高速鐵路精密測量技術在城市軌道交通中的應用研究

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海　201804)

高速鐵路精密工程測量技術是我國高速鐵路成功建設的關鍵技術之一，也是我國擁有自主知識產權的成熟技術。高速鐵路建設與運營實踐驗證了我國高速鐵路精密工程測量技術標準的科學性、先進性、適用性和可靠性[1]。

高速鐵路的軌道結構形式與城市軌道交通類似，高速鐵路的先進技術對城市軌道交通有較多的可借鑒之處。若充分考慮城市軌道交通的復雜性以及與高速鐵路的差異性，將高鐵精密測量技術引入城市軌道交通建設與運營管理中，必將較大幅度提高城市軌道交通軌道結構的幾何線性參數，使軌道在建設階段達到高平順性，帶動軌道建設質量整體提升，從源頭上減緩振動和噪聲問題的發生和發展速率，提高列車行駛的平穩性和舒適性。

寧波市軌道交通1號線進行了高鐵精密測量技術引入城市軌道交通建設的應用試驗，將高速鐵路軌道基礎控制網(CPⅢ)測量與無砟軌道精調的相關技術引入至軌道工程施工中，在試驗段建立了一套高精度并長期保存使用的軌道基礎控制網，使用軌道幾何狀態測量儀(軌檢小車)指導澆筑混凝土前的軌道精調、道床混凝土澆筑后的軌道幾何狀態檢測及長軌精調，融合、改進了傳統的鋪軌測量方法與施工工藝。

1　試驗段概況

試驗段位于寧波市軌道交通1號線一期工程望春橋站至澤民站區間左、右線，區間長度約為1.2 km。

左、右線分別建立軌道基礎控制網(CPⅢ)，作為軌道精密檢測的測量基準。

其中左線利用傳統鋪軌測量方法及施工工藝，即利用導線點放樣鋪軌基標(控制基標和加密基標)，丁字直尺、一級道尺與弦線等工具由人工進行測量，然后進行軌排調整。

右線采用軌道精密測量技術進行試鋪，即利用軌道基礎控制網，采用軌道幾何狀態測量儀(軌檢小車)指導軌排精調，實時測量每個鋼軌支撐架處的軌頂高程、軌道中線位置、軌道平順度等幾何形位，根據軌檢小車上計算機實時顯示的數據，調整鋼軌支撐架和斜向支撐，使軌道的幾何參數滿足鋪軌施工精調要求。

軌道鋪設施工完成后，利用傳統測量方法和軌檢小車檢測整體道床混凝土澆筑施工后的軌道幾何狀態，并綜合對比分析傳統鋪軌測量方法與軌道精密測量技術在實際應用過程中的優缺點及可實施性。

2　軌道基礎控制網建立

2.1　軌道基礎控制網的布設

試驗段為地下圓形隧道，控制點成對布設在隧道側墻上，點對縱向間距為30～60 m，依據曲線半徑的大小而設置，滿足全站儀自由測站每站觀測4對軌道基礎控制點的要求。為避免點位被遮擋，根據設計限界圖中線路設備的設計位置及限界要求，左側控制點布設在側向平臺以上10 cm位置，距軌面約1.0 m；右側控制點布設在給水管與區間電話箱之間側墻上，距軌面約0.9 m。

軌道控制點的測量組件由預埋件、平面測量桿、專用平面測量棱鏡、高程桿四部分組成。均采用精加工元器件，控制點標志重復安置精度和互換安裝精度X、Y、Z三方向分別小于0.4 mm，0.4 mm，0.2 mm。預埋件埋設在隧道側墻上，平面、高程測量桿在測量時均安裝在預埋件中，其中平面測量桿需連接專用測量棱鏡。

2.2　軌道基礎控制網的測量

軌道基礎控制網采用自由測站邊角交會的方法測量，每個自由測站觀測4對控制點，測站間重復觀測3對控制點，每個控制點有四個自由測站的方向和距離觀測量，主要技術要求如表1所示，具體測量方法如圖1所示。

表1　軌道基礎控制網平面測量的主要技術要求

圖1　軌道基礎控制網平面測量示意

平面測量水平方向采用全圓方向觀測法進行觀測，水平方向觀測要求如表2所示。

表2　平面測量水平方向觀測技術要求

距離觀測采用多測回距離觀測法，距離觀測要求如表3所示。

軌道基礎控制網平面測量時，每隔300 m左右聯測一個既有的高等級線路控制點，同時聯測每個車站布設的經過聯系測量的控制點。與控制點聯測時，至少通過兩個或兩個以上自由測站進行聯測。

表3　平面測量距離觀測技術要求

軌道基礎控制網高程測量采用全站儀自由測站三角高程測量方法，與平面測量合并進行，替代精密水準測量[2]。采用全站儀不同自由測站所測得相鄰點的高差，按圖2所示構網，技術要求如表4所示。

圖2　單個測站自由測站三角高程網示意

表4　軌道基礎控制網自由測站三角高程外業觀測的主要技術要求

軌道基礎控制網高程測量時，附合于既有線路水準控制點上，每1 km左右聯測一個線路水準控制點，同時聯測每個車站布設的地下高程起算點。與既有線路水準控制點或地下高程起算點的聯測采用獨立往返水準測量的方法進行。

2.3　軌道基礎控制網測量成果解算及精度評估

軌道基礎控制網數據計算和平差處理采用中鐵工程設計咨詢集團有限公司研發的高速鐵路軌道基礎控制網數據處理與平差軟件。處理平面測量數據時，先采用獨立自由網平差，再采用合格的平面起算點進行固定約束平差。

以試驗段右線為例，在進行軌道基礎控制網測量時，平面控制網共聯測了4個控制點，通過自由網平差進行起算點精度檢核，檢核結果如表5所示，除yt6控制點外，其余各起算點的坐標殘差均≤3 mm，精度可靠，可用于控制網平差起算數據計算。

表5　平面起算點精度檢核

選擇w2、yt5、yt1三個控制點作為平面控制網起算點，再經過自由網和約束網平差處理，自由網精度指標統計情況如表6所示，約束網精度指標統計情況如表7所示。

處理高程測量的數據時，以區段頭尾的高程控制點為起算點進行約束平差(如表8)。

表6　平面測量自由網平差精度統計

通過以上成果解算并結合試驗過程，表明該試驗段建立的軌道基礎控制網，從控制點埋設、外業測量及數據處理方法方面均符合《高速鐵路工程測量規范》[3]相關技術要求，可以用于后續軌道施工。

表7　平面測量約束平差精度統計

表8　高程控制網水準測量平差后精度統計　mm

3　鋪軌新工藝試驗

3.1　試驗過程與方法

在試驗段右線，以軌道基礎控制網坐標成果為基準，利用軌道幾何狀態測量儀實時測量并控制軌排幾何狀態，并增加了道床混凝土澆筑后的軌道幾何狀態測量及長軌精調過程。長枕埋入式整體道床主要應用于一般減振要求地段，也是寧波市軌道交通1號線一期工程中主要的道床結構類型。以長枕埋入式整體道床為例，改進后的工藝流程圖如圖3所示。

圖3　軌道幾何狀態測量儀精調工藝流程

試驗過程中，軌排精調的幾何參數控制指標參照《地下鐵道工程施工及驗收規范》(GB 50299—1999)中相關標準。

3.2　試驗結果

對采用傳統鋪軌工藝的左線，采用軌道幾何狀態測量儀對澆筑混凝土后的軌道進行幾何狀態檢測。檢測結果表明：絕對精度方面，平面位置超過[-3，3]mm為46.41%，最大偏差13.1 mm；軌面高程超過[-2，2]mm為51.1%，最大偏差21.3 mm；相對精度方面，左、右軌軌向超過10 m弦/2 mm分別為38.84%、37.15%；左、右軌高低超過10 m弦/2 mm分別為49.01%、53.11%。

右線采用精密精密測量技術進行鋪軌，采用軌道幾何狀態測量儀對澆筑混凝土后的軌道進行幾何狀態檢測，檢測結果表明：絕對精度方面，平面位置超過[-3，3]mm為15.47%，最大偏差為4.7 mm；軌面高程超過[-2，2]mm為15.18%，最大偏差為5.7 mm；相對精度方面，左、右軌軌向超過10 m弦/2 mm分別為10.13%、15.89%；左、右軌高低超過10 m弦/2 mm分別為8.91%、15.77%。

從檢測及統計數據可以看到，用軌道精密測量技術鋪設完成的軌道，各項平順性指標均優于傳統施工方法，且整體平順性大幅提高。

4　結束語

通過本次高速鐵路軌道精密測量技術在寧波市軌道交通1號線一期工程中的應用試驗，可以得出如下結論：

①軌道基礎控制網建網測量方法及其主要技術指標，符合相關規范的規定，能夠指導城市軌道交通的精調施工。

②基于軌道精密測量技術的整體道床軌道鋪設與精調施工工藝，合理可行，提高了軌道的鋪設精度和平順性。

③軌道精密測量技術與傳統的鋪軌測量技術相比，自動化與程序化程度高，提高了軌道工程的精度與質量。

為滿足軌道精密測量的精調要求，應對調軌的施工工藝和工裝設備進行配套研究，以提高建網測量與軌道精調施工的效率。同時結合城市軌道交通工程的特點，進一步研究相關技術指標，使之滿足于城市軌道交通的建設需求。

[1]安國棟.高速鐵路精密工程測量技術標準的研究與應用[J].鐵道學報，2010(2):99-104

[2]劉成龍，楊雪峰，盧建康，等.高速鐵路CPⅢ三角高程網構網與平差計算方法[J].西南交通大學學報，2011(3):434-439

[3]中鐵二院.TB 10601—2009高速鐵路工程測量規范[S].北京:中國鐵道出版社，2009．

[4]GB 50299—1999地下鐵道工程施工及驗收規范[S]