GNSS技术在既有线大型枢纽车站测量中的实践

周世明

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

1 项目背景

伊朗位于“一带一路”倡议的“丝绸之路经济带”上，位于亚洲西部，属中东国家，古时称之为“波斯”。伊朗中北部紧靠里海、南靠波斯湾和阿拉伯海，东邻巴基斯坦和阿富汗，东北部与土库曼斯坦接壤，西北与阿塞拜疆和亚美尼亚为邻，西与土耳其和伊拉克领土相连。国土面积约165万km2，世界排名第18。据伊朗国家2014年统计数据，伊朗人口达7 700万，伊朗是亚洲主要经济体之一，经济实力较强。伊朗经济以石油开采业为主，为世界石油天然气大国，地处世界石油天然气最丰富的中东地区，石油出口是经济命脉，石油生产能力和石油出口量分别位于世界第4位和第2位，是石油输出国组织成员，由于基础设施严重制约发展，铁路运输落后，伊朗政府借助外部资源加大发展铁路基础设施，提高铁路运输效率。

2 德伊高铁项目概况

伊朗德伊高铁起点位于伊朗首都德黑兰(Tehran)，经由德黑兰伊玛目霍梅尼国际机场、伊朗宗教城市库姆市(QOM)，终点为伊朗著名旅游城市伊斯法罕(Esfahan)的高速铁路(简称德伊高铁)全长404.79 km，线下工程按300 km/h设计，线上250 km/h设计，按照中国铁路技术标准[1]修建。项目业主为：伊朗道路及城乡部下属交通基础设施发展公司(CDTIC)(2017年6月更改为伊朗铁路公司)，合同类型为设计施工总承包加融资(DB+F)。德伊高铁项目在2010年10月与伊朗签署商务合同,于2016年1月项目进入实施阶段。

德伊高铁项目为“四边”(边勘测、边设计、边施工、边谈合同)工程。起点位于既有德黑兰枢纽车站，该站由德国公司始建于1930年，经过多次改扩建，现如今是集客运、车辆整备、维修、机务、救援等大型场站。根据伊朗方意见：在修建高铁时将再次对既有德黑兰车站改扩建，接入德伊高铁，与德黑兰至库姆既有线前面30 km并行。因此,德黑兰车站以及德库既有线前面36 km据需要在现状测量之后，再进行设计工作。德黑兰既有车站股道约180股，道岔219付。由于车站修建完成较久，加之技术标准采用的欧洲标准，车场内情况复杂，既有钢轨包含P60、P50、P46、P38等4种之多，且难以辨认。场站设置较为混乱，为理清关系，勘测设计便利，全站设置基线9条，本项目采用中国规范对既有德黑兰车站进行改造[2]。线路走向见图1。

图1 线路方案示意图

3 测量的主要内容

3.1 平面测量

根据前期布置的控制点、既有车站正线或基线测量车站各线路以及附属设施、站房、站台、雨棚、货场、仓库、检修设施、平交道、围墙等平面位置，绘制于平面图中[3]。

3.2 高程测量

对于需要接轨的车站除了正线需测量中桩高程外，相关接轨或者改建线路也需测量，并绘制线路放大纵断面图，其他还包括重要建筑物的高程测量等[3]。

3.3 附属设施测量

车站范围内所有的附属设备及设施，包括各类房屋、雨棚、天桥、地道、灯塔、站台、平交道、信号机、警冲标、接触网杆、车挡、货场、堆场、水鹤、给油设备等等，并绘制于平面图中[3]。

3.4 排水系统测量

车站范围内排水系统，包括线间排水沟、边沟的建筑形式、起讫点高程、变化点高程、坡度、截面尺寸等资料，并出具调查表、平面位置及流向绘制于平面图中。

3.5 地形图测量

如车站范围内地形有较大变化或者范围不够，影响方案时需补测变化处地形。一般要求左右不少于200 m，大型或特殊场站可增至400甚至600 m。特大型车站根据车站既有范围或者设站需求加宽。

3.6 横断面测量

根据车站既有正线、基线测量车站横断面，航空摄影比例尺较小满足断面采集的地段可在数字化平面图中采集。

3.7 车站上建调查

调查车站范围内线路上部建筑详细情况，如钢轨长度、钢轨型号、异形轨、枕木数量、枕木类型、绝缘节数量、轨距拉杆数量、轨道防爬器对数、防爬支撑对数、脱轨器、鱼尾板形式、数量以及它们的相对位置，并绘制示意图[3]。

3.8 车站拆迁调查

调查车站改造或新增范围内所有的房屋、树木、公路、电力线、通信线、管道等设备，平面位置绘制于平面图中，并填写相关拆迁调查表。

既有德黑兰车站规模大，测量内容复杂，如何在快速、高效、保证质量的前提下，完成车站平面测量，是确保该项目按期完成勘察设计工作的关键，通过项目组对各种测量方法的研究及工作效率的对比，决定采用GNSS测量技术。

4 采用GNSS测量既有线的方法

4.1 平面高程控制测量

1)坐标系统。平面坐标系采用工程独立坐标系统：线路高程面上的边长投影变形值不宜大于25 mm/km，即投影长度变形(包括高程归化、高斯正投影变形之和)不大于1/40 000。采用WGS84参考椭球，ITRF2005框架，高斯投影。东坐标和北坐标的加常数分别为500 km、0。工程椭球构建采用改变椭球参数的方法(即参考椭球长半轴直接加投影面大地高并保持扁率和定向不变)进行三等平面CPI控制网测量[4]。

2)高程系统。采用伊朗国家高程系统，测量等级为三等水准测量。

4.2 GNSS测量参数设置

在铁路既有线铁路勘测设计中，在布置平面高程控制网时，常常沿铁路线布置成带状形式。通过多次实践证明，在既有线勘测时，在选取控制点求解的转换参数进行GNSS测量时，平面高程距离GNSS基站越远，精度越差，不满足铁路勘测设计精度要求，本项目采用以下方法控制测量精度。

1)采用经典四参数法。求解基准转换参数时，选取4个及以上的控制点参与到水平、垂直校正。公共点平面残差应控制在1.5 cm以内，高程残差应控制在3 cm以内，东、北斜坡控制在30 ppm以内。

2)单点高程校正法。求解基准转换参数时，选取基准站相邻的控制点4个。控制点顺序，基准站控制点必须为首个，其余顺序随机。所有点水平参加校正，垂直校正仅选择基准点，进行单点高程校正。

4.3 GNSS作业过程

1)内业选取合适的参数校正计算方法求解GPS转换参数，导入天宝、南方仪器。基准站接收机设在固定的CPI控制点上，连续接收所有可视GNSS卫星信号，利用电台将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态通过数据链发出。流动站接收机在跟踪卫星信号的同时接收来自基准站的数据，求载波相位整周模糊度，再通过相对定位模型获取所在点相对于基准站的坐标和精度指标。在系统内进行实时处理，给出厘米级定位结果[5]。基准站与流动站测量距离宜为1 km以内，困难段不超过1.5 km。

2)既有线轨道中线上每个测量点观测时间不少于15 s，GNSS信号遮挡地段时间延长到30 s。测量时采用对中杆或基座进行对中固定测量，禁止直接手持流动站进行测量。

4.4 检 核

外业测量时，每次更换基准站都必须检核另一个CPI并记录。平面互差应小于2.5 cm，高程互差应小于3 cm，超过限差时，应重测并查明原因。

4.5 精度统计

测量完成后，对采用GNSS测量技术的测量成果，与全站仪及水准仪测量成果进行了精度对比，精度对比见表1～2。

表1 K0+500-K33+950轨面高程对比

表2 K0+500-K33+950平面点位对比表

4.6 平面高程对比的初步结论

1)通过对平面成果对比及采用1 000 m的基站测量，GNSS测量高程与水准测量高程小于2 cm的达91.81%，满足《改建铁路工程测量规范》(TB10105—2009 J963—2009)的第5.3.5条之规定“既有钢轨面高程检测限差不应大于20 mm”，可以满足既有线改建铁路勘测设计项目[6]。

2)通过对平面成果对比及采用1 000 m的基站测量，与采用全站仪测量数据计算的平面拨距小于2 cm的达96.54%，满足既有线拨距计算要求。

5 既有车站平面测量流程探索

德伊高铁全线采用工程独立坐标系统，由于工期紧，地形图采用高清卫片制作1∶2 000地形图，德黑兰车站主基线，采用精测网利用GNSS测量既有正线Ⅱ道长直线边拟合后向两端延长，包住既有设备设置,以便主要设备在一个统一的坐标系统内，便利绘制车站既有股道及设备于1∶2 000现状图中[7]。与铁路基线不平行车场，设置辅助基线。

5.1 确定铁路基线

1)首先对既有车场与既有正线平行布置进行相关测量，相关车场与正线不平行的，则另设辅助基线，对既有正线平直线路长度包含车站范围不全地段，可以利用车站正线向车站两段延长线延长作为基线。常规测量方法为，在正线线路左侧设置外移桩，通过测设外移桩，拟合线路直线段。本次测量时，利用GNSS测量及绝缘方尺，直接对线路进行测量拟合，既增加了拟合精度，又减少了工序，节省了时间。

2)既有德黑兰车站属于特大型车站，地形图长度需要大约4.4 km，宽度1.6 km。车站连接玛士哈德、加兹温、库姆等主要三个方向线路，成东西走向布置，车站Ⅱ、Ⅲ道为正线，东端接玛士哈德方向，西端接加兹温及库姆方向，分界里程位于车站中心，为了便于勘测和设计，车站设主基线(JK)一条3.9 km，基线范围包含了车站内德黑兰至库姆正线、德黑兰至加兹温正线以及德黑兰至玛士哈德正线，辅助基线(J1K-J8K)8条，包含了德黑兰车站车辆检修、动车场、救援场、废旧车辆拆解场、机务段等[3]。

5.2 测量既有线线型及曲线要素计算

用GNSS测量及绝缘方尺测量既有线线型及曲线要素，车站需要里程丈量和曲线要素测量的，以前常规测量方法是测量出直线段拟合，利用工务台账的曲线要素计算出线路长度，推算出线路里程，再用全站仪、绝缘方尺及钢尺进行里程丈量及测量出实际的曲线要素，本次测量时，利用平面高程控制网，对全线进行线型测量，根据测量出来的线型坐标资料拟合直线段，试配出曲线要素，推算出线路里程，然后再利用GNSS、绝缘方尺进行里程丈量及测角。在测量过程中，省去了单独里程丈量及测角工序，将二者合二为一，节省了大量的工作时间及人力，同时提高了测量精度，避免了因为温差对钢尺精度的影响。

5.3 道岔测量

用GNSS绝缘方尺丈量出各道岔详细尺寸，并确定岔心位置。在局部车辆或者列车压道的情况下，也可以利用GNSS测量出岔根岔前轨缝坐标，在调查清楚道岔型号的情况下，也可以计算出岔心坐标。

5.4 线间距测量

用GNSS及绝缘方尺丈量出站内各平行股道线间距，车站内各车场一般为平行布置，通常车场在运营一段时间后，轨道均有不同程度变形，各个股道间线间距间距也发生了变化，为了便于设计及绘制车站现状图，通常采用平行地段丈量线间距，求出平均值。在线间距较大时，或者是股道间有高站台、货物对方，不方便用使用钢尺丈量线间距的，也可以利用GNSS测量出线间距[8]。

5.5 岔后曲线测量

利用GNSS及绝缘方尺测量或者悬线法测量出各到发线岔后曲线的曲线要素，一个大型或者特大型车站有道岔几百付，测量岔后连接曲线工作往往耗费大量的人力及时间，通常的做法是利用悬线法，丈量出岔后连接曲线的正失长度，取平均值，然后计算出曲线半径，50 m取整。本次测量时，采用GNSS测量出岔后曲线坐标值，然后计算曲线半径，节省了较多时间，提高了工作效率。正矢法曲线计算见表3。

表3 正矢法曲线测绘记录计算表

5.6 轨面高程测量

利用GNSS对铁路轨面高程进行RTK高程测量。

5.7 车站上部建筑物测量

利用GNSS测绘出站内岔心、信号机、站台、平交道、站牌、排水沟、上水设施、地道、天桥、站房、行包房、候厅、办公楼等所有设备及设施的平面坐标。

5.8 横断测量

利用GNSS、掌上电脑等设备测量各场站横断面。

6 结束语

综上所述，在铁路既有线测量中，采用GNSS四参数及单点定位法，测量精度满足规范要求。将GNSS测量技术应用于既有线测量，能大大提高生产效率。

从本次德黑兰既有车站测量的成果资料来看，各专业勘测资料利用GNSS测量均满足各阶段设计要求，并且勘测资料的精度得到提高，也可以省去繁重的外业劳动，在本次实践中，取得了较好的效果。特别是在里程丈量及曲线要素测量方面节省效果最为显著。通过工期测算，在德黑兰既有枢纽车站测量中若采用全站仪器、水准仪等传统测量方法需要3个月左右，采用GNSS测量仅用了1.5个月，劳动效率提高100%。通过在既有德黑兰车站测量工作应用GNSS测量技术，对于既有线勘测方面总结出一套完整的勘测流程，做到更高效、快捷地完成生产任务方面有着重要的意义。

[ID:009868]