兩期建網模式下的精測網與既有工程匹配探討

李春雷，楊占明，王思玥

(1.陜西國鐵工程咨詢管理有限公司,陜西 西安 710000; 2.中國鐵路西安局集團有限公司西安站,陜西 西安 710005)

0 引言

鐵路大中型建設項目需要經過預可、可行性研究、初步設計和施工圖設計幾個階段,與其對應鐵路工程測量分為初測、定測和補充定測階段,勘測設計周期少則幾個月、多則數年,各階段線路方案不穩定,變化頻繁?？睖y設計階段主要用到鐵路精測網CPI,規范[1-4]要求“CPI控制網宜在初測階段建立,困難時可在定測前完成”。精測網要求沿線路中線兩側1 km以內布設,控制點標石規格較大。若在初測階段建立,后期定測、補充定測過程,線路方案不斷優化,會發生多次變化,精測網布設若隨線路方案動態實施,會造成大量標石廢棄,造成勘測成本增加。為節省成本,本文探索采用二期建網方式,即先以小規格標石、低精度、低密度方式建立初測控制網用于勘測設計,線路方案在通過各級審查基本穩定以后,再按正常精度等級建立精測網。這種模式兩期網成果不可避免地存在差異,精測網與既有工程匹配成為主要研究問題,另外,勘測設計過程中,參與單位多、各階段人員不一樣,職責分工不明確、工序交叉、設計接口環節多,測量專業人員的工程概念不強、設計專業人員認識不到位,兩期網成果差異的處理成為“三不管”工程,很容易被忽視,也會給后期施工帶來影響。

文獻[5-9]中的精測網均是在定測前建立,設計文件所用測量資料是以定測前的CPI為基準,與精測網匹配一致,不存在定測資料差異,不會出現與既有工程不匹配現象。而兩期建網的成果差異會在起終點與既有鐵路接軌時,產生錯位、錯臺,不能平順銜接;在沿線上跨或下穿既有鐵路、公路等既有工程時,造成凈空高度不足,甚至橫向建筑限界不足;鐵路車站在與地鐵站、機場航站樓等并場時的地上地下一體工程協調匹配難實施,既有橋墩可利用性評估不可靠,新建鐵路偏心,行車安全難保障。

目前,勘測單位按規范要求,一般在定測前建立精測網,沒有專門針對兩期建網的研究文獻,文獻[10]的精測網重建服務對象為既有鐵路,文獻[11]的精測網改造是屬于既有精測網的升級改造,所有交叉工程已經竣工,既有工程測量資料與精測網是匹配的。為解決兩期建網模式下的精測網與既有工程的匹配問題,本文首先對兩期控制網成果差異產生的原因,對平面放樣錯位、高程放樣錯臺影響進行分析,總結出對工點的具體影響,得出精測網與工程匹配應采取的對策措施。并對既有工程匹配測量方法進行探討,為類似實際工程提供參考。

1 兩期成果差異原因及工程影響分析

1.1 兩期成果差異原因分析

精測網建立過程中,勘測單位常采用二期建網方式實施,總結分析多個項目的實踐經驗,產生兩期網成果差異主要有以下幾方面因素:

1)測量精度等級不同:初測網精度低,精測網精度高。

2)起算點成果不同期:勘測周期間隔時間長,精測網建立時,初測網聯測的國家點成果發生變化,原成果國家點已更新。

3)起算點不一致:初測網利用四等點起算,精測網利用二等以上控制點起算。

4)測量誤差累計影響:國家點(起算點)稀疏,兩起算點間路線越長,中部控制點兩期成果差異越大。

5)初測網無法甄別出起算點點位變化:初測采用四等網,閉合差限差閥值大,閉合差檢查符合要求,起算點穩定可用。而精測網采用二等,閉合差限差閥值小,相同的閉合差,在精測網下檢查時則不能滿足要求,初測起算點不能采用。

6)兩次測量誤差及點位變化的影響:初測網、精測網間隔時間長,點位可能發生變化,即使采用同精度復測,因測量誤差影響,兩期成果也存在差異。

7)高程成果計算方式不同:精測網二等水準高差需要進行正常水準面不平行改正、重力異常改正,而初測四等水準采用直接高差計算。

1.2 放樣位置錯位、錯臺分析

初測階段,初測控制網、地形圖的坐標系參數與國家標準一致,即:采用3度帶0 m投影面。定測前,按初測線路方案,進行精測網坐標系分帶設計,將初測網成果、地形圖按分帶參數實施轉換,用于開展定測、補充定測工作,對既有工程進行坐標、高程測量并反映在分帶地形圖上。設計專業根據既有工程位置,定位中線。因此,各專業設計文件均是基于初測網及分帶地形圖。

在精測網建立時,精測網成果坐標參數與坐標系分帶設計保持一致,地形圖與設計中線不變,施工交樁時移交精測網成果及設計中線坐標成果。施工時,利用精測網將設計中線放樣到地面后,由于兩期網成果差異,與既有工程相對關系發生變化,直接表現為平面錯位、高程錯臺。若不對定測設計文件基于精測網進行修正,則下穿或上跨既有工程時,會造成橫向建筑限界或凈空高度不足問題。

某鐵路定測時線路中線需從兩建筑物中間穿過,DK3+500的中線設計坐標(X1,Y1),由初測網實測兩側既有建筑物坐標后確定,在設計圖中確定與初測控制點1號(Xc1,Yc1)、2號(Xc2,Yc2)的相對關系為Sc,βc。施工時,DK3+500中線理論坐標也為(X1,Y1),與定測一致,采用精測網坐標成果放樣時,撥角值βj、放樣距離Sj,實地定出B點,因Sj不等于Sc,βj不等于βc,造成實地錯位,施工線位與既有建筑相對關系不一致。平面放樣位置錯位表現方式,見圖1。

定測時,從水準點BM5(初測高程Hc)測量既有鐵路K8+500的軌頂標高為H0,其高差為h0=H0-Hc。設計時,此位置的抬落道量為0 m,其設計高程HS=H0。采用精測網成果施工放樣時,從水準點BM5(精測網高程為Hj),放樣K8+500高程HS,相當于放樣高差值為hf=H0-Hj,由于兩期網存在高程差異Hc不等于Hj,導致h0不等于hf,在實地造成高程錯臺,與既有鐵路不能平順銜接,當線路下穿既有立交橋涵時出現凈空高度不足問題,見圖2。

1.3 兩期網差異對既有工程影響分析

經過統計多個實際工程項目,平面差異最大為0.15 m,高程差異最大為0.35 m,鐵路工程勘測設計中,兩期網成果差異對既有工程影響主要體現在以下幾方面:

1)接軌處不能平順銜接。起、終點或中間接入既有車站,軌對軌銜接時平面、高程不能順接,并行接入時,與既有軌道不平行,不能滿足線間距或等高要求。

2)既有車站站臺邊定位不準、軌頂高程不準,造成站臺橫向限界、站臺高度不滿足要求,甚至侵限。

3)下穿、上跨鐵路、公路、管道、渡槽等既有工程處,凈空不足。

4)下穿立交橋涵處,橫向建筑限界不足。

5)車站與地鐵站、機場航站樓并場時,地上地下一體工程協調匹配難以實現。

6)需要利用既有橋墩時,橋墩位置、墩頂高程數據不準確,可利用性評估不可靠,可能造成新建鐵路偏心。

7)新設計鐵路高程與既有并行鐵路或在建鐵路軌頂高程不匹配。

綜上分析,兩期網成果存在差異不可避免、差異大小無法預測,在實際工程實踐中,應制定一些對策措施,避免產生較大差異。

2 精測網與既有工程匹配措施

2.1 作業過程控制

精測網與既有工程匹配措施主要體現為前期策劃、后期處理[12]。為保障兩期網成果差異最小,勘測設計時應注重過程控制,主要包含資料收集、銜接基準聯測、實施過程的精心策劃幾方面。精測網建立時,在重要工程處及每隔一段距離(8 km)聯測初測控制點,獲取兩期網成果差異,并且設計專業應在施工圖設計前根據平面、高程差異大小,確定是否對定測成果實施修正。各過程的主要注意事項見圖3。

2.2 接軌成果與精測網相匹配

新建鐵路設計的起、終點與既有工程相連接,接軌鐵路種類比較復雜,有普速鐵路、高速鐵路、城際鐵路及城市地鐵等,接軌形式有軌對軌銜接、新增股道、或地上地下立體重疊交叉,接軌處設計、施工的質量關鍵取決于勘測成果與精測網匹配程度[13]。

接軌處一般處于運營鐵路上,由于上道測量手續煩瑣,受制于鐵路調度安排,作業時機、工作時間不能自主決定,工作效率非常低。接軌處上道測量應做到一次到位,與精測網精度匹配。對既有車站內或線上原有控制點應實施移設,引測到站外或線下供精測網時聯測,并作為精測網約束基準,實現接軌成果與精測網的匹配,匹配過程見圖4。

2.3 精測網與已/在建工程匹配

鐵路工程線路長,沿線交叉工程多,控制性地物、既有工程種類多,有沿線接入的既有車站工程、已建或預留橋墩的利用工程、并行在建工程、上下一體的公鐵兩用橋梁工程、接入機場或地鐵的地上地下共位一體工程等,均應保證精測網與既有工程相對關系匹配一致,匹配措施見圖5。

3 既有工程匹配測量方法

精測網與既有工程相對關系匹配一致,應結合既有工程的特點與精度要求確定,歸納起來主要有以下幾方面:

1)接軌處要求平順銜接。普速鐵路可以采用全站儀或RTK測量中線坐標,高程應采用水準測量方式而不能采用RTK方式。高速鐵路應復測CPⅡ,CPⅢ后,采用基于CPⅢ控制網的軌檢小車方式測量中線坐標、高程,不能采用RTK方式測量。

2)車站站臺邊、岔心定位要求精確,應采用全站儀+棱鏡支架或三角架+光電三角高程測量的方式進行,不能采用RTK方式測量。

3)下穿、上跨鐵路、公路、管道、渡槽等既有工程處或與既有隧道(先期段)。應結合高程測量精度要求、設計凈空富裕程度選擇合理的方式,可采用RTK或水準測量或全站儀光電三角高程方式;或基于洞控制網成果,采用地面三維激光掃描方式[14-15],獲取凈空斷面成果,全站儀無棱鏡[16-17]方式進行檢測。

4)下穿立交橋涵處,橋下空間結構復雜,測量位置、凈空高度要求準確,涉及線路方案的可行性。應基于精測網,采用全站儀無棱鏡或地面三維激光掃描方式獲取橋下空間的三維數據[18-20]。不能采用RTK目估定向、皮尺量距、解析幾何法定位橋墩、利用結構高度推算橋下凈空。

5)鐵路車站與地鐵站、機場航站樓并場時的地上地下一體工程,公鐵兩用橋梁地段、與既有鐵路或在建鐵路并行工程等,項目的協調匹配難度大,需要共用地形圖設計,共用平面、高程控制網施工,接入、引出處的轉換關系可采用GNSS靜態聯測方式,不能采用RTK方式進行。

6)需要利用既有橋墩時,橋墩位置、墩頂高程數據涉及線路定位、建筑限界符合性檢查,要求精度高。測量工作應基于CPⅡ或CPⅢ成果進行,平面位置采用全站儀測量坐標,高程采用水準儀或光電三角高程方式測量,不能采用RTK方式進行。

4 結論與建議

按現行規范要求時機建立精測網,勘測成本高。經過本文對精測網采用兩期建網方式討論,明確了精測網與既有工程的匹配方法,提出了可以在線路設計方案完全穩定后再實施精測網建立工作,能夠降低造標埋石費用,節省勘測成本。經過多年工程實踐驗證表明,本文作業模式可行,效果良好,可為其他鐵路勘測單位優化精測網生產組織模式提供借鑒經驗,并作為修訂、完善鐵路工程測量規范精測網建立時機提供技術應用條件依據。

采用二期建網模式時,建議在勘測設計過程中應注意以下幾點:

1)初測、精測起算點一致。出現不同期國家點時,接軌點附近宜采用不同期國家點的混合試算或進行新成果歸化,避免出現斷高及線路中線坐標轉換。

2)起、終點接軌測量時,應進行線上CPⅡ,CPⅢ、二等水準復測,并先建立首、末段精測網,移設線上并聯測線下控制點作為后期精測網建立的約束基準,實現線下、線上控制網為一體。

3)勘測時,重要工點位置附近平面、高程留點,供精測網建立時聯測。在施工圖設計工作開展前將平面、高程留點差異提交設計專業,協助設計專業確定是否對勘測設計文件進行修正。