滬蓉鐵路運營期精密測量控制網重建及特點

夏朝龍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

引言

高速鐵路精密測量控制網是勘察設計、施工建設、運營維護等各階段的工作基準，對動車安全、平穩運行作用重大[1]。我國早期建設的高速鐵路存在多種互不兼容的控制測量技術體系[2-5]，隨著自主高速鐵路測量技術標準的不斷完善，以及鐵路運量和運營維護的需要，有必要對不符合現行技術標準的既有鐵路精測網進行升級改造，重建基準統一、功能完善、便于維護的控制測量保障體系。但受檢修天窗、防護隔網、安全管理等客觀因素影響，不能完全參照現行高速鐵路控制測量技術標準執行，需深入研究探討適應運營維護服務特點的重建方法[2]。

滬蓉快速客運通道是我國“四橫四縱”高速鐵路網中重要的“一橫”，其南京至局界段(下文稱“滬蓉鐵路”)是由2008年興建完成的合寧、合武城際鐵路以及2014年建成的合肥南環線鐵路組成的，存在多種互不兼容的控制測量技術體系。其中合寧鐵路是參照《京滬高速鐵路設計暫行規定》(鐵建設〔2003〕13號)技術標準建立的，合武鐵路是參照《客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規定》(鐵建設〔2006〕189號)、《時速200～250 km有砟軌道鐵路工程測量指南(試行)》(鐵建設函〔2007〕76號)等階段性技術標準建立的[3]，合肥南環線鐵路則是依據《高速鐵路工程測量規范》(TB10601—2009)(下文簡稱“《規范》”)技術標準建立的。受山區地形起伏、線路東西走向等客觀因素的影響，既有投影分帶較多，依據不同標準建立的精測網給運營維護帶來諸多不便。另外，該線路自建成以來未進行過系統性復測，線下控制樁點丟失嚴重，如圖1所示，原CPⅢ標志已不符合《規范》技術要求，需參照現行高速鐵路測量技術標準重建。

圖1 滬蓉鐵路CPⅢ原標志

1 精密工程測量控制網重建及技術特點

精密工程測量技術是高速鐵路成功建設的關鍵技術之一[4]。作為我國高速鐵路發展階段的重要歷史縮影，合寧、合武及合肥南環線鐵路的精測網建設過程經歷了我國高速鐵路工程精密測量技術體系從形成到逐漸完善的3個重要階段，體現了鐵路工程測量標準體系發展完善的各階段成果[5]。為適應運營維護及提速改造的需求，全線必須重新建立標準一致、基準統一、精度協調的精測網。

1.1 重構顧及線路現狀的投影分帶體系

根據滬蓉鐵路既有現實狀況，以綜合投影變形不大于10 mm/km、減少投影分帶、與鄰近或相接線路共用分帶參數為原則，基于CGCS2000國家大地坐標框架重新建立高斯工程獨立坐標系，全線投影分帶減少至6個，其中南京附近選用京滬高鐵的分帶參數，合肥附近延用合福高鐵分帶參數，各分帶參數及綜合投影變形分析見表1。通過對投影分帶的整合，不僅解決了鄰近或相接線路間精測網無法銜接的問題，更為后續運營維護減少坐標換帶提供了便利條件。

表1 投影分帶及大地高設置

1.2 基于運營維護的控制網方案優化

我國高速鐵路建設初期，1954北京坐標系和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[5]。為了滿足高速鐵路建設對起算點的高精度要求，合寧、合武鐵路控制測量技術體系是采用“一點一方向”方法與國家三角點聯測建立的；合肥南環線則是通過布設CP0基礎框架網和長基線解算，在WGS-84坐標框架內建立的[2]。前者與1954北京坐標系和1980西安坐標系間無法建立嚴密的轉換模型，不利于控制測量技術體系的長久維護和基準統一；后者起算采用IGS站ITRF框架坐標，無法與國家坐標系進行很好的銜接[5]。滬蓉鐵路圍繞運營維護、沉降監測及提速改造對精測網的需求[6]，參照《規范》有關技術標準，按照分級布設，逐級控制的原則，布設了測量精度協調統一的帶狀精測網[7]。同時，為了推動區域既有高鐵精測網參考系統和起算基準的逐步統一[8]，在CGCS2000國家大地坐標框架下，沿線挑選間距30～50 km的國家A、B級GNSS點作為線路平面框架CP0點，當間距無法滿足布設要求時，按高鐵特等GNSS技術標準進行內插加密，且盡量與鄰近或相接線路的CP0點共用。CPⅠ基礎平面控制網按照不大于4 km間距沿線路交叉單點布設，長大隧道進出口分別加密布設可通視的CPⅠ點對，全網起閉于CP0點，在整體平差解算前，充分檢核國家A、B級GNSS點間的一致性和穩定性。鑒于重建精測網是為營運維護服務，可將CPⅡ線路平面控制網布設在線上，以達到提升維護效率、減少成本支出的目的，路基、橋梁地段按600～800 m間距交叉單點布設，隧道洞內按300～500 m間距進行對點布設，全網起閉于CPI點。如圖2所示，CPⅢ點采用抱箍、卡夾及在電氣化H型鋼柱上鉆孔等方式按50～70 m間距成對布設。CPⅢ軌道平面控制網起閉于CPⅡ點，并按照10 km左右長度分段計算，以減少搭接造成的網形變化。為使線路水準基點控制網兼顧沉降基準功能，按照不大于1 km的間距沿線布設水準基點，并采用墻角標方式埋設在便于觀測的橋墩、涵身上或鄰近線路的其他穩固結構上，盡量避免埋設淺埋水準標石[9]。線路水準基點控制網起閉于國家基巖點或一等水準基點，并按照二等水準測量技術要求進行施測，通過整體平差計算獲得基準統一、精度協調的高程控制網成果。此外，為便于使用自由測站三角高程傳遞方法進行線下線上高程傳遞，在線下水準基點對應的線上位置埋設加密水準點。CPⅢ高程網采用矩形環精密水準測量法進行施測，全網起閉于加密水準點，并按照100 km左右長度分段搭接平差處理。

圖2 鉆孔、鋼夾、抱箍式CPⅢ預埋件及安裝效果圖例

1.3 建立兼顧沉降基準功能的線路水準基點控制網

運營期高速鐵路基礎結構沉降變形對高速行車的舒適性、安全性影響較大[10-12]。盡管針對不同工程結構有多種沉降監測手段或方法，但傳統精密水準幾何測量法仍是高精度、低成本且最可靠的監測方法[13]，因此全線必須建立統一的運營期沉降基準網。目前，運營期沉降基準網通常是在施工期線路水準基點控制網的基礎上，與沿線CPI、CPⅡ共點聯測建立的。受地表沉降、地下水位變化及經濟活動等因素的影響，通常這些沉降基準點的穩定性較差且經常遭到破壞，造成沉降觀測基準無法長期保持穩定。倘若單獨新建沉降基準網，又存在花費巨大、與高程控制基準不統一等問題。高速鐵路橋梁墩臺、涵身是根據當地地質條件加固設計施工的，墩臺樁基埋深一般有30～40 m，較淺埋水準標石穩定性高，加之較早運營的高速鐵路的工后沉降已趨于穩定，作為水準點的埋石基礎具有良好的穩定性。不僅有利于實現運營期沉降基準網與線路水準基點網“兩網合一”，減少控制網維護工作和成本支出，提高水準基點穩定性和安全性；更有利于實現CPⅢ高程變化與線路普查性沉降變化基準和尺度的統一。

在充分考慮沉降基準網對點位間距、樁點穩定性及測量條件等要求的基礎上，滬蓉鐵路建立了兼顧沉降基準功能的線路水準基點控制網。在山區、地形起伏大等地段，將水準線路布設在線上，以減少測量精度損失。然后參照國家二等水準測量技術要求進行統一施測，起閉于國家基巖點或國家一等水準基點，并適度聯測沿線國家一、二等水準基點。附合水準線路相關指標統計見表2，經計算處理水準線路偶然中誤差為0.46 mm/km、全中誤差為0.58 mm/km，其他精度指標也均符合《規范》要求，平差方案切合實際、合理可靠，能滿足運營維護高程控制及沉降監測需要。

表2 線路水準基點控制網附合水準線路指標統計

1.4 基于CPⅢ平面網測量的長大隧道洞內CPⅡ測設方法

滬蓉鐵路穿越大別山腹地，某隧道群長度約18 km，由4座長度均超過2 km的隧道組成。由于各隧道間銜接段最長僅有241 m，加之周邊地貌、植被等環境變化，導致銜接段均不具備布設方向基準點的條件，洞內CPⅡ導線網只能采取整體布設的方案。但施測過程中，受隧道進出口氣象多變、洞內水汽較重、僅能從隧道群兩端進出等客觀因素的影響，按照《規范》長大隧道CPⅡ導線測量技術標準施測極為困難。

圖3 CPⅢ沿線路方向的橫、縱向偏移量模擬分析

考慮到運營階段精測網主要服務于軌道線形測量[14]，軌道的絕對位置精度在大尺度上取決于CPⅡ、CPⅠ點位精度，小尺度上的軌道平順性則主要取決于CPⅢ的相對點位精度[15]。既有鐵路軌道的空間絕對位置已經確定，軌道線形整治的目的在于維護行車安全和改善乘坐舒適性，更關注軌道在小尺度上的相對平順性[14]。眾所周知，CPⅢ平面網具有相對點位精度高、橫向精度弱的特點[16]，聯測CPⅡ點的目的在于獲得絕對位置基準，減少CPⅢ平面網的橫向誤差，聯測具有良好兼容性的CPⅡ點不會破壞CPⅢ平面網的內符合精度，因此缺乏中間位置約束的CPⅢ平面網可以作為檢測軌道平順性的外部基準。以長度為20 km的某段已知CPⅢ平面網為例，當僅約束其兩端的CPⅡ點時，CPⅢ平面網沿線路方向的橫、縱向偏移變化情況見圖3，CPⅢ網中最弱點的橫向偏移量為258 mm，橫向偏移平均變化率為24.8 mm/km。對不同弦長軌向檢測方法的影響見表3，均小于《規范》對應限差值的1/3，對反映動車乘坐舒適性的30 m弦長的影響僅為0.12 mm，可忽略不計?；谏鲜鼍C合分析和測試結果，滬蓉鐵路提出了基于CPⅢ平面網測量的長大隧道洞內CPⅡ測設方法，即利用CPⅢ平面網測量代替長大隧道洞內CPⅡ導線測量。盡管該方法能夠滿足軌道相對平順性檢測的要求，但線形測量結果會隨CPⅢ平面網出現橫向偏移，需對軌道線形進行重新擬合。為了確保CPⅢ網和軌道線形測量具有可復測性，在后續復測中應延用本次洞內CPⅡ成果，若發生個別點位破壞或變動時，可采用局部同精度加密的方法予以恢復和更新，以此確保首次建網及線形測量的可延續性。

表3 CPⅢ沿線路橫向擺動量對軌向不平順性的影響分析

2 利用CPⅢ網開展線路普查性沉降監測

高速鐵路運營期間的普查性沉降監測，一般是參照《規范》沉降監測技術標準執行，但運營期檢修天窗短、通道口有限、受干擾因素多，不能完全參照施工期監測方案執行[13]。如前所述，建立兼顧沉降基準功能的線路水準基點控制網，不僅可以利用CPⅢ高程網開展線路普查性沉降監測，而且CPⅢ高程變化在一定程度上也能反映線路基礎結構的沉降變化。2016年上半年滬蓉鐵路完成了線路水準基準網和CPⅢ高程網重建工作，2018年上半年又進行了全面系統性復測。如表4所示，各期數據的主要指標均符合三等沉降監測的精度要求。如圖4所示，線路左右側的沉降變化趨勢基本一致，個別區域明顯的上拱或下沉變化，與軌道動檢發現的疑似沉降變形區間基本一致。后續可結合軌道線形數據進一步分析沉降成因，并將變化區段納入疑似病害地段進行重點監測，掌握沉降變化趨勢，對危及動車運行安全和乘坐舒適性的地段及時整治。

表4 以CPⅢ點作為普查性沉降監測點的精度統計

圖4 滬蓉鐵路2016～2018年兩期CPⅢ高程變化

3 基于平面四參數模型的分區線路交點坐標轉換。

高速鐵路線形參數是基于精測網建立的[17]，當控制測量技術體系發生改變時，線形參數需采用優化技術方法重新建立。目前，既有鐵路軌道線形測量是以線路交點坐標和CPⅢ網成果為基礎，使用全站儀配合軌檢小車測量軌道的內、外部幾何狀態，計算出軌道實測線形與設計線形之間的偏差量，然后分區段進行線形擬合，給出最優調整量，指導軌道線形精調作業[18]。如前所述，滬蓉鐵路原坐標系統與CGCS2000國家坐標系缺乏嚴密的轉換關系，只能利用公共點通過相似坐標轉換獲得新參考系下的線路交點坐標[19]。為使實測線形與設計線形之間的系統性偏差量最小，選擇以“老網”中的部分CPⅢ點作為公共點。夾直線段按照200 m間距選取公共點，當夾直線段長度較短時保證至少擁有2個公共點，并盡可能選擇在直緩點、緩直點附近；曲線段按照100～150 m間距選取公共點，且圓曲線上的公共點不少于10個；另外，隧道進出口、橋梁墩臺中心等限界控制點附近額外增加公共點。將公共點納入新建CPⅢ平面網中進行測量，計算得到公共點的“新”坐標，再利用公共點間的相對位置關系判釋其穩定性，剔除無法兼容的公共點[20]?？紤]到平面四參數坐標轉換模型能較好地保持原坐標系的尺度信息，在此基礎上滬蓉鐵路使用最小二乘法求取線路交點坐標轉換參數[21]。在具體實施過程中，首先通過坐標投影換帶使公共點的“新”、“老”坐標分別在同一投影帶內，其次剔除兼容性較差的公共點，以保證相似變換的協調性，最后在新建投影分帶體系下進行線路設計交點坐標的相似變換。相鄰投影分帶間至少搭接2個交點，以延續交點坐標的相似變換尺度。

4 結語

合寧、合武鐵路作為我國最早一批興建的高速鐵路，在設計、建設期正值我國現代鐵路工程測量標準探索及完善的重要時期，造成多種互不兼容的控制測量技術體系并存，重新構建精密控制測量技術體系，為運營維護和提速改造奠定了堅實基礎。采用國家GNSS點為線路平面框架點和簡化CPII網等優化布網、利用既有穩固結構作為CPIII點和水準基點的埋設基礎、基于線路現狀重構投影分帶體系、利用CPⅢ平面網實施長大隧道CPII導線測量、提出線路水準基準網與沉降基準網“兩網合一”、讓CPⅢ高程網兼顧普查性沉降監測功能以及選用原精測網CPIII點為公共點的分區線路交點坐標相似轉換等創新性技術方法，不僅為滬蓉鐵路重新建立標準一致、基準統一、精度協調的精測網，為軌道線形整治提供了科學、合理的外部基準，輔助實現了250 km/h的線路提速目標；更為類似項目測量方案的設計與施測提供借鑒和參考，有助于豐富和完善高速鐵路運營維護測量技術體系。