廣佛環線城際鐵路精密工程測量技術體系及特點

周東衛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

引言

隨著我國城鎮化水平的不斷提高，專門服務于相鄰城市間或城市群、旅客列車設計速度200 km/h及以下的快速、便捷、高密度客運專線鐵路——城際鐵路得到快速發展[1]。與高速鐵路相比，城際鐵路具有建筑限界小、曲線半徑小(困難條件2 000 m，一般條件2 200 m)、采用無砟或有砟軌道結構型式、地下段落大多采用φ8.5 m單線盾構隧道、地下段落作業空間狹小、現場施工條件復雜、地上地下聯測條件困難及現場測量工作受施工干擾大等特點。由于城際鐵路的上述特點，要求必須建立一套與之相適應的、能滿足其勘測設計、施工建設和運營維護各個階段要求且完整、高效、高精度的精密工程測量技術體系[2-4]。城際鐵路精密工程測量技術體系已成為城際鐵路建設成套技術的一個重要組成部分，在城際鐵路勘察設計、施工建設和運營維護中起到決定性的作用。以下對新建廣佛環線(佛山西至廣州南站段)城際鐵路(以下簡稱“廣佛環城際鐵路”)精密工程測量技術體系和標準的建立方法和特點進行論述。

1 工程概況

廣佛環城際鐵路連接廣州市和佛山市，線路起于佛山西站城際場東端，經羅村、張槎、東平新城、北滘、陳村，在客專廣州南站東廣場地下設城際廣州南車站，與佛莞線連接。廣佛環城際鐵路施工條件非常復雜，線路自2013年9月開工建設，預計2022年正式通車運營，施工建設歷時超過8年。

廣佛環城際鐵路速度目標值為200 km/h，全線采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，一次性鋪設跨區間無縫線路。線路穿越經濟發達的珠三角地區，測區高樓林立、交通發達(立交橋、高架橋較多)、水網密布，正線長35.230 km，佛山市境內31.101 km，廣州市境內3.900 km。全線地下段長18.238 km，高架段長14.228 km，路基段長2.535 km。高架段和地下段總長32.466 km，占線路總長的92.76%。其中，沙堤隧道、陳村二號隧道采用單線盾構隧道，盾構直徑8.5 m。全線設5座車站，其中，3座地下站(東平新城、陳村和廣州南站)，2座高架站(張槎車站和北滘車站)，平均站間距7.320 km，最大站間距為佛山西站至張槎站10.848 km，最小站間距為陳村站至廣州南站4.505 km。廣州南站為全線最大的地下車站，正線長1.195 km，為四線并行[5]。

2 廣佛環城際鐵路精密工程測量技術體系的建立及特點

2.1 建立“三網合一”精密工程測量技術體系

廣佛環城際鐵路從最初勘察設計到正式開通運營時間跨度長達十余年，平面坐標系統和高程系統需同時滿足勘察設計、施工建設和運營維護各階段的工作要求，以確保軌道空間幾何形位的一致性、高平順性和精確的幾何線形參數[6]。因此，全線在勘察設計階段建立了完整、統一的平面坐標系統和高程系統，并應用于施工建設及運營維護過程中，且在其全生命周期進行持續性維護，從而實現了勘察設計控制網、施工建設控制網和運營維護控制網“三網合一”。

全線平面坐標系統通過與沿線國家1980西安坐標系三角點進行聯測，采用一點一方向的約束平差方法[9]，建立基于1980西安坐標系基本橢球參數、滿足邊長投影變形值≤10 mm/km的高斯窄帶任意中央子午線和抵償高程面的工程獨立坐標系統，全線高程系統通過與沿線國家一等水準點進行聯測貫通，統一納入1985國家高程基準，后續線下工程施工、線上無砟軌道鋪設及運營期養護維修均采用勘察設計階段建立的平面坐標和高程系統，確保了各階段平面坐標和高程系統起算基準的統一。

廣佛環城際鐵路全線采用分級布網、逐級控制的原則，按照時速250～300 km高速鐵路技術標準[10]，建立了帶狀平面和高程精密工程測量控制網。其中，CPⅠ基礎平面控制網按照鐵路二等GNSS測量要求施測，起閉于選定的國家三角點及選定的起算方位角；CPⅡ線路平面控制網地面段落按照鐵路三等GNSS測量要求施測，地下段落采用自由測站邊角交會網測量技術，按照TB10101—2018《鐵路工程測量規范》中“城際鐵路、無砟、V=200 km/h”CPⅡ等級測量要求測設，起閉于CPⅠ基礎平面控制網及其加密控制網；CPⅢ軌道控制網采用自由測站邊角交會網測量技術，按照TB10101—2018《鐵路工程測量規范》中“城際鐵路、無砟、V=200 km/h”CPⅢ等級平面測量要求測設，起閉于線上或地下CPⅡ加密控制網。高程控制網按照GB12897—2006《國家一、二等水準測量規范》中國家二等水準測量的技術要求施測[11]；CPⅢ高程控制網采用差分法自由測站三角高程測量技術，按照TB10101—2018《鐵路工程測量規范》中“城際鐵路、無砟、V=200 km/h”CPⅢ自由測站三角高程等級及CPⅢ等級高程測量要求測設，起閉于線路二等水準基點網及其線上或地下加密高程控制網。

廣佛環城際鐵路通過上述各等級平面和高程精密測量控制網設計和實施，實現了勘察設計、施工建設和運營維護各階段平面和高程系統統一、起算基準統一、測量精度協調統一，建立了 “三網合一”的精密工程測量技術體系。

2.2 低緯度、城市地區GNSS衛星定位測量

廣佛環城際鐵路所在測區經濟發達，高樓林立，水網遍布，大部分地區GNSS觀測條件較差，有些地區甚至無法滿足高精度衛星定位的觀測條件，這對于CPⅠ、CPⅡ點位的選擇、GNSS觀測和基線數據處理都提出較高要求。此外，低緯度地區太陽輻射強，氣溫相對較高，水蒸氣含量較高，對流層的高度較高，大氣活動也較為頻繁，空氣對流運動顯著，對流層延遲誤差較大；另外，低緯度地區電離層活動劇烈，衛星信號在穿過這層空間時，會發生折射、反射和散射而最終導致信號延遲或者相位超前，產生電離層折射誤差，導致GNSS觀測在不同時段誤差較大，數據處理較為困難[12-13]。

廣佛環城際鐵路通過在GNSS選點、觀測和基線數據處理各環節采取一定的措施，有效解決了在低緯度地區、城市區域衛星定位精度及可靠性較低的難題，主要方案和措施如下。

(1)在建筑物密集城區，CPⅠ、CPⅡ控制點優先在高大、穩定建筑物頂面設置標石，同時考慮避開大面積水域和城市玻璃幕墻等高反射物體，避免多路徑效應影響，確保滿足點位穩定和良好的GNSS觀測條件。

(2)根據測區具體情況選擇合適的觀測時段和觀測時長。項目測區位于低緯度和城市地區，電離層與對流層延遲誤差是影響GNSS測量準確度的主要因素，通過制定專門的GNSS觀測方案，解決精密測量控制網在低緯度、建筑物密集地區精度和可靠性差的問題。每期次觀測事前進行星歷預報，同時根據前兩天測量數據的解算精度及出現的具體情況調整觀測時間，確定最佳觀測時段和觀測時長，以保證觀測數據準確可靠。通過觀測數據的分析對比發現，在低緯度地區夜間時段觀測條件良好，基線解算精度較高，重復基線、同步環及異步環閉合差均相對較小。

(3)基線解算時選取合適的高度角。基線解算過程中通常按照15°高度角進行解算，但考慮到城區GNSS觀測情況，當測區一側的衛星被遮擋時，適當增大截止高度角可使觀測衛星的分布較為對稱，也有助于減少多路徑誤差及大氣延遲誤差的影響，使得基線解算時RMS值最小，Ratio值最大；反之，當測站周圍較為開闊、15°以上無大片障礙物時，截止高度角取15°效果較好。實際解算過程中截止高度角根據測站周圍的地形、觀測條件而定。

(4)削弱電離層、對流層延遲誤差對基線解算的影響[14]。通過在GNSS基線解算時利用同一類型不同頻率的觀測值進行組合，綜合解算模糊度、消除或者削弱電離層延遲誤差對無線電幾何測距的影響；通過在GNSS基線解算時剔除低高度角衛星、根據測區情況，選擇適當的氣象參數以及選擇合適的映射函數模型和干濕延遲映射函數模型，來提高對流層延遲誤差模型的準確度，從而實現GNSS基線解算的高精度和高可靠性。

廣佛環城際鐵路通過專門制定針對低緯度、城市峽谷地區的GNSS選點、衛星定位測量外業觀測和基線數據處理方案，解決了精密測量控制網在低緯度地區、高樓林立城市區域衛星定位精度及可靠性差的問題。

2.3 采用自由測站邊角交會測量技術建立地下段落CPⅡ控制網

廣佛環城際鐵路全線地下段落較多，地下段落大多采用φ8.5 m的單線盾構隧道。該隧道受施工前期隧底回填、電纜槽施工未完成等影響，隧道洞內CPⅡ控制點在施工前期無法布設于穩定位置，加之隧道截面較小，角度測量受旁折光影響較大，無法采用常規導線測量方法建立隧道洞內CPⅡ控制網。因此，如何在CPⅠ基礎平面控制網及其加密控制網基礎上建立滿足無砟軌道鋪設精度要求的隧道洞內CPⅡ控制網是本項目的一個難點。

廣佛環城際鐵路在CPⅡ線路控制網測量過程中，采用自由測站邊角交會測量技術[15-16]，建立地下段落CPⅡ控制網，地下段落CPⅡ控制網采用自由測站邊角交會法有別于常規導線測量方法，與導線法相比具有以下優勢。

(1)在洞外CPⅠ及其加密網基礎上建立隧道洞內CPⅡ控制網，常規做法是采用交叉導線網方法，控制點成對布設在靠近隧道雙側壁附近的水溝電纜槽上，線路左右側各點都需架設全站儀和棱鏡進行對向邊觀測，存在的設站點、目標點對中誤差對導線網精度影響較大；廣佛環城際鐵路地下段落均采用自由測站邊角交會法進行測量，CPⅡ點位布設在隧道二襯雙側壁上，點位采用強制對中方式且與CPⅢ點位共樁，觀測過程中沒有全站儀對中誤差，也沒有目標對中誤差，誤差源的減少使得CPⅡ控制網各項主要精度指標顯著提高。

(2)交叉導線網控制點靠近隧道側壁，且只能在控制點位上設站、目標點位上安裝棱鏡進行觀測，觀測視線靠近隧道雙側壁不但易被遮擋，且由于隧道盾構截面較小，旁折光對角度測量影響顯著，將導致誤差累積引起的洞內控制網橫向偏差不可忽視；自由測站邊角交會網采用自由測站方式對目標點進行觀測，測站位置選擇靈活多變，旁折光影響基本消除，且無需對向觀測，觀測數據精度和作業效率大大提高。

(3)自由測站邊角交會網網形規則對稱，網中各控制點的點位精度均勻、圖形強度和可靠性較高；而導線環網中各控制點因布設間距、位置和網形等因素影響，各點位精度差異較大，圖形強度和可靠性較低。洞內 CPⅡ自由測站邊角交會網觀測網形如圖1所示。從圖1可以看出，每個洞內 CPⅡ控制點有 4個測站的方向和距離觀測值，每一測站觀測 8 個控制點，多余觀測數多，可靠性強；而導線網的多余觀測數與自由測站邊角交會網相比還是偏少，可靠性相對較低。因此，本項目采用自由測站邊角交會測量技術建立地下段落CPⅡ控制網。為使洞內CPⅡ所控制的線路中線與隧道施工洞內導線控制的線路中線保持一致，洞內CPⅡ導線測量過程中還與隧道洞內施工控制導線點進行了聯測(網形見圖1)，將滿足CPⅡ控制精度的洞內施工導線控制點或由其構成的方位角作為約束點或約束方位角參與隧道洞內CPⅡ控制網約束平差[7]，有效避免了由于不同施工階段控制測量精度不匹配，而使得洞內CPⅡ網確定的線路鋪軌中線與洞內施工導線確定的隧道貫通中線產生不一致的情況出現，在滿足無砟軌道鋪設平順性要求的同時，也盡可能地解決隧道建筑限界可能侵界的問題。

圖1 洞內CPⅡ自由測站邊角交會網觀測網形示意

廣佛環城際鐵路完成了城市地下段落長大單線盾構隧道貫通后的洞內CPⅡ控制網測量，并在制定測量方案時采用了自由測站邊角交會新技術手段建立地下段落CPⅡ控制網，新方法克服了傳統導線測量方法在單線盾構隧道中現場點位布設、觀測困難，對中誤差大，大氣旁折光影響大，控制網精度不均勻，多余觀測數少和作業效率低等問題，顯著提高了控制網精度、可靠性和作業效率，測量成果較好地滿足了隧道建筑限界和無砟軌道鋪設平順性的要求。

2.4 采用懸吊鋼絲與自由測站邊角交會相結合的方法進行豎井聯系測量

廣州南站為四線并行地下車站，正線長1.195 km，線間有中隔墻分開，車站大里程端僅有豎井輔助通道可供地面與地下進行豎井聯系測量，復雜的現場環境給測量作業(選點、通視)帶來了極大的困難，地面與地下聯測無法采用傳統的導線方法進行邊角聯系測量。因此，如何建立高精度的地下段落洞內CPⅡ控制網是本項目面臨的又一個難點。

考慮地面與地下聯系測量無法采用傳統導線測量方法，為保證廣州南站無砟軌道的順利鋪設，經過詳細現場踏勘，確定廣州南站小里程端(DK35+000)與陳村2號隧道出口端的已測設洞內CPⅡ控制網進行銜接，大里程端(DK36+450)采用懸吊鋼絲與自由測站邊角交會相結合的豎井聯系測量方法納入地下車站CPⅡ控制網，為地下車站道岔及無砟軌道鋪設提供準確可靠的控制基準。現場觀測方法如圖2所示。從圖2可以看出，以1、2號井井上設站點和后視點為起算點，通過極坐標方法可計算出1、2號井的兩根鋼絲坐標，兩次獨立測量坐標較差均不超過±1 mm(表1)，最終坐標采用兩次測量的平均值作為地下車站CPⅡ控制網的起算點。廣州南站洞內CPⅡ控制網平差前方位角閉合差和約束平差后各項精度指標滿足規范要求(表2、表3)，且以CPⅡ控制網作為起算點進行后續軌道控制網CPⅢ平差后，廣州南站四線CPⅢ控制網各項精度指標均滿足規范要求，表明此方法合理可行。

圖2 自由測站結合懸吊鋼絲法進行豎井聯系測量方法示意

表1 豎井鋼絲點兩次測量坐標對比

表2 洞內CPⅡ自由測站邊角交會網方位角閉合差統計

表3 洞內CPⅡ自由測站邊角交會網約束平差技術指標統計

在廣佛環城際鐵路廣州南站四線并行車站內地面、地下控制測量中，由于受限于現場測量空間和復雜的施工環境，利用現場預留的豎井輔助通道，采用懸吊鋼絲與自由測站邊角交會相結合的方法進行地面與地下控制網的聯系測量，為地下車站道岔及無砟軌道施工提供準確可靠的控制基準。

2.5 采用差分法自由測站三角高程測量技術建立洞內CPⅢ高程控制網

廣佛環城際鐵路盾構隧道截面較小，CPⅢ軌道控制網一般在隧底回填和電纜槽施工完成之前就需要建立，此時在CPⅢ控制點上安置水準尺極為困難。因此，一般情況下洞內CPⅢ高程網無法采用精密水準測量的矩形環法進行測量建立，故廣佛環城際鐵路全線地下段落采用自由測站三角高程測量與CPⅢ平面控制網測量合并、基于差分法構建CPⅢ自由測站三角高程網的技術方法建立CPⅢ高程控制網。其基本原理為[17-20]：考慮到CPⅢ平面網中的斜距和豎直角觀測值可按照三角高程測量的原理計算出自由測站點與CPⅢ點之間的高差，進而計算出各相鄰CPⅢ點之間的高差并將其按矩形環網的形式進行合并組成CPⅢ三角高程網；依據誤差傳播定律對形成的間接高差與直接觀測量的關系進行定權，根據觀測值及其權重建立函數模型，通過建立隨機模型、采用間接平差方法計算出CPⅢ控制點高程的最優估值，并對平差后的各高程值及觀測量進行精度評定。根據一個自由測站的觀測值可計算出相鄰CPⅢ點間的三角高差，如圖3所示，多個自由測站形成的CPⅢ三角高程網絡拓撲關系如圖4所示。

圖3 單個測站形成的CPⅢ三角高程網絡拓撲示意

圖4 多個測站形成的CPⅢ三角高程網絡拓撲示意

在廣佛環城際鐵路全線地下段落中應用CPⅢ自由測站三角高程網測量技術具有以下特點。

(1)經全線應用檢驗，CPⅢ自由測站三角高程網各項精度指標、現場自由設站精度指標以及軌道連續精密測量精度指標均較好地滿足了規范要求和現場無砟軌道施工要求，說明此種技術方法能適用于現場實際的測量條件，解決了現場精密水準測量無法實施的難題。

(2)CPⅢ自由測站三角高程網中的每個CPⅢ點經過獨立3個測站對其進行方向和距離交會，多余觀測值較多，檢核條件增多，發現粗差能力提高，測量成果的可靠性提高。

(3)隧道內穩定的氣象條件有利于保證三角高程的測量精度，現場采用高精度智能型全站儀，完全實現目標自動照準、多測回盤左盤右自動觀測，較好地削弱了豎盤指標差互差的影響，提高了豎直角測量精度，從而有效地提高了自由測站三角高程網的精度。

(4)采用CPⅢ平面網測量的觀測量數據、基于差分法構建CPⅢ自由測站三角高程網并進行嚴密平差計算均為內業工作，無需再進行精密水準測量外業工作，極大地提高了工作效率、降低了生產成本，減少了CPⅢ建網周期，對于在復雜地段無法采用幾何水準測量方法建立CPⅢ高程網的工程項目具有非常重要的指導意義。

廣佛環城際鐵路中利用CPⅢ平面控制網測量采集的觀測數據、采用差分法自由測站三角高程測量技術建立CPⅢ高程控制網，經現場實踐證明精度和可靠性完全滿足CPⅢ高程控制網的要求，且無需再進行幾何水準測量，降低成本的同時極大地縮短了建網時間，確保了無砟軌道鋪設和長軌精調工作按期順利開展。

2.6 精密測量控制網施工期間定期復測與維護

廣佛環城際鐵路建設工期長，從勘察設計、開工建設到交付運營時間跨度將長達十余年，測區城市建設發展、新建道路占用土地導致測量控制點點位損毀較為嚴重，要實現廣佛環城際鐵路“三網合一”必須做好施工期間精密測量控制網的復測與維護工作，加強施工建設期間精密測量控制網的樁位補設、成果更新與補設點加密測量工作。通過將新補設控制點的新成果及受擾動控制點的更新成果無縫納入全線統一的平面坐標和高程系統，確保與線路既有控制測量系統起算基準統一、測量精度協調統一是實現“三網合一”的基礎。

廣佛環城際鐵路精密測量控制網第一次施測工作于2009年2月至2010年6月完成，建設方案穩定后，線路開工建設前，于2012年7月進行了樁撅現場普查，發現60%樁位丟失或損毀，2012年10月完成了全線補樁和重新建網測量。根據施工需要和竣工驗收要求，廣佛環城際鐵路CPⅢ建網和工程靜態驗收前對精密測量控制網各進行了一次全面系統復測。工程施工建設期間的不定期復測由設計單位會同施工單位根據實際情況按照每年一次的復測頻次實施完成。精密測量控制網復測采用同精度、同方法、分級測量的原則，即復測時丟失或破損樁位補設、儀器設備、施測方法、觀測網形、精度等級以及數據處理方法均與原建網要求基本相同，按控制網等級由高到低的順序進行逐級復測，下一級控制網采用上一級復測后更新的成果作為起算基準。復測成果與上一期成果較差滿足TB10601—2009《高速鐵路工程測量規范》、TB10101-2018《鐵路工程測量規范》相應等級限差要求時，采用上一期成果；當較差超限時進行二次復測查明原因，確認點位發生變動后，采用同精度內插擴展的方法更新成果。

廣佛環城際鐵路采用上述方法完成了精密控制網施工期間的定期復測與維護，對丟失或破損樁位按原測量技術設計方案要求進行了補埋和重新測量，通過施工建設期間全面系統的復測維持了精密控制測量體系的完整性、現勢性和可靠性，滿足了廣佛環城際鐵路施工建設和運營管理的需要。

3 結語

廣佛環城際鐵路位于經濟發達的珠三角地區，測區高樓林立，交通發達，水網密布，測量條件和施工條件十分復雜，通過在“三網合一”測量技術體系、GNSS衛星定位測量、地下段落CPⅡ控制網建立、地上地下段落聯系測量、地下段落CPⅢ高程控制網建立及精密測量控制網定期復測與維護等方面進行技術創新、嚴密論證、多方案比選和精心組織施測，構建了科學、合理、完善的城際鐵路精密工程測量技術體系。該項目精密工程測量技術體系形成過程中總結的經驗及其鮮明的技術特點，可為其他類似項目特別是城市地區城際鐵路精密工程測量工作提供借鑒與參考。

廣佛環城際鐵路精密工程測量建網及歷次復測成果正式交付使用后，經廣東珠三角城際軌道交通有限公司組織測量咨詢單位、專家評審會評估驗收以及現場施工使用驗證，證明精密工程測量成果正確、可靠、精度良好，成果較好地滿足了工程建設各階段的要求，特別是無砟軌道鋪設和長軌精調的高平順性要求，為工程建設順利推進提供了有力保障，確保了工程建設滿足城際鐵路設計標準要求和后續按期開通運營。