蘭渝鐵路蘭州至廣元段精密工程控制測量技術體系及特點

武瑞宏

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

1 工程概況

蘭渝鐵路是國家“十二五”規劃的重點鐵路項目,是我國地質條件最復雜的山區長大干線鐵路之一,從2005年完成預可行性研究報告至2017年開通運營,歷時12年。

蘭渝鐵路蘭州至廣元段位于黃土高原和秦嶺高中山區,正線長度492.993 km,地質情況極其復雜,號稱“地質博物館”。全線橋隧工程集中,橋隧總長度達418.08 km,占線路總長的86%；隧道66座,總長度達343 km,長度超過10 km的特長隧道9座。長度在6 km及以上的長大隧道和連續長大隧道之間的橋梁、路基均鋪設無砟軌道,其余正線鋪設有砟軌道,一次鋪設跨區間無縫線路[1]。

2 精密工程測量技術體系的建立及特點

精密工程測量技術是高速鐵路成功建設的關鍵技術之一[13]。蘭州至廣元段精密工程測量控制網建設過程經歷了我國鐵路工程控制測量體系從形成到逐漸完善的階段,建立了滿足勘測、施工、運營維護各階段的精密工程測量技術體系。

勘察設計階段測量工作初始依據是TB10101—99《新建鐵路工程測量規范》,精密工程測量控制網建網參照鐵建設[2006]189號《客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規定》(以下簡稱“暫規”)執行,施工階段的控制網復測和洞內控制網建網參照TB10601—2009《高速鐵路工程測量規范》、TB10101—2009《新建鐵路工程測量規范》以及鐵總建設[2013]88號《新建時速200公里客貨共線有砟軌道鐵路軌道控制網測設補充規定》執行。建設過程中新的規范、規定的陸續出臺也為蘭渝鐵路工程測量工作提供了參考依據。

蘭州至廣元段精密工程控制網測量參照了不同階段出臺的規范、規定,體現了鐵路工程測量標準體系發展完善的成果,同時也有與其地域國家高等級起算點、地震影響、施工等相關因素的特點,值得總結。

2.1 建立起全段測量標準統一、“三網合一”的精密工程測量技術體系

蘭州至廣元段線下工程按照速度目標值200 km/h設計,線上工程分段落按速度目標值200，160 km/h設計,該段長大隧道眾多且均鋪設無砟軌道。無砟軌道測量精度較有砟軌道測量精度要求高,如控制網測量嚴格按照當時有效規范的技術標準執行,全線控制網則會劃分成一二十段按照不同技術標準施測的段落,段落劃分過多,每個段落測量精度不一致,不便于測量的生產組織和數據處理,以及施工建設和運營維護期間測量成果的應用和復測。

考慮到上述問題,蘭州至廣元段全線統一了測量技術標準,按照分級布網、逐級控制的原則,參照暫規建立了帶狀平面和高程精密工程測量控制網[5]。CP0框架控制網進行了專項設計,起閉于收集的國家CGCS2000大地坐標系GPS A、B級控制點；CPⅠ基礎平面控制網按鐵路二等GNSS測量技術要求施測,起閉于CP0框架控制網點；CPⅡ線路平面控制網按鐵路三等GNSS測量技術要求施測,起閉于CPⅠ基礎平面控制網點；CPⅢ軌道控制網平面按自由測站邊角交會方式測設,起閉于CPⅠ、CPⅡ控制網點。線路水準基點控制網參照國家二等水準測量技術要求施測；CPⅢ軌道控制網高程采用水準測量方法或采用自由測站三角高程測量方法施測[6]。

上述各等級平面和高程控制網設計和實施,建立了“三網合一”[5]的精密工程測量技術體系,簡化了測量實施的復雜度,滿足了全線勘察設計、施工建設和運營維護各階段的需要。

2.2 建立基于國家CGCS2000坐標系橢球參數的平面坐標基準

我國于20世紀50年代和80年代分別建立了1954北京坐標系和1980西安坐標系,這兩坐標系在各行各業均得到了廣泛的應用,鐵路勘察設計過程中的地形圖、控制網等測繪成果也全部采用1954北京坐標系或1980西安坐標系。

隨著國家鐵路建設標準的提升,從測繪管理部門收集的1954北京坐標系或1980西安坐標系國家三角點成果精度難以滿足鐵路建設的需要。在同期建設的高速鐵路精密工程測量控制網采用了兩種方法保證起算精度,一種是聯測國家1954北京坐標系或1980西安坐標系三角點,采用一點一方向[5]的約束平差方法,如鄭西高鐵、武廣高鐵等；另一種是布設框架網點并采用長基線測量的方法,建立并提供基于WGS84橢球的框架控制網成果[7],如京滬高鐵、哈大高鐵等。第一種方法與1954北京坐標系或者1980西安坐標系沒有嚴密的轉換方法,且在后續控制網復測及維護中不方便應用,第二種方法采用WGS84橢球,起算采用IGS站ITRF框架坐標,不同項目采用的參考框架及歷元基準均不同,也無法與現有坐標系進行很好的銜接。

自2008年7月1日起,我國全面啟用國家CGCS2000大地坐標系作為國家法定的坐標系,該坐標系是我國新一代的平面基準[8],可以作為各項社會經濟活動的基礎性保障。

蘭州至廣元段精密工程測量控制網在2007年9月建網測量時,雖然國家CGCS2000大地坐標系尚未正式發布啟用,但當時我院已跟蹤并了解到國家CGCS2000大地坐標系實施已勢在必行,且測繪管理部門已經可以提供基于國家CGCS2000大地坐標系的三維高精度國家GPS A、B級點成果,因此決定收集國家CGCS2000大地坐標系國家GPS A、B級點成果,作為平面控制網的起算基準。2008年7月1日,CGCS2000國家大地坐標系啟用,本段平面精密工程測量控制網采用國家CGCS2000大地坐標系也剛好順應了這一要求。后續建設的蘭新高鐵、寶蘭高鐵在蘭州樞紐附近聯測了相同的CGCS2000大地坐標系的國家GPS A、B級點,保證了蘭州樞紐各條鐵路平面基準的無縫銜接。

2.3 建立邊長投影變形值不大于25 mm/km的工程獨立坐標系

蘭州至廣元段精密工程測量控制網建網時,200 km/h及以下的無砟軌道測量技術標準尚屬空白,只能參照“暫規”執行。“暫規”規定構建工程橢球建立工程獨立坐標系[11],邊長投影在對應的線路設計平均高程面上的變形值不宜大于10 mm/km[5],該投影變形要求是針對速度250 km/h及以上的無砟軌道規定的。本段線路主要通過隴中黃土高原區和隴南秦嶺高中山區,山區高差起伏大,邊長投影變形值按≯10 mm/km控制存在諸多不利因素,投影變形設計難度大,投影分帶達到30多個,很多長大隧道無法劃分在同一投影帶內,給后續勘察設計、施工建設和運營維護均帶來不便。在和設計專業充分論證后認為,全段落按邊長投影變形值≯25 mm/km進行分帶是可以滿足隧道內無砟軌道鋪設和運營維護需要的,全段共分為11帶,大大減少了分帶數目,方便了后續設計和施工。隨著長大隧道無砟軌道的陸續鋪設完成和2017年9月蘭渝鐵路的順利開通運營實踐,證明蘭州至廣元段按25 mm/km投影變形分帶是可以滿足速度200 km/h無砟軌道鋪設精度要求和運營需要的。

2.4 采用符合工程實際的線路水準基點控制網平差方案

蘭州至廣元段線路水準基點控制網施測時充分收集了國家高等級水準點資料,收集的國家Ⅰ等武定線成果于1987年施測,施測年代較早,作為初測四等高程控制網測量的起算點滿足要求。在定測完畢線路方案穩定后,參照國家二等水準測量技術要求施測線路水準基點控制網,發現大多數測段施測高差和國家水準點間高差閉合差不滿足規范要求,初步認為收集的國家水準點由于施測年代久遠已經發生變化,不能滿足作為線路水準基點控制網測量起算點的需要。隨后收集到國家地震局第二變形監測中心1999年施測的Ⅰ等武定線國家水準點高差(無正式高程成果),分析結果見表1。

從表1可以看出,國家水準點間施測高差與從地震局收集的1999年施測高差符合良好,而與收集的1987年國家水準點成果高差符合性較差,7段中高差中僅有2段在允許范圍之內,且高差差值呈系統性變化,國家水準點成果已經不能滿足線路水準基點控制網起算的精度要求。

表1 收集的不同時期國家水準點高差與實測高差對比

全段線路水準基點測量貫通后,蘭州端Ⅰ蘭西4～武定68(哈達鋪附近)、武定68～Ⅰ廣元基巖點閉合差情況見表2。

表2 不同段落國家水準點成果閉合差情況

從表2可以看出,兩段高差閉合差均超過限差,在確認施測高差無誤后,為確保和初、定測勘測資料的銜接,減少勘測設計資料的修改,以收集的蘭州端Ⅰ蘭西4、哈達鋪附近武定68、廣元端Ⅰ廣元基巖點水準成果作為本段線路水準基點控制網的起算點,將高差不符值按距離平均分配在每段測量高差上,保證了與勘測資料的銜接,同時也可以保證相鄰線路水準基點的相對精度。

本段線路水準基點控制網平差方案符合工程實際,后續施工過程中的兩次整網復測和施工驗證表明,該平差方案切合實際,合理可行,滿足了工程建設需要。后續建設的蘭新高鐵、寶蘭高鐵在蘭州樞紐附近聯測了相同的國家水準點作為起算點,保證了蘭州樞紐段各條鐵路高程的無縫銜接和基準統一。

2.5 地震對精密工程測量控制網造成影響的評估

蘭州至廣元段精密工程測量控制網建網工作于2007年9月至2008年4月完成。2008年5月12日,我國四川省汶川縣發生里氏8.0級特大地震,地震發生于四川龍門山斷裂帶,蘭渝鐵路經過的四川省廣元市、甘肅省隴南市等位于龍門山斷裂帶上,而且后續余震不斷,考慮到地震是長期的大陸板塊擠壓產生累積的構造應力集中釋放造成的,勢必造成震后變形[2],對本段廣元、隴南等地精密工程測量控制網的穩定性造成影響。因此，需要通過復測查明地震對精密工程測量控制網造成影響的段落和影響程度,對受影響的段落成果及時進行更新,滿足蘭渝鐵路開工建設的需要。

考慮到廣元、隴南段受地震影響顯著,蘭州端受地震影響較小,因此決定先期復測哈達鋪到廣元段的精密工程測量控制網,根據復測分析結果再確定是否需要對蘭州至哈達鋪段也進行復測。2008年6月～8月對哈達鋪至廣元段的CP0、CPⅠ、CPⅡ各等級平面控制網和線路水準基點控制網進行了復測。2008年“5.12”大地震后,地震部門對建網使用的廣元附近的國家GPS B級點也進行了復測,收集了該點的成果,和其他原CP0網約束點一起作為該段CP0復測的起算點,CP0復測成果對比結果見表3。

表3 地震前后CP0解算成果對比

從表3可以看出,從哈達鋪到隴南基本上每40 km變化1～2 cm,在四川青川縣姚渡附近達到30 cm,姚渡至廣元段有一定的扭曲,對哈達鋪附近CP0點穩定性基本沒有影響。線路水準基點高程控制網復測完成后,從閉合差來看,震前震后閉合情況基本一致,說明廣元端的Ⅰ廣元基巖點還是比較穩定的,但廣元至隴南段沿線埋設的線路水準基點高程值變化較大,最大差值達到20 cm左右,說明地震對隴南至廣元段造成了較大的影響。

根據哈達鋪至廣元段精密工程測量控制網復測成果分析,地震對哈達鋪至廣元段的影響是漸進性的,對隴南至廣元段造成的影響比較大,因此對哈達鋪至廣元段的平面和高程精密工程測量控制網成果全部進行了更新,采用復測成果,同時經過分析認為地震對蘭州至哈達鋪段的精密工程測量控制網影響甚微,因此哈達鋪至蘭州段不再進行復測,仍采用建網成果。2014年3月和2016年4月的兩次復測及全段施工證明,哈達鋪至廣元段采用地震后的復測成果、蘭州至哈達鋪段采用建網成果是合適的,精度滿足了后續施工需要,該處理方案既消除了地震對精密工程測量控制網的影響,又降低了全線復測工作量。

2.6 長大隧道洞內CPⅡ控制網測量方法

本段落長大隧道包括胡麻嶺隧道、木寨嶺隧道、哈達鋪隧道、西秦嶺隧道等9座特長隧道,其中最長的3座隧道木寨嶺隧道(19.025 km)、哈達鋪隧道(16.591 km)、西秦嶺隧道(28.236 km)為雙洞單線隧道,在隧道整體貫通后需要施測隧道洞內CPⅡ控制網和洞內水準基點網,以此作為CPⅢ軌道控制網測設的起算基準,從而有效控制軌道的鋪設精度。因此本段落需要完成約195 km的特長隧道洞內CPⅡ測量,工作量大,施工工期緊張,基本都是限期完成。

隧道的洞內CPⅡ施測是保證后續軌道施工尤其是無砟軌道施工質量的關鍵基礎性工作[11],必須確保采用的測量等級和方法合適、正確。為此,長大隧道洞內CPⅡ測量過程中采用了如下方法和措施：(1)嚴格采用隧道二等的測量等級進行隧道洞內CPⅡ控制網測量,測量前對洞外的CPI起算點進行復測確認,確保和洞外平面控制網的順接；(2)采用0.5″級的高精度智能型全站儀,并在后視點位上配備精密支架和精密棱鏡,同時通過全站儀內置自主研發的自動化觀測軟件,保證觀測精度、減小人為觀測誤差,提高數據采集質量；(3)外部環境是影響測量最重要的因素之一,灰塵、煙霧、振動、強光等都會影響測量進度和精度,因此積極與建設單位和施工單位進行協調,確保在良好的外部環境下進行測量；(4)精心進行洞內CPⅡ測量網形布設規劃,進洞邊盡量與施工單位洞內導線使用的進洞邊保持一致,同時聯測部分施工單位施測的洞內導線點,將滿足精度要求的洞內施工導線點也作為約束點,在保證精度的前提下盡可能與洞內施工控制網吻合,以便與隧道既有建筑限界一致,降低隧道中線調線的可能性；(5)現場布點時觀測視線要求盡量遠離障礙物,橫向應遠離洞壁0.5 m以上,垂向應高于隧道內堆積的建筑材料1 m以上,以減弱旁折光的影響。

通過采取上述措施,順利地完成了所有特長隧道洞內CPⅡ的測量工作,成果滿足無砟軌道施工需要。

2.7 長大隧道洞內CPⅡ控制網分段測量方法

蘭州至廣元段長大隧道洞內都鋪設無砟軌道。一般情況下,隧道貫通后進行隧道洞內CPⅡ控制網和水準基點測量,并采用測量成果對線下工程進行評估,檢查隧道限界及軌道鋪設條件,必要時對線路平縱斷面進行調整,之后再進行CPⅢ軌道控制網測設及無砟軌道鋪設。

在長大隧道未整體貫通前對已貫通段落分段施作無砟軌道是緩解工期壓力的有效方法,但分段施作無砟軌道勢必要分段進行洞內CPⅡ控制網測量,而分段測量不符合現行TB10101—2009《鐵路工程測量規范》和TB10601—2009《高速鐵路工程測量規范》,分段測量分段施作無砟軌道不可避免地在線位控制方面存在較大的風險,必須對此風險進行分析和評估,制定相應的對策,把可能的風險降到最低。

胡麻嶺隧道是蘭渝鐵路的重點控制性工程之一,全長13.61 km,隧道中部通過4250 m的第三系弱膠結含水粉細砂巖,在地下水作用下,掌子面開挖擾動后工程性質迅速惡化,基本呈散砂、稀糊狀,局部伴有涌水涌砂現象[14],特殊的地質情況嚴重影響了隧道的貫通進程。2017年6月19日,歷經8年多的艱苦建設,被國內外專家定性為“國內罕見、世界難題”的蘭渝鐵路胡麻嶺隧道勝利貫通,是蘭渝鐵路最后一個貫通的隧道。木寨嶺隧道是蘭渝鐵路全線地質條件最差的隧道之一,為極高風險雙洞單線特長隧道,全長19.06 km,也是蘭渝鐵路建設關鍵控制性工程。2016年7月18日,木寨嶺隧道貫通,雖然貫通較早,但由于木寨嶺隧道的極高地應力和極低圍巖應力,1 000 m的嶺脊段變形非常嚴重,極易產生突變甚至坍塌[15],遲遲不能滿足測量條件。胡麻嶺隧道和木寨嶺隧道分段測量、分段施作無砟軌道成為確保工期的非常手段。

胡麻嶺隧道和木寨嶺隧道洞內分段施測CPⅡ控制網之前,對洞內CPⅡ測量的誤差來源進行了充分的評估,并針對分段施測采取如下針對性的措施。(1)全面復測洞外起算點。對隧道兩端洞口及斜井口控制網進行整體復測,采用最新成果作為洞內分段CPⅡ測量的起算基準。(2)最大程度消除對中誤差,并加強聯系測量的網形設計。在隧道洞口、斜井口、斜井與正洞交叉處點位部分采用強制觀測墩,并采用精密對中支架,減小對中誤差,同時對洞口聯系測量、斜井與正洞的聯系測量進行了專門的網形設計[9],確保導線網的施測精度。(3)采用陀螺儀進行檢測。木寨嶺隧道屬于控制性關鍵工程,為檢測洞內CPⅡ控制網的測量精度,采用高精度的BTJ-3型全自動陀螺儀(標稱定向精度3.6″)對鹿扎斜井底、大坪斜井井底正洞內左右線各二條邊進行了陀螺定向測量,同時分別在鹿扎斜井、大坪斜井地表位置已知GNSS控制邊上進行陀螺定向,測定和檢核儀器常數,洞內外共觀測陀螺定向邊6條。通過對比洞內CPⅡ導線測量的方位角與陀螺儀測量的方位角,對洞內CPⅡ測角精度進行了驗證[10],保證了分段施測洞內CPⅡ導線測量的精度。(4)預留調整段落。防止測量誤差大影響到既有的無砟軌道施工段落,在測量銜接段預留500～1000 m甚至更長的段落暫不施作無砟軌道,待測量銜接完畢無誤后再進行軌道施工。

木寨嶺隧道和胡麻嶺隧道洞內CPⅡ控制網均分四段建網,通過上述措施的采取,每段洞內CPⅡ導線網測量精度均符合規范要求,保證了分段施作無砟軌道的精度和進度[16]。

3 結語

蘭渝鐵路蘭州至廣元段精密工程測量控制網測量時正值我國鐵路精密工程測量控制網建設的高潮時期,也是鐵路工程測量標準探索及完善的重要時期,全段落測量標準統一,構建了完整的精密測量控制體系,為后續施工和運營維護測量奠定了扎實的基礎。在采用國家CGCS2000大地坐標系高等級點起算、建立基于國家CGCS2000坐標系橢球參數的平面基準、全線建立邊長投影變形值滿足不大于25 mm/km的工程獨立坐標系、采用符合工程實際的線路水準基點控制網平差方案、地震對精密工程測量控制網造成影響的評估、長大隧道洞內CPⅡ控制網測量方法、長大隧道洞內CPⅡ控制網分段測量等具有本項目特點的方面進行了經驗總結,可供探討和其他項目借鑒。

蘭渝鐵路蘭州至廣元段精密工程測量控制網建網和歷次復測方案科學、合理,測量成果經施工驗證滿足了工程建設的要求,同時也保證了蘭渝鐵路按期開通運營。