GNSS技術(shù)在既有線大型樞紐車(chē)站測(cè)量中的實(shí)踐

周世明

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

1 項(xiàng)目背景

伊朗位于“一帶一路”倡議的“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”上，位于亞洲西部，屬中東國(guó)家，古時(shí)稱(chēng)之為“波斯”。伊朗中北部緊靠里海、南靠波斯灣和阿拉伯海，東鄰巴基斯坦和阿富汗，東北部與土庫(kù)曼斯坦接壤，西北與阿塞拜疆和亞美尼亞為鄰，西與土耳其和伊拉克領(lǐng)土相連。國(guó)土面積約165萬(wàn)km2，世界排名第18。據(jù)伊朗國(guó)家2014年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，伊朗人口達(dá)7 700萬(wàn)，伊朗是亞洲主要經(jīng)濟(jì)體之一，經(jīng)濟(jì)實(shí)力較強(qiáng)。伊朗經(jīng)濟(jì)以石油開(kāi)采業(yè)為主，為世界石油天然氣大國(guó)，地處世界石油天然氣最豐富的中東地區(qū)，石油出口是經(jīng)濟(jì)命脈，石油生產(chǎn)能力和石油出口量分別位于世界第4位和第2位，是石油輸出國(guó)組織成員，由于基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重制約發(fā)展，鐵路運(yùn)輸落后，伊朗政府借助外部資源加大發(fā)展鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，提高鐵路運(yùn)輸效率。

2 德伊高鐵項(xiàng)目概況

伊朗德伊高鐵起點(diǎn)位于伊朗首都德黑蘭(Tehran)，經(jīng)由德黑蘭伊瑪目霍梅尼國(guó)際機(jī)場(chǎng)、伊朗宗教城市庫(kù)姆市(QOM)，終點(diǎn)為伊朗著名旅游城市伊斯法罕(Esfahan)的高速鐵路(簡(jiǎn)稱(chēng)德伊高鐵)全長(zhǎng)404.79 km，線下工程按300 km/h設(shè)計(jì)，線上250 km/h設(shè)計(jì)，按照中國(guó)鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]修建。項(xiàng)目業(yè)主為：伊朗道路及城鄉(xiāng)部下屬交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展公司(CDTIC)(2017年6月更改為伊朗鐵路公司)，合同類(lèi)型為設(shè)計(jì)施工總承包加融資(DB+F)。德伊高鐵項(xiàng)目在2010年10月與伊朗簽署商務(wù)合同,于2016年1月項(xiàng)目進(jìn)入實(shí)施階段。

德伊高鐵項(xiàng)目為“四邊”(邊勘測(cè)、邊設(shè)計(jì)、邊施工、邊談合同)工程。起點(diǎn)位于既有德黑蘭樞紐車(chē)站，該站由德國(guó)公司始建于1930年，經(jīng)過(guò)多次改擴(kuò)建，現(xiàn)如今是集客運(yùn)、車(chē)輛整備、維修、機(jī)務(wù)、救援等大型場(chǎng)站。根據(jù)伊朗方意見(jiàn)：在修建高鐵時(shí)將再次對(duì)既有德黑蘭車(chē)站改擴(kuò)建，接入德伊高鐵，與德黑蘭至庫(kù)姆既有線前面30 km并行。因此,德黑蘭車(chē)站以及德庫(kù)既有線前面36 km據(jù)需要在現(xiàn)狀測(cè)量之后，再進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。德黑蘭既有車(chē)站股道約180股，道岔219付。由于車(chē)站修建完成較久，加之技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)場(chǎng)內(nèi)情況復(fù)雜，既有鋼軌包含P60、P50、P46、P38等4種之多，且難以辨認(rèn)。場(chǎng)站設(shè)置較為混亂，為理清關(guān)系，勘測(cè)設(shè)計(jì)便利，全站設(shè)置基線9條，本項(xiàng)目采用中國(guó)規(guī)范對(duì)既有德黑蘭車(chē)站進(jìn)行改造[2]。線路走向見(jiàn)圖1。

圖1 線路方案示意圖

3 測(cè)量的主要內(nèi)容

3.1 平面測(cè)量

根據(jù)前期布置的控制點(diǎn)、既有車(chē)站正線或基線測(cè)量車(chē)站各線路以及附屬設(shè)施、站房、站臺(tái)、雨棚、貨場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)、檢修設(shè)施、平交道、圍墻等平面位置，繪制于平面圖中[3]。

3.2 高程測(cè)量

對(duì)于需要接軌的車(chē)站除了正線需測(cè)量中樁高程外，相關(guān)接軌或者改建線路也需測(cè)量，并繪制線路放大縱斷面圖，其他還包括重要建筑物的高程測(cè)量等[3]。

3.3 附屬設(shè)施測(cè)量

車(chē)站范圍內(nèi)所有的附屬設(shè)備及設(shè)施，包括各類(lèi)房屋、雨棚、天橋、地道、燈塔、站臺(tái)、平交道、信號(hào)機(jī)、警沖標(biāo)、接觸網(wǎng)桿、車(chē)擋、貨場(chǎng)、堆場(chǎng)、水鶴、給油設(shè)備等等，并繪制于平面圖中[3]。

3.4 排水系統(tǒng)測(cè)量

車(chē)站范圍內(nèi)排水系統(tǒng)，包括線間排水溝、邊溝的建筑形式、起訖點(diǎn)高程、變化點(diǎn)高程、坡度、截面尺寸等資料，并出具調(diào)查表、平面位置及流向繪制于平面圖中。

3.5 地形圖測(cè)量

如車(chē)站范圍內(nèi)地形有較大變化或者范圍不夠，影響方案時(shí)需補(bǔ)測(cè)變化處地形。一般要求左右不少于200 m，大型或特殊場(chǎng)站可增至400甚至600 m。特大型車(chē)站根據(jù)車(chē)站既有范圍或者設(shè)站需求加寬。

3.6 橫斷面測(cè)量

根據(jù)車(chē)站既有正線、基線測(cè)量車(chē)站橫斷面，航空攝影比例尺較小滿足斷面采集的地段可在數(shù)字化平面圖中采集。

3.7 車(chē)站上建調(diào)查

調(diào)查車(chē)站范圍內(nèi)線路上部建筑詳細(xì)情況，如鋼軌長(zhǎng)度、鋼軌型號(hào)、異形軌、枕木數(shù)量、枕木類(lèi)型、絕緣節(jié)數(shù)量、軌距拉桿數(shù)量、軌道防爬器對(duì)數(shù)、防爬支撐對(duì)數(shù)、脫軌器、魚(yú)尾板形式、數(shù)量以及它們的相對(duì)位置，并繪制示意圖[3]。

3.8 車(chē)站拆遷調(diào)查

調(diào)查車(chē)站改造或新增范圍內(nèi)所有的房屋、樹(shù)木、公路、電力線、通信線、管道等設(shè)備，平面位置繪制于平面圖中，并填寫(xiě)相關(guān)拆遷調(diào)查表。

既有德黑蘭車(chē)站規(guī)模大，測(cè)量?jī)?nèi)容復(fù)雜，如何在快速、高效、保證質(zhì)量的前提下，完成車(chē)站平面測(cè)量，是確保該項(xiàng)目按期完成勘察設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵，通過(guò)項(xiàng)目組對(duì)各種測(cè)量方法的研究及工作效率的對(duì)比，決定采用GNSS測(cè)量技術(shù)。

4 采用GNSS測(cè)量既有線的方法

4.1 平面高程控制測(cè)量

1)坐標(biāo)系統(tǒng)。平面坐標(biāo)系采用工程獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)：線路高程面上的邊長(zhǎng)投影變形值不宜大于25 mm/km，即投影長(zhǎng)度變形(包括高程歸化、高斯正投影變形之和)不大于1/40 000。采用WGS84參考橢球，ITRF2005框架，高斯投影。東坐標(biāo)和北坐標(biāo)的加常數(shù)分別為500 km、0。工程橢球構(gòu)建采用改變橢球參數(shù)的方法(即參考橢球長(zhǎng)半軸直接加投影面大地高并保持扁率和定向不變)進(jìn)行三等平面CPI控制網(wǎng)測(cè)量[4]。

2)高程系統(tǒng)。采用伊朗國(guó)家高程系統(tǒng)，測(cè)量等級(jí)為三等水準(zhǔn)測(cè)量。

4.2 GNSS測(cè)量參數(shù)設(shè)置

在鐵路既有線鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)中，在布置平面高程控制網(wǎng)時(shí)，常常沿鐵路線布置成帶狀形式。通過(guò)多次實(shí)踐證明，在既有線勘測(cè)時(shí)，在選取控制點(diǎn)求解的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行GNSS測(cè)量時(shí)，平面高程距離GNSS基站越遠(yuǎn)，精度越差，不滿足鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)精度要求，本項(xiàng)目采用以下方法控制測(cè)量精度。

1)采用經(jīng)典四參數(shù)法。求解基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，選取4個(gè)及以上的控制點(diǎn)參與到水平、垂直校正。公共點(diǎn)平面殘差應(yīng)控制在1.5 cm以內(nèi)，高程殘差應(yīng)控制在3 cm以內(nèi)，東、北斜坡控制在30 ppm以內(nèi)。

2)單點(diǎn)高程校正法。求解基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，選取基準(zhǔn)站相鄰的控制點(diǎn)4個(gè)。控制點(diǎn)順序，基準(zhǔn)站控制點(diǎn)必須為首個(gè)，其余順序隨機(jī)。所有點(diǎn)水平參加校正，垂直校正僅選擇基準(zhǔn)點(diǎn)，進(jìn)行單點(diǎn)高程校正。

4.3 GNSS作業(yè)過(guò)程

1)內(nèi)業(yè)選取合適的參數(shù)校正計(jì)算方法求解GPS轉(zhuǎn)換參數(shù)，導(dǎo)入天寶、南方儀器。基準(zhǔn)站接收機(jī)設(shè)在固定的CPI控制點(diǎn)上，連續(xù)接收所有可視GNSS衛(wèi)星信號(hào)，利用電臺(tái)將測(cè)站坐標(biāo)、觀測(cè)值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)及接收機(jī)工作狀態(tài)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈發(fā)出。流動(dòng)站接收機(jī)在跟蹤衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，求載波相位整周模糊度，再通過(guò)相對(duì)定位模型獲取所在點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)站的坐標(biāo)和精度指標(biāo)。在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，給出厘米級(jí)定位結(jié)果[5]。基準(zhǔn)站與流動(dòng)站測(cè)量距離宜為1 km以內(nèi)，困難段不超過(guò)1.5 km。

2)既有線軌道中線上每個(gè)測(cè)量點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間不少于15 s，GNSS信號(hào)遮擋地段時(shí)間延長(zhǎng)到30 s。測(cè)量時(shí)采用對(duì)中桿或基座進(jìn)行對(duì)中固定測(cè)量，禁止直接手持流動(dòng)站進(jìn)行測(cè)量。

4.4 檢 核

外業(yè)測(cè)量時(shí)，每次更換基準(zhǔn)站都必須檢核另一個(gè)CPI并記錄。平面互差應(yīng)小于2.5 cm，高程互差應(yīng)小于3 cm，超過(guò)限差時(shí)，應(yīng)重測(cè)并查明原因。

4.5 精度統(tǒng)計(jì)

測(cè)量完成后，對(duì)采用GNSS測(cè)量技術(shù)的測(cè)量成果，與全站儀及水準(zhǔn)儀測(cè)量成果進(jìn)行了精度對(duì)比，精度對(duì)比見(jiàn)表1～2。

表1 K0+500-K33+950軌面高程對(duì)比

表2 K0+500-K33+950平面點(diǎn)位對(duì)比表

4.6 平面高程對(duì)比的初步結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)平面成果對(duì)比及采用1 000 m的基站測(cè)量，GNSS測(cè)量高程與水準(zhǔn)測(cè)量高程小于2 cm的達(dá)91.81%，滿足《改建鐵路工程測(cè)量規(guī)范》(TB10105—2009 J963—2009)的第5.3.5條之規(guī)定“既有鋼軌面高程檢測(cè)限差不應(yīng)大于20 mm”，可以滿足既有線改建鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目[6]。

2)通過(guò)對(duì)平面成果對(duì)比及采用1 000 m的基站測(cè)量，與采用全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的平面撥距小于2 cm的達(dá)96.54%，滿足既有線撥距計(jì)算要求。

5 既有車(chē)站平面測(cè)量流程探索

德伊高鐵全線采用工程獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，由于工期緊，地形圖采用高清衛(wèi)片制作1∶2 000地形圖，德黑蘭車(chē)站主基線，采用精測(cè)網(wǎng)利用GNSS測(cè)量既有正線Ⅱ道長(zhǎng)直線邊擬合后向兩端延長(zhǎng)，包住既有設(shè)備設(shè)置,以便主要設(shè)備在一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)，便利繪制車(chē)站既有股道及設(shè)備于1∶2 000現(xiàn)狀圖中[7]。與鐵路基線不平行車(chē)場(chǎng)，設(shè)置輔助基線。

5.1 確定鐵路基線

1)首先對(duì)既有車(chē)場(chǎng)與既有正線平行布置進(jìn)行相關(guān)測(cè)量，相關(guān)車(chē)場(chǎng)與正線不平行的，則另設(shè)輔助基線，對(duì)既有正線平直線路長(zhǎng)度包含車(chē)站范圍不全地段，可以利用車(chē)站正線向車(chē)站兩段延長(zhǎng)線延長(zhǎng)作為基線。常規(guī)測(cè)量方法為，在正線線路左側(cè)設(shè)置外移樁，通過(guò)測(cè)設(shè)外移樁，擬合線路直線段。本次測(cè)量時(shí)，利用GNSS測(cè)量及絕緣方尺，直接對(duì)線路進(jìn)行測(cè)量擬合，既增加了擬合精度，又減少了工序，節(jié)省了時(shí)間。

2)既有德黑蘭車(chē)站屬于特大型車(chē)站，地形圖長(zhǎng)度需要大約4.4 km，寬度1.6 km。車(chē)站連接瑪士哈德、加茲溫、庫(kù)姆等主要三個(gè)方向線路，成東西走向布置，車(chē)站Ⅱ、Ⅲ道為正線，東端接瑪士哈德方向，西端接加茲溫及庫(kù)姆方向，分界里程位于車(chē)站中心，為了便于勘測(cè)和設(shè)計(jì)，車(chē)站設(shè)主基線(JK)一條3.9 km，基線范圍包含了車(chē)站內(nèi)德黑蘭至庫(kù)姆正線、德黑蘭至加茲溫正線以及德黑蘭至瑪士哈德正線，輔助基線(J1K-J8K)8條，包含了德黑蘭車(chē)站車(chē)輛檢修、動(dòng)車(chē)場(chǎng)、救援場(chǎng)、廢舊車(chē)輛拆解場(chǎng)、機(jī)務(wù)段等[3]。

5.2 測(cè)量既有線線型及曲線要素計(jì)算

用GNSS測(cè)量及絕緣方尺測(cè)量既有線線型及曲線要素，車(chē)站需要里程丈量和曲線要素測(cè)量的，以前常規(guī)測(cè)量方法是測(cè)量出直線段擬合，利用工務(wù)臺(tái)賬的曲線要素計(jì)算出線路長(zhǎng)度，推算出線路里程，再用全站儀、絕緣方尺及鋼尺進(jìn)行里程丈量及測(cè)量出實(shí)際的曲線要素，本次測(cè)量時(shí)，利用平面高程控制網(wǎng)，對(duì)全線進(jìn)行線型測(cè)量，根據(jù)測(cè)量出來(lái)的線型坐標(biāo)資料擬合直線段，試配出曲線要素，推算出線路里程，然后再利用GNSS、絕緣方尺進(jìn)行里程丈量及測(cè)角。在測(cè)量過(guò)程中，省去了單獨(dú)里程丈量及測(cè)角工序，將二者合二為一，節(jié)省了大量的工作時(shí)間及人力，同時(shí)提高了測(cè)量精度，避免了因?yàn)闇夭顚?duì)鋼尺精度的影響。

5.3 道岔測(cè)量

用GNSS絕緣方尺丈量出各道岔詳細(xì)尺寸，并確定岔心位置。在局部車(chē)輛或者列車(chē)壓道的情況下，也可以利用GNSS測(cè)量出岔根岔前軌縫坐標(biāo)，在調(diào)查清楚道岔型號(hào)的情況下，也可以計(jì)算出岔心坐標(biāo)。

5.4 線間距測(cè)量

用GNSS及絕緣方尺丈量出站內(nèi)各平行股道線間距，車(chē)站內(nèi)各車(chē)場(chǎng)一般為平行布置，通常車(chē)場(chǎng)在運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后，軌道均有不同程度變形，各個(gè)股道間線間距間距也發(fā)生了變化，為了便于設(shè)計(jì)及繪制車(chē)站現(xiàn)狀圖，通常采用平行地段丈量線間距，求出平均值。在線間距較大時(shí)，或者是股道間有高站臺(tái)、貨物對(duì)方，不方便用使用鋼尺丈量線間距的，也可以利用GNSS測(cè)量出線間距[8]。

5.5 岔后曲線測(cè)量

利用GNSS及絕緣方尺測(cè)量或者懸線法測(cè)量出各到發(fā)線岔后曲線的曲線要素，一個(gè)大型或者特大型車(chē)站有道岔幾百付，測(cè)量岔后連接曲線工作往往耗費(fèi)大量的人力及時(shí)間，通常的做法是利用懸線法，丈量出岔后連接曲線的正失長(zhǎng)度，取平均值，然后計(jì)算出曲線半徑，50 m取整。本次測(cè)量時(shí)，采用GNSS測(cè)量出岔后曲線坐標(biāo)值，然后計(jì)算曲線半徑，節(jié)省了較多時(shí)間，提高了工作效率。正矢法曲線計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 正矢法曲線測(cè)繪記錄計(jì)算表

5.6 軌面高程測(cè)量

利用GNSS對(duì)鐵路軌面高程進(jìn)行RTK高程測(cè)量。

5.7 車(chē)站上部建筑物測(cè)量

利用GNSS測(cè)繪出站內(nèi)岔心、信號(hào)機(jī)、站臺(tái)、平交道、站牌、排水溝、上水設(shè)施、地道、天橋、站房、行包房、候廳、辦公樓等所有設(shè)備及設(shè)施的平面坐標(biāo)。

5.8 橫斷測(cè)量

利用GNSS、掌上電腦等設(shè)備測(cè)量各場(chǎng)站橫斷面。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在鐵路既有線測(cè)量中，采用GNSS四參數(shù)及單點(diǎn)定位法，測(cè)量精度滿足規(guī)范要求。將GNSS測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于既有線測(cè)量，能大大提高生產(chǎn)效率。

從本次德黑蘭既有車(chē)站測(cè)量的成果資料來(lái)看，各專(zhuān)業(yè)勘測(cè)資料利用GNSS測(cè)量均滿足各階段設(shè)計(jì)要求，并且勘測(cè)資料的精度得到提高，也可以省去繁重的外業(yè)勞動(dòng)，在本次實(shí)踐中，取得了較好的效果。特別是在里程丈量及曲線要素測(cè)量方面節(jié)省效果最為顯著。通過(guò)工期測(cè)算，在德黑蘭既有樞紐車(chē)站測(cè)量中若采用全站儀器、水準(zhǔn)儀等傳統(tǒng)測(cè)量方法需要3個(gè)月左右，采用GNSS測(cè)量?jī)H用了1.5個(gè)月，勞動(dòng)效率提高100%。通過(guò)在既有德黑蘭車(chē)站測(cè)量工作應(yīng)用GNSS測(cè)量技術(shù)，對(duì)于既有線勘測(cè)方面總結(jié)出一套完整的勘測(cè)流程，做到更高效、快捷地完成生產(chǎn)任務(wù)方面有著重要的意義。

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