精密工程測量技術在高鐵工程建設中的應用

邵青川

（中鐵十六局集團第二工程有限公司，天津 300162）

0 引言

通常來說，速度至少達到250km/h的專線鐵路或達到200km/h的既有線鐵路被稱為高速鐵路。高鐵憑借其安全性高、穩定性好、速度快的優勢迅速在我國交通運輸中占領重要地位，要想繼續提升高鐵運行的平穩舒適，則需要在軌道的平整度、施工工藝、材質和尺寸的精準上精益求精，而傳統的測量技術已無法滿足發展的需求，一定程度上阻礙了高鐵的發展。因此需要運用精密工程測量技術來彌補方法與精度上的缺陷。本文對高鐵工程建設中精密工程測量技術的內容、要求和具體應用進行簡要分析，了解精密工程測量技術在高鐵工程建設中的重要性。

1 精密工程測量技術概述

1.1 精密工程測量技術的內容

精密工程測量技術被廣泛應用在高鐵工程建設的前期設計、中期施工以及后期的運營驗收與維護中，測量內容涵蓋了平面高程控制的測量、高鐵軌道施工的測量、運營維護的測量等。高鐵建設工程占地面積廣，跨域大，常受地形、地質等的影響，為了實現相關參數的精密測量，需要在設計時根據特性做好設計方案，對坐標系統和水準基點做出精準預判，以保證精密測量的準確性[1]。

1.2 應用精密工程測量技術的目的

高鐵建設應用精密工程測量技術的目的在于讓開發人員和技術人員能夠在高鐵運行前，通過對高鐵平面高程控制網的設計和調整實現高鐵工程中具體問題的研究和解決，以確保高鐵軌道的位置精度和平順性。同時要求高鐵項目的施工必須要嚴格按照線型設計，保持幾何線型設計方案的參數和精確度，通常參數范圍都是以毫米為單位，如偏離時需要控制在10mm以內，保證高鐵建設的高要求，提高高鐵運行的舒適度和安全度，助力我國高速鐵路運輸工程。

1.3 傳統測量技術與精密工程測量技術的比較

在鐵路工程，傳統的測量方法采用的是以位置測量中心線控制樁作為坐標數據，但隨著施工的結束，中心線控制樁便會損壞，若想重新測量則要重新構造測量方法。對于普通鐵路工程建設來說，這一缺陷并無大礙，但高鐵工程建設涉及范圍較廣，外部環境復雜，測控數據變數較多且測控數據通常要超過規定的精度數據的范圍，精密工程測量技術可以通過構建精確的精密測量和控制系統來實現隨時隨地可操縱的測量，以實現毫米水平測量和控制的目標。

2 用好精密工程測量技術的方法

2.1 應用步驟

2.1.1 編制測量設計書

在高鐵建設工程中，若想有效發揮精密工程測量技術的優勢，則需要在設計前編制具有針對性的測量設計書。在實際測量中，首先要對建設工程進行實地考察，對其周邊的地勢、地形以及建筑物等進行綜合考量，給出符合工程建設標準的設計手冊；其次要在手冊中對所建項目進行基本分析后，制定相應的測量標準；最后，為了實現準確的數據測量并確保測量的準確性和合理性，應當選擇并開發合理的精密測量技術，通過與精密測量儀器的結合對所建項目的實際領域和內容進行針對性設計和確認，并按照測量標準嚴格執行。

2.1.2 進行合理完善的坐標設計

應用好精密工程測量技術，不僅要認真編制測量設計書，還要進行合理完善的坐標設計。高鐵各級測量控制網的精度要求除了要滿足線下施工精度的要求，還要滿足高鐵軌道工程運營維護要求，嚴格控制高鐵軌道內部和外部的幾何尺寸。

在坐標設計前，為了保證坐標投影設計的合理性和完整性，需要獲取準確的信息，根據其中的信息數據使用合理的高速投影設計值。在實際設計過程中，需要將實際測量值與理論值相結合比較，對長度的投影變形進行科學合理的分析，同時建立滿足測量標準的坐標系統，通過重復多次的數據對比，實現坐標系統對測量長度的有效性?？傊ㄟ^變形長度系統的設計和坐標投影設計的完善，保證后期精密測量工作的有序開展。

2.2 把握精密工程測量精度要求

高鐵建設工程中測量的精度要求主要體現在高鐵軌道鋪設的幾何尺寸的精度要求，具體分為外部和內部的幾何尺寸。

高鐵軌道的外部幾何尺寸指軌道的空間立體形狀，是以軌道的中心線及周圍的建筑物情況及三維空間坐標系的軌跡來決定的，其測量必須基于軌道、橋梁、隧道、路基、站場等站前工程構筑物，同時軌道線間距、軌道中線高程等的偏差都要控制在一定范圍內。比如一般混凝土道床板模板中線位置只允許偏差2mm；而內部幾何尺寸則由高鐵上各點的相對位置關系進行確定，內部幾何尺寸包含軌道縱向高低參數和軌道方向參數，這兩個參數的共同作用決定著高鐵軌道的平順性，確保高鐵軌道的設計線型與實際線型相一致。因此高鐵各級測量控制網的精度要求除了要滿足線下施工精度的要求，還要滿足高鐵軌道工程運營維護要求，嚴格控制高鐵軌道內部和外部的幾何尺寸。

2.3 精密度控制的要領

2.3.1 控制測量儀器誤差

為保證工程的精確度，需使用精度較高的測量儀器。要求在使用前對全站儀和水平儀進行校準。水平儀宜每公里往返測精度0.3mm及以上，全站儀測角精度宜0.5″或1″級。

2.3.2 控制測站的布設間距

測站設立完成后，應對測站點或布設點的精度進行復測，如果發現測站點或布設點出現嚴重移位的情況，則應結合具體情況進行剔除，若只是出現一定程度的偏差，則應弄清偏差原因，在之后的布設中加以注意，并且要立即補測做出調整。

2.3.3 控制現場CPIII點

當全站儀在CPIII點設立超過1h，或者設立點的外界環境發生變化，則極易出現偏差，因此需要對CPIII控制點進行校正，且是有效校對，這樣才能對方向偏差做到及時修復，不影響工程的進度。

3 精密工程測量技術在高鐵工程中的應用實踐

3.1 高鐵工程控制網的布設

高鐵工程測量采用獨立坐標系統，其軌道測量平面控制網通過ITRF2005建立，具體在結構基礎中可分為以下三級布置：

（1）CPI。CPI是為測量、施工、運行和維護設備而服務的基礎平面控制網。在設計過程中采用B級GPS靜態的布設方式進行測量，各網點間距應在50~100km。聯測基準網點設置完畢后，通常還會每隔3~4km設立一個單點，如果有地形、地勢原因而造成布設困難的情況，地段點之間的間距應不超過1km。對于隧道及一些較長的道橋部分，應根據實際情況對布設點進行增減，原則上要求相鄰布設點要保證良好的視點方向。

（2）CPII。CPII是為測量、施工、運行和維護設備而提供控制標準的線路平面控制網。在設計過程中采用C級GPS靜態布設和導線布設的方式進行測量，由于高鐵工程通常在長大隧道內進行，單靠GPS無法完成CPII控制網的布設，因此需要加設復合導線網。隧道內的導線測量應起閉合于洞外CPI控制點，導線兩端均應進行已知方位邊觀測。GPS各網點間距應在600~800m，導線布設點間距則在400~800m之間，如果有地形、地勢原因而造成布設困難的情況，地段點之間的間距應不超過600m。CPII的網點一般按照線路走向進行設置，需要與線路中線的距離控制在50~100m，并要在路線中選擇地理位置較好的網點進行布設。

（3）CPIII。CPIII是在CPII的基礎上為高鐵軌道的鋪設和運營維護而建立起來的軌道控制網。在設計過程中沿線路兩側布設導線，采用自由測站、邊角交匯的方法進行測量，各布設點間距一般為50~70m，其控制點多為嵌入式，在高鐵軌道標記螺栓前緣的上側進行嵌入，嵌入位置是墻體上側的點位和高程位置。需要注意的是，在CPIII高程傳遞測量時，如果地面與橋面之間距離過大，地面的基點無法傳到橋面控制點上，需要合理運用三角高程測量法，通過切換不同高度、手工測量的方法取高度差值的平均值，此平均值即為傳遞高差。

高速鐵路平面控制網參考參數見表1。

表1 高速鐵路平面控制網參考參數

3.2 高鐵軌道施工測量

（1）軌道安裝定位測量。軌道安裝定位測量通常包括支承層施工測量、軌道底座施工測量、軌道板安裝測量等，在安裝前要對軌道板的規格、走向進行檢測，確保符合施工要求，承軌臺與軌道板應保證沒有破損。在完成對軌道安裝初測評估后，一般即可展開無砟軌道施工工作。在長軌精調前需要再對CPIII進行一次復測，復測成果需評估合格后才能使用。

（2）軌道精調測量?，F有無砟軌道施工一般為CRTSI型雙塊式或CRTSⅢ型板，具體精調過程為數據輸入、儀器檢校、全站儀設站、安裝精調小車、軌道精調測量。在軌道精調測量中靜態平順度的允許誤差范圍見表2所示。

表2 靜態平順度允許誤差范圍

軌道的精調過程要求必須處于穩定環境中，禁止大風大雨、強光等環境下進行精調工作的開展。在軌排精調完成后，將長鋼軌應力放散并鎖定，即可進行長軌的測量，主要采取全站儀自由設站方式配合軌道幾何狀態測量儀進行測量的方式。首先，精調前要對CPIII控制點進行復測，測量結果出來后要上報評估單位，評估完成后再行采用合格的數據結果。其次，運用DTS精調軟件進行測量數據模擬調整，明確高程與平面位置的基準面；根據高軌平面位置的調整來優化軌向，再根據軌距變化來確定低軌的平面位置；通過低軌的高程來優化高低，利用水平和水平變化率調整高軌的高程；為達到平順性指標則需要通過對軌距、高低、水平等主要參數指標曲線圖的“削峰填谷”來實現。最后，完成對扣件的更換即可結束軌道的精調。更換扣件時，每次拆除扣件不得連續超過5根枕木（防止脹軌），并且在更換扣件區段兩端各松開1～2根軌枕扣件，以保證軌道的平滑過渡，更換完畢后要最后核對一次調整量和扣件規格，確保無誤后完成長軌的精調。

4 精密工程測量中“三網合一”測量體系的構建

高鐵工程的控制網分為高鐵勘測控制網、高鐵實施控制網以及高鐵的運營與維護控制網，簡稱為高鐵測量工程的“三網”。勘測控制網由CPI控制網、CPII控制網及二等水準基點控制；實施控制網由CPI控制網、CPII控制網、CPIII控制網及二等水準基點控制；運營與維護控制網由CPII控制網、CPIII控制網、二等水準基點及加密維護基標控制[2]。“三網”在各自的運行系統中獨立存在，但為了使精密工程測量技術的成果能夠將“三網”緊密聯系起來，使高鐵建設滿足國家需求，精密工程測量技術一定要有明確的基準，也就是要構建“三網合一”體系。

4.1 “三網”坐標高程系統統一

如果想要做到“三網”高程系統統一，就需要在高鐵建設工程的設計階段、勘探階段、施工階段以及后期運營和維護階段使用統一的坐標定位，才能保證高鐵建設的順利進行。如果不能達到統一，則會造成高鐵施工的線位偏離預計設計好的坐標高程和位置，軌道工程出現偏差不能和線下工程相交，導致鋪設好的高鐵軌道出現線路的偏離問題。在施工過程中施工人員保證“三網”高度的一致和統一可以有效地進行高程定位控制，以確保高鐵建設項目中各控制網通過獨立的運作和統一的調度有效輔助高鐵建設項目的順利實施。

4.2 “三網”起算基準要統一

“三網”起算基準的統一是指以基礎平面控制網（CPI控制網）為平面控制基準，以“三網”的基礎高程控制網為二等水準基點網進行施工。如果“三網”起算基準不統一，則很可能造成施工成果的失敗或重來，其后果十分嚴重。

總之，“三網合一”是高鐵建設工程中采用坐標進行項目的勘探設計、施工改造、運營維護的重要前提。每個里程的坐標都具有唯一性，統一基準后需要將坐標與工程項目周邊的建筑一一對應起來，這樣才能為后期的運營、維修與養護工作做好準備，創造便利條件的同時保證高鐵軌道的平滑性和高鐵的正常運行?！叭W”起算基準的統一為鐵路管理的數字化和信息化創造了良好的條件。

5 結束語

綜上所述，繼續提升高鐵運行的平穩舒適，需要在軌道的平整度、施工工藝、材質和尺寸的精準上精益求精，離不開精密工程測量技術的支撐。應用好精密工程測量技術，不僅要認真編制測量設計書，進行合理完善的坐標設計，還要掌握精度控制要領。高鐵各級測量控制網的精度要求除了要滿足線下施工精度的要求，還要滿足高鐵軌道工程運營維護要求，嚴格控制高鐵軌道內部和外部的幾何尺寸。本文所舉高鐵工程控制網布設以及軌道施工測量的例子印證了高鐵工程建設對精密工程測量技術的需要。設計與施工人員需要依據實際情況，選擇科學合理的精密測量技術完成對高鐵軌道的設計、勘探、施工和運營維護工作，延長高鐵的運行周期，保證高鐵出行的安全平穩，為我國的高鐵建設和經濟發展助力。