精密工程测量技术在高铁工程建设中的应用

邵青川

（中铁十六局集团第二工程有限公司，天津 300162）

0 引言

通常来说，速度至少达到250km/h的专线铁路或达到200km/h的既有线铁路被称为高速铁路。高铁凭借其安全性高、稳定性好、速度快的优势迅速在我国交通运输中占领重要地位，要想继续提升高铁运行的平稳舒适，则需要在轨道的平整度、施工工艺、材质和尺寸的精准上精益求精，而传统的测量技术已无法满足发展的需求，一定程度上阻碍了高铁的发展。因此需要运用精密工程测量技术来弥补方法与精度上的缺陷。本文对高铁工程建设中精密工程测量技术的内容、要求和具体应用进行简要分析，了解精密工程测量技术在高铁工程建设中的重要性。

1 精密工程测量技术概述

1.1 精密工程测量技术的内容

精密工程测量技术被广泛应用在高铁工程建设的前期设计、中期施工以及后期的运营验收与维护中，测量内容涵盖了平面高程控制的测量、高铁轨道施工的测量、运营维护的测量等。高铁建设工程占地面积广，跨域大，常受地形、地质等的影响，为了实现相关参数的精密测量，需要在设计时根据特性做好设计方案，对坐标系统和水准基点做出精准预判，以保证精密测量的准确性[1]。

1.2 应用精密工程测量技术的目的

高铁建设应用精密工程测量技术的目的在于让开发人员和技术人员能够在高铁运行前，通过对高铁平面高程控制网的设计和调整实现高铁工程中具体问题的研究和解决，以确保高铁轨道的位置精度和平顺性。同时要求高铁项目的施工必须要严格按照线型设计，保持几何线型设计方案的参数和精确度，通常参数范围都是以毫米为单位，如偏离时需要控制在10mm以内，保证高铁建设的高要求，提高高铁运行的舒适度和安全度，助力我国高速铁路运输工程。

1.3 传统测量技术与精密工程测量技术的比较

在铁路工程，传统的测量方法采用的是以位置测量中心线控制桩作为坐标数据，但随着施工的结束，中心线控制桩便会损坏，若想重新测量则要重新构造测量方法。对于普通铁路工程建设来说，这一缺陷并无大碍，但高铁工程建设涉及范围较广，外部环境复杂，测控数据变数较多且测控数据通常要超过规定的精度数据的范围，精密工程测量技术可以通过构建精确的精密测量和控制系统来实现随时随地可操纵的测量，以实现毫米水平测量和控制的目标。

2 用好精密工程测量技术的方法

2.1 应用步骤

2.1.1 编制测量设计书

在高铁建设工程中，若想有效发挥精密工程测量技术的优势，则需要在设计前编制具有针对性的测量设计书。在实际测量中，首先要对建设工程进行实地考察，对其周边的地势、地形以及建筑物等进行综合考量，给出符合工程建设标准的设计手册；其次要在手册中对所建项目进行基本分析后，制定相应的测量标准；最后，为了实现准确的数据测量并确保测量的准确性和合理性，应当选择并开发合理的精密测量技术，通过与精密测量仪器的结合对所建项目的实际领域和内容进行针对性设计和确认，并按照测量标准严格执行。

2.1.2 进行合理完善的坐标设计

应用好精密工程测量技术，不仅要认真编制测量设计书，还要进行合理完善的坐标设计。高铁各级测量控制网的精度要求除了要满足线下施工精度的要求，还要满足高铁轨道工程运营维护要求，严格控制高铁轨道内部和外部的几何尺寸。

在坐标设计前，为了保证坐标投影设计的合理性和完整性，需要获取准确的信息，根据其中的信息数据使用合理的高速投影设计值。在实际设计过程中，需要将实际测量值与理论值相结合比较，对长度的投影变形进行科学合理的分析，同时建立满足测量标准的坐标系统，通过重复多次的数据对比，实现坐标系统对测量长度的有效性。总之，通过变形长度系统的设计和坐标投影设计的完善，保证后期精密测量工作的有序开展。

2.2 把握精密工程测量精度要求

高铁建设工程中测量的精度要求主要体现在高铁轨道铺设的几何尺寸的精度要求，具体分为外部和内部的几何尺寸。

高铁轨道的外部几何尺寸指轨道的空间立体形状，是以轨道的中心线及周围的建筑物情况及三维空间坐标系的轨迹来决定的，其测量必须基于轨道、桥梁、隧道、路基、站场等站前工程构筑物，同时轨道线间距、轨道中线高程等的偏差都要控制在一定范围内。比如一般混凝土道床板模板中线位置只允许偏差2mm；而内部几何尺寸则由高铁上各点的相对位置关系进行确定，内部几何尺寸包含轨道纵向高低参数和轨道方向参数，这两个参数的共同作用决定着高铁轨道的平顺性，确保高铁轨道的设计线型与实际线型相一致。因此高铁各级测量控制网的精度要求除了要满足线下施工精度的要求，还要满足高铁轨道工程运营维护要求，严格控制高铁轨道内部和外部的几何尺寸。

2.3 精密度控制的要领

2.3.1 控制测量仪器误差

为保证工程的精确度，需使用精度较高的测量仪器。要求在使用前对全站仪和水平仪进行校准。水平仪宜每公里往返测精度0.3mm及以上，全站仪测角精度宜0.5″或1″级。

2.3.2 控制测站的布设间距

测站设立完成后，应对测站点或布设点的精度进行复测，如果发现测站点或布设点出现严重移位的情况，则应结合具体情况进行剔除，若只是出现一定程度的偏差，则应弄清偏差原因，在之后的布设中加以注意，并且要立即补测做出调整。

2.3.3 控制现场CPIII点

当全站仪在CPIII点设立超过1h，或者设立点的外界环境发生变化，则极易出现偏差，因此需要对CPIII控制点进行校正，且是有效校对，这样才能对方向偏差做到及时修复，不影响工程的进度。

3 精密工程测量技术在高铁工程中的应用实践

3.1 高铁工程控制网的布设

高铁工程测量采用独立坐标系统，其轨道测量平面控制网通过ITRF2005建立，具体在结构基础中可分为以下三级布置：

（1）CPI。CPI是为测量、施工、运行和维护设备而服务的基础平面控制网。在设计过程中采用B级GPS静态的布设方式进行测量，各网点间距应在50~100km。联测基准网点设置完毕后，通常还会每隔3~4km设立一个单点，如果有地形、地势原因而造成布设困难的情况，地段点之间的间距应不超过1km。对于隧道及一些较长的道桥部分，应根据实际情况对布设点进行增减，原则上要求相邻布设点要保证良好的视点方向。

（2）CPII。CPII是为测量、施工、运行和维护设备而提供控制标准的线路平面控制网。在设计过程中采用C级GPS静态布设和导线布设的方式进行测量，由于高铁工程通常在长大隧道内进行，单靠GPS无法完成CPII控制网的布设，因此需要加设复合导线网。隧道内的导线测量应起闭合于洞外CPI控制点，导线两端均应进行已知方位边观测。GPS各网点间距应在600~800m，导线布设点间距则在400~800m之间，如果有地形、地势原因而造成布设困难的情况，地段点之间的间距应不超过600m。CPII的网点一般按照线路走向进行设置，需要与线路中线的距离控制在50~100m，并要在路线中选择地理位置较好的网点进行布设。

（3）CPIII。CPIII是在CPII的基础上为高铁轨道的铺设和运营维护而建立起来的轨道控制网。在设计过程中沿线路两侧布设导线，采用自由测站、边角交汇的方法进行测量，各布设点间距一般为50~70m，其控制点多为嵌入式，在高铁轨道标记螺栓前缘的上侧进行嵌入，嵌入位置是墙体上侧的点位和高程位置。需要注意的是，在CPIII高程传递测量时，如果地面与桥面之间距离过大，地面的基点无法传到桥面控制点上，需要合理运用三角高程测量法，通过切换不同高度、手工测量的方法取高度差值的平均值，此平均值即为传递高差。

高速铁路平面控制网参考参数见表1。

表1 高速铁路平面控制网参考参数

3.2 高铁轨道施工测量

（1）轨道安装定位测量。轨道安装定位测量通常包括支承层施工测量、轨道底座施工测量、轨道板安装测量等，在安装前要对轨道板的规格、走向进行检测，确保符合施工要求，承轨台与轨道板应保证没有破损。在完成对轨道安装初测评估后，一般即可展开无砟轨道施工工作。在长轨精调前需要再对CPIII进行一次复测，复测成果需评估合格后才能使用。

（2）轨道精调测量。现有无砟轨道施工一般为CRTSI型双块式或CRTSⅢ型板，具体精调过程为数据输入、仪器检校、全站仪设站、安装精调小车、轨道精调测量。在轨道精调测量中静态平顺度的允许误差范围见表2所示。

表2 静态平顺度允许误差范围

轨道的精调过程要求必须处于稳定环境中，禁止大风大雨、强光等环境下进行精调工作的开展。在轨排精调完成后，将长钢轨应力放散并锁定，即可进行长轨的测量，主要采取全站仪自由设站方式配合轨道几何状态测量仪进行测量的方式。首先，精调前要对CPIII控制点进行复测，测量结果出来后要上报评估单位，评估完成后再行采用合格的数据结果。其次，运用DTS精调软件进行测量数据模拟调整，明确高程与平面位置的基准面；根据高轨平面位置的调整来优化轨向，再根据轨距变化来确定低轨的平面位置；通过低轨的高程来优化高低，利用水平和水平变化率调整高轨的高程；为达到平顺性指标则需要通过对轨距、高低、水平等主要参数指标曲线图的“削峰填谷”来实现。最后，完成对扣件的更换即可结束轨道的精调。更换扣件时，每次拆除扣件不得连续超过5根枕木（防止胀轨），并且在更换扣件区段两端各松开1～2根轨枕扣件，以保证轨道的平滑过渡，更换完毕后要最后核对一次调整量和扣件规格，确保无误后完成长轨的精调。

4 精密工程测量中“三网合一”测量体系的构建

高铁工程的控制网分为高铁勘测控制网、高铁实施控制网以及高铁的运营与维护控制网，简称为高铁测量工程的“三网”。勘测控制网由CPI控制网、CPII控制网及二等水准基点控制；实施控制网由CPI控制网、CPII控制网、CPIII控制网及二等水准基点控制；运营与维护控制网由CPII控制网、CPIII控制网、二等水准基点及加密维护基标控制[2]。“三网”在各自的运行系统中独立存在，但为了使精密工程测量技术的成果能够将“三网”紧密联系起来，使高铁建设满足国家需求，精密工程测量技术一定要有明确的基准，也就是要构建“三网合一”体系。

4.1 “三网”坐标高程系统统一

如果想要做到“三网”高程系统统一，就需要在高铁建设工程的设计阶段、勘探阶段、施工阶段以及后期运营和维护阶段使用统一的坐标定位，才能保证高铁建设的顺利进行。如果不能达到统一，则会造成高铁施工的线位偏离预计设计好的坐标高程和位置，轨道工程出现偏差不能和线下工程相交，导致铺设好的高铁轨道出现线路的偏离问题。在施工过程中施工人员保证“三网”高度的一致和统一可以有效地进行高程定位控制，以确保高铁建设项目中各控制网通过独立的运作和统一的调度有效辅助高铁建设项目的顺利实施。

4.2 “三网”起算基准要统一

“三网”起算基准的统一是指以基础平面控制网（CPI控制网）为平面控制基准，以“三网”的基础高程控制网为二等水准基点网进行施工。如果“三网”起算基准不统一，则很可能造成施工成果的失败或重来，其后果十分严重。

总之，“三网合一”是高铁建设工程中采用坐标进行项目的勘探设计、施工改造、运营维护的重要前提。每个里程的坐标都具有唯一性，统一基准后需要将坐标与工程项目周边的建筑一一对应起来，这样才能为后期的运营、维修与养护工作做好准备，创造便利条件的同时保证高铁轨道的平滑性和高铁的正常运行。“三网”起算基准的统一为铁路管理的数字化和信息化创造了良好的条件。

5 结束语

综上所述，继续提升高铁运行的平稳舒适，需要在轨道的平整度、施工工艺、材质和尺寸的精准上精益求精，离不开精密工程测量技术的支撑。应用好精密工程测量技术，不仅要认真编制测量设计书，进行合理完善的坐标设计，还要掌握精度控制要领。高铁各级测量控制网的精度要求除了要满足线下施工精度的要求，还要满足高铁轨道工程运营维护要求，严格控制高铁轨道内部和外部的几何尺寸。本文所举高铁工程控制网布设以及轨道施工测量的例子印证了高铁工程建设对精密工程测量技术的需要。设计与施工人员需要依据实际情况，选择科学合理的精密测量技术完成对高铁轨道的设计、勘探、施工和运营维护工作，延长高铁的运行周期，保证高铁出行的安全平稳，为我国的高铁建设和经济发展助力。