高速铁路旅客列车运行速度高, 为实现高速运行条件下旅客列车的安全性和舒适性, 要求轨道必须具有高平顺性和精确的几何线性参数, 包括轨道内部几何尺寸与外部几何尺寸, 如轨距、轨向、高低、水平、扭曲、与设计高程及中线的偏差等, 精度要求控制在1～ 2mm 。因此, 研究、建立一套精密工程测量标准体系, 是建设高速铁路的关键技术之一。
我国既有铁路工程测量技术标准只适用于普通铁路工程建设, 测量工作及其精度指标如何确定才能满足高速铁路建设要求, 目前的测绘技术手段如何实现这些要求, 采取什么样的测量方式实现等问题, 必须通过研究加以解决。为此, 铁道部及时组织开展了高速铁路精密工程测量技术的研究和高速铁路精密工程测量标准体系的建立工作。
高速铁路精密工程测量技术标准研究的主要内容:一是确定高速铁路工程测量各项精度指标;二是实现各项精度指标的保证体系。在遂渝线无砟轨道试验段基础上, 开展《客运专线无碴轨道铁路工程测量控制网精度标准的研究》, 建立遂渝线无砟轨道综合试验段精密工程测量控制网, 对无砟轨道施工控制网的精度等有关问题, 包括控制网设计的精度准则、精度阈值以及精度计算方法等进行研究论证, 为无砟轨道的施工及技术标准的制定提供理论依据, 并在此基础上编制完成《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》, 初步形成我国高速铁路精密工程测量技术体系和标准。随着高速铁路建设进一步开展和对高速铁路精密测量技术的认识不断深入, 结合我国高速铁路建设特点和现代测绘技术的发展, 开展《高速铁路CP Ⅲ测量标准及软件研制》和《基于自由测站的高速铁路CP Ⅲ高程网测量及其标准的研究》等工作, 对京津、武广、郑西、哈大、合宁、合武、石太等高速铁路工程测量经验进行系统总结, 对进一步修改完善, 逐步形成具有我国自主知识产权的高速铁路工程测量技术体系, 编制完成《高速铁路工程测量规范》。
1 精密工程测量精度指标的研究高速铁路精密工程测量技术标准核心是研究确定平面和高程控制网的精度要求, 以满足高速铁路施工控制要求, 进而保证高速铁路的安全平稳运行。高速铁路工程测量与普通铁路测量相比, 系统性更强, 精度要求更高。
根据高速铁路轨道平顺性精度高的要求, 结合我国高速铁路工程建设实际, 研究确定平面及高程控制的相关精度指标, 成为解决高速铁路建设的关键问题之一。
1 .1 平面控制测量基准
基准的选择, 即平差的参考系选择, 就是给控制网的平差提供一组必要的起始数据, 以便求得平差问题的唯一解。基准包括平面坐标系统和平面起算数据的确定, 如何选择起始数据才能满足高速铁路控制测量的要求, 是平面控制测量基准研究所要解决的问题。
(1)平面坐标系统的选择
高速铁路工程测量精度要求高, 施工中要求由坐标反算的边长值与现场实测值一致, 即所谓的尺度统一。但传统的铁路工程测量采用1954 年北京坐标系3带投影, 由于高斯投影变形和高程投影变形的存在,致使由坐标反算的边长值与现场实测值不一致。
(2)平差基准的选择
测量控制网的点位坐标是待估参数。对于测角网, 观测量是方向或角度。仅根据方向或角度的观测值不可能确定点的坐标值, 即不能确定网的位置、方位和大小。因此, 需要有一个点的位置(纵、横)、一个方位和一个尺度基准, 也可以2 个点的纵、横坐标作为基准。对于测边网、边角网或导线网, 观测量是边长和方向(或角度)。为了确定点的坐标, 需要有一个点的位置(纵横坐标)和一个方位基准;如果再将尺度作为待定参数, 则也需要一个尺度基准。一般说来, 测角网、测边网、边角网都是二维平面控制网, 其基准数为3(或4 , 加上尺度基准)。
1 .2 高程控制测量基准
1985 国家高程基准是全国统一使用的国家高程基准, 高速铁路线路长, 与道路、管线、河流及市政设施交叉频繁, 为了准确测量高速铁路与交叉物的高程关系, 保证高速铁路工程建设安全、顺利实施, 高程系统须采用1985 国家高程基准。当个别地段无1985 国家高程基准的水准点时, 可引用其它高程系统或以独立高程起算。但在全线高程测量贯通后, 必须消除断高,换算成1985 国家高程基准。
2 各级控制网的布设与精度研究
高速铁路轨道必须具有精确的几何线形, 精度要求控制在1 ～ 2mm , 测量控制网的精度在满足线下工程施工控制测量要求的同时必须满足轨道铺设的精度要求, 使轨道的几何参数与设计的目标位置之间的偏差保持最小。而轨道的铺设施工和线下工程(路基、桥梁、隧道、站台等)施工放样是通过由各级平面高程控制网组成的测量系统来实现的。为了保证轨道与线下工程的空间位置坐标、高程相匹配, 须根据高速铁路勘测、施工、运营维护需要, 分级建立平面控制网。
2 .1 平面控制网布设
高速铁路平面控制测量应在CP0 基础上分三级布网测量。高速铁路工程测量平面控制网第一级为基础平面控制网(CP Ⅰ), 主要为勘测、施工、运营维护提供坐标基准;第二级为线路控制网(CP Ⅱ), 主要为勘测和施工提供控制基准;第三级为轨道控制网(CPⅢ), 主要为轨道施工和运营维护提供控制基准。
2 .2 平面控制网精度
平面控制网的精度根据轨道平顺性定位精度的要求, 从最末一级控制网的精度要求逐级反演推算制定上一级控制网的精度。
(1)CP Ⅲ控制网测量精度的确定
《高速铁路设计规范》规定高速铁路轨道的轨向、高低的30 m 弦长和300 m 弦长的中长波不平顺控制要求。轨道的高低和方向的检验标准及方法是相同的, 即采用30 m(48 个轨枕间距)弦长测量, 检测间隔5 m 的两相邻检验点的实际矢高差与设计矢高差的差值为小于2 mm ;采用300 m(480 个轨枕间距)弦长测量, 检测间隔150 m 的两相邻检验点的实际矢高差与设计矢高差的差值为10 mm 。
依据文献的研究和京津、武广、郑西高速铁路轨道板施工和轨道精调的工程实践, 确定CP Ⅲ控制网相邻点相对中误差为1 .0mm。以此精度要求逐级推算CP Ⅱ 、CP Ⅰ 、CP0 控制网的精度要求。
(2)CP Ⅱ控制网测量精度的确定
CP Ⅱ控制网是CP Ⅲ控制网的起算基准,CP Ⅱ控制网的精度应满足CP Ⅲ控制网的起闭需要;CP Ⅲ控制网相邻点相对中误差为1 .0 mm , 相邻点间距为60m , 则相邻点相对精度为1/60 000 , 按照工程测量控制网设计原则, 上级控制网的精度应比下一级控制网的精度高出2倍, 则CP Ⅱ控制网相邻点位精度应高于1/84 000 , 按照确保精度, 留有余地的原则, 将CP Ⅱ控制网相邻点位精度定为1/100 000 。
3 CPⅢ自由测站边角交会网测量
测量方法是高速铁路精密工程测量各项技术要求的具体实现, 也是技术标准体系的重要组成部分。在各级控制网的测量实践中,CP0 、CP Ⅰ 、CP Ⅱ的测量基本采用GPS 方法。这里重点阐述CP Ⅲ网的测设。CP Ⅲ自由测站边角交会网是一种新的测量方法, 根据我国测量工作的特点和对CP Ⅱ网的精度考虑, 在消化吸收国外经验的基础上, 开展高速铁路CPⅢ网测量数据采集与平差计算方法的研究。
3 .1 CP Ⅲ自由测站边角交会网的网形
CP Ⅲ自由测站边角交会网的各CP Ⅲ点纵向间距为60 m , 自由测站间距为120 m 左右, 每个CP Ⅲ控制点有三个方向交会, 每个自由测站需要测量的CP Ⅲ点为前后均匀对称的12 个点。其特点是采用全站仪自由设站进行边角交会测量, 通过相邻测站重叠观测多个CP Ⅲ点获得测站和CP Ⅲ点间的强相关性, 从而实现CP Ⅲ控制点间极高的相对精度, 最终达到精确控制轨道铺设的目的。
我国高速铁路建设工期短, 测量时常受施工干扰,120 m 测站间距观测条件困难, 经研究, CP Ⅲ平面控制网可采用构网形式, 此时各CP Ⅲ点纵向间距为60 m 、自由测站点间距为60 m , 各CP Ⅲ点是四个方向的距离和方向交会, 每个自由测站需要测量的CP Ⅲ点至少为8 个, 这样就更适合于我国的高速铁路轨道CP Ⅲ测量实际。
3 .2 CP Ⅲ控制网平面精度控制
(1)CP Ⅲ网外业观测的精度控制指标为了使CP Ⅲ 网点间的相对点位精度达到1mm , 研究CP Ⅲ网外业观测的精度控制指标。由于CPⅢ网是规则图形的自由测站边角交会控制网, 其基本的观测量是测站至各CP Ⅲ点的方向和水平距离。通过仿真计算和对实验数据的统计分析,CP Ⅲ网的方向和水平距离外业观测的精度控制指标。
(2)CP Ⅲ平面网平差计算精度要求
CP Ⅲ平面网平差计算精度包括网的内符合精度和外符合精度。内符合精度体现CP Ⅲ平面网内部自身测量精度, 其精度指标主要体现在自由网平差后的方向、距离改正数。外符合精度体现CP Ⅲ网与CP Ⅱ网的兼容性, 其精度指标主要体现在CP Ⅲ网约束平差后的方向、距离改正数和点位中误差。对CP Ⅲ网外符合精度的控制目的是使由CP Ⅱ网控制施工的线下工程和CP Ⅲ网之间的误差不能影响轨道工程的施工。
4 三网合一的理论与实践
高速铁路工程精密测量工作按施测阶段、施测目的及功能不同, 分为勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网。将这三个控制网, 简称为三网 。普通铁路建设的三个网由于施测单位不一、使用单位不一, 基本上是各自独立设立控制网。高速铁路建设工作研究的开始, 专家们就提出 三网合一的概念, 即为构建和保持高速铁路轨道空间几何形位, 必须建立基于同一基准的勘测、施工、运营维护的精密工程测量体系,三阶段的平面、高程控制测量采用同一测量基准, 简称为三网合一 。三网合一经铁道部建设司组织专家进行论证, 进一步得到明确。
三网合一主要有以下特点和要求:
(1)勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网坐标高程系统的统一在高速铁路的勘测设计、施工及运营维护的各阶段均采用坐标和高程定位控制, 因此必须保证三网的坐标高程系统的统一, 才能使轨道的勘测设计、施工及运营维护工作顺利进行。
(2)勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网起算基准的统一高速铁路的勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网平面测量应以基础平面控制网CP Ⅰ 为平面控制基准, 高程测量应以二等水准基点为控制测量基准。
5 应用实践与主要结论
高速铁路精密工程测量技术的研究, 为建立我国高速铁路精密工程测量技术体系奠定基础, 同时为我国高速铁路的大规模建设及时提供测量技术标准。继京津城际铁路之后, 武广和郑西等350 km/h高速铁路已投入运营。这几条线路的实践证明, 高速铁路精密工程测量标准及其技术体系经受住了勘察、设计、施工到运营考验, 验证了高速铁路精密工程测量技术标准的科学性、先进性、适用性和可靠性。在建的京沪、哈大、京石、石武等无砟轨道高速铁路及一批有砟轨道客运专线均按照此标准开展精密工程测量。
随着我国高速铁路的相继竣工及投入运营, 如何利用已有的平面、高程控制网快速完成高速铁路运营养护维修测量, 以及测量控制网自身的维护等问题需要进一步深入研究。
