高速铁路精密工程测量问题研究

王晓凯

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102699)

2018年太青高铁即将竣工通车，这也意味着中国铁路框架网的建设即将全部完成，已进入收官阶段。自2005年京津城际开工建设到今天，我国的高速铁路技术发展已经稳健地迈入了成熟期，在“引进-消化吸收-再创新”战略的指导下，高铁技术的国产化取得了累累硕果，形成了一系列自主的知识产权，创造了独一无二的中国高铁品牌。2017年3月20日，国家发改委正式发布了“八纵八横”的路网规划：计划到2020年，随着一批重大标志性项目的建成投产，铁路网规模将达到15万km，其中高速铁路3万km，覆盖80%以上的大城市。在我国高铁持续稳定高速发展的情形下，进一步消化吸收前期建设经验，对完善各阶段技术、生产、运营的标准化管理十分有意义。

2009年，铁道部发布了《高速铁路工程测量规范》(TB10601—2009)。通过京沪、哈大、京石武等多条高铁的实践证明：所采用的标准体系经受住了勘察、设计、施工、运营全阶段的考验，验证了其科学性、先进性、适用性和可靠性。但在一些细节方面，仍然存在着一些需要改进的地方。比如控制网建网时机与前期设计脱节，控制网设计单纯考虑自身网形未顾及施工实际情况等。

1 建网时机

传统铁路工程控制网是在初测阶段建立低等级控制网，方案稳定后另行开展精密工程测量，存在着初测控制基准产生的设计文件与施工基准文件不一致的情况，常会出现土石方量偏差大、上跨下穿净空不足等隐患。新建铁路的比选方案较多，在方案不稳定时直接建立全套精密测量控制体系不经济。因此，在参考传统测量控制工序的基础上，对各个阶段的建网时机进行了如下的规定：

(1)CP0控制网应在初测前采用GNSS测量方法建立，全线一次性布网，统一测量，整体平差[1]。

(2)CPⅠ控制网宜在初测阶段建立，困难时应在定测前完成，全线应一次布网，统一测量，整体平差[1]。

(3)CPⅡ控制网宜在定测阶段完成，采用GNSS测量或导线测量方法实测[1]。

CP0建网时间的选择：我国高铁建设初期，国家控制网不完善且精度不足，因此规范要求在初测阶段建立CP0。2008年7月1日我国正式启用2000国家大地坐标系后，国家网精度差的情况在绝大多数地区已经不复存在，因此该条规定在今天也就不一定完全适宜。现阶段我国高速铁路及干线铁路网络已初具规模，采用两端既有铁路的控制基准，直接实现路网控制平顺搭接的方式可能更加有效合理。

“CPⅠ控制网宜在初测阶段建立”是为了防止初测勘察设计资料与施工阶段控制网资料不一致而规定的。初测阶段比选方案众多，此时实施精密测量会造成较大的成本浪费；另外，从初测到开工会经历较长时间，在这个阶段建立起的控制网，往往会出现大区段的控制桩毁坏，甚至会出现控制网功能局部丧失的情况。随着国家CORS基准站建设的逐步完善，这方面的矛盾也有了根本性的解决方案。目前，我国有27个省市建成了平均站间距40～70 km的省级CORS网，其余省份也已列入规划。各铁路设计院在多条铁路勘察设计过程中开展的CORS技术应用证明：在铁路初测阶段，CORS技术的精度足以保证勘察设计应用，且生产效率也会大大提高。

因此，合理的推荐方案应当为：在初测前对线路资料进行分析，明确本线采用的框架控制网基准；在2000国家控制不足或CORS基站无法覆盖的区域，采用GNSS测量方法建立CP0控制网，并与国家A、B级GNSS控制点联测；初测可以采用CORS完成，待方案基本稳定后，全线建立CPⅠ并进行定测(如表1)。

表1 精密测量控制网不同工序优缺点比较

随着全国测绘地理信息基础数据精度越来越高，密度越来越大，尤其是连续运行参考站系统CORS的建设越来越成熟完善，为测量工作带来了巨大的便捷和精度保障，在高速铁路精密测量控制方面，传统的流程体系已经出现了一定的缺陷，应当在实施过程中做一些调整。

2 控制网布网

现行规范规定CPⅠ控制网为每隔4 km布设1个GNSS控制点。经历过施工期及运营期，可能会出现控制桩丢失的情况，直接影响到线路控制网CPⅡ和轨道基准网CPⅢ的复测稳定性判断，也会进一步影响到轨道结构的长波不平顺维护。因此，建议CPⅠ按对点埋设在受施工干扰较小的区域。

随着GNSS-RTK技术的引进，使得精度要求不高的线下施工不再依赖于全站仪施工放样，作业模式的改变使得铁路控制网点间的通视要求在局部地段已经不再是硬性条件(山区隧道段除外)；同样，控制点距线路中线的要求也应该有所变化，应当侧重于点位的维护及GNSS的作业方便。因此，GNSS控制网的布网要求在规范限定中应该有所优化调整：CPⅠ基础控制网建议为每隔4 km布设1对(对点尽量垂直线路方向布设)，间距由当前的50～1 000 m调整为400～1 000 m；CPⅡ线路控制网建议由当前的50～200 m调整为200～400 m；CPⅡ线上加密控制点应布设于铁路建设限界内。控制网布设时，应当充分考虑周边控制点的位置情况，使整条铁路控制网的分布及控制更加合理。

3 水准网的稳定性控制

控制网平面观测采用人工干预少、稳定性强的GNSS作业，成果较为可靠。而高程测量过程中，受到国家控制基准、地域沉降、穿越隧道、跨越江河等诸多影响，存在的问题较多。在高速铁路精密测量控制工作中，水准测量的质量保证以及数据处理方式的合理与否至关重要。已经建成高铁的运营复测数据分析表明，许多地段存在着较为严重的沉降情况，甚至导致了铁路限速。在这些地区，如果没有稳定的控制点，控制网复测往往会出现控制基准稳定性无法判定的情况。为了在这些区段进行变形监测，必须要从可靠的稳定控制点(国家基岩点)引出，监测工作往往费时、费力。

《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》中没有对铁路高程控制网中深埋及基岩点进行要求。在京津城际、京沪高速铁路实施过程中，由于沿线地质条件非常复杂，存在多个不均匀沉降漏斗区，有些地方地表沉降非常严重，因此采用了深埋水准基点的控制方式。多次复测证明，相对于地面控制标石，深埋点具有显著的抗沉降性，可为铁路的运营、维护、监测提供长效的高程基准支持。因此，《高速铁路工程测量规范》对深埋标石做了如下的要求：在地表沉降不均与及地质不良地区，宜按每10 km设置一个深埋水准点，每50 km设置一个基岩水准点。基岩水准点和深埋水准点应尽量利用国家或其他测绘单位埋设的稳定基岩水准点和深埋水准点[1]。

因此，在地表沉降不均匀与及地质不良地区，基岩水准点应当作为线路水准基点的高一级控制点，每50 km设置一个。深埋水准点是线路水准基点的同级控制点，但其较之一般水准点抗沉降性好，在控制网复测过程可作为区段稳定性判断的重要依据。深埋水准点可以选择稳定的老旧建筑基础、大型桥台基础等替代；也可以选择国家或其他测绘单位埋设的基岩、水准点作为深埋控制桩(不兼容的情况下可不采用原国家控制成果，仅作为本条线路的深埋控制)。

4 长大隧道贯通后水准控制网的处理

高速铁路精密测量控制网在勘察设计阶段建立。在跨越大江大河及长大隧道时，水准采用绕行观测或者跨河观测的方式。桥梁铺架施工完成或隧道贯通后，对水准测量而言，新的贯通条件产生了，路线会大大缩短，在一定范围内的闭合精度也会大大提高。以某山区铁路隧道高程控制为例：设计隧道长度约10 km，受地形及交通条件影响，水准绕行路线达到100 km。按照二等水准的观测方法实施，隧道贯通前符合路线闭合差限差为40.0 mm；贯通后限差为12.6 mm，精测网高程在隧道贯通后可能会产生断高。若前期未做任何附加考虑，甚至在隧道贯通测量之前进行了隧道段的精密测量，将会给后期施工造成较大的影响。因此，在此类特殊的施工条件下，必须对工点的精密测量进行专项设计。

(1)根据水准绕行设计观测成果计算隧道两端高程控制点间闭合差。

(2)根据斜井闭合条件、贯通路线及水准限差估算贯通后两端高程控制点间闭合差；每公里水准测量的全中误差按下式计算

(1)

式中W——经过各种改正后的水准环闭合差/mm；

L——水准环线周长/km；

N——水准环数。

依据式(1)，取MW=2，N=1，L=10，则可计算出水准闭合差W=6.3 mm；

(3)计算最不利情况下产生的最大断高值：

H闭合=H绕行-H贯通

放样施工及无砟轨道施工应预留断高调整段。

(4)完成贯通测量后，根据贯通测量水准闭合情况设置施工断高，并在局部范围内与两端精测网相协调一致。在竣工测量中，全线精密测量控制网统一平差，消除断高，并根据最新的精测网成果对线路情况进行复测并评估，必要时进行竖曲线的二次设计。

类似的情况还包括：大型江、河的跨河桥施工水准贯通测量；无砟轨道过渡段施工(道岔板施工精调、道岔安装后的前后顺接)；地铁区间高程贯通测量等。

5 结束语

《高速铁路工程测量规范》颁布实施已近10年，随着测绘科学技术的发展及干线工程由建设期向运营期的转变，应当对其进行进一步的完善和改进，建立系统权威的完整测绘基准。控制网复测更新后的成果如何更加有效安全地应用于铁路工务精调，提高线路的平顺优化水平等尚需进一步研究。综上所述，对我国高速铁精密测量控制技术进行进一步的系统研究非常必要，有助于保证高速铁路的测量精度，提高施工、运营期间的测量效率和质量，节约成本，具有明显的社会经济效益。