两期建网模式下的精测网与既有工程匹配探讨

李春雷，杨占明，王思玥

(1.陕西国铁工程咨询管理有限公司,陕西 西安 710000; 2.中国铁路西安局集团有限公司西安站,陕西 西安 710005)

0 引言

铁路大中型建设项目需要经过预可、可行性研究、初步设计和施工图设计几个阶段,与其对应铁路工程测量分为初测、定测和补充定测阶段,勘测设计周期少则几个月、多则数年,各阶段线路方案不稳定,变化频繁。勘测设计阶段主要用到铁路精测网CPI,规范[1-4]要求“CPI控制网宜在初测阶段建立,困难时可在定测前完成”。精测网要求沿线路中线两侧1 km以内布设,控制点标石规格较大。若在初测阶段建立,后期定测、补充定测过程,线路方案不断优化,会发生多次变化,精测网布设若随线路方案动态实施,会造成大量标石废弃,造成勘测成本增加。为节省成本,本文探索采用二期建网方式,即先以小规格标石、低精度、低密度方式建立初测控制网用于勘测设计,线路方案在通过各级审查基本稳定以后,再按正常精度等级建立精测网。这种模式两期网成果不可避免地存在差异,精测网与既有工程匹配成为主要研究问题,另外,勘测设计过程中,参与单位多、各阶段人员不一样,职责分工不明确、工序交叉、设计接口环节多,测量专业人员的工程概念不强、设计专业人员认识不到位,两期网成果差异的处理成为“三不管”工程,很容易被忽视,也会给后期施工带来影响。

文献[5-9]中的精测网均是在定测前建立,设计文件所用测量资料是以定测前的CPI为基准,与精测网匹配一致,不存在定测资料差异,不会出现与既有工程不匹配现象。而两期建网的成果差异会在起终点与既有铁路接轨时,产生错位、错台,不能平顺衔接;在沿线上跨或下穿既有铁路、公路等既有工程时,造成净空高度不足,甚至横向建筑限界不足;铁路车站在与地铁站、机场航站楼等并场时的地上地下一体工程协调匹配难实施,既有桥墩可利用性评估不可靠,新建铁路偏心,行车安全难保障。

目前,勘测单位按规范要求,一般在定测前建立精测网,没有专门针对两期建网的研究文献,文献[10]的精测网重建服务对象为既有铁路,文献[11]的精测网改造是属于既有精测网的升级改造,所有交叉工程已经竣工,既有工程测量资料与精测网是匹配的。为解决两期建网模式下的精测网与既有工程的匹配问题,本文首先对两期控制网成果差异产生的原因,对平面放样错位、高程放样错台影响进行分析,总结出对工点的具体影响,得出精测网与工程匹配应采取的对策措施。并对既有工程匹配测量方法进行探讨,为类似实际工程提供参考。

1 两期成果差异原因及工程影响分析

1.1 两期成果差异原因分析

精测网建立过程中,勘测单位常采用二期建网方式实施,总结分析多个项目的实践经验,产生两期网成果差异主要有以下几方面因素:

1)测量精度等级不同:初测网精度低,精测网精度高。

2)起算点成果不同期:勘测周期间隔时间长,精测网建立时,初测网联测的国家点成果发生变化,原成果国家点已更新。

3)起算点不一致:初测网利用四等点起算,精测网利用二等以上控制点起算。

4)测量误差累计影响:国家点(起算点)稀疏,两起算点间路线越长,中部控制点两期成果差异越大。

5)初测网无法甄别出起算点点位变化:初测采用四等网,闭合差限差阀值大,闭合差检查符合要求,起算点稳定可用。而精测网采用二等,闭合差限差阀值小,相同的闭合差,在精测网下检查时则不能满足要求,初测起算点不能采用。

6)两次测量误差及点位变化的影响:初测网、精测网间隔时间长,点位可能发生变化,即使采用同精度复测,因测量误差影响,两期成果也存在差异。

7)高程成果计算方式不同:精测网二等水准高差需要进行正常水准面不平行改正、重力异常改正,而初测四等水准采用直接高差计算。

1.2 放样位置错位、错台分析

初测阶段,初测控制网、地形图的坐标系参数与国家标准一致,即:采用3度带0 m投影面。定测前,按初测线路方案,进行精测网坐标系分带设计,将初测网成果、地形图按分带参数实施转换,用于开展定测、补充定测工作,对既有工程进行坐标、高程测量并反映在分带地形图上。设计专业根据既有工程位置,定位中线。因此,各专业设计文件均是基于初测网及分带地形图。

在精测网建立时,精测网成果坐标参数与坐标系分带设计保持一致,地形图与设计中线不变,施工交桩时移交精测网成果及设计中线坐标成果。施工时,利用精测网将设计中线放样到地面后,由于两期网成果差异,与既有工程相对关系发生变化,直接表现为平面错位、高程错台。若不对定测设计文件基于精测网进行修正,则下穿或上跨既有工程时,会造成横向建筑限界或净空高度不足问题。

某铁路定测时线路中线需从两建筑物中间穿过,DK3+500的中线设计坐标(X1,Y1),由初测网实测两侧既有建筑物坐标后确定,在设计图中确定与初测控制点1号(Xc1,Yc1)、2号(Xc2,Yc2)的相对关系为Sc,βc。施工时,DK3+500中线理论坐标也为(X1,Y1),与定测一致,采用精测网坐标成果放样时,拨角值βj、放样距离Sj,实地定出B点,因Sj不等于Sc,βj不等于βc,造成实地错位,施工线位与既有建筑相对关系不一致。平面放样位置错位表现方式,见图1。

定测时,从水准点BM5(初测高程Hc)测量既有铁路K8+500的轨顶标高为H0,其高差为h0=H0-Hc。设计时,此位置的抬落道量为0 m,其设计高程HS=H0。采用精测网成果施工放样时,从水准点BM5(精测网高程为Hj),放样K8+500高程HS,相当于放样高差值为hf=H0-Hj,由于两期网存在高程差异Hc不等于Hj,导致h0不等于hf,在实地造成高程错台,与既有铁路不能平顺衔接,当线路下穿既有立交桥涵时出现净空高度不足问题,见图2。

1.3 两期网差异对既有工程影响分析

经过统计多个实际工程项目,平面差异最大为0.15 m,高程差异最大为0.35 m,铁路工程勘测设计中,两期网成果差异对既有工程影响主要体现在以下几方面:

1)接轨处不能平顺衔接。起、终点或中间接入既有车站,轨对轨衔接时平面、高程不能顺接,并行接入时,与既有轨道不平行,不能满足线间距或等高要求。

2)既有车站站台边定位不准、轨顶高程不准,造成站台横向限界、站台高度不满足要求,甚至侵限。

3)下穿、上跨铁路、公路、管道、渡槽等既有工程处,净空不足。

4)下穿立交桥涵处,横向建筑限界不足。

5)车站与地铁站、机场航站楼并场时,地上地下一体工程协调匹配难以实现。

6)需要利用既有桥墩时,桥墩位置、墩顶高程数据不准确,可利用性评估不可靠,可能造成新建铁路偏心。

7)新设计铁路高程与既有并行铁路或在建铁路轨顶高程不匹配。

综上分析,两期网成果存在差异不可避免、差异大小无法预测,在实际工程实践中,应制定一些对策措施,避免产生较大差异。

2 精测网与既有工程匹配措施

2.1 作业过程控制

精测网与既有工程匹配措施主要体现为前期策划、后期处理[12]。为保障两期网成果差异最小,勘测设计时应注重过程控制,主要包含资料收集、衔接基准联测、实施过程的精心策划几方面。精测网建立时,在重要工程处及每隔一段距离(8 km)联测初测控制点,获取两期网成果差异,并且设计专业应在施工图设计前根据平面、高程差异大小,确定是否对定测成果实施修正。各过程的主要注意事项见图3。

2.2 接轨成果与精测网相匹配

新建铁路设计的起、终点与既有工程相连接,接轨铁路种类比较复杂,有普速铁路、高速铁路、城际铁路及城市地铁等,接轨形式有轨对轨衔接、新增股道、或地上地下立体重叠交叉,接轨处设计、施工的质量关键取决于勘测成果与精测网匹配程度[13]。

接轨处一般处于运营铁路上,由于上道测量手续烦琐,受制于铁路调度安排,作业时机、工作时间不能自主决定,工作效率非常低。接轨处上道测量应做到一次到位,与精测网精度匹配。对既有车站内或线上原有控制点应实施移设,引测到站外或线下供精测网时联测,并作为精测网约束基准,实现接轨成果与精测网的匹配,匹配过程见图4。

2.3 精测网与已/在建工程匹配

铁路工程线路长,沿线交叉工程多,控制性地物、既有工程种类多,有沿线接入的既有车站工程、已建或预留桥墩的利用工程、并行在建工程、上下一体的公铁两用桥梁工程、接入机场或地铁的地上地下共位一体工程等,均应保证精测网与既有工程相对关系匹配一致,匹配措施见图5。

3 既有工程匹配测量方法

精测网与既有工程相对关系匹配一致,应结合既有工程的特点与精度要求确定,归纳起来主要有以下几方面:

1)接轨处要求平顺衔接。普速铁路可以采用全站仪或RTK测量中线坐标,高程应采用水准测量方式而不能采用RTK方式。高速铁路应复测CPⅡ,CPⅢ后,采用基于CPⅢ控制网的轨检小车方式测量中线坐标、高程,不能采用RTK方式测量。

2)车站站台边、岔心定位要求精确,应采用全站仪+棱镜支架或三角架+光电三角高程测量的方式进行,不能采用RTK方式测量。

3)下穿、上跨铁路、公路、管道、渡槽等既有工程处或与既有隧道(先期段)。应结合高程测量精度要求、设计净空富裕程度选择合理的方式,可采用RTK或水准测量或全站仪光电三角高程方式;或基于洞控制网成果,采用地面三维激光扫描方式[14-15],获取净空断面成果,全站仪无棱镜[16-17]方式进行检测。

4)下穿立交桥涵处,桥下空间结构复杂,测量位置、净空高度要求准确,涉及线路方案的可行性。应基于精测网,采用全站仪无棱镜或地面三维激光扫描方式获取桥下空间的三维数据[18-20]。不能采用RTK目估定向、皮尺量距、解析几何法定位桥墩、利用结构高度推算桥下净空。

5)铁路车站与地铁站、机场航站楼并场时的地上地下一体工程,公铁两用桥梁地段、与既有铁路或在建铁路并行工程等,项目的协调匹配难度大,需要共用地形图设计,共用平面、高程控制网施工,接入、引出处的转换关系可采用GNSS静态联测方式,不能采用RTK方式进行。

6)需要利用既有桥墩时,桥墩位置、墩顶高程数据涉及线路定位、建筑限界符合性检查,要求精度高。测量工作应基于CPⅡ或CPⅢ成果进行,平面位置采用全站仪测量坐标,高程采用水准仪或光电三角高程方式测量,不能采用RTK方式进行。

4 结论与建议

按现行规范要求时机建立精测网,勘测成本高。经过本文对精测网采用两期建网方式讨论,明确了精测网与既有工程的匹配方法,提出了可以在线路设计方案完全稳定后再实施精测网建立工作,能够降低造标埋石费用,节省勘测成本。经过多年工程实践验证表明,本文作业模式可行,效果良好,可为其他铁路勘测单位优化精测网生产组织模式提供借鉴经验,并作为修订、完善铁路工程测量规范精测网建立时机提供技术应用条件依据。

采用二期建网模式时,建议在勘测设计过程中应注意以下几点:

1)初测、精测起算点一致。出现不同期国家点时,接轨点附近宜采用不同期国家点的混合试算或进行新成果归化,避免出现断高及线路中线坐标转换。

2)起、终点接轨测量时,应进行线上CPⅡ,CPⅢ、二等水准复测,并先建立首、末段精测网,移设线上并联测线下控制点作为后期精测网建立的约束基准,实现线下、线上控制网为一体。

3)勘测时,重要工点位置附近平面、高程留点,供精测网建立时联测。在施工图设计工作开展前将平面、高程留点差异提交设计专业,协助设计专业确定是否对勘测设计文件进行修正。