高速鐵路工程測量體系建設與創(chuàng)新

梅 熙 賴鴻斌 李學仕 盧建康

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

高速鐵路運行速度高，為保證列車的安全性和舒適性，軌道必須具有高平順性，這對工程測量提出了挑戰(zhàn)，其測量精度需控制在毫米級范圍之內，高速鐵路工程測量必須建立一套與之相適應的工程測量體系。縱觀世界各國的高速鐵路建設，都有一套適合于自身軌道結構型式的測量技術標準體系，并在此標準體系基礎上，建立了滿足施工、運營維護需要的精密測量控制網。我國自2004年起，根據高速鐵路軌道平順性的精度要求，并結合遂渝鐵路無砟軌道試驗段建設，開展了無砟軌道測量相關技術研究，制定了控制網設計的精度準則和精度指標，進一步編制完成了《客運專線無碴軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》，初步建立了我國高速鐵路工程測量技術標準體系。隨著現代測繪技術的發(fā)展，結合我國高速鐵路的建設特點，開展了高速鐵路軌道控制網(CPⅢ)平面及高程測量標準研究和軟件研制，建立了我國高速鐵路軌道線形控制絕對定位和相對定位相結合、逐級控制的精密控制測量技術體系與方法，填補了我國高速鐵路精密工程測量的技術空白。在此基礎上，編制完成了《高速鐵路工程測量規(guī)范》，為我國高速鐵路大規(guī)模建設提供了堅實的技術支撐。該技術標準發(fā)布實施至今已10年有余，在實施過程中出現了一些不能適應當前高速鐵路建設和發(fā)展的內容，需要持續(xù)建設和創(chuàng)新。

1 高速鐵路工程測量體系的特點

1.1 “三網合一”的測量原則

在高速鐵路的勘測、施工、運營維護過程中，建立基于同一基準的勘測控制網、施工控制網、運營維護控制網，平面、高程控制測量均采用同一測量基準，簡稱為“三網合一”[1]。

1.2 高速鐵路工程測量控制網布網原則[2-4]

高速鐵路工程測量控制網采用分級布網，其原則為：

(1)平面控制網在框架控制網(CP0)的基礎上分三級布設，依次為基礎平面控制網(CPⅠ)、線路平面控制網(CPⅡ)和軌道平面控制網(CPⅢ)，如圖1所示。

圖1 高速鐵路平面控制網分級布設示意圖

(2)高程控制網分二級布設，依次為線路水準基點控制網和軌道高程控制網(CPⅢ)。

1.3 高速鐵路控制網精度的確定[5]

(1)平面控制網的精度確定

(2)高程控制網的精度確定

根據軌道平順性要求，軌道波長為10 m時，高低差應小于2 mm；左右軌頂面水平差的偏差不大于2 mm。由于CPⅢ相鄰點間距為50～70 m，根據測量誤差傳播定律，并根據CPⅢ高差測量誤差以測站進行估算可知，其測量精度應介于二等水準與三等水準之間，定為精密水準測量精度。線路水準基點作為軌道控制網(CPⅢ)高程測量的起閉基準，應高于精密水準測量精度，為與國家水準測量精度等級統一，規(guī)定線路水準基點測量精度等級為國家二等水準。

2 高速鐵路工程測量體系優(yōu)化

2.1 適用范圍

《高速鐵路工程測量規(guī)范》的適用范圍為新建 250～350 km/h高速鐵路工程測量，而我國將要建設的成渝中線高速鐵路設計速度為400km/h，俄羅斯莫斯科至喀山高速鐵路設計速度也為400 km/h。可以預見，400 km/h高速鐵路將成為今后的發(fā)展方向，高速鐵路工程測量體系適用范圍應延伸到400 km/h高速鐵路工程測量。目前，世界范圍內運營速度最快的高速鐵路在中國，北京至上海高速鐵路棗莊至蚌埠段運營試驗速度達486.1 km/h。因此400 km/h高速鐵路的測量體系及精度標準雖然沒有正式規(guī)范可依，但經研究是可以實現的。從目前的初步研究來看，400 km/h高速鐵路與350 km/h高速鐵路軌道平順性基本一致，可進一步根據軌道平順性指標和工程變形限差反演推算平面高程控制網精度標準，用于指導工程勘測設計、施工及運營維護。

2.2 控制測量網形優(yōu)化

規(guī)范中CPⅠ點每4 km布設1對或1個(當CPⅡ采用GNSS測量時)，如果出現連續(xù)CPⅠ控制點被破壞，受測量誤差的影響，控制網很難恢復。在貴廣、滬昆、成渝高速鐵路控制網復測中，由于出現連續(xù)CPⅠ控制點被破壞，采用恢復后的CPⅠ控制點約束CPⅡ，進而約束CPⅢ控制網時，常常出現CPⅢ控制點成果與原成果坐標差值超過2 cm的情況，給軌道精調工作帶來困難。如將CPⅠ每2 km布設 1個或1對(隧道段)，將大大減小控制點破壞留下的空白地段，解決控制點連續(xù)破壞后難以恢復的問題，同時能使控制網精度更均勻，有利于控制網的維護。同時，線路水準基點為2 km布設1個，CPⅠ控制點與之共樁的可能性增大，減小了埋樁工作量。

2.3 衛(wèi)星定位測量指標優(yōu)化

(1)固定誤差與比例誤差系數優(yōu)化[6-8]

固定誤差a和比例誤差系數b的含義與儀器廠家給出的精度公式中的a、b含義基本相同，其區(qū)別在于廠家給出的是某一標準條件下的精度，還應考慮外界因素影響的精度。根據GB 50026-2007《工程測量規(guī)范》及鐵路衛(wèi)星定位測量實踐經驗，固定誤差a與比例誤差系數b應隨等級變化而重新制定，而不應只考慮儀器的標稱精度，這有利于控制網的建設和維護。

(2)增加約束點方位角精度要求

增加約束點方位角精度要求，制定實測方位角與設計方位角的比較值限差，有利于采用國家2000大地坐標系國家控制點為CPⅠ約束點。主要用于約束點穩(wěn)定性和兼容性檢驗，當采用最少約束條件進行首級控制網平差后，應通過檢查方位角精度和邊長相對精度來綜合判斷。方位角精度和邊長相對精度可取上一等級的基線邊方位角中誤差和最弱邊邊長相對中誤差。

(3)衛(wèi)星定位測量控制網的主要技術要求

衛(wèi)星定位測量控制網的主要技術要求優(yōu)化如表1所示。

表1 衛(wèi)星定位測量控制網的主要技術要求表

2.4 規(guī)范體系中的矛盾修正和優(yōu)化

《高速鐵路工程測量規(guī)范》總則1.0.11條“極限誤差規(guī)定為中誤差的2倍 ”與《高速鐵路工程測量規(guī)范》3.2.8條第1款“同一基線不同時段的基線向量各分量及邊長較差應滿足式(1)的要求”顯然是矛盾的：

(1)

式(1)應修正和優(yōu)化為：

(2)

《高速鐵路工程測量規(guī)范》3.3.6條第3款規(guī)定：由若干條獨立基線邊組成的獨立環(huán)或附合路線各坐標分量(Wx、Wy、Wz)及全長Ws閉合差應滿足式(3)的規(guī)定。

(3)

式中：σ——基線長度中誤差(mm)。

式(3)應修正和優(yōu)化為：

(4)

2.5 控制網復測判定標準及成果采用原則優(yōu)化

(1)控制網復測判定標準優(yōu)化

表2 GNSS復測相鄰點間坐標增量之差的相對精度限差表

(2)優(yōu)化后復測成果的采用原則

在高速鐵路勘測設計、施工建設和運營維護整個過程中，需要對控制網進行多次復測。復測的階段不同，其控制網復測成果的采用原則也不盡相同。經研究，優(yōu)化后精測網復測成果的采用原則如下：

①施工單位接樁后的復測及施工期間的不定期復測均為標段局部復測，當CPⅠ、CPⅡ和線路水準基點復測成果與原測成果較差滿足限差要求時，應采用原測成果，目的是保持勘測控制網、施工控制網的基準統一。當較差超限時，應進行二次復測，查明原因，確保復測的正確性和可靠性，并采用同精度內插方法更新成果。

② CPⅢ建網前復測，作為平面控制基準和高程控制基準的CPⅠ和線路水準基點復測成果與原測成果較差滿足限差要求時，應采用原測成果，目的是保持線下工程與線上工程的基準統一。考慮到經過長時間的施工，點位難免發(fā)生變動或破壞，相對精度有所降低，CPⅡ控制點應全部采用復測成果。在CPⅠ控制點約束條件下采用復測更新成果，既保證了基準的統一，又提高了CPⅡ控制點的相對精度，有利于提高CPⅢ控制網精度。當CPⅡ控制點復測成果與原測成果較差超限時，應進行二次復測，查明原因，確保復測的正確性和可靠性，這是采用復測成果的前提。

③長鋼軌精調前復測，當CPⅠ、洞內CPⅡ、線上加密CPⅡ、線路水準基點及線上加密水準點較差滿足限差要求時，應采用原測成果，目的是保持軌道控制網(CPⅢ)基準的統一，減小精調工作量。考慮到加載后點位難免發(fā)生變動，CPⅢ控制點相對精度有所降低，CPⅢ控制點應全部采用復測成果，有利于提高長鋼軌精調平順性。當CPⅢ控制點復測成果與原測成果較差超限時，應進行二次復測，查明原因，確保復測的正確性和可靠性，這是采用復測成果的前提。

3 高速鐵路工程測量技術創(chuàng)新

3.1 高速鐵路長大隧道洞內平面控制測量新方法

高速鐵路隧道洞內常規(guī)導線網在仰拱上布點，易受施工擾動，且多余觀測量少、圖形強度低，網中各導線點點位精度也不均勻，加上設站點和目標點存在對中誤差，對隧道橫向貫通產生不利影響。基于上述情況，參照高速鐵路軌道控制網(CPⅢ)平面測量網形，在開展長大隧道洞內控制網測量時，可采用自由測站邊角交會測量新方法對其進行施測，其測量網形如圖2所示。

圖2 隧道洞內自由測站邊角交會控制測量網示意圖

3.2 長大隧道線路中線偏差調整技術

為了使長大隧道施工中線(基于隧道施工控制網)和后續(xù)軌道鋪設及精調線路中線(基于隧道洞內CPⅡ平面控制網)更加吻合，減少兩者之間的偏差，在進行隧道洞內CPⅡ控制網測量時，應聯測保存完好的隧道洞內施工控制點，并將滿足洞內CPⅡ控制精度的洞內施工控制點作為約束點參與洞內CPⅡ導線網約束平差[9]。在聯測施工控制點困難的情況下，也可根據斷面測量結果檢核線路中線與隧道斷面中線偏差量，對偏差量超限處附近的CPⅡ點坐標進行適當調整，并將調整后的CPⅡ點作為約束點參與洞內CPⅡ控制網平差，相當于構建了“CPⅡ虛擬控制點”，如圖3所示。這樣得到的CPⅡ控制網既可滿足本身的精度要求，還能使線路中線與隧道中線的錯位量控制在最小范圍內，從而保證隧道現狀盡可能滿足行車的限界要求，減少后續(xù)線形調整的工作量。

圖3 隧道斷面中線與CPⅡ控制的線路中線關系示意圖

3.3 超長隧道橫向貫通誤差限差及分配原則

現行規(guī)范中沒有20 km以上長度隧道的橫向貫通誤差限差及分配原則。根據《高速鐵路設計規(guī)范》，橫洞、斜井與正洞交角一般在40°～45°之間，斜井長度過長不利于施工，一般控制在3 km內[10]。應考慮因施工需要在井底設平臺而在測量控制網中形成控制短邊的影響。模擬洞外GNSS網、洞內導線，分別進行測量橫向貫通誤差估算。估算方案為：兩端掘進長度相等(貫通誤差最小)；斜井與正洞45°交角、斜井長 3 km；洞內按雙導線網，導線測角精度取0.8″，測距精度取為 1 mm+10-6×D；斜井與正洞交會處的短邊取30 m，方位傳遞誤差取2.3″；斜井與正洞內的導線邊長取 450 m；洞外GNSS定向邊長500 m，方位精度取0.8″。

根據統計的精度指標，考慮一定的安全空間，估算貫通長度在20 km以上的隧道橫向貫通允許誤差，如表3所示。

表3 20 km以上特長隧道橫向貫通允許誤差表

3.4 構建高精度北斗/GNSS連續(xù)運行參考站(CORS)網絡與精密高程基準面

建立連續(xù)運行參考站網絡并構建精密高程基準面，可為高速鐵路提供精確的高時空分辨率位移場、速度場、重力場信息，形成高分辨率的動態(tài)時空基準[11-12]。基于該時空基準，進行各級控制網測量、形變監(jiān)測、實時位置服務等，為高速鐵路建設、運營提供多維度的空間信息服務。CORS站建設內容包括觀測墩、供電系統、防雷系統、數據傳輸系統、數據處理中心等，可考慮采用CORS站代替框架控制網CP0。基于高精度似大地水準面確定的理論與方法，融合多源數據(北斗/GNSS、水準、DEM、重力場模型、重力數據)，建立厘米級高速鐵路帶狀大地水準面精化模型，可為高程快速傳遞、鐵路勘測、施工建設、應急救援、基于北斗/GNSS的位置服務等提供精密高程基準。建議在高速鐵路工程測量規(guī)范中增加GNSS高程測量內容。

3.5 超長隧道與特大型橋梁控制測量與施工測量

提高測量自動化、數字化水平，建立超長隧道與特大型橋梁高精度平面、高程控制網，加強精測網的定期整網復測。隧道洞內控制網施測高精度陀螺方位，考慮重力對精密水準測量的影響，進行加密重力測量，確保超長隧道順利貫通。三維激光掃描隧道洞口仰坡、洞身開挖及襯砌，檢測襯砌斷面及厚度，定期掃描監(jiān)測洞身變形。采用自動化監(jiān)測系統，實時監(jiān)測隧道洞口仰坡、隧道洞內仰拱變形。建立特大型橋梁施工線形三維監(jiān)測系統和主要結構物實時變形監(jiān)測系統。

3.6 空間形態(tài)特征變化及形變監(jiān)測

以“新型空天地一體化監(jiān)測技術體系”為立足點，充分發(fā)揮衛(wèi)星/地基InSAR測量覆蓋范圍廣、監(jiān)測精度高的技術優(yōu)勢，并結合光學遙感、航空攝影測量、機載激光雷達、地面自動化測量等技術手段，協同實施高速鐵路沿線廣域變形監(jiān)測、中低空巡檢與重點目標監(jiān)測。通過多源遙感數據的系統集成，開展高速鐵路安全隱患信息快速獲取、檢測與自動識別，并著重對高速鐵路沿線區(qū)域地震、沉降、滑坡等風險隱患進行及時識別和周期性復測，全面提升高速鐵路沿線廣域安全性監(jiān)測的經濟性、可靠性與完整性，切實有效避免地質災害對高速鐵路工程的威脅。

3.7 基于慣導系統及多種傳感器組合的軌道檢測系統

中鐵二院研發(fā)了“基于慣導系統及多種傳感器組合的軌道檢測系統”，實現了1.5 km/h的靜態(tài)軌道檢測速度，可用于長鋼軌精調及運營階段的線形測量。其特點為：(1)全站儀免置平設站技術可智能尋找、照準目標棱鏡，有效提高設站效率和用戶體驗感。(2)軌枕識別技術可準確識別軌枕位置和數量，極大提高無砟軌道精調測量數據處理效率和軌道精調質量。(3)優(yōu)異的綜合性能在確保測量精度的前提下可進行120 m間距自由設站，相對進口小車60 m間距設站，測量效率提高近一倍。(4)軌道復位技術(即先行利用既有CPⅢ成果開展軌道測量，CPⅢ復測后無需再次進行軌道測量)可將軌道平面和高程位置進行復位，避免再次進行軌道測量，便于生產組織并節(jié)約現場成本。

3.8 三維激光掃描移動測量

集成衛(wèi)星定位、慣性導航、三維激光掃描、全景攝影等多傳感器的軌道移動測量平臺，實現了既有鐵路軌道幾何形態(tài)及周邊環(huán)境數據的快速獲取。同時適用于機載、車載和背負式三維激光掃描鐵路勘測，可應用于鐵路勘測設計、軌道檢測、變形監(jiān)測、運營維護管理、高速鐵路施工等。形成的軌道交通基礎設施非接觸快速測量技術，將顯著提升既有線改擴建設計、運營維護的技術水平。

3.9 實景三維空間信息系統平臺

實景三維空間信息系統平臺是孿生鐵路精準映射與融合的關鍵基礎支撐和“智能鐵路大腦”的神經中樞。數字孿生鐵路是現實世界中的鐵路實體在計算機數據庫中的映射。通過“空天地”多源遙感手段建立服務于高速鐵路建設及運營各階段的多層次實景三維模型，基于先進的云平臺微服務架構，建設分布式實景三維空間信息系統平臺，提供時空大數據高效管理、多樣化終端沉浸式可視化、多粒度的空間數據及分析處理等智能化服務。

4 結束語

高速鐵路工程測量體系為我國建設世界一流的高速鐵路提供了技術支撐，《高速鐵路工程測量規(guī)范》發(fā)布實施至今已10年有余，規(guī)范體系中存在適用范圍窄、控制測量網形恢復難、衛(wèi)星定位測量指標不合理、控制網復測判定標準不完善、復測成果采用原則不明確等問題需要優(yōu)化，也存在一些矛盾和差錯需要修正。隨著測繪手段和技術的不斷進步，高速鐵路工程測量技術也在不斷創(chuàng)新，高速鐵路長大隧道洞內平面控制測量新方法、長大隧道線路中線偏差調整技術、超長隧道橫向貫通誤差限差及分配原則、高精度北斗/GNSS連續(xù)運行參考站(CORS)網絡與精密高程基準面構建、超長隧道與特大型橋梁控制測量與施工測量、空間形態(tài)特征變化及形變監(jiān)測、基于慣導系統及多種傳感器組合的軌道檢測系統、三維激光掃描移動測量、實景三維空間信息系統平臺等創(chuàng)新應用，將極大提升高速鐵路工程測量技術水平。與之相對應，高速鐵路工程測量體系也需要持續(xù)建設和創(chuàng)新，完善和拓展相關內容，以便更好地為高速鐵路勘測設計、數字化施工、列車輔助定位、運營維護和監(jiān)測等智能化應用發(fā)展提供服務。