高速鐵路精密工程測量問題研究

王曉凱

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102699)

2018年太青高鐵即將竣工通車，這也意味著中國鐵路框架網的建設即將全部完成，已進入收官階段。自2005年京津城際開工建設到今天，我國的高速鐵路技術發展已經穩健地邁入了成熟期，在“引進-消化吸收-再創新”戰略的指導下，高鐵技術的國產化取得了累累碩果，形成了一系列自主的知識產權，創造了獨一無二的中國高鐵品牌。2017年3月20日，國家發改委正式發布了“八縱八橫”的路網規劃：計劃到2020年，隨著一批重大標志性項目的建成投產，鐵路網規模將達到15萬km，其中高速鐵路3萬km，覆蓋80%以上的大城市。在我國高鐵持續穩定高速發展的情形下，進一步消化吸收前期建設經驗，對完善各階段技術、生產、運營的標準化管理十分有意義。

2009年，鐵道部發布了《高速鐵路工程測量規范》(TB10601—2009)。通過京滬、哈大、京石武等多條高鐵的實踐證明：所采用的標準體系經受住了勘察、設計、施工、運營全階段的考驗，驗證了其科學性、先進性、適用性和可靠性。但在一些細節方面，仍然存在著一些需要改進的地方。比如控制網建網時機與前期設計脫節，控制網設計單純考慮自身網形未顧及施工實際情況等。

1 建網時機

傳統鐵路工程控制網是在初測階段建立低等級控制網，方案穩定后另行開展精密工程測量，存在著初測控制基準產生的設計文件與施工基準文件不一致的情況，常會出現土石方量偏差大、上跨下穿凈空不足等隱患。新建鐵路的比選方案較多，在方案不穩定時直接建立全套精密測量控制體系不經濟。因此，在參考傳統測量控制工序的基礎上，對各個階段的建網時機進行了如下的規定：

(1)CP0控制網應在初測前采用GNSS測量方法建立，全線一次性布網，統一測量，整體平差[1]。

(2)CPⅠ控制網宜在初測階段建立，困難時應在定測前完成，全線應一次布網，統一測量，整體平差[1]。

(3)CPⅡ控制網宜在定測階段完成，采用GNSS測量或導線測量方法實測[1]。

CP0建網時間的選擇：我國高鐵建設初期，國家控制網不完善且精度不足，因此規范要求在初測階段建立CP0。2008年7月1日我國正式啟用2000國家大地坐標系后，國家網精度差的情況在絕大多數地區已經不復存在，因此該條規定在今天也就不一定完全適宜。現階段我國高速鐵路及干線鐵路網絡已初具規模，采用兩端既有鐵路的控制基準，直接實現路網控制平順搭接的方式可能更加有效合理。

“CPⅠ控制網宜在初測階段建立”是為了防止初測勘察設計資料與施工階段控制網資料不一致而規定的。初測階段比選方案眾多，此時實施精密測量會造成較大的成本浪費；另外，從初測到開工會經歷較長時間，在這個階段建立起的控制網，往往會出現大區段的控制樁毀壞，甚至會出現控制網功能局部喪失的情況。隨著國家CORS基準站建設的逐步完善，這方面的矛盾也有了根本性的解決方案。目前，我國有27個省市建成了平均站間距40～70 km的省級CORS網，其余省份也已列入規劃。各鐵路設計院在多條鐵路勘察設計過程中開展的CORS技術應用證明：在鐵路初測階段，CORS技術的精度足以保證勘察設計應用，且生產效率也會大大提高。

因此，合理的推薦方案應當為：在初測前對線路資料進行分析，明確本線采用的框架控制網基準；在2000國家控制不足或CORS基站無法覆蓋的區域，采用GNSS測量方法建立CP0控制網，并與國家A、B級GNSS控制點聯測；初測可以采用CORS完成，待方案基本穩定后，全線建立CPⅠ并進行定測(如表1)。

表1 精密測量控制網不同工序優缺點比較

隨著全國測繪地理信息基礎數據精度越來越高，密度越來越大，尤其是連續運行參考站系統CORS的建設越來越成熟完善，為測量工作帶來了巨大的便捷和精度保障，在高速鐵路精密測量控制方面，傳統的流程體系已經出現了一定的缺陷，應當在實施過程中做一些調整。

2 控制網布網

現行規范規定CPⅠ控制網為每隔4 km布設1個GNSS控制點。經歷過施工期及運營期，可能會出現控制樁丟失的情況，直接影響到線路控制網CPⅡ和軌道基準網CPⅢ的復測穩定性判斷，也會進一步影響到軌道結構的長波不平順維護。因此，建議CPⅠ按對點埋設在受施工干擾較小的區域。

隨著GNSS-RTK技術的引進，使得精度要求不高的線下施工不再依賴于全站儀施工放樣，作業模式的改變使得鐵路控制網點間的通視要求在局部地段已經不再是硬性條件(山區隧道段除外)；同樣，控制點距線路中線的要求也應該有所變化，應當側重于點位的維護及GNSS的作業方便。因此，GNSS控制網的布網要求在規范限定中應該有所優化調整：CPⅠ基礎控制網建議為每隔4 km布設1對(對點盡量垂直線路方向布設)，間距由當前的50～1 000 m調整為400～1 000 m；CPⅡ線路控制網建議由當前的50～200 m調整為200～400 m；CPⅡ線上加密控制點應布設于鐵路建設限界內。控制網布設時，應當充分考慮周邊控制點的位置情況，使整條鐵路控制網的分布及控制更加合理。

3 水準網的穩定性控制

控制網平面觀測采用人工干預少、穩定性強的GNSS作業，成果較為可靠。而高程測量過程中，受到國家控制基準、地域沉降、穿越隧道、跨越江河等諸多影響，存在的問題較多。在高速鐵路精密測量控制工作中，水準測量的質量保證以及數據處理方式的合理與否至關重要。已經建成高鐵的運營復測數據分析表明，許多地段存在著較為嚴重的沉降情況，甚至導致了鐵路限速。在這些地區，如果沒有穩定的控制點，控制網復測往往會出現控制基準穩定性無法判定的情況。為了在這些區段進行變形監測，必須要從可靠的穩定控制點(國家基巖點)引出，監測工作往往費時、費力。

《客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規定》中沒有對鐵路高程控制網中深埋及基巖點進行要求。在京津城際、京滬高速鐵路實施過程中，由于沿線地質條件非常復雜，存在多個不均勻沉降漏斗區，有些地方地表沉降非常嚴重，因此采用了深埋水準基點的控制方式。多次復測證明，相對于地面控制標石，深埋點具有顯著的抗沉降性，可為鐵路的運營、維護、監測提供長效的高程基準支持。因此，《高速鐵路工程測量規范》對深埋標石做了如下的要求：在地表沉降不均與及地質不良地區，宜按每10 km設置一個深埋水準點，每50 km設置一個基巖水準點。基巖水準點和深埋水準點應盡量利用國家或其他測繪單位埋設的穩定基巖水準點和深埋水準點[1]。

因此，在地表沉降不均勻與及地質不良地區，基巖水準點應當作為線路水準基點的高一級控制點，每50 km設置一個。深埋水準點是線路水準基點的同級控制點，但其較之一般水準點抗沉降性好，在控制網復測過程可作為區段穩定性判斷的重要依據。深埋水準點可以選擇穩定的老舊建筑基礎、大型橋臺基礎等替代；也可以選擇國家或其他測繪單位埋設的基巖、水準點作為深埋控制樁(不兼容的情況下可不采用原國家控制成果，僅作為本條線路的深埋控制)。

4 長大隧道貫通后水準控制網的處理

高速鐵路精密測量控制網在勘察設計階段建立。在跨越大江大河及長大隧道時，水準采用繞行觀測或者跨河觀測的方式。橋梁鋪架施工完成或隧道貫通后，對水準測量而言，新的貫通條件產生了，路線會大大縮短，在一定范圍內的閉合精度也會大大提高。以某山區鐵路隧道高程控制為例：設計隧道長度約10 km，受地形及交通條件影響，水準繞行路線達到100 km。按照二等水準的觀測方法實施，隧道貫通前符合路線閉合差限差為40.0 mm；貫通后限差為12.6 mm，精測網高程在隧道貫通后可能會產生斷高。若前期未做任何附加考慮，甚至在隧道貫通測量之前進行了隧道段的精密測量，將會給后期施工造成較大的影響。因此，在此類特殊的施工條件下，必須對工點的精密測量進行專項設計。

(1)根據水準繞行設計觀測成果計算隧道兩端高程控制點間閉合差。

(2)根據斜井閉合條件、貫通路線及水準限差估算貫通后兩端高程控制點間閉合差；每公里水準測量的全中誤差按下式計算

(1)

式中W——經過各種改正后的水準環閉合差/mm；

L——水準環線周長/km；

N——水準環數。

依據式(1)，取MW=2，N=1，L=10，則可計算出水準閉合差W=6.3 mm；

(3)計算最不利情況下產生的最大斷高值：

H閉合=H繞行-H貫通

放樣施工及無砟軌道施工應預留斷高調整段。

(4)完成貫通測量后，根據貫通測量水準閉合情況設置施工斷高，并在局部范圍內與兩端精測網相協調一致。在竣工測量中，全線精密測量控制網統一平差，消除斷高，并根據最新的精測網成果對線路情況進行復測并評估，必要時進行豎曲線的二次設計。

類似的情況還包括：大型江、河的跨河橋施工水準貫通測量；無砟軌道過渡段施工(道岔板施工精調、道岔安裝后的前后順接)；地鐵區間高程貫通測量等。

5 結束語

《高速鐵路工程測量規范》頒布實施已近10年，隨著測繪科學技術的發展及干線工程由建設期向運營期的轉變，應當對其進行進一步的完善和改進，建立系統權威的完整測繪基準。控制網復測更新后的成果如何更加有效安全地應用于鐵路工務精調，提高線路的平順優化水平等尚需進一步研究。綜上所述，對我國高速鐵精密測量控制技術進行進一步的系統研究非常必要，有助于保證高速鐵路的測量精度，提高施工、運營期間的測量效率和質量，節約成本，具有明顯的社會經濟效益。