論高速鐵路測量網布設技術

蘇全利

(鐵道部建設管理司， 北京 100844)

高速鐵路速度高(250～350 km/h甚至更高),為了達到在高速行駛條件下,旅客列車的安全性和舒適性,高速鐵路必須具有非常高的平順性和精確的幾何線性參數,精度要保持在毫米級的范圍以內,傳統的鐵路工程測量技術不能滿足我國高速鐵路建設要求。要成功地建設高速鐵路,必須有一套系統、高效、精確的高速鐵路測量標準。

為了滿足我國高速鐵路建設需求,鐵道部2006年10月編制發布了我國第一部高速鐵路無砟軌道工程測量技術標準——《客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規定》,初步形成了我國高速鐵路工程測量技術體系。 2008年,隨著高速鐵路建設大規模展開,在《客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規定》基礎上,結合我國高速鐵路建設特點和現代測繪技術的發展,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驗進行系統的總結,于2009年8月編制完成了《高速鐵路工程測量規范》,形成具有自主知識產權的我國高速鐵路工程測量技術體系。

高速鐵路勘測設計、工程施工、運營維護各階段測量實現“三網合一”是高速鐵路測量以及《客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規定》和《高速鐵路工程測量規范》堅持的基本原則。在我國高速鐵路建設初期和《客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規定》和《高速鐵路工程測量規范》制訂之初,受勘察設計、工程施工、運營維護傳統分工及管理理念影響,筆者提出“三網合一”設想及要求時,尚存在一些分歧意見,本文針對高速鐵路精密測量“三網合一”必要性及其實現途徑等進行論述。

1 “三網合一”概念

在高速鐵路工程測量中,把高速鐵路測量的平面、高程控制網,按施測階段、施測目的及功能不同，分為了勘測設計控制網、工程施工控制網、運營維護控制網,這三個階段的測量控制網簡稱為“三網”。

勘測設計控制網包括： CP0控制網、CPⅠ控制網、CPⅡ控制網、二等水準基點控制網,主要為線路勘測及工程設計服務。

工程施工控制網包括： CPⅠ控制網、CPⅡ控制網、水準基點控制網、 CPⅢ控制網,主要為施工及變形觀測與評價服務。

運營維護控制網包括： CPⅠ控制網、CPⅡ控制網、水準基點控制網、 CPⅢ控制網、加密維護基標,主要為線路及構筑物變形觀測與評價、養護維修服務。

高速鐵路軌道高速度、高舒適、高安全建設目標,使其必須具備高平順性和高精度的幾何線性參數,軌道工程施工工藝和精度要求高,精度要求保持在毫米級范圍內。為保證測量控制網成果滿足高速鐵路勘測設計、工程施工、運營維護三個階段測量要求,適應高速鐵路工程建設和運營安全需要,三個階段的平面、高程控制測量必須采用統一的基準。即勘測設計控制網、工程施工控制網、運營維護控制網均以CPⅠ控制網為平面控制測量基準,以二等水準基點網為高程控制測量基準,并依此對三網進行統一布設及管理,簡稱為“三網合一”。

2 “三網合一”需求

2.1 “三網合一”是高速鐵路設計精度的必然要求

高速鐵路設計都是在計算機上采用CAD設計,每一里程都有其對應的精確坐標。隨著測繪技術的發展, GPS、全站儀等采用坐標定位測量的智能化測量儀器已在鐵路勘測設計及施工中廣泛應用。采用GPS、全站儀進行坐標定位測量，不僅提高了勘測、設計、施工的作業效率,而且極大地提高了測量定位精度。為嚴格按照設計線位坐標施工和營運養護提供了條件。為了使高速鐵路勘測、施工、運營維護控制網的測量成果質量滿足高速鐵路工程建設和運營管理的需要,必須按照“三網合一”的要求，建立各級高速鐵路精密工程測量控制網。

2.2 “三網合一”是高速鐵路精確施工的前提條件

在高速鐵路的勘測設計、線下施工、軌道施工及運營維護的各階段均采用坐標定位控制。因此，必須保證各階段測量控制網坐標高程系統的統一,才能使高速鐵路的勘測設計、線下工程施工、軌道施工工作順利進行。如果勘測控制網與線下工程施工控制網坐標高程系統不統一,則無法按照設計的坐標高程施工,線位偏離設計位置,高程凈空限界不足；如果線下工程施工的控制基準與軌道施工的控制基準不一致,則無法按照設計要求進行軌道施工。我國高速鐵路無砟軌道工程建設初期曾經出現過類似問題。

某鐵路客運專線無砟軌道試驗段建設過程中,線下工程勘測設計和施工均按照采用1954年北京坐標系3°帶投影,邊長投影變形值達210 mm/km,導線測量按初測導線1/6 000的精度要求施測。無砟軌道施工時,為了滿足無砟軌道施工控制的要求,建立了高精度的B級GPS平面控制網和二等水準高程控制網作為軌道施工控制基準。由于線下工程平面控制網與無砟軌道平面控制網精度和投影尺度的不一致,致使按無砟軌道高精度平面控制網測量的線路中線與線下工程中線橫向平面位置不一致。為了不產生廢棄工程,施工單位不得不反復調整線路平面設計,將線路橫向平面位置誤差調到路基段進行消化,這樣才滿足了無砟軌道試驗段的鋪設條件。

在我國早期高速鐵路建設過程中,勘測階段的控制網精度和邊長投影變形值較為寬松,施工階段按《客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規定》的要求，建立了CPⅠ、CPⅡ平面控制網和二等水準高程控制網,新舊兩套坐標在精度和尺度上存在較大差異,只能通過單個曲線的坐標轉換來修改設計啟用新網,給設計施工造成了極大困難。

2.3 “三網合一”是高速鐵路軌道誤差的控制要求

(1)滿足軌道絕對定位的要求

為了保證高速鐵路旅客列車運行的安全性和舒適性,要求高速鐵路軌道必須嚴格按照設計的線形進行施工。過去采用相對定位鋪軌作業方法,由于測量誤差的積累,往往造成軌道的幾何參數與設計參數相差甚遠。以彎道為例：

按照曲線矢高計算公式

F=C2/8R

(1)

式中：F為曲線上的矢高；C為曲線上對應的弦長；R為圓曲線半徑。

通過對式(1)變換可得

R=C2/8F

(2)

現有一半徑為2 800 m(時速200～250 km有砟軌道鐵路的最小曲線半徑)的彎道,鋪軌時按10 m弦長3 mm的軌向偏差(即用20 m弦長的矢高偏差)來控制曲線。通過式(2)可以計算出： 當軌向偏差為0時,F=17.86 mm,R=2 800 m；當軌向偏差為+3 mm時,F=20.86 mm,R=2 397 m；當軌向偏差為-3 mm時,F=14.86 mm,R=3 365 m。由此可見,采用相對定位方法進行軌道施工不嚴密。為了消除相對定位進行鋪軌作業所產生的誤差積累,使軌道的幾何線形與設計線形保持高度的一致性,在高速鐵路軌道施工中必須采用絕對定位和相對定位相結合的方法進行施工。軌道的絕對定位就是按照設計的線路空間位置,采用絕對坐標進行軌道工程的施工放樣,使軌道的幾何參數(半徑、緩長、高程等)與設計參數保持高度一致；軌道的相對定位則是在軌道絕對定位的前提下,采用軌檢小車通過測量軌道的三維坐標和軌距、水平等參數來確定和調整軌道上相鄰點的相對位置關系,給列車平穩運行提供一個理想的軌道幾何狀態,以確保軌道的平順性。

(2)滿足無砟軌道施工的要求

板式無砟軌道施工需要根據線路的平縱面和線下工程構筑物情況進行軌道板的布板設計,對于CRTSⅡ型板,布板完成后還要根據布板設計對軌道板進行精細打磨。每一塊軌道板具有唯一的編號和位置,因此只有設計坐標與軌道施工測量控制網基于統一的平面高程基準,才能按照設計的坐標將軌道板鋪到所需要的位置。對于CRTSⅠ型板，要根據線路線下工程的結構情況進行布板設計,進行凸型擋臺施工和軌道板生產；對于CRTSⅢ型板,在橋梁地段要根據橋梁的孔跨進行布板設計,按設計進行軌道板安裝；對于CRTSⅡ型雙塊式無砟軌道，也要根據線路線下工程結構進行軌排設計,按設計要求組裝軌排和測設軌排精調支腳(鋪軌基標)；CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道軌排的粗調、精調，也都要嚴格按照設計坐標進行施工。

由此可見,如果設計與勘測脫節、施工與設計脫節(都不是絕對定位),沒有一個“三網合一”的高速鐵路精密控制網,就不可能完成高速鐵路建設目標及精度要求。

2.4 “三網合一”是高速鐵路運營安全的重要保障

高速鐵路勘測設計及工程施工階段建立了基于同一坐標、高程基準的平面高程控制網,嚴格按照設計坐標進行線下工程和軌道工程施工,使線路上任何里程及其構筑物都具有一個唯一的精確坐標,為運營階段工務管理提供了一個數字化的線位及構筑物的空間幾何狀態。通過坐標測量可以確定線路及構筑物現狀位置與設計位置的偏差,從而為線路及構筑物的安全使用及養護維修提供依據。如果運營維護測量控制網與設計、施工的平面高程控制網的測量基準不同,就不可能采用坐標測量方法進行線路現狀及構筑物與設計對比,也就無法實現高速鐵路精確維護。因此，高速鐵路運營維護測量控制網必須與勘測設計控制網、工程施工控制網基于共同的平面和高程起算基準。

3 “三網合一”創建

要實現高速鐵路精密工程測量的“三網合一”,筆者認為應在勘測設計、工程施工和運營維護階段做好以下工作。

3.1 勘測設計階段精測網的建立

勘測控制網包括： CP0控制網、CPⅠ控制網、CPⅡ控制網、二等水準基點控制網。勘測階段在平面控制測量工作控制前,應首先采用GPS測量方法高速鐵路框架控制網CP0,并建立CPⅠ控制網、CPⅡ控制網、二等水準基點控制網。

在初測階段,應建立高速鐵路框架控制網CP0(需要時),建立坐標框架并在此基礎上建立初測平面控制網,同時開展初測高程控制測量,滿足初測收集資料的需要。

在定測階段,應建立CPⅠ控制網、CPⅡ控制網、二等水準基點控制網,并以CPII控制網和二等水準基點為基準開展定測放線及專業調查測繪工作。在二等水準測量的困難山區,可采用四等水準取代二等水準作為定測高程控制基準,但在施工前應貫通二等水準測量。

勘測設計應做好CP0控制網、CPⅠ控制網、CPⅡ控制網、二等水準基點維護工作。

3.2 施工階段平面高程控制測量的重點

(1)施工前做好精測網復測工作

施工階段首先應做好CPⅠ控制網、CPⅡ控制網、水準基點控制網的交樁和復測工作。精測網交樁是高速鐵路精密工程測量由勘測設計向工程施工過渡的一個重要環節,施工階段所有的測量都必須以勘測設計單位提供的CPⅠ控制網、CPⅡ控制網、二等水準基點控制網開展施工測量；而施工前精測網控制網(CPⅠ控制網、CPⅡ控制網、二等水準基點控制網)的復測則是對設計院精測網成果的復核和確認。在復測中應做好復測評估驗收工作,通過復測成果進行評估驗收,一是對精測網成果精度和可靠性進行評定,二是對施工單位的測量能力、技術水平和測量方法進行一次檢驗,做好了精測網的復測評估驗收工作,將對高速鐵路施工測量工作開展打下良好的基礎。

(2)做好施工控制網加密工作

施工控制網加密應按同精度內插的方式進行加密,在進行平面控制網加密時應將相鄰CPII控制點作為已知點進行加密；在進行高程控制網加密時應將相鄰二等水準控制點作為已知點進行加密。這樣既保證施工控制網與勘測控制網具有相同的起算基準,又保持了施工加密點與勘測網相鄰點間精度的連續和匹配。

(3)做好施工期間精測網的定期復測

高速鐵路建設周期長,施工過程還會對CPⅠ控制網、CPⅡ控制網、二等水準基點控制網的穩定性產生影響,因此施工期間應對精測網開展定期復測,保證施工期間平面高程控制基準的穩定。一般每年應進行一次精測網全面復測,對于區域沉降地區,應增加高程控制網的復測頻次。此外,在軌道控制網CPIII建網前,應對CPⅠ控制網、CPⅡ控制網、二等水準基點進行全面復測,確保線下工程和軌道工程施工控制網CPIII起算基準的一致。

3.3 運營期間測量控制網的維護與使用

高速鐵路精測網是高速鐵路工程的一個不可缺少的組成部分,首先應按規范要求做好高速鐵路精密控制網的竣工驗收工作。高速鐵路精密測量控制網竣工測量包括CP0控制網、CPⅠ控制網、CPⅡ控制網、CPIII控制網、二等水準基點控制網復測和軌道維護基標測量。運營期間主要做好運營維護測量控制網的維護、線路及構筑物幾何狀態觀測與評估工作。運營維護控制網包括 ： CPⅠ控制網、CPⅡ控制網、水準基點控制網、 CPⅢ控制網、加密維護基標。運營維護控制網復測頻次應視線路所在處地形地質條件等具體情況研究確定,每年應不少于一次,以保證高速鐵路在運營期間有一個穩定可靠的測量控制與變形觀測評價的基準。

4 結束語

“三網合一”是高速鐵路工程測量技術體系的基礎和核心,也是高速鐵路采用坐標法進行線路勘測設計、工程施工以及運營維護管理的前提。在“三網合一”基礎上,線路及構筑物的里程和坐標一一對應,每一個里程只有一個唯一的坐標(x、y、h),使工程施工和營運維護能夠嚴格按照設計的線型進行施工和養護,保證高速鐵路軌道的平順性,同時也為工務管理信息化和構建數字化鐵路創造了條件。

[1] TB10601—2009 高速鐵路工程測量規范[S]

[2] 何華武.論時速大于200 km鐵路精密工程測量技術[J].中國鐵路，2007(3)

[3] 朱 穎.客運專線無砟軌道鐵路工程測量技術[M].北京：中國鐵道出版社，2008