城市軌道精密三維測(cè)控新技術(shù)的研究與應(yīng)用

韓三琪

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司　浙江寧波　315000)

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城市軌道精密三維測(cè)控新技術(shù)的研究與應(yīng)用

韓三琪

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司浙江寧波315000)

介紹城市軌道交通領(lǐng)域的軌道三維測(cè)控新技術(shù)，通過(guò)在地下控制測(cè)量中研究并應(yīng)用自由測(cè)站三維邊角測(cè)量新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)在施工與運(yùn)營(yíng)維護(hù)中的長(zhǎng)久保存和使用，可顯著提高地鐵控制網(wǎng)的精度；在城市軌道交通中提出并應(yīng)用軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x進(jìn)行軌道精密測(cè)量，實(shí)現(xiàn)城市軌道測(cè)量的自動(dòng)化與程序化，可提高軌道的初始平順性；研究軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)的測(cè)量與三維數(shù)據(jù)處理技術(shù)，并研發(fā)出自由測(cè)站三維邊角網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集與處理軟件，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理的一體化，能夠有效提高軌道測(cè)控的相對(duì)和絕對(duì)精度以及平順性，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞城市軌道交通；軌道工程；精密測(cè)量；三維測(cè)控

1　技術(shù)概況

軌道是城市軌道交通行車的基礎(chǔ)，其堅(jiān)固的穩(wěn)定性和良好的平順性是列車安全舒適運(yùn)行的保障。我國(guó)城市軌道交通線路正線普遍采用無(wú)砟軌道(混凝土整體道床)的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)北京、上海和廣州等城市軌道交通多年的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，振動(dòng)和噪聲問(wèn)題是伴隨軌道交通運(yùn)營(yíng)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的不良影響，這與軌道的平順性直接相關(guān)[1-2]。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)軌道交通的迅速發(fā)展，整體道床軌道的施工工藝已形成較為完善的施工作業(yè)體系。然而，其施工測(cè)量方案還是基于20世紀(jì)90年代的軌道鋪設(shè)工藝及精度要求，傳統(tǒng)的 城 市 軌道測(cè)量與控制方法主要采用小型機(jī)械、大量依靠人工，按照“布設(shè)導(dǎo)線、鋪軌基標(biāo)”的原則，由人工手持道尺、弦線等工具進(jìn)行軌道測(cè)量，存在測(cè)量精度不高、人工誤差影響因素多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、建設(shè)階段的軌道測(cè)量控制基準(zhǔn)在運(yùn)營(yíng)階段不可持續(xù)利用、軌道平順度不高、運(yùn)營(yíng)后軌道養(yǎng)護(hù)維修量較大等問(wèn)題[3-5]。

目前，全國(guó)地鐵測(cè)量單位都在積極地探索和引進(jìn)我國(guó)高鐵精密工程測(cè)量技術(shù)，已有學(xué)者對(duì)高速鐵路中的軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)在城市軌道交通鋪軌階段的應(yīng)用開展了相關(guān)研究。徐永剛研究并闡述了軌道精密測(cè)量技術(shù)在寧波市軌道交通建設(shè)中應(yīng)用的可實(shí)施性[6]。黨紅玲等介紹了將高鐵精密工程測(cè)量中的CPⅢ測(cè)量與無(wú)砟軌道精調(diào)檢測(cè)評(píng)估等技術(shù)引入廣州地鐵的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)中的試驗(yàn)案例[7]。孟峰等介紹了北京地鐵6號(hào)線一期工程軌道鋪設(shè)測(cè)量中利用CPⅢ控制網(wǎng)基本方法進(jìn)行城市軌道交通軌道鋪設(shè)測(cè)量試驗(yàn)的情況[8]。莫中生等介紹了沈陽(yáng)地鐵采用軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行地鐵鋪軌的工程實(shí)例，并闡述了該技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比的優(yōu)越性及實(shí)施中的注意事項(xiàng)[9]。

筆者以正在運(yùn)營(yíng)的寧波軌道交通1號(hào)線一期工程為研究背景，介紹如何系統(tǒng)性地通過(guò)測(cè)量技術(shù)創(chuàng)新、工藝改進(jìn)及設(shè)備更新，提高城市軌道測(cè)量的精度，實(shí)現(xiàn)城市軌道三維調(diào)整的設(shè)備化、精細(xì)化、信息化，有效提高城市軌道的相對(duì)精度、絕對(duì)精度以及平順性。

2　城市軌道的精密三維測(cè)控技術(shù)

2.1測(cè)量體系

軌道精密三維測(cè)控技術(shù)的主要內(nèi)容是建立自由測(cè)站三維邊角測(cè)量網(wǎng)、應(yīng)用軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x進(jìn)行軌道精密測(cè)量，從而指導(dǎo)軌道精調(diào)施工、軌道精密驗(yàn)收檢測(cè)等。自由測(cè)站三維邊角測(cè)量網(wǎng)可為調(diào)線調(diào)坡測(cè)量、設(shè)備安裝測(cè)量、軌道的鋪設(shè)、軌道的精調(diào)、沉降變形監(jiān)測(cè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等提供服務(wù)，在軌道工程施工前、施工中以及施工后的各個(gè)不同階段提供統(tǒng)一的三維測(cè)量控制基準(zhǔn)，并通過(guò)研究先進(jìn)的儀器設(shè)備和技術(shù)手段進(jìn)行三維的測(cè)量與控制，可使軌道的相對(duì)精度達(dá)到毫米級(jí)，實(shí)現(xiàn)軌道的高平順性與高穩(wěn)定性。新體系包括了一整套與目前軌道施工工藝配套的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)程，對(duì)今后軌道的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)提出相關(guān)的改進(jìn)和優(yōu)化建議。

2.2自由測(cè)站三維邊角交會(huì)測(cè)量網(wǎng)

自由測(cè)站三維邊角交會(huì)測(cè)量網(wǎng)，是在城市軌道交通地面控制網(wǎng)(或經(jīng)聯(lián)系測(cè)量)、地下施工控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上按分級(jí)布設(shè)的原則進(jìn)行布設(shè)的。通過(guò)研發(fā)專用的數(shù)據(jù)采集與處理軟件系統(tǒng)，與智能型全站儀進(jìn)行控制指令與數(shù)據(jù)的交換，實(shí)現(xiàn)了軌道控制網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)采集過(guò)程的自動(dòng)一體化。通過(guò)研發(fā)專用的測(cè)量組件，實(shí)現(xiàn)了軌道基礎(chǔ)控制點(diǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定保存。下面從控制點(diǎn)位布設(shè)、測(cè)量組件、測(cè)量方法及成果形式方面介紹該網(wǎng)。

2.2.1控制點(diǎn)布設(shè)

控制點(diǎn)按30～60 m的縱向間距，成對(duì)布設(shè)于線路兩側(cè)的隧道側(cè)墻、中隔墻或站臺(tái)廊檐上，高于軌面0.7～1.2 m。

考慮到隧道空間狹小、設(shè)備管線紛繁復(fù)雜，要滿足長(zhǎng)期保存、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高度合適、便于建設(shè)與運(yùn)營(yíng)階段測(cè)量的要求，在布設(shè)點(diǎn)位前，應(yīng)與線路設(shè)計(jì)單位溝通，將控制點(diǎn)與應(yīng)急平臺(tái)、消防水管、電纜支架的設(shè)計(jì)位置進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)；與機(jī)電設(shè)備安裝單位進(jìn)行溝通，在管網(wǎng)布設(shè)時(shí)，避開控制點(diǎn)。以圓形隧道為例，控制點(diǎn)布設(shè)位置如圖1所示。

圖1　單圓隧道控制點(diǎn)布置

2.2.2三維測(cè)量組件

城市軌道交通專用三維測(cè)量組件包括預(yù)埋件、棱鏡桿及精密測(cè)量棱鏡，棱鏡桿用于連接精密測(cè)量棱鏡與預(yù)埋件，在使用時(shí)安裝上棱鏡，再將其安裝在預(yù)埋件中。該組件均由1Cr18Ni9不銹鋼材料制作，標(biāo)志重復(fù)安置精度和互換安裝精度X、Y、Z的3方向分別小于0.4，0.4，0.2 mm。預(yù)埋件直接安放棱鏡，屬于強(qiáng)制對(duì)中，消除了棱鏡的對(duì)中誤差，也易于控制點(diǎn)的保護(hù)，可供建設(shè)和運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)期使用并保存。

2.2.3外業(yè)測(cè)量

采用自由測(cè)站邊角交會(huì)的方法測(cè)量，每個(gè)自由測(cè)站觀測(cè)4對(duì)控制點(diǎn)，測(cè)站間重復(fù)觀測(cè)3對(duì)控制點(diǎn)，每個(gè)控制點(diǎn)有4個(gè)自由測(cè)站的方向和距離，具體測(cè)量方法如圖2所示，平面測(cè)量主要技術(shù)要求如表1所示。水平方向采用全圓方向觀測(cè)法進(jìn)行觀測(cè)，水平方向觀測(cè)應(yīng)滿足表2的要求。

圖2　自由測(cè)站三維邊角交會(huì)測(cè)量網(wǎng)

表1　測(cè)量方法與主要技術(shù)要求

表2　水平方向觀測(cè)技術(shù)要求

距離觀測(cè)采用多測(cè)回距離觀測(cè)法，應(yīng)滿足表3的要求。邊長(zhǎng)觀測(cè)應(yīng)實(shí)時(shí)地在全站儀中輸入溫度和氣壓進(jìn)行氣象元素改正，溫度讀數(shù)精確至0.2 ℃，氣壓讀數(shù)精確至0.5 hPa。

表3　距離觀測(cè)技術(shù)要求

高程采用自由測(cè)站三角高程測(cè)量方法進(jìn)行高程測(cè)量，與平面測(cè)量同時(shí)進(jìn)行。自由測(cè)站三角高程進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，除滿足平面網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)要求外，還應(yīng)滿足表4的技術(shù)要求。

表4　高程外業(yè)觀測(cè)主要技術(shù)要求

2.2.4與起算點(diǎn)的聯(lián)測(cè)

1) 與平面起算點(diǎn)的聯(lián)測(cè)。當(dāng)沿線布設(shè)有施工控制網(wǎng)(或貫通導(dǎo)線)時(shí)，應(yīng)每隔300 m左右聯(lián)測(cè)1個(gè)平面施工控制點(diǎn)。同時(shí)，應(yīng)聯(lián)測(cè)每個(gè)車站布設(shè)的地下平面起算點(diǎn)(經(jīng)聯(lián)系測(cè)量傳遞的控制點(diǎn))。與平面起算點(diǎn)聯(lián)測(cè)時(shí)，應(yīng)至少通過(guò)2個(gè)或2個(gè)以上自由測(cè)站進(jìn)行聯(lián)測(cè)，如圖3所示。

圖3　與平面起算點(diǎn)聯(lián)測(cè)示意

2) 與高程起算點(diǎn)的聯(lián)測(cè)。每隔1 km左右與水準(zhǔn)基點(diǎn)進(jìn)行高程聯(lián)測(cè)。與水準(zhǔn)基點(diǎn)的聯(lián)測(cè)采用水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，應(yīng)按二等水準(zhǔn)測(cè)量要求進(jìn)行往返觀測(cè)；與水準(zhǔn)基點(diǎn)的聯(lián)測(cè)采用三角高程測(cè)量時(shí)，應(yīng)在水準(zhǔn)基點(diǎn)上架設(shè)固定高度的棱鏡，并在不同的3個(gè)自由測(cè)站對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)。

2.2.5數(shù)據(jù)處理

進(jìn)行三維數(shù)據(jù)處理時(shí)，先采用獨(dú)立三維自由網(wǎng)平差，再采用合格的平面、高程起算點(diǎn)進(jìn)行固定三維約束平差，以下為數(shù)據(jù)處理步驟。

1) 解算三維概略坐標(biāo)。是對(duì)所選擇的平差文件進(jìn)行概略坐標(biāo)的推算，概略坐標(biāo)的正確與否，將直接影響誤差方程開列的正確性。

2) 三維自由網(wǎng)平差。是對(duì)所選擇的三維平差文件進(jìn)行三維自由網(wǎng)平差，以檢查觀測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)符合精度及其與控制點(diǎn)已知坐標(biāo)的兼容性。在自由網(wǎng)平差報(bào)告中，驗(yàn)后單位權(quán)中誤差反映了觀測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)符合精度，尺度K和控制點(diǎn)變換后較差反映了觀測(cè)數(shù)據(jù)與控制點(diǎn)已知坐標(biāo)的兼容性。當(dāng)控制點(diǎn)變換后較差較大時(shí)，可在控制點(diǎn)坐標(biāo)文件中將較差較大的控制點(diǎn)剔除，重新進(jìn)行自由網(wǎng)平差。

3) 三維約束平差。是對(duì)所選擇的三維平差文件進(jìn)行三維約束平差，并輸出平差結(jié)果。三維約束平差結(jié)果包括：方向平差結(jié)果、斜距平差結(jié)果、天頂距平差結(jié)果、各測(cè)站大氣折光系數(shù)、三維平差坐標(biāo)及其精度、方位角、斜距、天頂距及其相對(duì)精度、三維控制網(wǎng)總體信息、方差分量估計(jì)結(jié)果。

4) 搭接點(diǎn)平滑處理。是對(duì)相鄰區(qū)段的重疊點(diǎn)進(jìn)行平滑處理，形成全網(wǎng)統(tǒng)一坐標(biāo)。

3　軌道三維精密測(cè)量與控制

長(zhǎng)軌枕埋入式整體道床主要應(yīng)用于我國(guó)軌道交通的一般減振要求地段，是城市軌道交通正線及輔助線一般地段采用的道床結(jié)構(gòu)類型。以長(zhǎng)軌枕埋入式整體道床為例，說(shuō)明軌道三維精密測(cè)量與控制的方法，既有軌道施工工藝改進(jìn)后的工藝流程見圖4。

圖4　軌道三維精密測(cè)量與控制施工流程

軌排精調(diào)采用全站儀自由設(shè)站配合軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x進(jìn)行。將自由測(cè)站三維邊角交會(huì)測(cè)量網(wǎng)測(cè)量成果坐標(biāo)導(dǎo)入智能型全站儀中，并將線路平面、縱斷面設(shè)計(jì)參數(shù)和曲線超高值等錄入軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x。

軌道檢測(cè)利用自由測(cè)站三維邊角交會(huì)測(cè)量網(wǎng)坐標(biāo)成果進(jìn)行全站儀自由設(shè)站(后方交會(huì))，確定全站儀的三維坐標(biāo)，然后將軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x推動(dòng)到待檢測(cè)部位，通過(guò)全站儀觀測(cè)軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x上的棱鏡，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前軌道位置與設(shè)計(jì)位置的偏差，經(jīng)過(guò)人工調(diào)軌，來(lái)精確控制軌道的實(shí)際位置與理論位置的絕對(duì)偏移量，以使軌排達(dá)到設(shè)計(jì)要求。軌道檢測(cè)方法如圖5所示，由軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x上配套的電腦實(shí)時(shí)顯示待檢測(cè)位置的設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)的偏差(見圖6)。

軌道精確測(cè)量與調(diào)整后，軌道的中心線、軌頂面高程允許偏差及軌道的平順性指標(biāo)均應(yīng)滿足規(guī)范要求，自檢合格并報(bào)監(jiān)理工程師驗(yàn)收后再澆筑道床混凝土。

4　軌道三維精密驗(yàn)收檢測(cè)

軌道結(jié)構(gòu)幾何狀態(tài)的好壞直接影響著軌道行車的安全性、平穩(wěn)性和舒適性。衡量軌道的幾 何 狀 態(tài) 主 要有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩方面[10-11]。軌道精密測(cè)量技術(shù)以自由測(cè)站三維邊角交會(huì)測(cè)量網(wǎng)坐標(biāo)為基準(zhǔn)，通過(guò)軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x配合智能型全站儀來(lái)實(shí)現(xiàn)軌道的絕對(duì)位置與相對(duì)平順性的檢測(cè)。檢測(cè)原理、方法及工具如表5所示。

圖5　軌道三維精密測(cè)量與控制施工

圖6　軌道偏差三維實(shí)時(shí)顯示

表5　軌道精密三維測(cè)控原理、方法及工具

5　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，軌道精密三維測(cè)控技術(shù)作為現(xiàn)代化城市軌道交通測(cè)量的一種新技術(shù)，有效提高了軌道的相對(duì)精度、絕對(duì)精度以及平順性，實(shí)現(xiàn)了軌道測(cè)量的三維數(shù)字化，提升了軌道交通測(cè)量的自動(dòng)化、程序化與機(jī)械化程度，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。為使這種技術(shù)具有更廣泛的發(fā)展前景，工程技術(shù)人員應(yīng)充分考慮各方面因素，進(jìn)一步研究該技術(shù)在城市軌道交通運(yùn)營(yíng)階段的沉降監(jiān)測(cè)及軌道平順性維護(hù)工作，使其貫穿于“設(shè)計(jì)—施工—運(yùn)營(yíng)”整個(gè)階段，并發(fā)揮重要作用。

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(編輯：郝京紅)

Research and Application of New Technology of Track 3D Precision Measurement and Control

Han Sanqi

(Ningbo Rail Transit Group Co., Ltd., Ningbo 315000)

This paper introduces the new technology of track 3D precision measurement and control in urban rail transit. By referring to the research and application of 3D line-angle measurement technique with free-station in underground surveying, the surveying control points can be in good maintenance during construction and operation period to improve the accuracy of the subway control surveying system; the track geometric status measuring instrument can be applied to the track precision measurement in urban railway system to realize automatic and programmed measurement of urban rails and to decrease the track irregularities; the measurement of track basic control surveying network and the 3D data processing technology are researched, and the corresponding software is developed for data collection and processing based on 3D measurement line-angle surveying net with free-station. This technology can effectively improve the relative accuracy, absolute accuracy and track regularities with good application prospect.

urban rail transit; rail engineering; precision measurement; 3D measurement and control

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.01.014

2015-07-29

2015-08-13

韓三琪，男，碩士，高級(jí)工程師，從事城市軌道交通測(cè)量理論與技術(shù)的研究，hansanqi81@163.com

1672-6073(2016)01-0055-04

U231

A