论高速铁路测量网布设技术

苏全利

(铁道部建设管理司， 北京 100844)

高速铁路速度高(250～350 km/h甚至更高),为了达到在高速行驶条件下,旅客列车的安全性和舒适性,高速铁路必须具有非常高的平顺性和精确的几何线性参数,精度要保持在毫米级的范围以内,传统的铁路工程测量技术不能满足我国高速铁路建设要求。要成功地建设高速铁路,必须有一套系统、高效、精确的高速铁路测量标准。

为了满足我国高速铁路建设需求,铁道部2006年10月编制发布了我国第一部高速铁路无砟轨道工程测量技术标准——《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》,初步形成了我国高速铁路工程测量技术体系。 2008年,随着高速铁路建设大规模展开,在《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》基础上,结合我国高速铁路建设特点和现代测绘技术的发展,对京津、武广、郑西、京沪、哈大、合宁、合武、石太等高速铁路工程测量经验进行系统的总结,于2009年8月编制完成了《高速铁路工程测量规范》,形成具有自主知识产权的我国高速铁路工程测量技术体系。

高速铁路勘测设计、工程施工、运营维护各阶段测量实现“三网合一”是高速铁路测量以及《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》和《高速铁路工程测量规范》坚持的基本原则。在我国高速铁路建设初期和《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》和《高速铁路工程测量规范》制订之初,受勘察设计、工程施工、运营维护传统分工及管理理念影响,笔者提出“三网合一”设想及要求时,尚存在一些分歧意见,本文针对高速铁路精密测量“三网合一”必要性及其实现途径等进行论述。

1 “三网合一”概念

在高速铁路工程测量中,把高速铁路测量的平面、高程控制网,按施测阶段、施测目的及功能不同，分为了勘测设计控制网、工程施工控制网、运营维护控制网,这三个阶段的测量控制网简称为“三网”。

勘测设计控制网包括： CP0控制网、CPⅠ控制网、CPⅡ控制网、二等水准基点控制网,主要为线路勘测及工程设计服务。

工程施工控制网包括： CPⅠ控制网、CPⅡ控制网、水准基点控制网、 CPⅢ控制网,主要为施工及变形观测与评价服务。

运营维护控制网包括： CPⅠ控制网、CPⅡ控制网、水准基点控制网、 CPⅢ控制网、加密维护基标,主要为线路及构筑物变形观测与评价、养护维修服务。

高速铁路轨道高速度、高舒适、高安全建设目标,使其必须具备高平顺性和高精度的几何线性参数,轨道工程施工工艺和精度要求高,精度要求保持在毫米级范围内。为保证测量控制网成果满足高速铁路勘测设计、工程施工、运营维护三个阶段测量要求,适应高速铁路工程建设和运营安全需要,三个阶段的平面、高程控制测量必须采用统一的基准。即勘测设计控制网、工程施工控制网、运营维护控制网均以CPⅠ控制网为平面控制测量基准,以二等水准基点网为高程控制测量基准,并依此对三网进行统一布设及管理,简称为“三网合一”。

2 “三网合一”需求

2.1 “三网合一”是高速铁路设计精度的必然要求

高速铁路设计都是在计算机上采用CAD设计,每一里程都有其对应的精确坐标。随着测绘技术的发展, GPS、全站仪等采用坐标定位测量的智能化测量仪器已在铁路勘测设计及施工中广泛应用。采用GPS、全站仪进行坐标定位测量，不仅提高了勘测、设计、施工的作业效率,而且极大地提高了测量定位精度。为严格按照设计线位坐标施工和营运养护提供了条件。为了使高速铁路勘测、施工、运营维护控制网的测量成果质量满足高速铁路工程建设和运营管理的需要,必须按照“三网合一”的要求，建立各级高速铁路精密工程测量控制网。

2.2 “三网合一”是高速铁路精确施工的前提条件

在高速铁路的勘测设计、线下施工、轨道施工及运营维护的各阶段均采用坐标定位控制。因此，必须保证各阶段测量控制网坐标高程系统的统一,才能使高速铁路的勘测设计、线下工程施工、轨道施工工作顺利进行。如果勘测控制网与线下工程施工控制网坐标高程系统不统一,则无法按照设计的坐标高程施工,线位偏离设计位置,高程净空限界不足；如果线下工程施工的控制基准与轨道施工的控制基准不一致,则无法按照设计要求进行轨道施工。我国高速铁路无砟轨道工程建设初期曾经出现过类似问题。

某铁路客运专线无砟轨道试验段建设过程中,线下工程勘测设计和施工均按照采用1954年北京坐标系3°带投影,边长投影变形值达210 mm/km,导线测量按初测导线1/6 000的精度要求施测。无砟轨道施工时,为了满足无砟轨道施工控制的要求,建立了高精度的B级GPS平面控制网和二等水准高程控制网作为轨道施工控制基准。由于线下工程平面控制网与无砟轨道平面控制网精度和投影尺度的不一致,致使按无砟轨道高精度平面控制网测量的线路中线与线下工程中线横向平面位置不一致。为了不产生废弃工程,施工单位不得不反复调整线路平面设计,将线路横向平面位置误差调到路基段进行消化,这样才满足了无砟轨道试验段的铺设条件。

在我国早期高速铁路建设过程中,勘测阶段的控制网精度和边长投影变形值较为宽松,施工阶段按《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》的要求，建立了CPⅠ、CPⅡ平面控制网和二等水准高程控制网,新旧两套坐标在精度和尺度上存在较大差异,只能通过单个曲线的坐标转换来修改设计启用新网,给设计施工造成了极大困难。

2.3 “三网合一”是高速铁路轨道误差的控制要求

(1)满足轨道绝对定位的要求

为了保证高速铁路旅客列车运行的安全性和舒适性,要求高速铁路轨道必须严格按照设计的线形进行施工。过去采用相对定位铺轨作业方法,由于测量误差的积累,往往造成轨道的几何参数与设计参数相差甚远。以弯道为例：

按照曲线矢高计算公式

F=C2/8R

(1)

式中：F为曲线上的矢高；C为曲线上对应的弦长；R为圆曲线半径。

通过对式(1)变换可得

R=C2/8F

(2)

现有一半径为2 800 m(时速200～250 km有砟轨道铁路的最小曲线半径)的弯道,铺轨时按10 m弦长3 mm的轨向偏差(即用20 m弦长的矢高偏差)来控制曲线。通过式(2)可以计算出： 当轨向偏差为0时,F=17.86 mm,R=2 800 m；当轨向偏差为+3 mm时,F=20.86 mm,R=2 397 m；当轨向偏差为-3 mm时,F=14.86 mm,R=3 365 m。由此可见,采用相对定位方法进行轨道施工不严密。为了消除相对定位进行铺轨作业所产生的误差积累,使轨道的几何线形与设计线形保持高度的一致性,在高速铁路轨道施工中必须采用绝对定位和相对定位相结合的方法进行施工。轨道的绝对定位就是按照设计的线路空间位置,采用绝对坐标进行轨道工程的施工放样,使轨道的几何参数(半径、缓长、高程等)与设计参数保持高度一致；轨道的相对定位则是在轨道绝对定位的前提下,采用轨检小车通过测量轨道的三维坐标和轨距、水平等参数来确定和调整轨道上相邻点的相对位置关系,给列车平稳运行提供一个理想的轨道几何状态,以确保轨道的平顺性。

(2)满足无砟轨道施工的要求

板式无砟轨道施工需要根据线路的平纵面和线下工程构筑物情况进行轨道板的布板设计,对于CRTSⅡ型板,布板完成后还要根据布板设计对轨道板进行精细打磨。每一块轨道板具有唯一的编号和位置,因此只有设计坐标与轨道施工测量控制网基于统一的平面高程基准,才能按照设计的坐标将轨道板铺到所需要的位置。对于CRTSⅠ型板，要根据线路线下工程的结构情况进行布板设计,进行凸型挡台施工和轨道板生产；对于CRTSⅢ型板,在桥梁地段要根据桥梁的孔跨进行布板设计,按设计进行轨道板安装；对于CRTSⅡ型双块式无砟轨道，也要根据线路线下工程结构进行轨排设计,按设计要求组装轨排和测设轨排精调支脚(铺轨基标)；CRTSⅠ型双块式无砟轨道轨排的粗调、精调，也都要严格按照设计坐标进行施工。

由此可见,如果设计与勘测脱节、施工与设计脱节(都不是绝对定位),没有一个“三网合一”的高速铁路精密控制网,就不可能完成高速铁路建设目标及精度要求。

2.4 “三网合一”是高速铁路运营安全的重要保障

高速铁路勘测设计及工程施工阶段建立了基于同一坐标、高程基准的平面高程控制网,严格按照设计坐标进行线下工程和轨道工程施工,使线路上任何里程及其构筑物都具有一个唯一的精确坐标,为运营阶段工务管理提供了一个数字化的线位及构筑物的空间几何状态。通过坐标测量可以确定线路及构筑物现状位置与设计位置的偏差,从而为线路及构筑物的安全使用及养护维修提供依据。如果运营维护测量控制网与设计、施工的平面高程控制网的测量基准不同,就不可能采用坐标测量方法进行线路现状及构筑物与设计对比,也就无法实现高速铁路精确维护。因此，高速铁路运营维护测量控制网必须与勘测设计控制网、工程施工控制网基于共同的平面和高程起算基准。

3 “三网合一”创建

要实现高速铁路精密工程测量的“三网合一”,笔者认为应在勘测设计、工程施工和运营维护阶段做好以下工作。

3.1 勘测设计阶段精测网的建立

勘测控制网包括： CP0控制网、CPⅠ控制网、CPⅡ控制网、二等水准基点控制网。勘测阶段在平面控制测量工作控制前,应首先采用GPS测量方法高速铁路框架控制网CP0,并建立CPⅠ控制网、CPⅡ控制网、二等水准基点控制网。

在初测阶段,应建立高速铁路框架控制网CP0(需要时),建立坐标框架并在此基础上建立初测平面控制网,同时开展初测高程控制测量,满足初测收集资料的需要。

在定测阶段,应建立CPⅠ控制网、CPⅡ控制网、二等水准基点控制网,并以CPII控制网和二等水准基点为基准开展定测放线及专业调查测绘工作。在二等水准测量的困难山区,可采用四等水准取代二等水准作为定测高程控制基准,但在施工前应贯通二等水准测量。

勘测设计应做好CP0控制网、CPⅠ控制网、CPⅡ控制网、二等水准基点维护工作。

3.2 施工阶段平面高程控制测量的重点

(1)施工前做好精测网复测工作

施工阶段首先应做好CPⅠ控制网、CPⅡ控制网、水准基点控制网的交桩和复测工作。精测网交桩是高速铁路精密工程测量由勘测设计向工程施工过渡的一个重要环节,施工阶段所有的测量都必须以勘测设计单位提供的CPⅠ控制网、CPⅡ控制网、二等水准基点控制网开展施工测量；而施工前精测网控制网(CPⅠ控制网、CPⅡ控制网、二等水准基点控制网)的复测则是对设计院精测网成果的复核和确认。在复测中应做好复测评估验收工作,通过复测成果进行评估验收,一是对精测网成果精度和可靠性进行评定,二是对施工单位的测量能力、技术水平和测量方法进行一次检验,做好了精测网的复测评估验收工作,将对高速铁路施工测量工作开展打下良好的基础。

(2)做好施工控制网加密工作

施工控制网加密应按同精度内插的方式进行加密,在进行平面控制网加密时应将相邻CPII控制点作为已知点进行加密；在进行高程控制网加密时应将相邻二等水准控制点作为已知点进行加密。这样既保证施工控制网与勘测控制网具有相同的起算基准,又保持了施工加密点与勘测网相邻点间精度的连续和匹配。

(3)做好施工期间精测网的定期复测

高速铁路建设周期长,施工过程还会对CPⅠ控制网、CPⅡ控制网、二等水准基点控制网的稳定性产生影响,因此施工期间应对精测网开展定期复测,保证施工期间平面高程控制基准的稳定。一般每年应进行一次精测网全面复测,对于区域沉降地区,应增加高程控制网的复测频次。此外,在轨道控制网CPIII建网前,应对CPⅠ控制网、CPⅡ控制网、二等水准基点进行全面复测,确保线下工程和轨道工程施工控制网CPIII起算基准的一致。

3.3 运营期间测量控制网的维护与使用

高速铁路精测网是高速铁路工程的一个不可缺少的组成部分,首先应按规范要求做好高速铁路精密控制网的竣工验收工作。高速铁路精密测量控制网竣工测量包括CP0控制网、CPⅠ控制网、CPⅡ控制网、CPIII控制网、二等水准基点控制网复测和轨道维护基标测量。运营期间主要做好运营维护测量控制网的维护、线路及构筑物几何状态观测与评估工作。运营维护控制网包括 ： CPⅠ控制网、CPⅡ控制网、水准基点控制网、 CPⅢ控制网、加密维护基标。运营维护控制网复测频次应视线路所在处地形地质条件等具体情况研究确定,每年应不少于一次,以保证高速铁路在运营期间有一个稳定可靠的测量控制与变形观测评价的基准。

4 结束语

“三网合一”是高速铁路工程测量技术体系的基础和核心,也是高速铁路采用坐标法进行线路勘测设计、工程施工以及运营维护管理的前提。在“三网合一”基础上,线路及构筑物的里程和坐标一一对应,每一个里程只有一个唯一的坐标(x、y、h),使工程施工和营运维护能够严格按照设计的线型进行施工和养护,保证高速铁路轨道的平顺性,同时也为工务管理信息化和构建数字化铁路创造了条件。

[1] TB10601—2009 高速铁路工程测量规范[S]

[2] 何华武.论时速大于200 km铁路精密工程测量技术[J].中国铁路，2007(3)

[3] 朱 颖.客运专线无砟轨道铁路工程测量技术[M].北京：中国铁道出版社，2008