論我國高速鐵路精密工程測量技術(shù)體系及特點(diǎn)

論我國高速鐵路精密工程測量技術(shù)體系及特點(diǎn)

盧建康摘要：本文對我國高速鐵路精密工程測量技術(shù)體系的特點(diǎn)進(jìn)行研究，重點(diǎn)對高速鐵路精密工程測量的內(nèi)容，高速鐵路軌道的內(nèi)部幾何尺寸定位精度，高速鐵路精密工程測量的布網(wǎng)原則、坐標(biāo)基準(zhǔn)，“三網(wǎng)合一”的測量體系進(jìn)行了體系的論述。提出了高速鐵路測量平面控制網(wǎng)應(yīng)在框架控制網(wǎng)（CPO）基礎(chǔ)上分三級布設(shè)、高程控制網(wǎng)分二級布設(shè)的方法，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)系以及應(yīng)按“三網(wǎng)合一”的原則進(jìn)行高速鐵路精密工程測量的觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；精密測量；技術(shù)體系前言

我國的高速鐵路工程測量技術(shù)體系是伴隨著我國高速鐵路無砟軌道工程的建設(shè)而逐步建立完善的。

201*年，中鐵二院與西南交大合作在遂渝線開展了無砟道鐵路工程測量技術(shù)的研究，并建立了遂渝無線無砟道綜合試驗(yàn)段精密工程測量控制網(wǎng)。

201*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)的形勢，根據(jù)鐵建設(shè)函【201*】1026號《關(guān)于編制201*年鐵路工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)計劃的通知》的要求，在鐵道部建設(shè)管理司和鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃院主持下，由中鐵二院主編完成了《客運(yùn)專線無碴軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》，由鐵道部于201*年10月16日發(fā)布實(shí)施。初步形成了我國高速鐵路精密工程測量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

201*年根據(jù)鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃院《關(guān)于委托編制201*年鐵路工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的函》（經(jīng)規(guī)計財函【201*】8號）的要求，由中鐵二院主編，中鐵一院、鐵三院、中鐵四院、中鐵咨詢院、中鐵二局、中鐵大橋勘測設(shè)計院、西南交通大學(xué)等單位參編，在現(xiàn)行《客運(yùn)專線無碴軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》的基層上，以近年來高速鐵路工程測量科研成果為支撐，認(rèn)真總結(jié)京津、武廣、鄭西、哈大、京瀘、廣深等高速鐵路高速工程測量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，于201*年8月完成了《高速鐵路工程測量規(guī)定》（TB10601-201*）的編制，由鐵道部于201*年12月1日發(fā)布實(shí)施�！陡咚勹F路工程測量規(guī)范》（TB10601-201*）的發(fā)布實(shí)施，形成了一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速鐵路工程測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

由于高速鐵路行車速度高（250～350km/h），為了達(dá)到在高速行駛條件下，旅客列車的安全和舒適性，高速鐵路軌道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)。要求高速鐵路測量精度達(dá)到毫米級，傳統(tǒng)的鐵路工程測量技術(shù)已不能滿足高速鐵路建設(shè)的要求。高速鐵路的測量方法、測量精度與傳統(tǒng)的鐵路工程測量完全不同。我們把適合高速鐵路工程測量的技術(shù)稱為高速鐵路精密工程測量；把高速鐵路測量中的各級平面高程控制網(wǎng)稱為高速鐵路精密測量控制網(wǎng)，簡稱“精測網(wǎng)”。

2、高速鐵路精密工程測量的內(nèi)容和目的2.1高速鐵路精密工程測量的內(nèi)容

高速鐵路精密工程測控貫穿于高速鐵路工程勘測設(shè)計、施工、竣工驗(yàn)收及運(yùn)營維護(hù)測量全過程，包括以下內(nèi)容：

（1）高速鐵路平面高程控制測量；（2）線下工程施工測量；（3）軌道施工測量；（4）運(yùn)營維護(hù)測量。

2.2高速鐵路精密工程測量的目的

高速鐵路精密工程測量的目的是通過建立各級平面高程控制網(wǎng)，在各級精密測量控制網(wǎng)的控制下，實(shí)現(xiàn)線下工程按設(shè)計線型準(zhǔn)確施工和保證軌道鋪設(shè)的精度能滿足旅客列車高速、安全行駛。

高速鐵路旅客列車行駛條件下，旅客列車的安全性和舒適性，要求：（1）線路嚴(yán)格按照設(shè)計的線型施工，即保持精確的幾何線型參數(shù)；（2）軌道必須具有非常高的平順性，精度要保持在毫米級的范圍以內(nèi)。為了滿足上述要求，應(yīng)根據(jù)線下工程和軌道鋪設(shè)的精度要求設(shè)計高速鐵路的各級平面高程控制網(wǎng)測量精度。

2.3高速鐵路軌道鋪設(shè)的精度要求

高速鐵路軌道施工的定位精度決定著高速鐵路的平順性，高速鐵路軌道鋪設(shè)應(yīng)滿足軌道內(nèi)部幾何尺寸（軌道自身的幾何尺寸）和外部幾何尺寸（軌道與周圍建筑物的相對尺寸）的精度要求。其中內(nèi)部尺寸描述軌道的幾何形狀，外部幾何尺寸體現(xiàn)軌道的空間位置和標(biāo)高。

2.3.1軌道的內(nèi)部幾何尺寸

軌道內(nèi)部幾何尺寸體現(xiàn)出軌道的形狀，根據(jù)軌道上相鄰點(diǎn)的相對位置關(guān)系就可以確定，表現(xiàn)為軌道上各點(diǎn)的相對位置。軌道內(nèi)部幾何尺寸的各項(xiàng)規(guī)定是為了給列車的平穩(wěn)運(yùn)行提供一個平順的軌道，即通常提到的平順性。因此，除軌距和水平之外，還規(guī)定了軌道縱向高低和方向的參數(shù)，這些參數(shù)能保證軌道的實(shí)際形狀是否與設(shè)計形狀相符，軌道內(nèi)部幾何尺寸的測量也稱之為軌道的相對定位。高速鐵路軌道鋪設(shè)內(nèi)部幾何尺寸精度標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1高速鐵路軌道靜態(tài)平順度允許偏差序項(xiàng)目號1軌距允許偏差±1mm1/15002mm2軌向2mm/8α10mm/240α2mm3高低2mm/8α10mm/240α45水平扭曲（基長3m）2mm2mm檢測方法相對于1435mm變化率弦長10m基線長48α基線長480α弦長10m基線長48α基線長480α----允許偏差±1mm1/15002mm2mm/5α10mm/150α2mm2mm/5α10mm/150α2mm2mm檢測方法相對于1435mm變化率弦長10m基線長48α基線長480α弦長10m基線長48α基線長480α----無砟軌道有砟軌道注：表中α為軌枕/扣件間距

2.3.2軌道的外部幾何尺寸

軌道的外部尺寸是軌道在空間三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和高程，由軌道中線與周圍相鄰建筑物的關(guān)系來確定。軌道外部幾何尺寸的測量也稱之為軌道的絕對定位，軌道的絕對定位必須與路基、橋梁、隧道、站臺等線下工程的空間位置坐標(biāo)和高程相匹配協(xié)調(diào)。軌道的絕對定位精度要求如表2所示。

軌道的絕對定位精度必須滿足軌道相對定位精度的要求，即軌道平順性的要求。由此可見，高速鐵路各級測量控制網(wǎng)測量精度應(yīng)同時滿足足線下工程施工和軌道工程施工的精度要求，即必須同時滿足軌道絕對定位和相對定位的精度要求。

3高速鐵路精密工程測量的特點(diǎn)

3.1高速鐵路各級平面高程控制網(wǎng)精度應(yīng)滿足勘測設(shè)計、線下工程施工、軌道施工及運(yùn)營養(yǎng)護(hù)的要求

表2高速鐵路軌道軌面高程、軌道中線、線間距允許偏差序號項(xiàng)目一般路面1軌面高程與設(shè)計比較在建筑物上緊靠站臺23軌道中線與設(shè)計中線線間距允許偏差（mm）+4-6+4010+100由于過去鐵路建設(shè)的速度目標(biāo)值較低，對軌道的線型和平順性要求不高，傳統(tǒng)的鐵路工程測量在勘測、施工中沒有要求建立一套適合勘測、施工、運(yùn)營維護(hù)的完善的控制測量系統(tǒng)�？刂凭W(wǎng)測量的精度指標(biāo)主要是根據(jù)滿足線下土建工程的施工控制要求而制定，軌道的鋪設(shè)不是以控制網(wǎng)為基準(zhǔn)按照設(shè)計的坐標(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)計參數(shù)相差甚遠(yuǎn)。

3.2高速鐵路精密測量控制網(wǎng)按分級布網(wǎng)的原則布設(shè)

高速鐵路工程測量平面控制網(wǎng)應(yīng)在框架控制網(wǎng)（CPO）基礎(chǔ)上分三級布設(shè)，第一級為基層平面控制網(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。

CPOCPⅠCPⅡCPⅢCPⅢCPⅠCPⅢCPⅡCPⅠ路基中線CPOCPⅠ圖1高速鐵路三級平面控制網(wǎng)示意圖

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、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)。

高速鐵路建立框架控制網(wǎng)CPO，是在總結(jié)京津城際鐵路、鄭西、武廣、哈大、京瀘、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，沿線必須每隔一段距離聯(lián)測高等級的平面控制點(diǎn)。但是由于沿線國家的高級控制點(diǎn)之間的精度較低，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1/180000的要求。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中首先采用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)。

高速鐵路工程測量平面控制網(wǎng)應(yīng)在框架控制網(wǎng)（CPO）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網(wǎng)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高速鐵路測量控制網(wǎng)。

3.3高速鐵路工程測量平面坐標(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。由于地球是個橢球曲面，地面上的測量數(shù)據(jù)需投影到施工面上，由曲面的幾何圖形在投影到平面時，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，這時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)計和計算平面上，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，平面坐標(biāo)系統(tǒng)投影變形值按1/100000控制。根據(jù)武廣線、鄭西線無砟軌道CPⅢ控制網(wǎng)的測量實(shí)踐表明，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)行平差計算就可以滿足CPⅢ控制網(wǎng)的精度要求。

3.4高速鐵路精密工程測量“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了勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運(yùn)營維護(hù)控制網(wǎng)。我們把高速鐵路工程測量這三個階段的控制網(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)為保證控制網(wǎng)的測量成果質(zhì)量滿足高速鐵路勘測、施工、運(yùn)營維護(hù)三個階段測量的要求，適應(yīng)高速鐵路工程建設(shè)和運(yùn)營管理的需要，三階段的平面、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”�！叭�網(wǎng)合一”的內(nèi)容和要求如下：3.4.1勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運(yùn)營維護(hù)控制網(wǎng)坐標(biāo)高程系統(tǒng)的統(tǒng)一在高速鐵路的勘測設(shè)計、線下施工、軌道施工及運(yùn)營維護(hù)的各階段均采用坐標(biāo)定位控制。因此必須保證三網(wǎng)的坐標(biāo)高程系統(tǒng)的統(tǒng)一，才能使高速鐵路發(fā)勘測設(shè)計、線下施工、軌道施工即運(yùn)營維護(hù)工作順利進(jìn)行。

如果勘測控制網(wǎng)與線下工程施工控制網(wǎng)坐標(biāo)高程系統(tǒng)不統(tǒng)一，則無法按照設(shè)計的坐標(biāo)高程施工，線位偏離設(shè)計位置，高程凈空限界不足：

在武廣、鄭西客專建設(shè)中，由于原勘測控制網(wǎng)的精度和邊長投影變形值不能滿足無砟軌道施工測量的要求，后來按《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》的要求建立了CPⅠ、CPⅡ平面控制網(wǎng)和二等水準(zhǔn)高程應(yīng)急網(wǎng)。采用了利用新舊網(wǎng)相結(jié)合使用的辦法，即對滿足精度的舊控制網(wǎng)仍用其施工；對不滿足精度要求的舊控制網(wǎng)則采用CPⅠ、CPⅡ平面施工控制網(wǎng)與施工切線聯(lián)測，分別更改每個曲線的設(shè)計進(jìn)行施工，待線下工程竣工后再統(tǒng)一貫通測量進(jìn)行鋪軌設(shè)計的方法。由于工程已開工，新舊兩套坐標(biāo)在精度和尺度上都存在較大的差異，只能通過單個曲線的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和線型擬合的方法來啟用新網(wǎng)，給設(shè)計施工都造成了極大的困難。

如果線下施工與軌道施工控制網(wǎng)坐標(biāo)高程系統(tǒng)不統(tǒng)一，將會導(dǎo)致線下工程與軌道工程錯開，無法按照設(shè)計的要求鋪設(shè)軌道：

在遂渝線無砟軌道試驗(yàn)段建設(shè)中，由于線下工程勘測設(shè)計和施工均按照《新建鐵路工程測量規(guī)范》（TB10101-99）要求的測量精度施測，即平面坐標(biāo)系采用1954年北京坐標(biāo)系3°帶投影，邊長投影變形值大210mm/km，導(dǎo)致測量按初測導(dǎo)線1/6000的精度要求施測，施工時，除全長5km的龍鳳隧道按C級GPS測量建立施工控制網(wǎng)外，其余地段采用勘測階段施測的導(dǎo)線及水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行施工測量。鐵道部決定在該段進(jìn)行鋪設(shè)無砟軌道試驗(yàn)時，線下工程已基本完成，為了保證無砟軌道的鋪設(shè)安裝，在該段線路上采用B級GPS和二等水準(zhǔn)進(jìn)行平面高程控制測量，平面坐標(biāo)采用工程獨(dú)立坐標(biāo)，邊長投影變形值≤3mm/km。高程系統(tǒng)采用與勘測高程系統(tǒng)一致的1985高程基準(zhǔn)，以初測水準(zhǔn)點(diǎn)BM19為起算基準(zhǔn)形成二等水準(zhǔn)閉合環(huán)。

施工單位在無砟軌道施工時，采用新建的B級GPS平面控制網(wǎng)和二等水準(zhǔn)高程控制網(wǎng)進(jìn)行施工。由于勘測階段平面控制網(wǎng)精度與無砟軌道平面控制網(wǎng)精度和投影尺度不一致，致使按無砟軌道高精度平面控制網(wǎng)測量的線路中線和線下工程中線橫向平面位置相差達(dá)到50cm。為了不廢棄既有工程，施工單位不得不反復(fù)調(diào)整線路平面設(shè)計，最終將曲線偏角變更了17″，將線路橫向平面位置誤差調(diào)到路基段進(jìn)行消化。使路基段的線路橫向平面位置誤差消化量最大達(dá)到70～80mm，這樣才滿足了無砟軌道試驗(yàn)段的鋪設(shè)要求。由此可見，線下工程施工平面控制網(wǎng)精度相差太大，會給高速鐵路軌道施工增加很多困難遂渝線無砟軌道試驗(yàn)段的速度目標(biāo)值為200km/h，而且線路只有12.5km，有大量的路基段可以消化誤差，調(diào)整起來比較容易。當(dāng)速度目標(biāo)值為250～350km/h時，線路均為橋隧相連，沒有路基段消化誤差，誤差調(diào)整工作更困難。當(dāng)誤差調(diào)整消化不了時，就會造成局部工程報廢。3.4.2勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運(yùn)營維護(hù)控制網(wǎng)起算基準(zhǔn)的統(tǒng)一

高速鐵路勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運(yùn)營維護(hù)控制網(wǎng)平面測量應(yīng)以基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)CPⅠ為平面控制基準(zhǔn)，高程測量應(yīng)以二等水準(zhǔn)基點(diǎn)為高程控制測量基準(zhǔn)。

在京津城際鐵路建設(shè)中，由于線下工程施工以勘測的四等水準(zhǔn)控制網(wǎng)為基準(zhǔn)，鋪軌時以二等水準(zhǔn)基點(diǎn)為高程控制測量基準(zhǔn)。線下工程施工高程基準(zhǔn)與軌道施工高程基準(zhǔn)不一致，造成了部分墩臺頂部施工報廢重新施工的情況。

“三網(wǎng)合一”是高速鐵路采用坐標(biāo)進(jìn)行線路的勘測設(shè)計、工程施工以及運(yùn)營維護(hù)管理的前提。在“三網(wǎng)合一”基礎(chǔ)上，線路及其附屬建筑物的里程和坐標(biāo)一一對應(yīng)，每一個里程只有一個唯一的坐標(biāo)（x、y、h），使施工和運(yùn)營維護(hù)能夠嚴(yán)格按照設(shè)計的線型進(jìn)行施工和養(yǎng)護(hù)，保證高速鐵路軌道的平順性，同時也為工務(wù)管理信息化和構(gòu)建數(shù)字化鐵路創(chuàng)造了條件。“三網(wǎng)合一”是高速鐵路工程測量技術(shù)體系的基礎(chǔ)和核心。

4結(jié)束語

目前，我們通過引用、消化吸收、再創(chuàng)造，已掌握了高速鐵路工程建設(shè)測量技術(shù)�！陡咚勹F路工程測量規(guī)范》已編制完成并頒布實(shí)施，形成了一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速鐵路工程測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，并大規(guī)模地開展高速鐵路建設(shè)。但是，隨著我國多條高速鐵路的相繼竣工，大規(guī)模地投入運(yùn)營。高速鐵路的運(yùn)營及養(yǎng)護(hù)維修測量將是一個迫切需要我們解決的問題，而如何利用已有的CPⅢ控制網(wǎng)和鋪軌基標(biāo)快速完成高速鐵路的運(yùn)營和養(yǎng)護(hù)維修測量，目前還是一個空白，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。同時應(yīng)通過對京津城際鐵路養(yǎng)護(hù)維修測量和鄭西、武廣客運(yùn)專線無砟軌道鐵路運(yùn)營及養(yǎng)護(hù)維修測量的總結(jié)和開展科研，研究一套適合我國客運(yùn)專線鐵路軌道的運(yùn)營維護(hù)測量保障體系，確保高速鐵路的安全運(yùn)行。

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高速鐵路工程測量技術(shù)

摘要

高速鐵路的建設(shè)是現(xiàn)階段國家的一項(xiàng)重要任務(wù)。本文對傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行了簡單描述，總結(jié)了傳統(tǒng)測量方式的缺點(diǎn)。同時，通過對《高速鐵路工程測量規(guī)范》技術(shù)要點(diǎn)的總結(jié)，從“三網(wǎng)合一”、分級布網(wǎng)、軌道控制網(wǎng)等方面分析了現(xiàn)代鐵路工程測量技術(shù)，闡述了高速鐵路工程測量技術(shù)體系較傳統(tǒng)測量方法的進(jìn)步，是我國高速鐵路工程建設(shè)的技術(shù)基礎(chǔ)和有力支撐。

關(guān)鍵字：高速鐵路，工程測量，測量標(biāo)準(zhǔn)

Abstract

Theconstructionofhigh-speedrailwayisanimportanttaskofpresentstate.Inthispaper,thetraditionalmeasuringmethodhascarriedonthebriefdescription,summarizesthetraditionalmeasurementmethodsoffaults.Atthesametime,throughthemeasurementofthehighspeedrailwayengineering,theendofthemaintechnicalpointsfromthe"threenets",classificationandnet,orbitcontrolnetworkandotheraspectsanalyzesthemodernmeasuring

technologyofrailwayengineering,thispaperexpoundsthehigh-speedrailwayengineeringsurveytechnologysystemistheprogressofthetraditional

measurementmethod,isChina"shighspeedrailwayconstructiontechnologyfoundationandstrongsupport.

Keywords:highspeedrailway,engineeringsurveying,measuringstandard

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目錄

第一章引言..................................................................................................................1第二章我國的高速鐵路工程測量技術(shù)體系..............................................................2第三章傳統(tǒng)的鐵路工程測量................................................33.1傳統(tǒng)的鐵路工程測量方法.................................................................................33.2傳統(tǒng)的鐵路工程測量方法的缺陷.....................................................................3第四章高速鐵路精密測量體系..................................................................................54.1高速鐵路精密工程測量的內(nèi)容.........................................................................54.2速鐵路精密工程測量的目的.............................................................................54.3速鐵路軌道鋪設(shè)的精度要求.............................................................................54.3.1軌道的內(nèi)部幾何尺寸...................................................................................54.3.2軌道的外部幾何尺寸...................................................................................64.4高速鐵路精密測量體系的特點(diǎn).........................................................................64.4.1“三網(wǎng)合一”的測量體系...........................................................................64.4.2建立框架控制網(wǎng)CP0...................................................................................64.4.3高速鐵路平面控制網(wǎng)的分級布網(wǎng)...............................................................74.4.4CPⅢ自由測站邊角交會網(wǎng)測量...................................................................74.5筑物變形監(jiān)測.....................................................................................................8第五章結(jié)束語..............................................................................................................9參考文獻(xiàn)......................................................................................................................10

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第一章引言

交通問題一直是國家關(guān)注的重要部分，然而隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的加大，城市交通壓力也開始增大。為了緩解城市交通壓力，為人們提供出行方便，高速鐵路迅速的發(fā)展起來。高速鐵路旅客列車行駛速度高(250350km／h)，所以高鐵的交通安全不容忽視。保證高速鐵路安全的行駛，需要大量的前期工程投入，高新技術(shù)的加入是必不可少。

第二章我國的高速鐵路工程測量技術(shù)體系

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。

201*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)。

201*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，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》。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CPlII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)。

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第三章傳統(tǒng)的鐵路工程測量

3.1傳統(tǒng)的鐵路工程測量方法

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)計和施工的坐標(biāo)基準(zhǔn)，其測量作業(yè)模式和流程為：初測定測線下工程施工測量鋪軌測量。

(1)初測

平面控制測量一初測導(dǎo)線：坐標(biāo)系統(tǒng)為1954北京坐標(biāo)系；測角中誤差12．5”(25”√n)，導(dǎo)線全長相對閉合差：光電測距1／6000，鋼尺丈量1／201*。高程控制測量一初測水準(zhǔn)：高程系統(tǒng)為1956黃海高程／1985國家高程基準(zhǔn)；測量精度：五等水準(zhǔn)(30√￡)。

(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。

3.2傳統(tǒng)的鐵路工程測量方法的缺陷

傳統(tǒng)的鐵路測量方法，在過去主要靠經(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30帶投影，投影帶邊緣邊長投影變形值最大可達(dá)340mm／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)計和施工的坐標(biāo)基準(zhǔn)，沒有采用逐級控制

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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。

(3)測量精度低。

由于導(dǎo)線方位角測量精度要求較低，施工單位復(fù)測時，經(jīng)常出現(xiàn)曲線偏角超限問題，施工單位只有以改變曲線要素的方法來進(jìn)行施工。在普通速度條件下，不會影響行車安全和舒適度，但在高速行車條件下，就有可能影響行車安全和舒適度。

(4)軌道鋪設(shè)精度難以滿足設(shè)計線形和平順度要求。

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)計位置相差太大、縱斷面整坡變成了很多碎坡等問題。

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第四章高速鐵路精密測量體系

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)。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)。

4.1高速鐵路精密工程測量的內(nèi)容

高速鐵路精密工程測量貫穿于高速鐵路工程勘測設(shè)計、施工、竣工驗(yàn)收及運(yùn)營維護(hù)測量全過程，包括以下內(nèi)容：

(1)高速鐵路平面高程控制測量；(2)線下工程施工測量；(3)軌道施工測量；(4)運(yùn)營維護(hù)測量。

4.2速鐵路精密工程測量的目的

高速鐵路精密工程測量的目的是通過建立各級平面高程控制網(wǎng)，在各級精密測量控制網(wǎng)的控制下，實(shí)現(xiàn)線下工程按設(shè)計線型準(zhǔn)確施工和保證軌道鋪設(shè)的精度能滿足旅客列車高速、安全行駛。為了達(dá)到在高速行駛條件下，旅客列車的安全性和舒適性，那么線路嚴(yán)格按照設(shè)計的線型施工，即保持精確的幾何線性參數(shù)；軌道必須具有非常高的平順性，精度要保持在毫米級的范圍以內(nèi)。

4.3速鐵路軌道鋪設(shè)的精度要求

高速鐵路軌道施工的定位精度決定著高速鐵路的平順性，高速鐵路軌道鋪設(shè)應(yīng)滿足軌道內(nèi)部幾何尺寸(軌道自身的幾何尺寸)和外部幾何尺寸(軌道與周圍建筑物的相對尺寸)的精度要求。其中內(nèi)部尺寸描述軌道的幾何形狀，外部幾何尺寸體現(xiàn)軌道的空間位置和標(biāo)高。4.3.1軌道的內(nèi)部幾何尺寸

軌道內(nèi)部幾何尺寸體現(xiàn)出軌道的形狀，根據(jù)軌道上相鄰點(diǎn)的相對位置關(guān)系就

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可以確定，表現(xiàn)為軌道上各點(diǎn)的相對位置。軌道內(nèi)部幾何尺寸的各項(xiàng)規(guī)定是為了給列車的平穩(wěn)運(yùn)行提供一個平順的軌道，即通常提到的平順性。因此，除軌距和水平之外，還規(guī)定了軌道縱向高低和方向的參數(shù)，這些參數(shù)能保證軌道有正確的形狀。利用這些參數(shù)可以檢查軌道的實(shí)際形狀是否與設(shè)計形狀相符，軌道內(nèi)部幾何尺寸的測量也稱之為軌道的相對定位。4.3.2軌道的外部幾何尺寸

軌道的外部幾何尺寸是軌道在空間三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和高程，由軌道中線與周圍相鄰建筑物的關(guān)系來確定。軌道外部幾何尺寸的測量也稱之為軌道的絕對定位，軌道的絕對定位必須與路基、橋梁、隧道、站臺等線下工程的空間位置坐標(biāo)和高程相匹配協(xié)調(diào)。軌道的絕對定位精度必須滿足軌道相對定位精度的要求，即軌道平順性的要求。由此可見，高速鐵路各級測量控制網(wǎng)測量精度應(yīng)同時滿足線下工程施工和軌道工程施工的精度要求，即必須同時滿足軌道絕對定位和相對定位的精度要求。

4.4高速鐵路精密測量體系的特點(diǎn)

4.4.1“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)、CPm控制網(wǎng)。

運(yùn)營維護(hù)控制網(wǎng)包括：CPlI控制網(wǎng)、水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)、CPm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、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”。4.4.2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、

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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)問甚至不能滿足規(guī)范要求的CPI控制點(diǎn)相對中誤差≤1／80000。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)。4.4.3高速鐵路平面控制網(wǎng)的分級布網(wǎng)

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)CPlI，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)示意圖

4.4.4CPⅢ自由測站邊角交會網(wǎng)測量

CPIll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

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CPⅢ控制點(diǎn)有3個自由測站點(diǎn)的距離、方向交會。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。

圖2CPⅢ控制網(wǎng)示意圖

4.5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、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)。

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第五章結(jié)束語

目前，我們通過引進(jìn)、消化吸收、再創(chuàng)新，已掌握了高速鐵路工程建設(shè)測量技術(shù)。《高速鐵路工程測量規(guī)范》已編制完成并頒布實(shí)施，形成了一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速鐵路工程測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，并大規(guī)模地開展高速鐵路建設(shè)。但是，隨著我國多條高速鐵路的相繼竣工，大規(guī)模地投入運(yùn)營。高速鐵路的運(yùn)營及養(yǎng)護(hù)維修測量將是一個迫切需要我們解決的問題。而如何利用已有的CPIII控制網(wǎng)和鋪軌基標(biāo)快速完成高速鐵路的運(yùn)營及養(yǎng)護(hù)維修測量，目前還是一個空白，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。同時應(yīng)通過對京津城際鐵路養(yǎng)護(hù)維修測量和鄭西、武廣客運(yùn)專線無砟軌道鐵路運(yùn)營及養(yǎng)護(hù)維修測量的總結(jié)和開展科研，研究一套適合我國客運(yùn)專線鐵路軌道的運(yùn)營維護(hù)測量技術(shù)，逐步完善高速鐵路運(yùn)營維護(hù)測量保障體系，確保高速鐵路的安全運(yùn)行。

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參考文獻(xiàn)

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