无砟轨道高速铁路中精密工程测量体系的应用研究

无砟轨道高速铁路中精密工程测量体系的应用研究摘要：高速铁路中无砟轨道的施工具有精度要求高、控制困难的特点，因此必须构建一套与之适应的精密工程测量体系，才能保证铁路的高平顺性与舒适性。本文充分结合高速铁路、精密工程测量的特点，比较了传统工程测量的不足之处，从而提出了构建高速铁路精密工程测量体系的必要性，并详细介绍了高速铁路精密工程测量中的内容以及测量方法。

关键词：高速铁路；精密；测量

中图分类号：tb22文献标识码：a

改革开放以来，我国基础铁路设施的建设飞速发展。同时随着列车的不断提速，高速铁路的建设不断涌现。然而对于高速铁路来说，安全问题才是重点，同时也为了满足舒适的需求，因而要求高速铁路轨道具有较高的平顺性。无砟轨道又称之为无碴轨道，采用的是谐振式轨道电路传输技术，具有高平顺性、稳定性好、寿命长、维护保养简单、轨道形变较少等优点，目前已经成为了高速铁路轨道结构的发展方向。而无碴轨道施工技术的关键就在于高精密的测量技术[1]。因此，本文充分结合高速铁路、精密工程测量的特点，分析了高速铁路中精密工程测量体系构建的必要性，并详细介绍了高速铁路精密工程测量中的内容以及测量方法。

一、高速铁路精密工程测量体系的必要性

（一）传统铁路工程测量的缺陷

在过去，铁路建设的目标速度都较低，因而对轨道的平顺要求都比较低，同时在进行勘测、施工过程中都没有制定一套完整的控制测量体系。传统测量模式如图1所示。

图1传统铁路工程测量作业流程

传统测量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。高斯投影变形和高程投影变形都比较大，尤其是在高原地区和线路高差大的地方[2]。例如北京54和西安80坐标系统一般采用3度带投影，不利于gps—rtk、全站仪进行勘测和施工放样。测量精度都较低，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。测量过程中经常出现曲线偏角超限问题，使得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，不会给施工单位提供导线点和gps控制点，因而施工单位也不用坐标法施工。

（二）精密工程测量的特点

高速铁路精密工程测量是相对于传统的铁路工程测量而言，为了保证铁路非常高的平顺性，轨道测量精度要达到毫米级[3]。其测量方法、测量精度与传统的铁路工程测量完全不同。

1、确定了平面控制测量分三级布网的布设原则

第一级：基础平面控制网（cpⅰ），为勘测、施工、运营维护提供坐标基准；第二级：线路控制网（cpⅱ），为勘测和施工提供控制基准；

第三级：基桩控制网/施工加密网（cpⅲ），为线下工程、无砟轨道施工和运营维护提供控制基准。

高速铁路工程测量三级平面控制网如图2所示。

图2三级平面控制网示意图

2、确定了“三网合一”的测量体系

铁路测量平面高程控制按照施工目的、时间以及作用不同可分为施工控制网、运营维护控制网以及勘测控制网，合称为三网[4]。精密工程测量体系的构建实现了三网坐标高程系统的统一，统一了三网的起算基准以及测量的精度。

3、确定了绝对定位以及相对定位相结合的铺轨测量模式

采用相对定位的方法可以有效的解决轨道短波不平顺的问题，但却不适用于长波的不平顺性。高速铁路其轨道曲线弯道较长，半径较大，仅采用相对定位，而不运用坐标进行绝对控制则很难使轨道线型达到设计要求。例如以一半径为2800m的弯道为例，曲线外矢距f=c²/8r，式中c为弦长，r为半径。铺轨时若按10m弦长3mm的轨向偏差（即用20m弦长的外矢距偏差）的轨向偏差来控制曲线，则：当轨向偏差为0时，r=2800m；当轨向偏差为+3mm时，r=2397m；当轨向偏差为-3mm时，r=3365m。这一问题在浙赣线提速改造建设中已暴露出来，即一个大弯道由几个不同半径的曲线组成，且半径相差几百米。由此可见，只采用10m弦长2mm（无砟）的轨向偏差来控制轨道的平顺性是不严密的，因此必须采用相对控制与坐标绝对控制相结合的方法来进行轨道铺轨控制。

4、提出了平面测量独立坐标系

高速铁路在施工过程中必须首先满足尺度的统一，即坐标反算的边长值要与现场的实测值相同[5]。但是由于地球是椭球曲面，当曲面几何图形投影到平面上时，则其形状必然会发生一定变形。如果运用3°带投影的坐标系统，当边长投影的变形量超过340mm/km，，其测量精度远超过全站仪的精度，会严重影响无砟轨道的施工。因此，高速铁路测量网必须采用独立工程坐标系，使边长投影的变形量控制在10mm/km以内，才能够满足施工的要求。

二、高速铁路精密工程测量的内容及方法

高速铁路精密工程测量的内容主要包括线路平面控制测量、高程控制测量、控制网复测、线下工程施工测量。

（一）平面控制测量

平面控制测量作业流程共分为三步，分别为基础平面控制测量（cpⅰ）、线路控制测量（cpⅱ）、轨道控制测量（cpⅲ）。

cpⅰ控制测量一般在初测时完成，为无砟轨道铁路工程提供平面基准。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。测量时使用双频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

cpⅱ控制测量一般在定测时完成，作为无砟轨道铁路工程施工平面控制网。采用gps法测量，按三等gps测量施测，点间距在600～800m。使用双频gps接收机测量，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。

cpⅲ控制测量在施工测量时施测，线下工程施工时作为施工加密平面控制网，铺设无砟轨道时作为无砟轨道铺设基桩控制网。每隔两个接触网柱建立一个测量点位，两个方向各瞄准3×2个永久标记点，每个永久标记点将被瞄准三次，最大的测量范围的距离约150m，仪器在每个方向测量两次，与cpⅱ控制点进行连接测量。

（二）高程控制测量

无砟轨道高速铁路高程控制网应按二等水准测量精度要求施测。在勘测阶段，不具备二等水准测量条件时，可分两阶段实施，即：勘测阶段按四等水准测量要求施测，线下工程施工完成后，全线再按二等水准测量要求建立水准基点控制网。

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。

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。

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。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。

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。

（三）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

（四）线下工程施工测量

线下工程施工测量可分为线下施工控制网加密、线路测量、路基测量、隧道测量。

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。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。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。

线路测量的目的是确定线路的空间位置，主要是将线路中线（包括直线和曲线）按设计的位置进行实地测设。根据cpⅰ控制点或cpⅱ控制点和加密的施工控制点，采用极坐标法或gpsrtk测设。极坐标放线应置镜点宜为附合导线点，采用支导线时应有检核条件，最多支1站。

路基测量包括路堤路堑施工放样测量、地基加固工程施工放样、桩板结构路基施工放样。地基加固范围施工放样和路堤路堑施工放样测量可在恢复中线的基础上采用横断面法、极坐标法或gpsrtk法施测。桩板结构路基是一种特殊的路基结构，由下部钢筋混凝土桩基和上部钢筋混凝土承载板与地基共同组成，钢筋混凝土承载板直接与轨道结构相连接。桩板结构路基平面控制测量可采用gps测量、导线测量，要求桩位及承载板平面控制点的线路纵、横向中误差不大于10mm；高程控制测量采用水准测量，桩顶及承载板高程控制点的高程中误差不大于2.5mm。

隧道施工测量包括洞外控制测量以及洞内控制测量。洞外平面控制测量宜结合隧道长度、平面线型、地形和环境等条件，采用gps测量或导线测量。洞外高程控制测量应根据设计精度，结合地形情况、水准路线长度以及仪器设备条件，采用水准测量或光电测距三角高程测量。洞内平面控制网宜布设成多边形导线环，导线点应布设在施工干扰小、稳固可靠的地方，点间视线应离开洞内设施0.2m以上。洞内高程控制点应每隔200～500m设置一对。

三、结束语

作为高效、节能的运输方式，高速铁路正在越来越为人们所青睐。随着国民经济的发展，高速铁路的建设规模也将日益扩大，同时也会更加安全、舒适、快捷。通过在轨道施工、维护中运用高精度的测量手段，从而能够有效的确保铁路的平顺性。高速铁路蓬勃发展也为轨道精密工程测量技术提供了新的机遇与挑战。除了学习与借鉴国外先进技术