高速铁路精密工程测量(王长进)

高速铁路精密工程测量演绎诚信之本追求卓越之路铁道第三勘察设计院集团公司2010年7月报告人：王长进目录一、精密工程测量的概念及常用的设备二、高速铁路建精测网的必要性三、传统的铁路工程测量的方法四、高速铁路精密工程测量的特点五、高速铁路精密工程测量的内容和方法六、一体化测量系统简介一、精密工程测量的概念及常用技术设备什么叫精密工程测量精密工程测量的特点如何理解测量的精度高速铁路工程中哪些测量属于精密工程测量范畴GPS全站仪电子水准仪什么叫精密工程测量工程测量分普通工程测量和精密工程测量所谓精密，顾名思义是精确严密精密工程测量主要是研究地球空间中具体几何实体的精密测量描述和抽象几何实体的精密测设实现的理论、方法和技术。精密工程测量代表着工程测量学的发展方向

精密工程测量的特点精密工程测量的最大特点是要求的测量精度很高。精密工程测量的另一个特点是对测量的可靠性要求很高，包括测量仪器的鉴定检核，测量标志的稳定、测量方法的严密、测量方案的优选、观测量之间的相互检查控制，以及严密的数据处理和对测量的质量检查控制以及监理等等。

如何理解测量的精度精度这一概念包含的意义很广，分相对精度和绝对精度。相对精度又有两种一种是观测量的精度与观测量的比值，比值越小则精度越高，如边长的相对精度。但比值与观测量及其精度这两个量都相关，同样是1/1000000,观测量是10m和10km，精度分别为0.01mm和10mm，故有可比性差的缺点；另一种是一点相对于另一点，特别是临近点的精度，这种相对精度与基准无关，便于比较，但是各种组合太多，如有100个点，每一个点就有99个这样的相对精度。

如何理解测量的精度绝对精度也有两种一是指一个观测量相对于其真值的精度，这一精度指标应用最多。由于真值难求，通常用其最或是值代替。但这一绝对精度指标也有弊病，有时，它也与观测量的大小有关，如长度观测量另一种是指一点相对于基准点的精度，该精度与基准有关，并且只能在相同的基准下比较

如何理解测量的精度由于精度的含义较多，而且随着测量技术的发展又在不断地提高，那么，有什么精度要求的测量才能称之为精密工程测量很难给出一个确切的定义。这里我们给出以下定义：凡是采用一般的、通用的测量仪器和方法不能满足工程对测量或测设精度要求的测量，统称精密工程测量。

高速铁路那些测量属于精密工程测量大型工程、特种工程中并非所有的测量都是精密工程测量，因此大型工程、特种工程不能与精密工程并列。大型、特种工程中一定包括一些或许多精密工程测量

高速铁路那些测量属于精密工程测量高速铁路工程变形监测和轨道板铺设、轨道精调属于精密工程测量，就其精度而言，其相对精度可能要求达到毫米至亚毫米级高速铁路工程控制网从分级布设，最弱边长相对精度从几万分之一到上百万之一，临近点坐标精度一般10毫米左右长大隧道的横向贯通精度虽然在厘米到分米级，但其对方向测量精度要求很高，也属于精密工程测量

GPS

GPS

GPS

GPS

GPS

GPSRTK

全站仪

电子水准仪

二、高速建精密工程测量体系的必要性高速铁路行车速度快，列车运行安全和舒适度对轨道的高平顺性和高稳定性要求高；高速铁路建设需要大量铺设无砟轨道，轨道板的铺设和轨道（道岔）精调都需要高精度、高可靠性的测量技术做保证；高速铁路勘察设计、施工和运营检测过程中的测量很多都属于精密工程测量的范畴“三网合一”建设的需要；高速铁路建设工程测量成套技术标准体系的建设需要。三、传统的铁路工程测量的方法铁路速度目标值低，对平顺性要求不高，勘测设计、施工和运营养护维修没有要求建立统一的坐标基准（控制网不唯一，各自一体），没有“三网合一”的概念各级控制网测量精度指标主要考虑线下工程施工要求制定，没有考虑过轨道施工和运营对测量控制网的要求作业模式和流程一般是：初测、定测、线下工程施工测量、铺轨测量高斯投影变形和高程投影变形大。北京54和西安80坐标系统一般采用3度带投影，不利于GPSRTK、全站仪进行勘测和施工放样。高程投影变形在高原地区和线路高差大的地方投影变形大。测量精度要求低，平面一般五等导线精度，高程测量采用五等水准，多属于普通工程测量的范畴。经常出现曲线偏角超限问题，施工单位只有已改变曲线要素的方法进行施工施工交桩一般也是只交中桩，不给施工单位交导线点和GPS控制点，施工单位也不用坐标法施工

四、高速铁路精密工程测量的特点从控制网网形上看属于带状，CPI直接闭合到国家高等级GPS点（A/B级）困难，所以有时需要做CP0；高速铁路精密工程测量最大的特点是精度要求高。轨道基准点和轨道（道岔）精调需要达到亚毫米级测量精度；轨道板的铺设需达到亚毫米～毫米级的测量精度；轨道控制网CPIII测量要求1毫米测量精度；高速铁路精密工程测量层次多，领域广，工作量繁重，是铁路建设成败的关键技术之一。

五、高速精密工程测量的内容及方法主要技术支持性文件或规范平面控制测量的内容和作业方法高程控制测量的内容和作业方法控制网复测及加密作业方法线下施工阶段的测量作业方法无砟轨道铺设阶段的测量作业方法构筑物变形测量作业方法线路整理及竣工测量作业方法运营及养护维修测量主要技术支持性文件或规范1、《高速铁路工程测量规范》（TB10601-2009）2、《新建铁路工程测量规范》（TB10101-2009）3、《高速铁路无砟轨道工程施工精调作业指南》（铁建设函[2009]674号）4、《高速铁路无砟轨道施工测量暂行标准》（报批稿）5、《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》（铁建设[2006]158号）6、《客运专线无砟轨道铁路工程施工技术指南》（TZ216-2007）7、《客运专线无砟轨道铁路工程施工质量验收暂行标准》（铁建设[2007]85号）8、《时速200公里及以上铁路工程基桩控制网（CPⅢ）测量管理办法》（铁建设[2008]80号）9、《关于进一步规范铁路工程测量控制网管理工作的通知》（铁建设[2009]20号）

平面控制测量的内容和作业方法平面控制按分级布网的原则布设GPS框架网CPOD×10-6

基础平面控制网（CPⅠ）10线路平面控制网（CPⅡ）8线下施工控制网加密8轨道控制网(CPⅢ)1加密基标0.2

GPS框架网CP0

按每50～100km左右设置一座，按国家A/B级GPS标准施测。若国家A/B级GPS点密度和兼容性好可以代替CP0。

测量方法：使用双频GPS接收机，按静态测量方式观测两个时段，每个时段24小时（A级）或4小时（B级），使用精密星历解算基线。精度指标要求：最弱边相对中误差：1/1000000基础平面控制网（CPⅠ）按二等GPS施测，小于4km布设一个点或一个点对，点对间距大于等于800m。

测量方法：使用双频GPS接收机，按静态测量方式观测两个时段，每个时段90分钟，使用广播星历解算基线。基线边方向中误差:1.3秒最弱边相对中误差：1/180000

相对点位精度：10

mm

线路控制网（CPⅡ）采用GPS法测量，按三等GPS测量施测，点间距在600～800m。

测量方法：使用双频GPS接收机，按静态测量方式观测两个时段，每个时段60分钟，使用广播星历解算基线。基线边方向中误差:1.7秒最弱边相对中误差：1/100000

相对点位精度：8mm《暂规》规定无砟轨道客运专线水准基点高程控制测量采用二等水准施测，点间距小于等于2km，CPIII高程测量采用精密水准测量。

沿线布设基岩点、深埋水准点和一般水准点（线路水准基点）三种类型，组成统一的高程控制网，水准点位设在线路施工的影响范围以外。

高程控制测量

基岩点：按约每100km设置一座。京津城际高速在北京和天津共设置2座，京沪高速北京至徐州段采用既有和新布设基岩点共计6座。大西客专大同至运城段利用国家基岩点三个。作业方法：使用电子水准仪和条码尺，按一等或二等水准测量要求施测。

高程控制测量深埋水准点：京津城际每4km设置一个深埋水准点，共设置28个，京沪高速北京至济南段部分路段地处区域性地面沉降区，按每6-8km设置一个深埋水准点。大西客专20-256-8km设置一个。深度根据地质地层条件及桥梁墩设计深度单独进行设计，平均深度约50m左右。作业方法：使用电子水准仪和条码尺，按二等水准测量要求施测。

高程控制测量一般水准点（线路水准基点）：沿线一般水准点不大于2km布设一个，在特大桥、隧道附近和车站范围内增设水准点。为便于施工单位施工放样对高程点的引用，一般水准点尽量与CPI、CPⅡ点位共用。作业方法：使用电子水准仪和条码尺，按二等水准测量要求施测。

高程控制测量

1、水准加密观测按照国家二等水准施测，采用单路线往返观测。加密点设置同平面点，测量时附合在相邻的水准点上。2、仪器使用不低于DS1级的精密电子水准仪用配套2m或3m铟瓦条码水准尺、尺垫。水准仪与水准尺在使用前及使用过程中，经常规检校合格，水准仪视准轴与水准管轴的夹角均不超过15″。外业测量自动观测记录，一条路线的往返测使用同一类型仪器和转点尺垫，沿同一路线进行。观测成果的重测和取舍按《国家一、二等水准测量规范》（GB/T12897-2006）有关要求执行。

二等水准测量具体方法及精度要求

3、观测时，视线长度≤50m，前后视距差≤1.0m（光学），≤1.5m（电子）；前后视距累积差≤3.0m（光学），≤6.0m（电子）；视线高度≥0.3m（光学），≥0.5m（电子）；测站限差：两次读数差≤0.4mm，两次所测高差之差≤0.6mm，检测间歇点高差之差≤1.0mm；观测读数和记录的数字取位：使用DS05或DS1级仪器，读记至0.05mm或0.1mm；使用数字水准仪读记至0.01mm。4、观测时，一般按后-前-前-后的顺序进行，对于有变换奇偶站功能的电子水准仪，按以下顺序进行。

往测：奇数站为后—前—前—后，偶数站为前—后—后—前； 返测：奇数站为前—后—后—前，偶数站为后—前—前—后二等水准测量具体方法及精度要求

5、每一测段均为偶数测站。一组往返测一般安排在不同的时间段进行；由往测转向返测时，互换前后尺再进行观测；晴天观测时给仪器打伞，避免阳光直射；扶尺时借助尺撑，使标尺上的气泡居中，标尺垂直。6、观测前30分钟，将仪器置于露天阴影处，使仪器与外界气温趋于一致；对于数字式水准仪，进行不少于20次单次测量，达到仪器预热的目的。测量中避免望远镜直接对着太阳；避免视线被遮挡，遮挡不超过标尺在望远镜中截长的20%。观测时用测伞遮蔽阳光，对于电子水准仪，施测时均装遮光罩。

二等水准测量具体方法及精度要求

7、自动安平水准仪的圆水准器，严格置平。在连续各测站上安置水准仪时，使其中两脚螺旋与水准路线方向平行，第三脚螺旋轮换置于路线方向的左侧与右侧。除路线拐弯处外，每一测站上仪器与前后视标尺的三个位置，一般为接近一条直线。8、观测过程中为了保证水准尺的稳定性，选用2.5KG以上的尺垫，水准观测路线必须路面硬实，观测过程中尺垫踩实以避免尺垫下沉。同时观测过程中避免仪器安置在容易震动的地方，如果临时有震动，确认震动源造成的震动消失后，再激发测量键。水准尺均借助尺撑整平扶直，确保水准尺垂直。

二等水准测量具体方法及精度要求二等水准测量具体方法及精度要求控制网复测控制网复测分为定期复测和不定期复测定期复测维护是对高速铁路平面高程控制网全面复测，复测内容包括全线CP0、CPⅠ、CPⅡ及线路水准基点，设计单位交桩后和CPIII建网前必须进行一次全面复测，特殊地区、地面沉降地区或施工期间出现异常的地段，适当增加复测次数不定期复测维护内容包括施工标段范围内CPⅠ、CPⅡ及线路水准基点及施工加密控制点复测，检查控制点间的相对位置是否发生位移复测应该使用与建网时相同的技术标准、作业方法、精度等级相同的仪器设备

CP0/CPI/CPII复测1.采用GPS法复测CP0、CPⅠ、CPⅡ控制点，复测与原测坐标较差限差应分别满足20、20、15（mm）的要求，相邻点复测与原测坐标差之差相对精度限差分别为1/130000和1/800002.采用导线法复测CPⅡ控制点，应按三等导线精度复测，且满足：水平角较差限差3.6″

边长较差限差2.83mD

平面点位较差限差：2*sqrt（m原2+m复2）

水准复测限差

二等水准：6*sqrt（L）精密水准:12*sqrt（L）线下工程施工阶段测量作业方法线下施工控制网加密线路测量路基测量桥涵测量隧道测量

1.施工控制网加密测量可根据施工要求采用同级扩展或向下一级发展的方法。应根据现场情况制定技术设计书。2.施工控制网加密测量可采用导线或GPS测量方法测量，施工控制网加密必须就近附合到CPⅡ或CPⅠ控制点，采用固定数据约束平差3.点位选在距线路中线较近、稳固可靠且不易被施工破坏的范围内，便于长期保存，方便测设中线。4.采用导线加密时，导线边长200~400m左右为宜，按四等导线施测，导线附合长度不大于1200m。

线下施工控制网加密5.采用GPS方法加密时，GPS基线边不宜短于300m，按四等GPS精度要求施测。6.加密高程控制测量应起闭于线路水准基点，采用同级扩展或向下一级发展的方法，按二等水准测量要求施测。

线下施工控制网加密平面加密测量具体方法及精度要求

平面一般均采用导线法进行加密测量。

（1）一般规定：线下施工控制网加密线下施工控制网加密线下施工控制网加密线下施工控制网加密线路中线测量

中线测量应在定测平面控制网和线路水准基点或四等高程控制网基础上进行。当控制点密度不能满足中线测量需要时，平面应按五等GPS或一级导线加密，导线长度应不大于5km；高程按五等水准测量精度要求加密

1.GPSRTK1)基准站设置在已知的平面、高程控制点上

2）转换参数求解，公共点平面残差应控制在1.5cm以内，高程残差应控制在3cm以内

3）放线作业前，流动站应对已知点进行测量并存储，平面互差应小于2.5cm，高程互差应小于4cm4）重新设置参考站后，应对最后两个中线桩进行复测并记录，平面互差应小于2.5cm，高程互差应小于5cm5）中线放样坐标与设计坐标较差应在5cm以内。

2.全站仪测设（略）

路基测量路基横断面测量 水准仪、全站仪和断面仪三种方法施测地基加固工程施工放样 使用GPSRTK或全站仪坐标法放样桩板结构路基施工放样

控制网平面使用GPS或全站仪测量，高程使用二等水准测量

放样使用全站仪

桥涵测量对于旱桥（非跨江、河），有在CPI、CPII基础上加密的导线点（300m左右）即可，无需单独再建网跨江河的特大桥、复杂桥应建立独立桥梁控制网桥梁控制网使用GPS方法施测注意和难点：跨河水准，桥轴线长度相对中误差隧道测量长大隧道应进行洞外控制网测量，使用GPS静态测量技术测量隧道洞口进洞方向边要选好进洞导线观测时应选择在阴天进行斜井处或隧道进出口高差较多时，因投影变形不能满足10mm/km，应对导线边长进行高程改化

构筑物变形测量在工程设计阶段，应对变形测量进行规划设计在施工过程中及运营阶段应对线下构筑物进行变形监测变形监测网分水平位移监测网和垂直位移监测网分别建立变形观测等级及精度见<暂规>表6.1.5其他因为设计院的设计文件中已做详细设计就不再祥述

无砟轨道铺设阶段的测量轨道控制网CPIII测量加密基标测量轨道板铺设测量轨道精调测量

CPⅢ轨道控制网测量

CPⅢ主要为无砟轨道铺设和运营维护提供控制基准。控制网精度要求高，施测难度大，特别是采用全站仪自由设站边角交会测量，是一种全新的测量方式，该测量方式在国内并不多见。在京津城际高速铁路铺设无砟轨道时已经使用，现已通车。其精度要求如下表：控制点可重复性测量精度相对点位精度CPⅢ自由设站边角交会3mm1mm

CPⅢ观测要求测角中误差2.5秒，使用1秒级全站仪观测3~4个测回，使用0.5秒级全站仪观测2~3个测回。CPⅢ轨道控制网测量CPIII测量标志对比CPⅢ轨道控制网测量CPIII自由设站边角交会网形及测量方法为满足II型板铺设要求，需要进行加密基标（轨道基准点）测量。加密基标间距6.5m，相邻2点间相对精度应满足平面±0.2mm，高程±0.1mm的要求。作业方法：必须强制对中，使用和CPIII测设相同的具有自动观测功能的全站仪，采用后方交会方式测量6～8个CPIII点加密基标测量CPIVII型板铺设要求有轨道基准点测量。作业方法：在轨道基准点上架设的全站仪通过后方交会获得了三维坐标，观测移动滑架上的6个棱镜，将测得到数据与设计数据比较，残差显示在显示器上，横向小于0.5mm固定。轨道板铺设测量II型板铺设要求有轨道基准点测量。作业方法：在轨道基准点上架设的全站仪通过后方交会获得了三维坐标，观测移动滑架上的6个棱镜，将测得到数据与设计数据比较，残差显示在显示器上，横向小于0.5mm固定。轨道板铺设测量轨道最终位置验收测量的目的：在长钢轨焊接和固定以后，为长钢轨的最终位置建立合约性验收报告和数据证明。包括长钢轨的水平和竖直位置，轨距和超高以及短波和长波不平顺值证明修建的铁路是否满足合约中限差的要求。并且，养护维修部门可以根据这些信息来检查轨道的状态

线路整理及轨道竣工测量对CPIII进行复测使用的设备：轨道几何状态测量仪，或全站仪+水准仪采用轨道几何状态测量仪时，测量步长为1个轨枕间距采用全站仪+水准仪，测点间距不大于2m，全站仪测角标称精度不大于1秒，测距1mm+1ppm，高程按精密水准施测线路中线整理完成后，编制线路道岔调整后的坐标和高程成果表。线路整理及轨道竣工测量轨道几何状态测量仪带有无限通讯功能的全自动全站仪轨道几何状态测量仪

轨道最终位置测量的方法轨道最终位置验收测量的成果

利用钢轨垫板Zw692调节高程的调整量通过调节角度导向板Wfp15a，在平面位置可以达向左或向右调节轨道调整列表

轨道最终位置验收测量的成果控制点竣工测量成果表轨道铺设竣工测量成果表

轨道最终位置验收测量的成果定期对CPIII进行复测据轨道控制网CPIII定期对轨道的平顺性进行检测应对构筑物变形继续监测，特别是针对区域地面不均匀沉降地段，要重点监测运营及养护维修测量轨道几何状态测量仪进行检测

使用全站仪和水准测量方法检测综合轨检车检测其他手段检测轨道平顺性检测特征断面监测特征断面监测铁三院已成功建立了轨道设标网(CPIII)一体化测量系统，主要包括的内容：

外业一体化测量系统：提高了外业测量的速度可可靠性，降低了操作人员的劳动强度。

TSDI_CPIIIFieldSurvey;

Trim_TSDICPIIIFieldSurveyTSDI_HRSADJ精密工程测量软件：可以正确地处理客运专线轨道设标网（CPIII自由设站边角交会网）测量数据。两套软件相互无缝配合，实现了测量数据采集、管理、输出和平差处理的自动化与智能化。

六、一体化测量系统简介外业一体化测量系统

★★★★★

该系统提供了轨道设标网一体化测量的全面解决方案TCA2003TCRA1200TrimbleS6（一）概述客运专线轨道设标网一体化测量系统是铁三院针对客运专线无砟轨道设标网建设的需求，自主研发的一体化测量系统,率先通过了铁道部组织的鉴定,与会专家一致认为:该系统可在铁路建设及运营维护中推广应用。（一）概述系统能够实现轨道设标网GVN（CPIII自由设站边角交会网）全站仪自动测量、数据质量智能控制、自动输出报表以及与测量平差系统的无缝衔接，实现测量数据采集、管理、输出、平差处理的自动化、智能化和一体化。目前开发成果已经在京津城际轨道设标网测量等多个项目上推广应用，显著提高了测量质量和效率。（二）LeicaTCA2003、1800、1100程序●右图为铁三院集4年机载程序开发经验研发的6个机载测量程序全站仪机载程序●左图为TSDICPIII

测量程序建站界面●右图为程序控制自动测量界面●左图为测量点学习界面测量中归零差超限提示测量中2C互差超限提示测量中方向互差超限提示（三）LeicaTCRA1200程序简介左图为Leica1200机载测量程序清单，涵盖了导线测量、既有站场测量、既有线平面测绘等软件。●下图为测量点学习界面●上图为程序控制自动测量界面●上图为测量精度指标显示（四）TrimbleS6S8程序简介●上图为天宝机载测量程序封面●下图为程序主菜单●上图为测量精度指标显示●下图为测量点学习界面●上图为程序控制自动测量界面●下图为数据查看界面●上图为程序控制自动测量界面（五）系统的主要性能和特点★轻松值守、全自动、智能化依托伺服驱动、ATR自动瞄准技术，机载程序能够让全站仪像‘测量机器人’一样工作，实现了轻松值守、全天候（夜间）、全自动、智能化测量，减弱了人工干预引起的照准等误差；京津城际设标网夜间测量轻松值守自动测量★★实时质量监控和保障1.

对观测指标实时进行符合性判析，超限提示和任意测回重测：

——测回归零差

——2C互差

——方向互差——竖直角指标差等2.作业环境振动提示；3.气象条件不佳提示；4.观测目标错误提示；5.