普速铁路轨道控制网的布设研究

王大帅,汪 泽

(1.郑州铁路职业技术学院,河南 郑州 451460;2.东网空间地理信息有限公司,河南 郑州 451460)

轨道控制网是铁路轨道工程的重要设施,在新线铺设阶段作为测量控制网保障轨道的高精度铺设,在铁路养护维修阶段为线路的平顺性和稳定性提供保证。轨道控制网在高速铁路中应用已经十分成熟,而在普速线路中,尤其是成网运营较久的线路,由于资料不全、线路变形、精度较低等原因,导致大量普速线路缺少全线统一、满足维修养护要求的轨道控制网。根据国铁集团统计,这样的普速线路在2019年已达到了1.9万公里。同时,普速线路因其结构组成限制,沉降和变形问题较为突出,养护维修成本较高,因此建立标准化的普速线路轨道控制网,对于线路的安全稳定和降低维护成本是十分必要的。

1 普速铁路轨道控制网的建网设计思路

国家铁路局发布的《铁路工程测量规范》将轨道控制网(CPⅢ)定义为沿线路布设的三维控制网,平面起闭于基础平面控制网(CPⅠ) 或线路平面控制网(CPⅡ),高程起闭于线路水准基点,是轨道施工和运营维护的基准,其组成分为平面控制网和高程控制网[1]。按分级布网的原则进行,整网分三个等级,即基础控制网(CPⅠ)、线路控制网(CPⅡ)和轨道控制网(CPⅢ)。平面测量精度CPⅠ为卫星定位测量四等精度、 CPⅡ为卫星定位测量五等精度、CPⅢ为铁路一级导线测量精度,高程测量精度均采用四等水准测量精度。以《有砟轨道固定桩设置及测量暂行技术条件》为依据,参考我国高速铁路CPⅢ三级控制网的建网方法,在满足普速铁路线路大修的精度要求下,以节约建网成本和提升作业效率为指导,在控制网建网技术、测设方法、控制点布设等方面进行适应性改进,设计了普速铁路轨道控制网的基本布设方案。

2 基准控制网

2.1 基准控制网的测量方法

基准平面控制网应采用边联结方式构网,形成三角形和四边形组成的带状网。基准网平面控制测量宜采用卫星定位观测法,精度等级为卫星定位测量四等,也可采用同等精度的其他方法。

基准高程控制网的高程数据采用GPS静态拟合,并引入重力精确计算方式求出。基准控制点和基准控制网加密点采用水准联测,其精度应与基准控制点同级。水准点宜与基准网平面控制点共点。水准基点的测量一般用四等水准附合或闭合路线的测量方式。实验证明采用光电测距三角高程法亦能满足精度要求,因此地形复杂或行车密度大的铁路既有线上可使用全站仪测量高程[2]。

2.2 基准网控制点的布设方法

基准网控制点布设宜将平面与高程控制点共用,布设间距考虑布网成本和使用需要,以800～1 000 m间距为宜。控制点应布设在铁路安全区范围内,要求稳定可靠,不易被临近施工影响,同时注意点位之间的通视情况,在桥梁和隧道等建筑物范围内优先考虑控制点与结构物结合的方式。平面控制点的卫星专用测钉采用钻孔方式并使用专用锚固剂埋设在轨道两侧桥台、台帽或接触网拉杆等稳固基础上。稳定的构筑物顶上设置的基准网控制点(平高点)标石,应与构筑物顶面牢固连接。

3 固定桩轨道控制网

3.1 固定桩埋设

固定桩在铁路用地界范围内布设,双线线路沿两侧分开布设,沿线路方向点间距为300～350 m;单线线路沿单侧布设,沿线路方向点间距为300～350 m,宜采用“一字型”布设。固定桩位置应通视良好、交通方便。对于小半径曲线、通视条件不佳地段,应加密布设固定桩。在曲线控制点、变坡点、竖曲线起终点,以及桥梁和隧道起讫两端处如有需要可以增设固定桩。固定桩一般设置在距线路中线2.5～4.0 m处,应位于高于轨面0.3～0.8 m范围内。既有线上可用抱箍紧固装置将固定桩设置在接触网杆上,免去了重新建桩,且能保证良好的稳定性和观测视野。

3.2 平面控制网

为提高CPⅢ网的建网效率,不再采用高速铁路CPⅢ网“自由设站、后方交会”的烦琐建网方法。建网时固定桩轨道平面控制网应附合于基准网,采用自由测站边角交会法施测[3],也可采用附合导线网混合网形,多测回边角测量方法,这样有效避免了行车干扰,并使测量工作不必纳入“天窗点”内,提高作业效率[4]。CPⅢ网平面控制点在与基准网通过自由测站联测时,需要保证同一个基准网控制点要在连续两个以上的自由测站进行测量。传统的绝对测量轨道检测设备均采用高精度全站仪进行测量,受限于全站仪的性能指标,每隔60 m布置一对CPⅢ控制点。而轨道检测领域中惯性导航技术的应用,依据其惯性指标,可以将控制点间距从60 m延长至300～500 m,同样满足测量指标要求。因此,CPⅢ控制点的设置间距可根据普速铁路检测精度需求扩大至150 m,并单点设立。平面控制网平差计算时,前后区段独立平差重叠点坐标差值应不超过8 mm,且后一区段的平差计算应以本区段的基准点和前一区段的连续两对(个)固定桩点作为约束点。

3.3 高程控制网

固定桩高程控制测量精度等级为四等,采用水准测量或全站仪三角高程测量。采用水准测量在与基准网进行联测时,CPⅢ高程控制点应与基准网水平控制点组成附合水准路线,联测距离应在1 km之内,每千米高差偶然中误差≤5 mm,每千米高差全中误差≤10 mm。采用全站仪进行高程测量时,可与平面测量同时进行以提升效率,同步获取边长和天顶距观测值。同样应注意,每个基准控制点要在连续两个以上的自由测站进行测量校核。自由测站的每站观测桩点为7个固定桩,测站选取时保证“前四后三”,即前视四个固定桩、后视三个固定桩。观测后要与基准网水准基点进行固定数据严密平差。平差时可分段平差,分段长度≥4 km,重叠长度≥240 m,平差后高差改正数≤5 mm,高差观测值的中误差≤3 mm。

4 普速铁路轨道控制网的应用

轨道控制网建网后,采用惯性导航轨检小车对铁路线路进行平顺性快速检测。惯性导航轨检小车采用高精度惯性导航系统连续测量轨道线形的位姿,结合摄影测量技术获取轨检小车与控制网的相对关系,综合解算出轨道在控制网坐标系下的绝对坐标和相对几何参数。相对于传统的全站仪配套轨检小车,惯性导航轨检小车不需要设站,测量技术操作简单,可不间断连续行驶测量。在检测时需要将控制点的光学棱镜更换为轨检小车专用测量标靶,可达到5～10 km/h的检测速度。检测完成后将检测数据导入铁路大修设计软件中,拟合轨道平顺性理想线形,根据与实测线形的差异生成线路的起拨道量,再自动导入大机作业软件中,实现轨道调整数据和大机作业软件参数的无缝对接,使大修机械直接读取结果进行作业,改变既有的大机工作模式,将原有的人工引导作业改为数据化智能化作业[5]。

5 结语

高铁轨道控制网均采用烦琐的“自由设站、后方交会”建网方式,而普速铁路因其精度要求较低且运输密度高,建议采用附合导线网、多测回边角的测量方法,在满足运营维护需求的同时,不需“天窗”作业,不干扰行车。在采用惯性导航轨检小车的前提下,可使轨道控制点(CPⅢ)的间距由高铁的60 m拉大至300～500 m,大大降低了建网成本。普速铁路轨道控制网的标准化成网,可将线路快速检测、线路理论中线拟合、线路调整方案智能化分析与大机养护维修结合于一体,对铁路线路养护维修的自动化、智能化具有重要意义。