高速鐵路精密工程測(cè)量技術(shù)體系及特點(diǎn)分析

文/葉俊杰

1 高速鐵路精密工程的測(cè)量體系

根據(jù)我國高鐵建設(shè)現(xiàn)狀，精密工程測(cè)量技術(shù)主要用于鐵路調(diào)查的建設(shè)、設(shè)計(jì)、維護(hù)和操作，它是整治高鐵建設(shè)項(xiàng)目中不可或缺的一部分。測(cè)量是對(duì)鐵路運(yùn)營、維護(hù)和軌道建設(shè)的測(cè)量。這些測(cè)量內(nèi)容都是重要的標(biāo)準(zhǔn)，為了提高高鐵的綜合質(zhì)量，我們需要注意精密測(cè)量技術(shù)的研究開發(fā)。

1.1 高速鐵路精密工程測(cè)量的內(nèi)容

1.1.1 幀控制網(wǎng)絡(luò)是高速鐵路控制網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，幀控制網(wǎng)絡(luò)又是其他控制網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。基本控制為高鐵的調(diào)查、建設(shè)、隨后的操作和維護(hù)提供了基本坐標(biāo)。這個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)被稱為第一測(cè)試。

1.1.2 控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的重要因素，因此我們需要合理進(jìn)行設(shè)計(jì)。測(cè)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)主要包括平面控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和高程控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。高程控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)必須以國家高程標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。在不進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量的情況下，可在設(shè)計(jì)過程中設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，經(jīng)勘察后可轉(zhuǎn)換為國家標(biāo)準(zhǔn)高程標(biāo)準(zhǔn)。另外，在平面控制點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)陣風(fēng)的高度投影和變形的平面坐標(biāo)系進(jìn)行選擇和控制比較。

1.1.3 建立線路控制網(wǎng)可以為以后的施工和勘探工作提供支持；建立軌道控制網(wǎng)可以為工程建設(shè)提供依據(jù)和保證。軌道控制網(wǎng)絡(luò)屬于基于幀控制網(wǎng)絡(luò)的第三控制網(wǎng)絡(luò)。其目的是為貨車的建設(shè)提供保障、為以后的運(yùn)行維護(hù)工作提供標(biāo)準(zhǔn)。高速鐵路建成后，需要檢測(cè)軌道結(jié)構(gòu)和行車狀況。與此同時(shí)，精密工程測(cè)量的重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向軌道測(cè)量和變形測(cè)量。

1.2 高速鐵路精密工程測(cè)量的目的

高鐵建設(shè)的所有步驟和目的都是一致的。在高鐵工程的重要組成部分，開發(fā)人員可以通過合理的平面高程控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)和精度研究，分析高鐵工程研究的具體問題，以保證高鐵建設(shè)的高要求。運(yùn)營商在開始精確測(cè)量前應(yīng)保證軌道的平整度，并根據(jù)嚴(yán)格的規(guī)劃路線安排，將偏離時(shí)刻表控制在10mm 以內(nèi)，從而有效提高車輛的舒適性和安全性[1]。

1.2.1 高鐵軌道鋪設(shè)的精度需要反映軌道形狀，而這取決于軌道上相鄰點(diǎn)的相對(duì)位置，也就是顯示在軌道上所有點(diǎn)的相對(duì)位置。通常，軌道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被稱為平坦度，提供平滑的軌道。因此，要準(zhǔn)確把握軌道的形狀、軌道的距離和水平以及軌道的垂直方向的參數(shù)和高度，并確認(rèn)軌道是否平滑。

1.2.2 軌道尺寸由軌道中心線與相鄰建筑物的關(guān)系以及三維空間坐標(biāo)系的軌跡坐標(biāo)和標(biāo)高決定。軌道的外部尺寸測(cè)量必須基于平臺(tái)、隧道、子類、橋等離線工程，同時(shí)軌道的絕對(duì)位置和空間位置、標(biāo)高和坐標(biāo)必須一致。另外，高速軌道表面上升、軌道中心線以及線路的容許偏差如表1 所示在一定范圍內(nèi)被控制。

表1 高速鐵路軌道線間距、軌道中線、軌面高程允許偏差

1.3 傳統(tǒng)測(cè)量法的缺陷

1.3.1 目前，我國傳統(tǒng)的鋪設(shè)精度是基于特定情況下的離線技術(shù)。該方法容易積累測(cè)量誤差，且設(shè)計(jì)參數(shù)與幾何參數(shù)相差較大。因此，坐標(biāo)定位技術(shù)在基于控制網(wǎng)的研究技術(shù)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)鋪軌時(shí)，設(shè)計(jì)半徑與圓曲線半徑相差過大，且曲線上五根樁的設(shè)計(jì)位置也相差過大，由此表現(xiàn)出了不同半徑與圓曲線的組合。

1.3.2 線平面測(cè)量的再現(xiàn)性差。傳統(tǒng)的技術(shù)調(diào)查計(jì)劃采用線控制樁作為鐵路工程調(diào)查設(shè)計(jì)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，而沒有建立完整的平面高度控制網(wǎng)絡(luò)。失去中心線控制樁時(shí)，只有曲線控制樁、直線控制樁，研究點(diǎn)難以恢復(fù)；同時(shí)，我國高速鐵路工程缺乏穩(wěn)定的平面控制數(shù)據(jù)，軌道工程和線下工程的建設(shè)不能采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[2]。

2 高速鐵路精密工程測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)

在鐵路工程勘察與平面布置的勘察與管理中，傳統(tǒng)的測(cè)量方法主要采用位置測(cè)量中心線控制樁作為坐標(biāo)數(shù)據(jù)。施工結(jié)束后，中線控制管線立即損壞，鐵路測(cè)量管理工作中數(shù)據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)丟失。如果鐵路需要重新測(cè)試，則可以通過構(gòu)造或操縱相關(guān)的測(cè)量方法來完成測(cè)量任務(wù)。嚴(yán)格來說，這種測(cè)量方式在普通高速鐵路的軌道測(cè)量任務(wù)中并不是問題，但由于高速鐵路的測(cè)控條件存在較大差距，通過相對(duì)測(cè)量獲得的參數(shù)遠(yuǎn)小于高鐵的毫米精度指數(shù)，因此我們有必要使用絕對(duì)測(cè)量技術(shù)構(gòu)建非常精確的精密測(cè)量和控制系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)毫米水平測(cè)量和控制的目標(biāo)。

3 精密控制測(cè)量的主要步驟

3.1 有效編制相應(yīng)的測(cè)量設(shè)計(jì)書

在實(shí)際測(cè)量過程中，首先要做的是準(zhǔn)備相應(yīng)的技術(shù)測(cè)量設(shè)計(jì)手冊(cè)。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況制定相應(yīng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行基本設(shè)計(jì)分析，以吸收實(shí)際鐵路技術(shù)系統(tǒng)的有效信息；同時(shí)，每個(gè)規(guī)格都有嚴(yán)格的要求。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)測(cè)量、確保測(cè)量的準(zhǔn)確性和合理性，應(yīng)開發(fā)合理的精密測(cè)量方法，并根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際領(lǐng)域和內(nèi)容進(jìn)行確認(rèn)。

3.2 要進(jìn)行合理和完善的坐標(biāo)設(shè)計(jì)

我們必須構(gòu)建完美的坐標(biāo)投影設(shè)計(jì)。為了確保坐標(biāo)系設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和合理性，需要根據(jù)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息使用合理的高速投影設(shè)計(jì)值。在實(shí)際施工過程中，將實(shí)際情況與實(shí)際理論值進(jìn)行比較，合理分析投影側(cè)的長度變形。在設(shè)計(jì)過程中，還需要建立完全滿足測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和要求的坐標(biāo)系統(tǒng)，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)特殊坐標(biāo)系進(jìn)行特別分析，實(shí)現(xiàn)長度測(cè)量的有效性。在控制測(cè)量過程中，我們嚴(yán)格設(shè)計(jì)了變形長度系統(tǒng)，為將來應(yīng)用精密控制測(cè)量技術(shù)提供了重要的保證[3]。

4 高速鐵路精密工程測(cè)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究及應(yīng)用

4.1 高鐵控制網(wǎng)的布設(shè)方案

4.1.1 CPI。B 類GPS 的靜態(tài)測(cè)量方法在設(shè)計(jì)過程中的點(diǎn)距為50～100km。另外，設(shè)置參考網(wǎng)絡(luò)后，每3～4km 需要1 個(gè)點(diǎn)。即使是比較難的地區(qū)布局，點(diǎn)間距離也不在1000m 以下。在超大型橋或超長隧道中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況增加相應(yīng)的CPI 管理點(diǎn)。同時(shí)，為確認(rèn)鄰接的點(diǎn)有好的視點(diǎn)，各視點(diǎn)必須有相鄰視點(diǎn)的方向。關(guān)于簡化轉(zhuǎn)換關(guān)系，CPI 控制網(wǎng)絡(luò)必須考慮測(cè)量至少三個(gè)國家或城市的控制點(diǎn)。

4.1.2 CPII。在工程勘察和建設(shè)過程中，要求建立CPII。也就是說，CPII 主要為工程測(cè)量和施工提供基準(zhǔn)。在布局過程中，可以使用全站儀或C 級(jí)GPS 靜態(tài)控制測(cè)量。特定出口的間距約為800～1000m。需要注意的是，相對(duì)困難的站點(diǎn)布置網(wǎng)點(diǎn)之間的距離不應(yīng)小于600m，同時(shí)網(wǎng)點(diǎn)的布局應(yīng)根據(jù)路線的方向進(jìn)行設(shè)置，且中心線與路線布局之間的距離為50～100m。在建立安裝孔時(shí)，我們有必要考慮部署點(diǎn)的具體位置是否是滿足要求的最佳位置。

4.1.3 CPIII。三級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)的主要功能是為高速鐵路的鋪設(shè)和運(yùn)營提供良好的控制基準(zhǔn)，且它建立在CPII 的基礎(chǔ)上。應(yīng)通過測(cè)量巖石線兩側(cè)的五級(jí)導(dǎo)體進(jìn)行設(shè)置。標(biāo)高的控制采用3 個(gè)等級(jí)，同時(shí)嵌入特定的控制點(diǎn)，在此需要保證嵌入在壁上側(cè)的位置和高度比高速軌道的標(biāo)記螺栓前緣的上側(cè)高。在這個(gè)階段，我國的高鐵高度控制網(wǎng)絡(luò)通常采用分層布局和逐步控制。特定的要求是，在50～100km 的間隔內(nèi)要對(duì)至少兩個(gè)國家起問不少于兩個(gè)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，以確保國家85 高程系統(tǒng)中的標(biāo)高統(tǒng)一，并確認(rèn)軌道的實(shí)際參數(shù)與設(shè)計(jì)對(duì)象之間的偏差是否在指定的最小范圍內(nèi)；同時(shí)，卡車建設(shè)與路基、橋梁、隧道、平臺(tái)等建筑物的下線建設(shè)相結(jié)合。在測(cè)量系統(tǒng)下完成測(cè)量工作后，按照分級(jí)控制的原則建立高速鐵路測(cè)控網(wǎng)，保證軌道與子工程子層、橋梁、隧道、站臺(tái)之間空間層次的協(xié)調(diào)與配合。

4.2 無砟軌道安裝中的精密測(cè)量

4.2.1 加密樁的測(cè)量。在無碴軌道安裝和測(cè)量過程中，樁應(yīng)按照CPIII 進(jìn)行加密。

4.2.2 安裝測(cè)量。在堆壓軌道安裝過程中，具體的安裝測(cè)量工作包括軌道基礎(chǔ)施工測(cè)量、軌道測(cè)量、支撐層施工試驗(yàn)等。

4.2.3 銜接測(cè)量。在設(shè)置平衡應(yīng)力軌道的情況下，首先根據(jù)測(cè)量條件設(shè)置工作面，并將公共中心線作為仰角控制點(diǎn)。

4.2.4 線路整理測(cè)量。CPIII 管理點(diǎn)必須在跟蹤設(shè)置的實(shí)際測(cè)量之前重新檢查。在需要設(shè)置臨時(shí)輔助軌道基礎(chǔ)樁的情況下，CPIII 控制點(diǎn)可以作為中心線和基準(zhǔn)線的基礎(chǔ)。

4.2.5 鋪設(shè)竣工測(cè)量。在鋪設(shè)散裝壓力軌道之前，必須評(píng)估軌道鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的變形，并確定最佳鋪設(shè)時(shí)間。通過建立水平位移和垂直位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)，對(duì)離線建筑物的變形和控制進(jìn)行監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場測(cè)量的細(xì)節(jié)包括測(cè)線中心線的位置、軌面高程、點(diǎn)坐標(biāo)、變形和水平方向。特定的測(cè)量步驟必須是一個(gè)軌枕間距。

5 結(jié)語

目前，我國已制定了高速鐵路精密過程測(cè)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)于提高我國鐵路建設(shè)測(cè)量技術(shù)水平具有重要意義。在推動(dòng)高速鐵路安全發(fā)展的過程中，建設(shè)和發(fā)展高速鐵路運(yùn)營維護(hù)系統(tǒng)勢(shì)在必行。因此，我們要采用精密測(cè)量技術(shù)，提高鋪軌精度和精密工程技術(shù)水平，并在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷改進(jìn)、創(chuàng)新。