膠濟客專既有鐵路軌道控制網精密測量方法研究

杜兆宇

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

隨著國民經濟的發展，我國正大力建設鐵路客運專線[1]。膠濟客運專線起點青島站，途徑青島北、膠州北、青州市、章丘，終點濟南東站，全線為有砟軌道，青島～K42+594、K97+715～濟南設計行車速度為200 km/h，K42+594～K97+715 段設計速度為250 km/h，運營速度為200 km/h，采用電力動車組牽引。該客運專線已于2016 年通車運營，為了確保運營安全，保證軌道穩定性和平順性，需要對客運專線軌道進行維護，軌道控制網（CPIII）是既有線軌道運營維護的控制基準[2]，為此，該文介紹了膠濟客專（K220+000～K388+723）軌道控制網精密測量相關技術問題，并對測量結果進行了比較分析。

1 線路平面控制測量

線路平面控制網（CPII）是軌道控制網的平面基準。按照逐級控制的布網原則，線路平面控制網（CPII）是在框架控制網（CP0）、基礎平面控制網（CPI）的基礎上進行，考慮到該項目屬于運營維護階段的實際情況，構建線上線路平面控制網。線上加密CPII 控制樁直接在既有線上布設[3]。路基地段優先在滿足觀測要求的涵洞帽石頂、水泥墩等穩定的混泥土構筑物上設置，橋梁地段設置在既有橋梁的擋砟墻上或橋頭。綜合考慮項目的實際情況，該標段線上加密CPII 測量由K220～K270、K270～K289、K289～K300、K300～K311與K311～K388 五段進行，每個標段之間均有搭接，其中K220～K270 段還要與一標段搭接，其搭接點為219P22、220P22。

采用GPS 靜態測量方法，按照鐵路四等GPS 觀測技術要求設置衛星截止高度角、采樣間隔等參數[4]。觀測過程中，在天線附近50 m 以內不使用電臺，10 m以內不使用對講機，以免干擾接收機接收衛星信號。CPII 基線解算和質量檢核合格后，在WGS-84 坐標系下進行三維無約束平差，得到各點WGS-84 坐標系下的空間直角坐標、三維基線向量改正數及邊長相對中誤差等精度信息，剔除粗差觀測值，檢驗線上加密CPII網內符合精度。符合要求后，采用聯測的CPI 點作為約束點，使用中鐵四院SYGPS 平差軟件進行二維約束平差，二維約束平差成果各項精度指標均合格。

考慮到此次線上加密CPII 需盡量布設在線路一側（天窗不垂直，無法跨線測量），布設點位要求衛星信號不受遮擋，點間距要求在600 m左右；而原導線CPIII點交錯布設在線路兩側，部分點布設在接觸網支柱基礎上，點間距在150～200 m 左右，因此，此次線上加密CPII點采用2011年部分原導線CPIII點。

此次該標段線上加密CPII 與2011 年原導線CPIII的平面坐標差異較大，其中，橫向方向（X方向）坐標較差偏大（最大值為0.208 m）；一方面可能因兩個控制網之間存在系統偏差，另一方面可能由2011 年CPIII 導線測量的橫向中誤差引起。

2 高程控制測量

高程控制是軌道控制網的高程基準。沿線布設深埋水準點和普通水準點，組成統一的高程控制網，分為線下水準測量和線上水準測量。

2.1 線下水準測量

線下普通水準點充分利用原膠濟線線下水準點樁位，對受損嚴重的既有樁位進行了維護處理，當不滿足現場布設點位要求時，重新埋設線下水準點。水準基點不大于2 km 布設一個，水準基點選在距中線50～200 m的土質堅實、通視良好、施測方便、高程適宜和便于保存之處。水準基點盡量與CPI 點共樁，單獨布設時，埋設要求同CPI。

按照三等水準測量施測，聯測國家水準點時采用往返測支水準路線形式，在主路線上形成結點[5]。使用天寶或徠卡的電子水準儀及配套的3 m銦瓦條碼水準尺，采用單路線往返觀測；一條路線的往返測使用同一類型儀器和轉點尺墊，沿同一路線進行。在外業測量經過各項限差驗算合格后，首先進行高程網基準點選取，選用15個原膠濟線精測網水準點、1個沿線國家水準點（JL7）、1 個濟青高鐵水準點（CPI153，與石濟客專線下水準點共樁），并對以上17 個水準點進行穩定性分析。采用此17個點及1個與一標段搭接的濟青高鐵深埋水準點（SBM15）作為高程網平差計算的約束點，采用中鐵四院SYADJ 軟件進行整網嚴密平差，計算測量成果；結果均滿足《鐵路工程測量規范》（TB 10101-2009）的相關要求。

根據相關技術規范和該項目復測要求，以“線路水準基點復測與原測高差較差應小于”作為判斷點位發生顯著沉降與否和點位高程能否繼續使用的指標[6]。分析該標段線路21段水準基點2018年復測高差和2011 年復測高差的較差，全線共有5 段高差較差超限，占比23.8%。其余16 段高差較差均滿足三等水準復測限差要求。同時，比較該標段2018年復測與2011年復測線路水準基點高程較差（見圖1）。由圖1可知：除個別控制點發生點位沉降外，其余控制點穩定，未發現區域沉降現象。

圖1 線路水準基點2018年復測高程與2011年復測高程較差圖

考慮到該標段2018 年線下水準復測補埋63 個水準點，上一次水準網復測時間為2011 年，距今時間較長，控制點樁損壞嚴重、樁位丟失較多，原復測成果的現勢性較差，因此，該次高程網復測成果全部更新，更新成果時考慮與一標段的銜接。

2.2 線上水準測量

線上水準基點埋設在線路附近穩定可靠且不易被破壞的地方，橋梁部分埋設于橋梁固定支座正上方擋砟墻頂，盡量保證在橋梁上下聯測時不再進行水準測量，可與線上加密CPⅡ點共樁。此次該標段線上加密水準測量分K220～K270、K270～K289、K289～K300 與K399～K388 四段進行。如K270～K289 段與K220～K270 段搭接點為270H21，此次該標段在K220 里程與一標段搭接，搭接點為219H21。

線上水準基點按照國家三等水準測量標準施測，采用不低于DS1的數字水準儀及銦瓦水準尺。觀測數據采用儀器內置儲存器記錄，并轉換成電子手簿。線上加密水準網采用聯測的線下水準點作為約束點，進行平差計算。考慮到此次線上加密水準點布設在線路一側（天窗不垂直，無法跨線測量），而原導線CPIII 點交錯布設在線路兩側，部分點布設在接觸網支柱基礎上，點間距在150～200 m 左右，因此，線上加密水準點采用2011 年部分原導線CPIII 控制點，共聯測20 個導線CPIII點，分析比較兩次高程較差，具體情況見圖2。

由圖2 可知，2018 年線上加密水準點高程大部分比2011 年導線CPIII 高程低，其原因可能為兩次測量等級不相同引起的系統差異（2018 年線上加密水準為三等，2011年導線CPIII高程為四等），也可能是沉降因素引起的。因此，建議后期加強控制網的復測工作，以便更為準確地判斷是否存在沉降變形災害。

圖2 線上加密水準點2018年復測高程與2011年復測高程較差圖

3 軌道控制網（CPIII）精密測量

3.1 CPIII控制網布設

CPIII控制網點成對布設，間距約為60 m，CPIII點布設高度大致等高，并設在設計軌道高程面0.3 m 以上。路基段CPIII 點直接安裝在線路兩側接觸網立柱上，為了避免破壞立柱結構，CPIII標識采用抱箍方式，分別為H型混凝土、鋼柱抱箍件、格構柱抱箍件及圓形抱箍件這3 種形式。橋梁地段CPIII 點設置在既有橋防撞墻上，在防撞墻上采用30 mm左右直徑鉆頭，鉆深70 mm，埋設時采用速凝水泥或錨固劑填充孔位，將CPIII預埋件埋入防撞墻內。既有車站內CPIII點的布設在站臺廊檐下部凹槽處，孔深在70 mm左右，距離軌面高度0.3 m以上，測量標志橫向埋設且不得侵界。平面測量棱鏡采用德國Sining 公司的AL-402 棱鏡。作業前對組件進行了重復性和互換性安裝誤差的檢測，滿足X、Y誤差0.4 mm，H誤差0.2 mm的要求。

3.2 CPIII控制網平面測量

CPIII控制網平面測量采用“分段測量、分段平差”的方法進行。CPIII網平面測量共分為14個區段，最短區段長度為8.0 km，最長區段長度為18.9 km，平均區段長度為12.2 km，搭接示意圖見圖3。該標段與一標段在K220處搭接，重復觀測5對CPIII點。其他區段搭接，重復觀測6對CPIII點。

圖3 CPIII分段搭接聯測示意圖

CPIII網平面測量采用自由設站邊角交會法施測，每個自由測站一般觀測12個CPIII點。每個CPIII點至少保證有3個自由測站的方向和距離觀測量。CPIII自由測站平均間距約為120 m 左右，當特殊地段觀測條件較差時，測站間距調整至60 m左右。CPIII網平面測量水平方向采用全圓方向觀測法進行觀測，距離觀測采用多測回距離觀測法。邊長觀測實時地在全站儀中輸入溫度和氣壓進行了氣象元素改正。

數據處理前，首先對觀測數據進行質量檢核，對不合格數據及時安排返測。外業觀測數據質量檢核合格后，以聯測合格的線上加密CPII為起算數據，采用中鐵四院SYADJ 軟件進行自由網和約束網平差計算，并按CPIII 網測量技術要求進行精度檢核。區段之間銜接時，首先在接邊前比較相鄰區段獨立平差重疊點的坐標差值。當坐標較差滿足≤±4.5 mm 時，后一區段CPIII 網平差采用本區段聯測的加密CPII 點及重疊段前一區段的1～3對CPIII點作為約束點進行平差計算。此次所有CPIII測段獨立平差中CPIII約束網平差距離改正數、方向改正數、點位中誤差及CPIII 網相鄰點相對點位精度均滿足規范要求。

考慮到該標段需要在K311處進行分帶，坐標換帶處CPIII 分為K300+036～K312+440 段和K311+240～K321+713 段，兩個測段之間重復觀測長度約1.2 km，滿足大于800 m 的觀測要求。以前測段的CPIII 坐標對后測段的CPIII 坐標進行約束平差，并分別計算出118°15′00″和117°15′00″的兩套CPIII 平面網的坐標成果。

3.3 CPIII控制網高程測量

CPIII高程網測量利用平面網測量的邊角觀測值，采用自由測站三角高程測量方法，與CPIII平面網測量同步進行，測量分段方式保持一致（見圖3）。CPIII 自由測站三角高程網附合于線路水準基點，每2 km左右進行了高程聯測，當特殊地段不便聯測時，最遠2.5 km左右聯測一個線路水準基點。

CPIII自由測站高程網進行附合路線閉合差統計，并計算每千米高差全中誤差，各項指標均符合三等水準測量的要求。采用自由設站三角高程方法測量時區段之間重疊點不少于4 對，區段之間銜接時前后區段獨立平差重疊點高程差值≤±4.5 mm；滿足該條件后，后一區段CPIII網平差，采用本區段聯測的線路水準基點及重疊段前一區段連續的1～2對CPIII 點高程成果進行約束平差。此次CPIII 網高程測量數據各項精度指標均合格，滿足規范要求。

此次該標段在K353+000～K366+740 范圍聯測石濟客專的水準點：CPI513（線下水準點，與濟青高鐵線下水準點共樁）、CPII562（線上水準點）、2446201（線上水準點）、361H22（線上水準點，與膠濟客專線上水準點361H21共樁）、362H21（線上水準點）。將石濟客專的線下和線上高程點作為膠濟客專的高程起算點進行水準數據平差處理，并對膠濟客專高程與石濟客專高程較差與線路銜接處的聯測高差進行比較分析。此次該標段高程網與石濟客專高程網兼容性較好。

4 結語

最近十來年是我國鐵路事業大發展大建設時期，特別是新建設了很多高速鐵路和客運專線，我國的鐵路網覆蓋基本滿足國家經濟建設的需要。同時，運營線路的維護工作又凸顯出來，保證鐵路安全運營、保障人民群眾生命安全，又成為今后工作的重中之重。鐵路軌道控制網（CPIII）的建設是一項系統性、持續性強的工作，需要在運營期間進行定期復測和維護。該文依據膠濟客專運營維護階段的實際情況，提出一種適合既有線軌道控制網（CPIII）改造精密測量方法和技術措施，并對測量成果進行分析評價。該成果對后續的既有運營線路軌道維護提供了技術保障。