四段進(jìn)行。如K270～K289 段與K220～K270 段搭接點(diǎn)為270H21，此次該標(biāo)段在K220 里程與一標(biāo)段搭接，搭接點(diǎn)為219H21。

線上水準(zhǔn)基點(diǎn)按照國(guó)家三等水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)施測(cè)，采用不低于DS1的數(shù)字水準(zhǔn)儀及銦瓦水準(zhǔn)尺。觀測(cè)數(shù)據(jù)采用儀器內(nèi)置儲(chǔ)存器記錄，并轉(zhuǎn)換成電子手簿。線上加密水準(zhǔn)網(wǎng)采用聯(lián)測(cè)的線下水準(zhǔn)點(diǎn)作為約束點(diǎn)，進(jìn)行平差計(jì)算?？紤]到此次線上加密水準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在線路一側(cè)（天窗不垂直，無法跨線測(cè)量），而原導(dǎo)線CPIII 點(diǎn)交錯(cuò)布設(shè)在線路兩側(cè)，部分點(diǎn)布設(shè)在接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)上，點(diǎn)間距在150～200 m 左右，因此，線上加密水準(zhǔn)點(diǎn)采用2011 年部分原導(dǎo)線CPIII 控制點(diǎn)，共聯(lián)測(cè)20 個(gè)導(dǎo)線CPIII點(diǎn)，分析比較兩次高程較差，具體情況見圖2。

由圖2 可知，2018 年線上加密水準(zhǔn)點(diǎn)高程大部分比2011 年導(dǎo)線CPIII 高程低，其原因可能為兩次測(cè)量等級(jí)不相同引起的系統(tǒng)差異（2018 年線上加密水準(zhǔn)為三等，2011年導(dǎo)線CPIII高程為四等），也可能是沉降因素引起的。因此，建議后期加強(qiáng)控制網(wǎng)的復(fù)測(cè)工作，以便更為準(zhǔn)確地判斷是否存在沉降變形災(zāi)害。

圖2 線上加密水準(zhǔn)點(diǎn)2018年復(fù)測(cè)高程與2011年復(fù)測(cè)高程較差圖

3 軌道控制網(wǎng)（CPIII）精密測(cè)量

3.1 CPIII控制網(wǎng)布設(shè)

CPIII控制網(wǎng)點(diǎn)成對(duì)布設(shè)，間距約為60 m，CPIII點(diǎn)布設(shè)高度大致等高，并設(shè)在設(shè)計(jì)軌道高程面0.3 m 以上。路基段CPIII 點(diǎn)直接安裝在線路兩側(cè)接觸網(wǎng)立柱上，為了避免破壞立柱結(jié)構(gòu)，CPIII標(biāo)識(shí)采用抱箍方式，分別為H型混凝土、鋼柱抱箍件、格構(gòu)柱抱箍件及圓形抱箍件這3 種形式。橋梁地段CPIII 點(diǎn)設(shè)置在既有橋防撞墻上，在防撞墻上采用30 mm左右直徑鉆頭，鉆深70 mm，埋設(shè)時(shí)采用速凝水泥或錨固劑填充孔位，將CPIII預(yù)埋件埋入防撞墻內(nèi)。既有車站內(nèi)CPIII點(diǎn)的布設(shè)在站臺(tái)廊檐下部凹槽處，孔深在70 mm左右，距離軌面高度0.3 m以上，測(cè)量標(biāo)志橫向埋設(shè)且不得侵界。平面測(cè)量棱鏡采用德國(guó)Sining 公司的AL-402 棱鏡。作業(yè)前對(duì)組件進(jìn)行了重復(fù)性和互換性安裝誤差的檢測(cè)，滿足X、Y誤差0.4 mm，H誤差0.2 mm的要求。

3.2 CPIII控制網(wǎng)平面測(cè)量

CPIII控制網(wǎng)平面測(cè)量采用“分段測(cè)量、分段平差”的方法進(jìn)行。CPIII網(wǎng)平面測(cè)量共分為14個(gè)區(qū)段，最短區(qū)段長(zhǎng)度為8.0 km，最長(zhǎng)區(qū)段長(zhǎng)度為18.9 km，平均區(qū)段長(zhǎng)度為12.2 km，搭接示意圖見圖3。該標(biāo)段與一標(biāo)段在K220處搭接，重復(fù)觀測(cè)5對(duì)CPIII點(diǎn)。其他區(qū)段搭接，重復(fù)觀測(cè)6對(duì)CPIII點(diǎn)。

圖3 CPIII分段搭接聯(lián)測(cè)示意圖

CPIII網(wǎng)平面測(cè)量采用自由設(shè)站邊角交會(huì)法施測(cè)，每個(gè)自由測(cè)站一般觀測(cè)12個(gè)CPIII點(diǎn)。每個(gè)CPIII點(diǎn)至少保證有3個(gè)自由測(cè)站的方向和距離觀測(cè)量。CPIII自由測(cè)站平均間距約為120 m 左右，當(dāng)特殊地段觀測(cè)條件較差時(shí)，測(cè)站間距調(diào)整至60 m左右。CPIII網(wǎng)平面測(cè)量水平方向采用全圓方向觀測(cè)法進(jìn)行觀測(cè)，距離觀測(cè)采用多測(cè)回距離觀測(cè)法。邊長(zhǎng)觀測(cè)實(shí)時(shí)地在全站儀中輸入溫度和氣壓進(jìn)行了氣象元素改正。

數(shù)據(jù)處理前，首先對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢核，對(duì)不合格數(shù)據(jù)及時(shí)安排返測(cè)。外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核合格后，以聯(lián)測(cè)合格的線上加密CPII為起算數(shù)據(jù)，采用中鐵四院SYADJ 軟件進(jìn)行自由網(wǎng)和約束網(wǎng)平差計(jì)算，并按CPIII 網(wǎng)測(cè)量技術(shù)要求進(jìn)行精度檢核。區(qū)段之間銜接時(shí)，首先在接邊前比較相鄰區(qū)段獨(dú)立平差重疊點(diǎn)的坐標(biāo)差值。當(dāng)坐標(biāo)較差滿足≤±4.5 mm 時(shí)，后一區(qū)段CPIII 網(wǎng)平差采用本區(qū)段聯(lián)測(cè)的加密CPII 點(diǎn)及重疊段前一區(qū)段的1～3對(duì)CPIII點(diǎn)作為約束點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算。此次所有CPIII測(cè)段獨(dú)立平差中CPIII約束網(wǎng)平差距離改正數(shù)、方向改正數(shù)、點(diǎn)位中誤差及CPIII 網(wǎng)相鄰點(diǎn)相對(duì)點(diǎn)位精度均滿足規(guī)范要求。

考慮到該標(biāo)段需要在K311處進(jìn)行分帶，坐標(biāo)換帶處CPIII 分為K300+036～K312+440 段和K311+240～K321+713 段，兩個(gè)測(cè)段之間重復(fù)觀測(cè)長(zhǎng)度約1.2 km，滿足大于800 m 的觀測(cè)要求。以前測(cè)段的CPIII 坐標(biāo)對(duì)后測(cè)段的CPIII 坐標(biāo)進(jìn)行約束平差，并分別計(jì)算出118°15′00″和117°15′00″的兩套CPIII 平面網(wǎng)的坐標(biāo)成果。

3.3 CPIII控制網(wǎng)高程測(cè)量

CPIII高程網(wǎng)測(cè)量利用平面網(wǎng)測(cè)量的邊角觀測(cè)值，采用自由測(cè)站三角高程測(cè)量方法，與CPIII平面網(wǎng)測(cè)量同步進(jìn)行，測(cè)量分段方式保持一致（見圖3）。CPIII 自由測(cè)站三角高程網(wǎng)附合于線路水準(zhǔn)基點(diǎn)，每2 km左右進(jìn)行了高程聯(lián)測(cè)，當(dāng)特殊地段不便聯(lián)測(cè)時(shí)，最遠(yuǎn)2.5 km左右聯(lián)測(cè)一個(gè)線路水準(zhǔn)基點(diǎn)。

CPIII自由測(cè)站高程網(wǎng)進(jìn)行附合路線閉合差統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算每千米高差全中誤差，各項(xiàng)指標(biāo)均符合三等水準(zhǔn)測(cè)量的要求。采用自由設(shè)站三角高程方法測(cè)量時(shí)區(qū)段之間重疊點(diǎn)不少于4 對(duì)，區(qū)段之間銜接時(shí)前后區(qū)段獨(dú)立平差重疊點(diǎn)高程差值≤±4.5 mm；滿足該條件后，后一區(qū)段CPIII網(wǎng)平差，采用本區(qū)段聯(lián)測(cè)的線路水準(zhǔn)基點(diǎn)及重疊段前一區(qū)段連續(xù)的1～2對(duì)CPIII 點(diǎn)高程成果進(jìn)行約束平差。此次CPIII 網(wǎng)高程測(cè)量數(shù)據(jù)各項(xiàng)精度指標(biāo)均合格，滿足規(guī)范要求。

此次該標(biāo)段在K353+000～K366+740 范圍聯(lián)測(cè)石濟(jì)客專的水準(zhǔn)點(diǎn)：CPI513（線下水準(zhǔn)點(diǎn)，與濟(jì)青高鐵線下水準(zhǔn)點(diǎn)共樁）、CPII562（線上水準(zhǔn)點(diǎn)）、2446201（線上水準(zhǔn)點(diǎn)）、361H22（線上水準(zhǔn)點(diǎn)，與膠濟(jì)客專線上水準(zhǔn)點(diǎn)361H21共樁）、362H21（線上水準(zhǔn)點(diǎn)）。將石濟(jì)客專的線下和線上高程點(diǎn)作為膠濟(jì)客專的高程起算點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn)數(shù)據(jù)平差處理，并對(duì)膠濟(jì)客專高程與石濟(jì)客專高程較差與線路銜接處的聯(lián)測(cè)高差進(jìn)行比較分析。此次該標(biāo)段高程網(wǎng)與石濟(jì)客專高程網(wǎng)兼容性較好。

4 結(jié)語(yǔ)

最近十來年是我國(guó)鐵路事業(yè)大發(fā)展大建設(shè)時(shí)期，特別是新建設(shè)了很多高速鐵路和客運(yùn)專線，我國(guó)的鐵路網(wǎng)覆蓋基本滿足國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要。同時(shí)，運(yùn)營(yíng)線路的維護(hù)工作又凸顯出來，保證鐵路安全運(yùn)營(yíng)、保障人民群眾生命安全，又成為今后工作的重中之重。鐵路軌道控制網(wǎng)（CPIII）的建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)性、持續(xù)性強(qiáng)的工作，需要在運(yùn)營(yíng)期間進(jìn)行定期復(fù)測(cè)和維護(hù)。該文依據(jù)膠濟(jì)客專運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的實(shí)際情況，提出一種適合既有線軌道控制網(wǎng)（CPIII）改造精密測(cè)量方法和技術(shù)措施，并對(duì)測(cè)量成果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。該成果對(duì)后續(xù)的既有運(yùn)營(yíng)線路軌道維護(hù)提供了技術(shù)保障。