兰渝铁路兰州至广元段精密工程控制测量技术体系及特点

武瑞宏

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

1 工程概况

兰渝铁路是国家“十二五”规划的重点铁路项目,是我国地质条件最复杂的山区长大干线铁路之一,从2005年完成预可行性研究报告至2017年开通运营,历时12年。

兰渝铁路兰州至广元段位于黄土高原和秦岭高中山区,正线长度492.993 km,地质情况极其复杂,号称“地质博物馆”。全线桥隧工程集中,桥隧总长度达418.08 km,占线路总长的86%；隧道66座,总长度达343 km,长度超过10 km的特长隧道9座。长度在6 km及以上的长大隧道和连续长大隧道之间的桥梁、路基均铺设无砟轨道,其余正线铺设有砟轨道,一次铺设跨区间无缝线路[1]。

2 精密工程测量技术体系的建立及特点

精密工程测量技术是高速铁路成功建设的关键技术之一[13]。兰州至广元段精密工程测量控制网建设过程经历了我国铁路工程控制测量体系从形成到逐渐完善的阶段,建立了满足勘测、施工、运营维护各阶段的精密工程测量技术体系。

勘察设计阶段测量工作初始依据是TB10101—99《新建铁路工程测量规范》,精密工程测量控制网建网参照铁建设[2006]189号《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》(以下简称“暂规”)执行,施工阶段的控制网复测和洞内控制网建网参照TB10601—2009《高速铁路工程测量规范》、TB10101—2009《新建铁路工程测量规范》以及铁总建设[2013]88号《新建时速200公里客货共线有砟轨道铁路轨道控制网测设补充规定》执行。建设过程中新的规范、规定的陆续出台也为兰渝铁路工程测量工作提供了参考依据。

兰州至广元段精密工程控制网测量参照了不同阶段出台的规范、规定,体现了铁路工程测量标准体系发展完善的成果,同时也有与其地域国家高等级起算点、地震影响、施工等相关因素的特点,值得总结。

2.1 建立起全段测量标准统一、“三网合一”的精密工程测量技术体系

兰州至广元段线下工程按照速度目标值200 km/h设计,线上工程分段落按速度目标值200，160 km/h设计,该段长大隧道众多且均铺设无砟轨道。无砟轨道测量精度较有砟轨道测量精度要求高,如控制网测量严格按照当时有效规范的技术标准执行,全线控制网则会划分成一二十段按照不同技术标准施测的段落,段落划分过多,每个段落测量精度不一致,不便于测量的生产组织和数据处理,以及施工建设和运营维护期间测量成果的应用和复测。

考虑到上述问题,兰州至广元段全线统一了测量技术标准,按照分级布网、逐级控制的原则,参照暂规建立了带状平面和高程精密工程测量控制网[5]。CP0框架控制网进行了专项设计,起闭于收集的国家CGCS2000大地坐标系GPS A、B级控制点；CPⅠ基础平面控制网按铁路二等GNSS测量技术要求施测,起闭于CP0框架控制网点；CPⅡ线路平面控制网按铁路三等GNSS测量技术要求施测,起闭于CPⅠ基础平面控制网点；CPⅢ轨道控制网平面按自由测站边角交会方式测设,起闭于CPⅠ、CPⅡ控制网点。线路水准基点控制网参照国家二等水准测量技术要求施测；CPⅢ轨道控制网高程采用水准测量方法或采用自由测站三角高程测量方法施测[6]。

上述各等级平面和高程控制网设计和实施,建立了“三网合一”[5]的精密工程测量技术体系,简化了测量实施的复杂度,满足了全线勘察设计、施工建设和运营维护各阶段的需要。

2.2 建立基于国家CGCS2000坐标系椭球参数的平面坐标基准

我国于20世纪50年代和80年代分别建立了1954北京坐标系和1980西安坐标系,这两坐标系在各行各业均得到了广泛的应用,铁路勘察设计过程中的地形图、控制网等测绘成果也全部采用1954北京坐标系或1980西安坐标系。

随着国家铁路建设标准的提升,从测绘管理部门收集的1954北京坐标系或1980西安坐标系国家三角点成果精度难以满足铁路建设的需要。在同期建设的高速铁路精密工程测量控制网采用了两种方法保证起算精度,一种是联测国家1954北京坐标系或1980西安坐标系三角点,采用一点一方向[5]的约束平差方法,如郑西高铁、武广高铁等；另一种是布设框架网点并采用长基线测量的方法,建立并提供基于WGS84椭球的框架控制网成果[7],如京沪高铁、哈大高铁等。第一种方法与1954北京坐标系或者1980西安坐标系没有严密的转换方法,且在后续控制网复测及维护中不方便应用,第二种方法采用WGS84椭球,起算采用IGS站ITRF框架坐标,不同项目采用的参考框架及历元基准均不同,也无法与现有坐标系进行很好的衔接。

自2008年7月1日起,我国全面启用国家CGCS2000大地坐标系作为国家法定的坐标系,该坐标系是我国新一代的平面基准[8],可以作为各项社会经济活动的基础性保障。

兰州至广元段精密工程测量控制网在2007年9月建网测量时,虽然国家CGCS2000大地坐标系尚未正式发布启用,但当时我院已跟踪并了解到国家CGCS2000大地坐标系实施已势在必行,且测绘管理部门已经可以提供基于国家CGCS2000大地坐标系的三维高精度国家GPS A、B级点成果,因此决定收集国家CGCS2000大地坐标系国家GPS A、B级点成果,作为平面控制网的起算基准。2008年7月1日,CGCS2000国家大地坐标系启用,本段平面精密工程测量控制网采用国家CGCS2000大地坐标系也刚好顺应了这一要求。后续建设的兰新高铁、宝兰高铁在兰州枢纽附近联测了相同的CGCS2000大地坐标系的国家GPS A、B级点,保证了兰州枢纽各条铁路平面基准的无缝衔接。

2.3 建立边长投影变形值不大于25 mm/km的工程独立坐标系

兰州至广元段精密工程测量控制网建网时,200 km/h及以下的无砟轨道测量技术标准尚属空白,只能参照“暂规”执行。“暂规”规定构建工程椭球建立工程独立坐标系[11],边长投影在对应的线路设计平均高程面上的变形值不宜大于10 mm/km[5],该投影变形要求是针对速度250 km/h及以上的无砟轨道规定的。本段线路主要通过陇中黄土高原区和陇南秦岭高中山区,山区高差起伏大,边长投影变形值按≯10 mm/km控制存在诸多不利因素,投影变形设计难度大,投影分带达到30多个,很多长大隧道无法划分在同一投影带内,给后续勘察设计、施工建设和运营维护均带来不便。在和设计专业充分论证后认为,全段落按边长投影变形值≯25 mm/km进行分带是可以满足隧道内无砟轨道铺设和运营维护需要的,全段共分为11带,大大减少了分带数目,方便了后续设计和施工。随着长大隧道无砟轨道的陆续铺设完成和2017年9月兰渝铁路的顺利开通运营实践,证明兰州至广元段按25 mm/km投影变形分带是可以满足速度200 km/h无砟轨道铺设精度要求和运营需要的。

2.4 采用符合工程实际的线路水准基点控制网平差方案

兰州至广元段线路水准基点控制网施测时充分收集了国家高等级水准点资料,收集的国家Ⅰ等武定线成果于1987年施测,施测年代较早,作为初测四等高程控制网测量的起算点满足要求。在定测完毕线路方案稳定后,参照国家二等水准测量技术要求施测线路水准基点控制网,发现大多数测段施测高差和国家水准点间高差闭合差不满足规范要求,初步认为收集的国家水准点由于施测年代久远已经发生变化,不能满足作为线路水准基点控制网测量起算点的需要。随后收集到国家地震局第二变形监测中心1999年施测的Ⅰ等武定线国家水准点高差(无正式高程成果),分析结果见表1。

从表1可以看出,国家水准点间施测高差与从地震局收集的1999年施测高差符合良好,而与收集的1987年国家水准点成果高差符合性较差,7段中高差中仅有2段在允许范围之内,且高差差值呈系统性变化,国家水准点成果已经不能满足线路水准基点控制网起算的精度要求。

表1 收集的不同时期国家水准点高差与实测高差对比

全段线路水准基点测量贯通后,兰州端Ⅰ兰西4～武定68(哈达铺附近)、武定68～Ⅰ广元基岩点闭合差情况见表2。

表2 不同段落国家水准点成果闭合差情况

从表2可以看出,两段高差闭合差均超过限差,在确认施测高差无误后,为确保和初、定测勘测资料的衔接,减少勘测设计资料的修改,以收集的兰州端Ⅰ兰西4、哈达铺附近武定68、广元端Ⅰ广元基岩点水准成果作为本段线路水准基点控制网的起算点,将高差不符值按距离平均分配在每段测量高差上,保证了与勘测资料的衔接,同时也可以保证相邻线路水准基点的相对精度。

本段线路水准基点控制网平差方案符合工程实际,后续施工过程中的两次整网复测和施工验证表明,该平差方案切合实际,合理可行,满足了工程建设需要。后续建设的兰新高铁、宝兰高铁在兰州枢纽附近联测了相同的国家水准点作为起算点,保证了兰州枢纽段各条铁路高程的无缝衔接和基准统一。

2.5 地震对精密工程测量控制网造成影响的评估

兰州至广元段精密工程测量控制网建网工作于2007年9月至2008年4月完成。2008年5月12日,我国四川省汶川县发生里氏8.0级特大地震,地震发生于四川龙门山断裂带,兰渝铁路经过的四川省广元市、甘肃省陇南市等位于龙门山断裂带上,而且后续余震不断,考虑到地震是长期的大陆板块挤压产生累积的构造应力集中释放造成的,势必造成震后变形[2],对本段广元、陇南等地精密工程测量控制网的稳定性造成影响。因此，需要通过复测查明地震对精密工程测量控制网造成影响的段落和影响程度,对受影响的段落成果及时进行更新,满足兰渝铁路开工建设的需要。

考虑到广元、陇南段受地震影响显著,兰州端受地震影响较小,因此决定先期复测哈达铺到广元段的精密工程测量控制网,根据复测分析结果再确定是否需要对兰州至哈达铺段也进行复测。2008年6月～8月对哈达铺至广元段的CP0、CPⅠ、CPⅡ各等级平面控制网和线路水准基点控制网进行了复测。2008年“5.12”大地震后,地震部门对建网使用的广元附近的国家GPS B级点也进行了复测,收集了该点的成果,和其他原CP0网约束点一起作为该段CP0复测的起算点,CP0复测成果对比结果见表3。

表3 地震前后CP0解算成果对比

从表3可以看出,从哈达铺到陇南基本上每40 km变化1～2 cm,在四川青川县姚渡附近达到30 cm,姚渡至广元段有一定的扭曲,对哈达铺附近CP0点稳定性基本没有影响。线路水准基点高程控制网复测完成后,从闭合差来看,震前震后闭合情况基本一致,说明广元端的Ⅰ广元基岩点还是比较稳定的,但广元至陇南段沿线埋设的线路水准基点高程值变化较大,最大差值达到20 cm左右,说明地震对陇南至广元段造成了较大的影响。

根据哈达铺至广元段精密工程测量控制网复测成果分析,地震对哈达铺至广元段的影响是渐进性的,对陇南至广元段造成的影响比较大,因此对哈达铺至广元段的平面和高程精密工程测量控制网成果全部进行了更新,采用复测成果,同时经过分析认为地震对兰州至哈达铺段的精密工程测量控制网影响甚微,因此哈达铺至兰州段不再进行复测,仍采用建网成果。2014年3月和2016年4月的两次复测及全段施工证明,哈达铺至广元段采用地震后的复测成果、兰州至哈达铺段采用建网成果是合适的,精度满足了后续施工需要,该处理方案既消除了地震对精密工程测量控制网的影响,又降低了全线复测工作量。

2.6 长大隧道洞内CPⅡ控制网测量方法

本段落长大隧道包括胡麻岭隧道、木寨岭隧道、哈达铺隧道、西秦岭隧道等9座特长隧道,其中最长的3座隧道木寨岭隧道(19.025 km)、哈达铺隧道(16.591 km)、西秦岭隧道(28.236 km)为双洞单线隧道,在隧道整体贯通后需要施测隧道洞内CPⅡ控制网和洞内水准基点网,以此作为CPⅢ轨道控制网测设的起算基准,从而有效控制轨道的铺设精度。因此本段落需要完成约195 km的特长隧道洞内CPⅡ测量,工作量大,施工工期紧张,基本都是限期完成。

隧道的洞内CPⅡ施测是保证后续轨道施工尤其是无砟轨道施工质量的关键基础性工作[11],必须确保采用的测量等级和方法合适、正确。为此,长大隧道洞内CPⅡ测量过程中采用了如下方法和措施：(1)严格采用隧道二等的测量等级进行隧道洞内CPⅡ控制网测量,测量前对洞外的CPI起算点进行复测确认,确保和洞外平面控制网的顺接；(2)采用0.5″级的高精度智能型全站仪,并在后视点位上配备精密支架和精密棱镜,同时通过全站仪内置自主研发的自动化观测软件,保证观测精度、减小人为观测误差,提高数据采集质量；(3)外部环境是影响测量最重要的因素之一,灰尘、烟雾、振动、强光等都会影响测量进度和精度,因此积极与建设单位和施工单位进行协调,确保在良好的外部环境下进行测量；(4)精心进行洞内CPⅡ测量网形布设规划,进洞边尽量与施工单位洞内导线使用的进洞边保持一致,同时联测部分施工单位施测的洞内导线点,将满足精度要求的洞内施工导线点也作为约束点,在保证精度的前提下尽可能与洞内施工控制网吻合,以便与隧道既有建筑限界一致,降低隧道中线调线的可能性；(5)现场布点时观测视线要求尽量远离障碍物,横向应远离洞壁0.5 m以上,垂向应高于隧道内堆积的建筑材料1 m以上,以减弱旁折光的影响。

通过采取上述措施,顺利地完成了所有特长隧道洞内CPⅡ的测量工作,成果满足无砟轨道施工需要。

2.7 长大隧道洞内CPⅡ控制网分段测量方法

兰州至广元段长大隧道洞内都铺设无砟轨道。一般情况下,隧道贯通后进行隧道洞内CPⅡ控制网和水准基点测量,并采用测量成果对线下工程进行评估,检查隧道限界及轨道铺设条件,必要时对线路平纵断面进行调整,之后再进行CPⅢ轨道控制网测设及无砟轨道铺设。

在长大隧道未整体贯通前对已贯通段落分段施作无砟轨道是缓解工期压力的有效方法,但分段施作无砟轨道势必要分段进行洞内CPⅡ控制网测量,而分段测量不符合现行TB10101—2009《铁路工程测量规范》和TB10601—2009《高速铁路工程测量规范》,分段测量分段施作无砟轨道不可避免地在线位控制方面存在较大的风险,必须对此风险进行分析和评估,制定相应的对策,把可能的风险降到最低。

胡麻岭隧道是兰渝铁路的重点控制性工程之一,全长13.61 km,隧道中部通过4250 m的第三系弱胶结含水粉细砂岩,在地下水作用下,掌子面开挖扰动后工程性质迅速恶化,基本呈散砂、稀糊状,局部伴有涌水涌砂现象[14],特殊的地质情况严重影响了隧道的贯通进程。2017年6月19日,历经8年多的艰苦建设,被国内外专家定性为“国内罕见、世界难题”的兰渝铁路胡麻岭隧道胜利贯通,是兰渝铁路最后一个贯通的隧道。木寨岭隧道是兰渝铁路全线地质条件最差的隧道之一,为极高风险双洞单线特长隧道,全长19.06 km,也是兰渝铁路建设关键控制性工程。2016年7月18日,木寨岭隧道贯通,虽然贯通较早,但由于木寨岭隧道的极高地应力和极低围岩应力,1 000 m的岭脊段变形非常严重,极易产生突变甚至坍塌[15],迟迟不能满足测量条件。胡麻岭隧道和木寨岭隧道分段测量、分段施作无砟轨道成为确保工期的非常手段。

胡麻岭隧道和木寨岭隧道洞内分段施测CPⅡ控制网之前,对洞内CPⅡ测量的误差来源进行了充分的评估,并针对分段施测采取如下针对性的措施。(1)全面复测洞外起算点。对隧道两端洞口及斜井口控制网进行整体复测,采用最新成果作为洞内分段CPⅡ测量的起算基准。(2)最大程度消除对中误差,并加强联系测量的网形设计。在隧道洞口、斜井口、斜井与正洞交叉处点位部分采用强制观测墩,并采用精密对中支架,减小对中误差,同时对洞口联系测量、斜井与正洞的联系测量进行了专门的网形设计[9],确保导线网的施测精度。(3)采用陀螺仪进行检测。木寨岭隧道属于控制性关键工程,为检测洞内CPⅡ控制网的测量精度,采用高精度的BTJ-3型全自动陀螺仪(标称定向精度3.6″)对鹿扎斜井底、大坪斜井井底正洞内左右线各二条边进行了陀螺定向测量,同时分别在鹿扎斜井、大坪斜井地表位置已知GNSS控制边上进行陀螺定向,测定和检核仪器常数,洞内外共观测陀螺定向边6条。通过对比洞内CPⅡ导线测量的方位角与陀螺仪测量的方位角,对洞内CPⅡ测角精度进行了验证[10],保证了分段施测洞内CPⅡ导线测量的精度。(4)预留调整段落。防止测量误差大影响到既有的无砟轨道施工段落,在测量衔接段预留500～1000 m甚至更长的段落暂不施作无砟轨道,待测量衔接完毕无误后再进行轨道施工。

木寨岭隧道和胡麻岭隧道洞内CPⅡ控制网均分四段建网,通过上述措施的采取,每段洞内CPⅡ导线网测量精度均符合规范要求,保证了分段施作无砟轨道的精度和进度[16]。

3 结语

兰渝铁路兰州至广元段精密工程测量控制网测量时正值我国铁路精密工程测量控制网建设的高潮时期,也是铁路工程测量标准探索及完善的重要时期,全段落测量标准统一,构建了完整的精密测量控制体系,为后续施工和运营维护测量奠定了扎实的基础。在采用国家CGCS2000大地坐标系高等级点起算、建立基于国家CGCS2000坐标系椭球参数的平面基准、全线建立边长投影变形值满足不大于25 mm/km的工程独立坐标系、采用符合工程实际的线路水准基点控制网平差方案、地震对精密工程测量控制网造成影响的评估、长大隧道洞内CPⅡ控制网测量方法、长大隧道洞内CPⅡ控制网分段测量等具有本项目特点的方面进行了经验总结,可供探讨和其他项目借鉴。

兰渝铁路兰州至广元段精密工程测量控制网建网和历次复测方案科学、合理,测量成果经施工验证满足了工程建设的要求,同时也保证了兰渝铁路按期开通运营。