鐵路工程測量的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐

張玉世

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西西安 710043)

1 概述

時(shí)速為350 km的武廣高速鐵路、鄭西高速鐵路的通車運(yùn)營,以及其他時(shí)速350 km的鐵路的大規(guī)模建設(shè),標(biāo)志著中國鐵路已進(jìn)入高速鐵路時(shí)代。

為保證鐵路工程的質(zhì)量,鐵路建設(shè)者將“高標(biāo)準(zhǔn)、講科學(xué)、不懈怠”的要求真正落到實(shí)處,牢記工程質(zhì)量人命關(guān)天,不容忽視,抓工程質(zhì)量要堅(jiān)持“抓源頭、抓過程、抓細(xì)節(jié)”,始終保持“如履薄冰、如臨深淵、如坐針氈”的精神狀態(tài),確保工程質(zhì)量“零缺陷”。

鐵路工程測量為鐵路工程中最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一,尤為重要。鐵路工程測量也將進(jìn)入更加精細(xì)化的精密工程測量時(shí)代,原有的一些測量設(shè)備與測量方法已經(jīng)不能適應(yīng)高速鐵路的發(fā)展,必須要有一個(gè)嶄新的理念與認(rèn)識(shí)。本文就筆者鐵路工程測量實(shí)踐中遇到的有關(guān)精密控制測量問題結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行分析認(rèn)識(shí),并歸納一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),供同行參考。

2 鐵路工程測量的認(rèn)識(shí)

2.1 鐵路工程測量的概念與內(nèi)容

鐵路工程測量,就是為鐵路工程建設(shè)的勘測設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營管理等所進(jìn)行的測量工作。按照測量的方式分為平面控制網(wǎng)、高程控制網(wǎng);按施測階段、施測目的及功能,可分為勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運(yùn)營維護(hù)控制網(wǎng)。

鐵路工程測量平面控制網(wǎng)遵循分級(jí)布網(wǎng)、逐級(jí)控制的原則。

(1)框架控制網(wǎng)(CP0):采用衛(wèi)星定位測量方法建立的三維控制網(wǎng),作為全線(段)的坐標(biāo)起算基準(zhǔn)。

(2)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),采用衛(wèi)星定位測量方法進(jìn)行測量。

(3)線路平面控制網(wǎng)(CPⅡ):主要為勘測和施工提供控制基準(zhǔn)。

(4)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)。

(5)其他施工測量:包括施工控制網(wǎng)加密測量、隧道控制網(wǎng)測量、橋梁控制網(wǎng)測量、施工放樣、建筑物變形測量、線路中線貫通測量、竣工測量等。

(6)運(yùn)營及維護(hù)測量:包括各級(jí)控制網(wǎng)的復(fù)測、構(gòu)筑物變形監(jiān)測、區(qū)域沉降地段變形監(jiān)測、軌道幾何狀態(tài)檢測等。

鐵路工程測量高程控制網(wǎng)分二級(jí)布設(shè),第一級(jí)線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng),為鐵路工程勘測設(shè)計(jì)、施工提供高程基準(zhǔn);第二級(jí)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)。

2.2 鐵路工程測量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

《鐵路工程測量規(guī)范》(TB10101—2009)、《改建鐵路工程測量規(guī)范》(TB10105—2009)、《高速鐵路工程測量規(guī)范》(TB10601—2009),于2009年12月1日施行,在實(shí)踐工作中,根據(jù)鐵路設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)時(shí)速、有砟或無砟,執(zhí)行相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。各設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、建設(shè)、運(yùn)營維護(hù)單位,應(yīng)準(zhǔn)確理解與認(rèn)識(shí)規(guī)范含義與要求,嚴(yán)格執(zhí)行。同時(shí),在規(guī)范的使用過程中,應(yīng)根據(jù)實(shí)踐中出現(xiàn)的問題,及時(shí)反饋,不斷完善,不斷研究創(chuàng)新不斷提高。

設(shè)計(jì)時(shí)速250～350 km的高速鐵路工程測量執(zhí)行《高速鐵路工程測量規(guī)范》(TB10601—2009),設(shè)計(jì)時(shí)速200 km及以下新建有砟軌道鐵路工程測量執(zhí)行《鐵路工程測量規(guī)范》(TB10101—2009),設(shè)計(jì)行車速度200 km/h及以下標(biāo)準(zhǔn)軌距有砟軌道改建鐵路工程測量執(zhí)行《改建鐵路工程測量規(guī)范》(TB10105—2009)。

2.3 鐵路工程測量坐標(biāo)系的選擇

平面坐標(biāo)系采用2000國家大地坐標(biāo)系基本橢球參數(shù)(長半軸為6378137,扁率298.257222101)。按高斯窄帶投影的方法建立工程獨(dú)立坐標(biāo)系,按照200 km/h及以下有砟鐵路滿足投影變形不大于25 mm/km的要求,200 km/h無砟軌道鐵路及250～350 km/h高速鐵路滿足投影變形不大于10 mm/km的要求,進(jìn)行分帶投影。同時(shí)平面坐標(biāo)引入1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系,以便與既有地形圖資料進(jìn)行銜接處理。高程采用1985國家高程基準(zhǔn)。

鐵路工程測量的工作流程如圖1所示。

3 鐵路工程測量的工作實(shí)踐

3.1 三網(wǎng)合一的理念

為保證鐵路工程測量統(tǒng)一的尺度和起算基準(zhǔn),勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運(yùn)營維護(hù)控制網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要體現(xiàn)“三網(wǎng)合一”的測量理念。在實(shí)際工作中,由于工期緊,加之鐵路線路中心線線位存在一定的不確定性,使航測控制網(wǎng)、初測控制網(wǎng)、定測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)等存在一定的不協(xié)調(diào)性。生產(chǎn)中,比較實(shí)用的方法就是首先建立CP0控制網(wǎng),提供初測控制網(wǎng)的基準(zhǔn),初測控制網(wǎng)應(yīng)代替航測控制網(wǎng)在航測像控點(diǎn)測量前完成,在鐵路線路中心線線位較穩(wěn)定的區(qū)段,可在初測控制網(wǎng)中,按照精測網(wǎng)要求建立CPⅠ控制網(wǎng);鐵路線路中心線線位穩(wěn)定的區(qū)段,定測控制網(wǎng)就建立CPⅡ控制網(wǎng)。鐵路線路中心線線位如果不穩(wěn)定,先期建立CPⅠ、CPⅡ,將增加許多重復(fù)工作,帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失,并且容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)、點(diǎn)位的混亂。

圖1 鐵路工程測量的工作流程

3.2 控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行控制網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí),充分利用既有國家A級(jí)、B級(jí)GPS點(diǎn)資料;根據(jù)測區(qū)鉆探資料、地形地貌資料確定控制點(diǎn)的埋設(shè)要求,確定深埋水準(zhǔn)點(diǎn)的密度與數(shù)量、控制點(diǎn)的埋設(shè)方式;布設(shè)控制點(diǎn)時(shí),根據(jù)各級(jí)工程測量的需要,在長大隧道進(jìn)出口、斜井口、長大橋梁端頭布設(shè)CPⅠ對(duì)點(diǎn)。控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案需經(jīng)過評(píng)審后進(jìn)行實(shí)施。

3.3 控制點(diǎn)的埋設(shè)

作業(yè)前對(duì)所有參與人員進(jìn)行技術(shù)交底,對(duì)新工人要進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)與質(zhì)量意識(shí)教育,合格后方可上崗。作業(yè)人員要人手一冊“埋樁作業(yè)操作程序”并融會(huì)貫通、嚴(yán)格執(zhí)行。控制點(diǎn)的埋設(shè)工作要嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行,現(xiàn)場選點(diǎn)后,經(jīng)過點(diǎn)位、點(diǎn)間距、通視等檢核后方可挖坑作業(yè),埋樁過程要由技術(shù)人員跟蹤照相,相片要能夠證明埋樁質(zhì)量的有效性。埋樁作業(yè)人員要現(xiàn)場填寫相應(yīng)“控制點(diǎn)選點(diǎn)作業(yè)手簿”、“控制點(diǎn)埋樁作業(yè)手簿”、并由檢查人員檢查簽名;技術(shù)管理人員填寫相應(yīng)“控制點(diǎn)點(diǎn)位檢查表”、“控制點(diǎn)埋樁相片檢查表”,并由驗(yàn)收人員進(jìn)行檢查驗(yàn)收、簽名,必要時(shí)驗(yàn)收人員要到現(xiàn)場于樁撅側(cè)面局部挖樁檢查,不合格者發(fā)放整改通知書,限期整改后再查,直至合格,以保證控制點(diǎn)樁撅埋樁滿足規(guī)范要求,為各項(xiàng)工作提供堅(jiān)實(shí)的質(zhì)量保證。埋樁工作結(jié)束后把現(xiàn)場繪制的控制點(diǎn)點(diǎn)之記整理繪制成電子文件,點(diǎn)之記各項(xiàng)內(nèi)容按照規(guī)范要求格式填寫,其中概略位置坐標(biāo)要與GPS觀測的大地坐標(biāo)核對(duì),以防止人為粗差。對(duì)于方案變動(dòng)而引起重新埋設(shè)CPⅠ、CPⅡ點(diǎn)情況,必須將作廢點(diǎn)破壞,防止張冠李戴、點(diǎn)位成果混亂等情況出現(xiàn)。

同時(shí),在控制點(diǎn)樁撅的埋設(shè)中,對(duì)于可能出現(xiàn)的問題,如:鹽堿地地區(qū)、移動(dòng)沙丘地區(qū)、大面積河漫灘區(qū)域、水田密布地區(qū)等,在鐵路工程測量規(guī)范中沒有明確的埋設(shè)方法,實(shí)踐工作應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況尋求行之有效的方法,以保證控制點(diǎn)樁撅的穩(wěn)定性。鐵一院采用鋼管固樁法進(jìn)行深埋,對(duì)樁撅的穩(wěn)定性起到了一定的作用。

3.4 控制點(diǎn)的測量

作業(yè)前對(duì)所有參與人員進(jìn)行技術(shù)交底,對(duì)新工人要進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)與質(zhì)量意識(shí)教育,合格后方可上崗。作業(yè)人員要人手一冊“GPS測量及水準(zhǔn)測量作業(yè)操作程序”并認(rèn)識(shí)到位,嚴(yán)格執(zhí)行。作業(yè)中各種數(shù)據(jù)嚴(yán)格執(zhí)行手工記錄、電腦錄入、數(shù)據(jù)備份的有關(guān)規(guī)定,嚴(yán)禁篡改原始數(shù)據(jù),拼湊技術(shù)指標(biāo),一經(jīng)發(fā)現(xiàn)偽造數(shù)據(jù),將所有數(shù)據(jù)視為作廢,并將測量單位記入黑名單。

平面控制網(wǎng)應(yīng)采用滿足規(guī)范精度要求的儀器,并需鑒定合格,CP0、CPⅠ、CPⅡ采用GPS測量的方式進(jìn)行,速度200 km/h及以下的鐵路工程CPⅡ測量也可采用滿足規(guī)范要求等級(jí)的導(dǎo)線測量方法,CPⅢ以及隧道洞內(nèi)CPⅡ采用滿足規(guī)范要求的導(dǎo)線測量方式進(jìn)行。各種儀器使用前,對(duì)所用儀器要進(jìn)行檢查與試用,以防儀器緣故貽誤生產(chǎn)、對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量造成隱患。作業(yè)人員現(xiàn)場填寫“GPS測量作業(yè)手簿”,作業(yè)中出現(xiàn)異常,要及時(shí)填寫并通知生產(chǎn)調(diào)度。數(shù)據(jù)處理人員,要將原始記錄的“GPS測量作業(yè)手簿”整理為電子文件,并備注異常數(shù)據(jù)的技術(shù)處理方法。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求時(shí),方可提供解算成果。

高程控制網(wǎng)應(yīng)采用滿足規(guī)范精度要求的水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)尺及尺墊等設(shè)備,使用前要認(rèn)真檢查各項(xiàng)設(shè)置,并進(jìn)行相應(yīng)檢核與試用,使之處于正常使用狀態(tài)。嚴(yán)格按照規(guī)定的水準(zhǔn)測量等級(jí)與測量方法進(jìn)行作業(yè),采用光學(xué)水準(zhǔn)儀作業(yè)時(shí),要認(rèn)真填寫“光學(xué)水準(zhǔn)儀水準(zhǔn)測量觀測手簿”,現(xiàn)場需逐站計(jì)算各項(xiàng)觀測指標(biāo),當(dāng)天作業(yè)完成后,需錄入到電腦制成電子文件,核算各項(xiàng)觀測指標(biāo),如超限,需分析原因進(jìn)行返工補(bǔ)測。也可采用PDA掌上電腦,采用電子記錄方式,嚴(yán)格設(shè)置各項(xiàng)限差要求,超限部分可現(xiàn)場及時(shí)補(bǔ)測,當(dāng)天測完后,用數(shù)據(jù)線傳入電腦進(jìn)行復(fù)核與檢查。采用電子水準(zhǔn)儀作業(yè)時(shí),也需編制填寫“電子水準(zhǔn)觀測手簿”,記錄有關(guān)內(nèi)容,防止測段點(diǎn)號(hào)錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)混亂問題的出現(xiàn),保證數(shù)據(jù)的正確性。作業(yè)手簿均要由作業(yè)人員、檢查人員簽名。數(shù)據(jù)處理人員,也要填寫“水準(zhǔn)測量觀測數(shù)據(jù)整理表”,“水準(zhǔn)測量高差計(jì)算表”,并有計(jì)算者、檢核者簽名。特別注意在工作初期,一定要進(jìn)行儀器的試用,并加強(qiáng)數(shù)據(jù)的檢核,及時(shí)采取措施,防止大量不合格數(shù)據(jù)出現(xiàn)造成返工。

3.5 測量數(shù)據(jù)平差處理

對(duì)于高等級(jí)GPS精測控制網(wǎng),宜采用專門的GPS數(shù)據(jù)處理軟件,以便使技術(shù)指標(biāo)與數(shù)據(jù)成果適應(yīng)現(xiàn)行規(guī)范的技術(shù)要求,即運(yùn)用GPS接收機(jī)配備的隨機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行基線解算。CP0需用專門處理長基線的軟件進(jìn)行解算基線,然后將基線數(shù)據(jù)輸入到專門的GPS數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行平差,平差顯示的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求即為合格。目前,國內(nèi)GPS數(shù)據(jù)處理軟件較多,有些軟件的技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)按照現(xiàn)行鐵路規(guī)范技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了軟件升級(jí),同時(shí)也希望有更多與新規(guī)范、生產(chǎn)實(shí)踐更加貼切的數(shù)據(jù)處理軟件誕生和推廣運(yùn)用,以滿足鐵路建設(shè)高潮中大量數(shù)據(jù)處理的需要。

運(yùn)用手工或簡單的Excel方式進(jìn)行高程測量數(shù)據(jù)平差,已經(jīng)不能夠滿足水準(zhǔn)測量精度及生產(chǎn)工期的要求,一般運(yùn)用專門的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)平差處理軟件,有些平差處理軟件錄入觀測數(shù)據(jù)格式較為固定與繁瑣,需要手工編輯處理。希望對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)或編制新軟件,以更加友好的界面,直接接受各種常用測量設(shè)備觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行平差處理,并能夠反映現(xiàn)行規(guī)范要求的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與成果格式。

3.6 測量成果評(píng)審

控制網(wǎng)測量數(shù)據(jù)處理完成后,編制各項(xiàng)成果報(bào)告、平差報(bào)告、技術(shù)總結(jié)報(bào)告,各項(xiàng)測量成果經(jīng)過咨詢、評(píng)審無誤后交付使用。

3.7 控制網(wǎng)交樁與復(fù)測

在實(shí)踐中曾發(fā)現(xiàn),個(gè)別復(fù)測單位未采用規(guī)范要求的儀器設(shè)備,個(gè)別復(fù)測單位觀測過程及觀測數(shù)據(jù)未符合規(guī)范要求,高山區(qū)未采用正常水準(zhǔn)面不平行改正等,造成復(fù)測數(shù)據(jù)與原測數(shù)據(jù)相差較大。因此,各單位要高度重視控制網(wǎng)測量工作,設(shè)計(jì)院將評(píng)審過的控制網(wǎng)成果交建設(shè)單位及施工、監(jiān)理單位后,宜對(duì)有關(guān)單位進(jìn)行技術(shù)交底,施工單位提出“復(fù)測技術(shù)方案”,進(jìn)行與原設(shè)計(jì)同精度復(fù)測,宜采用與原設(shè)計(jì)院同等設(shè)備、同等數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行復(fù)測,嚴(yán)禁采用不符合規(guī)范要求的測量設(shè)備與方法。復(fù)測單位測量人員要經(jīng)過技術(shù)培訓(xùn),監(jiān)理單位要對(duì)測量過程進(jìn)行跟蹤、指導(dǎo)、檢核,監(jiān)理單位要在觀測數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)測量過程、復(fù)測成果上簽字,復(fù)測滿足觀測要求及精度要求時(shí),再與設(shè)計(jì)院原測成果進(jìn)行比較,比較結(jié)果與問題處理按照現(xiàn)行規(guī)范相應(yīng)要求進(jìn)行。復(fù)測工作結(jié)束后,由建設(shè)單位組織有關(guān)單位進(jìn)行評(píng)審后啟用控制網(wǎng)。

3.8 施工控制網(wǎng)加密

施工單位在精密控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上,按照規(guī)范要求的方法進(jìn)行施工控制網(wǎng)加密測量,原測水準(zhǔn)高差各項(xiàng)改正內(nèi)容,在加密測量計(jì)算時(shí)也需進(jìn)行相應(yīng)改正,同時(shí)根據(jù)規(guī)范進(jìn)行有關(guān)隧道控制網(wǎng)測量及橋梁控制網(wǎng)測量,控制網(wǎng)測量成果經(jīng)過咨詢評(píng)估合格后方可施工啟用。

3.9 隧道洞內(nèi)CPⅡ精密控制網(wǎng)及線路CPⅢ控制樁的測量

隧道貫通后,需進(jìn)行洞內(nèi)CPⅡ測量與洞內(nèi)高程點(diǎn)測量(全線貫通水準(zhǔn)測量);線下工程完成后,需對(duì)CPⅠ、CPⅡ進(jìn)行復(fù)測,并進(jìn)行全線整體平差,運(yùn)用經(jīng)過復(fù)測合格的CPⅠ、CPⅡ點(diǎn)進(jìn)行CPⅢ測量,用于鋪軌、精調(diào)。為滿足布設(shè)測量標(biāo)志的精度要求并便于各項(xiàng)工作銜接,建議隧道內(nèi)電纜槽進(jìn)行施工時(shí),同步將CPⅡ、CPⅢ、水準(zhǔn)點(diǎn)的測量標(biāo)志進(jìn)行澆筑布設(shè),洞外對(duì)電氣化桿埋設(shè)時(shí),同步將CPⅢ的測量標(biāo)志進(jìn)行澆筑布設(shè),橋梁段也可同步將CPⅢ的測量標(biāo)志布設(shè)到相應(yīng)部位,以便于觀測及保證精度要求。

3.10 控制網(wǎng)的移交與維護(hù)

鐵路施工完成后,需由建設(shè)單位組織將復(fù)測合格的控制網(wǎng)向鐵路運(yùn)營單位移交。控制網(wǎng)從布設(shè)開始,任何單位都有義務(wù)與責(zé)任進(jìn)行控制樁樁撅的宣傳與保護(hù),嚴(yán)禁施工期間人為破壞、人為造成沉降,建設(shè)單位宜組織有關(guān)單位簽定保護(hù)樁協(xié)議。

4 結(jié)束語

本文所述方法,是筆者最近參與的幾項(xiàng)新建高速鐵路及新建、改建普速鐵路中精密控制網(wǎng)工程測量工作,以及到業(yè)主單位、施工單位進(jìn)行復(fù)測問題處理過程的經(jīng)驗(yàn)與體會(huì),所提出的方法,對(duì)保證質(zhì)量、提高效率起到了一定的作用。中國幅員遼闊、地形復(fù)雜、各種觀測條件存在差異,在具體的鐵路工程測量工作中,還需要進(jìn)一步總結(jié)與提高。

[1]TB10601—2009 高速鐵路工程測量規(guī)范[S]

[2]TB10101—2009 鐵路工程測量規(guī)范[S]

[3]TB10105—2009 改建鐵路工程測量規(guī)范[S]

[4]GB/T15314—1994 精密工程測量規(guī)范[S]

[5]GB/T18314—2009 全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范[S]

[6]TB10054—97 全球定位系統(tǒng)(GPS)鐵路測量規(guī)程[S]

[7]GB/T12897—2006 國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范[S]

[8]GB/T12898—2009 國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范[S]