（道路与铁道工程专业论文）无砟轨道施工精测技术及其运用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 无砟轨道具有整体性强、稳定性好、坚固耐用、轨道变形小且变形累积 缓慢等优点，有利于高速行车和减少养护维修工作量、降低作业强度、改善 运营条件，已成为高速铁路轨道结构的主要发展方向。 为保证高速行车对线路平顺性的要求，线路必须具备准确的几何线形参 数。无砟轨道铺设工艺复杂，施工完成后基本不再具备调整的可能性，仅能 依靠扣件进行微量的调整，若出现问题，将为整个工程的使用留下隐患，必 须花费高昂的代价进行弥补。因此，无砟轨道的施工误差及测量精度有着较 有砟轨道更为严格的要求，是客运专线建设能否成功的关键，精确测量技术 对于保证无砟轨道的平顺性和稳定性具有至关重要的作用，其施工精度必须 保持在毫米级的范围内。 无砟轨道测量精度要求高、技术新，测量方法和理念与传统的普通有砟 轨道铁路完全不同。本文建立在对国内外测量技术标准进行对比分析、对客 运专线无砟轨道工程控制网测量技术及其标准等进行大量研读基础之上，简 要介绍了测量学基本知识及测量原理，着重对测量精度的要求进行了详细说 明。按照客运专线建设过程顺序，分别介绍了客运专线无砟轨道铁路平面和 高程控制网设计原则及建网方法、控制网维护要求、点位埋设及标识等。本 文论述了“三网合一”的概念和实现铁路工程测量系统统一的重要意义。根 据我国在京津、郑西、武广、遂渝、秦沈等客运专线的施工经验积累，系统 总结了我国c r t s i i 型、c r t s i 型板式、c r t s i 型双块式无砟轨道及板 式道岔的精调作业程序及过程，对施工过程中控制测量的相关问题进行了论 述、分析和探讨。所得结论对类似无砟轨道的施工具有一定的参考作用。 关键词施工；无砟轨道；精测 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 | 页 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h e 仃a d i t i o n a lb a l l a s tt r a c k , t h eb a l l a s t l e s st r a c kh a sb e c o m e t ob et h em a i nd e v e l o p m e n tt r e n di nt h es t r u c t u r eo fh i 曲一s p e e dr a i l w a yt r a c k i n r e s p e c tt h a ti th a se x c e l l e n ti n t e g r i t y , s t a b i l i t y , d u r a b i l i t ya n di th a sg r e a ta d v a n t a g e o fr e d u c i n gr e p a i r m e n t ，t a k i n gd o w nw o r ks t r e n g t h ，i m p r o v i n gr u n n i n gc o n d i t i o n a n ds oo n i no r d e rt og u a r a n t e et h es m o o t hn e e d e db yt h eh i g h s p e e dt r a i n ，t h er a i l w a y t r a c kh a st ob ew i t hp r e c i s eg e o m e t r yl i n e rp a r a m e t e r t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i c so f t h eb a l l a s t l e s st r a c ki s b a d l yc o m p l i c a t e d ，i t i s h a r d l ya d j u s t i n g i t sr e l a t i v e p o s i t i o n m i n o rc h a n g e c o u l db ea c h i e v e d b yr e c t i f i n g t h ef a s t e n e r s i f s h o r t c o m i n g sc o m eo u t ，i t w i l lc o s tt o om u c ht oc o m p e n s a t e s o ，t h ec o n s t r u c t i o n e r r o ra n dm e a s u r e m e n tp r e c i s i o ni sm u c hm o r ei m p o r t a n tt h a nt h et r a d i t i o n a l b a l l a s tt r a c k t h e yp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h es m o o t h n e s sa n ds t a b i l i t yo ft h e b a l l a s t l e s st r a c k ，t h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o nh a st ob e w i t h i nt h e r a n g e o f m i l l i m e t e r s t h em e a s u r e m e n tt e c h n i q u ei sd i f f e r e n tw i t ht h et r a d i t i o n a lb a l l a s tt r a c k t h i s t h e s i si sb a s e do nt h ea n a l y s i so fm e a s u r e m e n tm e t h o di nh o m ea n da b r o a d ，a n d r e s e a r c ho fl o t so fw o r k so ns u r v e yc o n t r o ln e t w o r k s b a s i ck n o w l e d g ea b o u t m e a s u r e m e n tp r i n c i p l ei si n t r o d u c e d b yt h es e q u e n c eo fc o n s t r u c t i o n ，i tm a i n l y i l l u m i n a t et h ed e s i g np r i n c i p l ea n dc o n s t r u c t i o nm e t h o do ft h es u r v e yc o n t r o l n e t w o r k s a n dh o wt om a i n t a i ni t i ti sd i s c u s s e dt h a tt h ed e f i n i t i o na n dt h e s i g n i f i c a n c eo ft h e “t h r e en e t w o r k si no n e 。b a s e do i lt h ec o n s t r u c t i o ne x p e r i e n c e i n j i n g - j i n ，z h e n g x i ，w u - g u a n g ，s u i y u a n d q i n s h e n ，t h i s t h e s i si s m a i n l y e x p l a i nt h em e a s u r e m e n tt e c h n i c si nc r t s i is l a bt r a c k ，c r t s is l a bt r a c k ， c r t s id o u b l e b l o c kb a l a s t l e s st r a c ka n ds l a bt u r n o u t s o m ep r o b l e m s a r e d i s c u s s e di nt h i st h e s i s a n dt h ec o n c l u s i o nc a nb e u s e di nt h es i m i l a rc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s c o n s t r u c t i o n ；b a l l a s t l e s st r a c k ；p r e c i s e l y - m e a s u r i n g 西南交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子舨，允许论文被查阅和借阅。本人授权西 南交通大学可以将本学术论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 。保密口，在年解密后适用本授权书： 2 。 不保密囤，适用本授权书。 学位论文作者签名：( 冒涌鸭 日期。9 ，f 二 指导狮张所 日期川2 厂垆 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确的说明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、系统总结了我国c r t s i i 型、c l 盯s i 型板式及c r t s i 型双块式无砟轨 道精调作业程序及过程； 2 、对施工过程中控制测量的相关问题迸行了论述、分析和探讨。 学位论文作者签名：( 暑淘哟 日 期：2 0 0 9 - 1 0 - 2 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 无砟轨道结构因具有稳定性好、轨道几何尺寸保持持久、维修工作量少、 耐久性好，桥梁二期恒载小，降低隧道净空、减少开挖面积，综合经济效益 高等优点，在国外客运专线上获得了越来越广泛的应用，其铺设范围已从桥 梁、隧道发展到土质路基和道岔区。无砟轨道结构的大量铺设已成为世界各 国高速铁路的发展趋势。 近年来，我国在无砟轨道技术应用方面做了大量研究并在西康线秦岭工 线隧道、秦沈客运专线分别铺设了弹性支撑块式、长枕埋入式和板式无砟轨 道。无砟轨道是以钢筋混凝土或沥青混凝土道床取代散粒体道砟道床的整体 式轨道结构。轨道的高平顺性是无砟轨道最突出的特点，同时也是高速铁路 建设成败的关键之一。为了保证轨道的高平顺性，线路必须具备非常准确的 几何参数，测量误差必须保持在毫米级范围内，对测量精度提出了很高的要 求。 对于无砟轨道而言，轨道施工完成后基本不再具备调整的可能性，由于 施工误差、线路运营以及线下基础沉降所引起的轨道变形仅能依靠扣件进行 微量的调整，这就要求对测量精度有着较有砟轨道更严格的要求。 德国睿铁公司( r a i l o n e ) 执行副总裁巴哈曼先生曾这样说道：“要成功 地建设无砟轨道，就必须有一套完整、高效且非常精确的测量系统，否则必 定失败”。由此可见测量系统对无砟轨道工程的重要性。 1 2 国内外高速铁路建立精测网的研究现状 经过4 0 多年的运用和发展，国外高速铁路无砟轨道己逐步形成比较完 善的测量标准、精度要求、检验标准和数据处理软件。德国建立起了g e o d o 、 h e r g i e 、t a r g e ts i g n a l 等空间基础坐标系统，其三维坐标是通过自动目标 识别并在线传输给轨道工作人员的p c 机，有关位置的理论数据与完工数据 之间的差别实时显示在p c 机上，以此来控制施工的精度。 国内无砟轨道结构的精测技术近几年也取得了长足地发展，但相比较 与其他许多发达国家还存在一定差距，生搬硬套国外的技术标准也不完全 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 符合我国国情。传统的控制网建网方式难以满足无砟轨道施工的要求，目 前的国家坐标系统也无法满足无砟轨道的高精度施工要求，今后还需要在 相应的应用理论、计算软件、硬件设备等方面不断探索。 1 2 1 国外对于无砟轨道铺设及精密测量技术的研究及现状 自上世纪6 0 年代开始，德国和日本对铁路相继开展了以整体式或固化 道床取代散粒体道砟的各类无砟道床的研究。其中德国铁路最初对无砟轨 道的研究与推广应用主要是针对土质路基和隧道区段，后来逐步扩大到预 应力混凝土桥上，而日本的无砟道床是一种轨道板结构，由此组成的轨道 称为板式轨道。因此，从概念上讲，由无砟道床组成的轨道称为无砟轨道。 至今，尽管大部分国家的无砟轨道由于建设初期造价高等原因还处于 试铺或短区段分散铺设的状况，但在德国已有r h e d a 系、z u b l i n 系等5 种 无砟轨道得到批准正式使用，并在新建的高速线上全面推广，铺设总长度 达6 6 0k m ( 含8 0 组道岔区) 。在最初的“新轨道结构的研究”研究项目中， 日本铁道综合技术研究所组建了由轨道结构、材料、土工、物理、有机化 学研究室人员构成的新轨道结构研究组，分别承担相应的课题研究。日本 的板式轨道已在新干线大量铺设，总长度已超过27 0 0 k m 。德国、日本等国 家已制订有关无砟轨道的设计、施工、精密测量等规程，并在新建高速线 路和其它线路上进行相当规模铺设，尽管如此，目前他们对新结构的开发 和既有结构的改进仍在继续进行。 除此之外，英国、法国、澳大利亚、意大利、荷兰等国家都开发过不 同形式的无砟轨道。 1 2 2 国内对于无砟轨道铺设及精密测量技术的研究及现状 我国对无砟轨道的研究始于上世纪6 0 年代，与国外的研究几乎同时起 步。初期曾试铺过支承块式、短木枕式、整体灌筑式等整体道床以及框架 式沥青道床等几种形式。在成昆线、京原线、京通线、南疆线等长度超过l k m 的隧道内铺设无砟轨道，总铺设长度约3 0 0 k m ，为我国无砟轨道施工技 术积累了宝贵的经验，并吸取了有益的教训，为无砟轨道新技术的研究与 发展打下了坚实基础。 1 9 9 8 年铁道部立项开展高速铁路高架桥上无砟轨道关键技术的试验研 究，在此课题中，对3 种结构型式的无砟轨道( 长轨枕埋人式、板式轨道、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 弹性支承块式) 进行了试验研究。在此基础上，秦沈客运专线特别选定了3 座特大桥作为无砟轨道的试铺段。其中，沙河特大桥( 直线，长6 9 2 3 3m ) 试铺长枕埋人式无砟轨道，狗河特大桥( 直线，长7 4 1 7 1m ) 和双河特大桥( 曲 线，长7 0 3 3 3 m ) 试铺板式无砟轨道。 1 9 9 9 年1 1 月，在我国西康线上最长的秦岭隧道( 长度为1 8 5k m ) 内， 采用弹性支承块式无砟轨道，于2 0 0 1 年正式开通运营，效果良好。另外， 为适应京沪高速铁路的线路条件，2 0 0 2 年还选定了渝怀铁路鱼嘴2 号隧道、 赣龙铁路枫树排隧道分别作为长枕埋入式和板式轨道在隧道内的试铺段，2 座隧道长度分别为7 l o m 和7 1 9 m 。 2 0 0 4 年我国选定在遂渝铁路的遂渝引入重庆枢纽工程内的龙风隧道进 口至蒋家桥大桥( 不含) 正线1 2 6 3k m 作为无砟轨道综合试验段，其中含桥 梁2 座、隧道4 座，其它为路基段，该综合试验段将分别采用板式( 路基、 隧道内采用) 、双块式( 路基、桥梁、隧道内采用) 、轨枕埋入式无砟轨道( 道 岔区采用) 3 种形式。它们是在总结秦沈客运专线沙河、狗河大桥和双河特 大桥无砟轨道，赣龙铁路枫树排隧道内板式无砟轨道，渝怀铁路鱼嘴2 号 隧道内长枕埋入式无砟轨道的设计与施工经验的基础上，并参照德国、日 本铁路无砟轨道的相关技术标准而设计的。 1 3 本文的研究工作 1 3 1 研究目的及意义 随着我国铁路既有线提速及高速新线的兴建，对线路的稳定性和平顺 性要求越来越高，可供养护维修的时间越来越短。为了适应高速行车的需 要，解决线路维修的困难，积极开发少维修的轨道结构已成为高速铁路研 究和发展的必然趋势。中国铁路具有路网的统一性、运输的高密度、天窗 的短时性等特点，而无砟轨道具有整体性强、稳定性好、坚固耐用、轨道 变形小、且变形累积缓慢等优点，有利于提高高速行车品质和减少养护维 修工作量。铁道部科学决策，提出在客运专线采用无砟轨道结构，是符合 中国国情的。 上个世纪9 0 年代以后，随着京沪高速铁路可行性研究的进展，无砟轨 道得到了更大的关注。我国前期无砟轨道研究虽然已取得大量成果，但适 用于客运专线的无砟轨道仅仅在桥梁和隧道内等试验工点进行了试铺，尚 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 未进行过成区段铺设试验，相比较与其他许多发达国家还存在一定差距， 传统的控制网建网方式难以满足无砟轨道施工的要求，目前的国家坐标系 统也无法满足无砟轨道的高精度施工要求，今后还需要在相应的应用理论、 计算软件、硬件设备等方面不断探索。 本文作者通过阅读相关资料及亲自参与现场实践，掌握了建立适于我 国的高速铁路无砟轨道施工、维护的高精度基础平面坐标系统，在统一的 平面坐标系统基础上，采用统一的技术标准、规则和高精度先进的测量设 备，与高精度的高程控制网一起，组成无砟轨道三维坐标系统，为无砟轨 道精确施工定位奠定坚实基础，同时兼顾基础构筑物的沉降观测和竣工后 运营阶段的线路复测。 1 3 2 研究方法 通过对国内外测量技术标准进行对比分析、对客运专线无砟轨道工程 控制网测量技术及其标准等进行广泛研读，根据我国在京津、郑西、武广、 遂渝、秦沈等客运专线的施工经验积累，结合自身参与的工程实际，参加 设计单位与施工单位的交桩工作，全过程参与c p 网的建立，点位标识、 精测网维护及精调施工过程控制，对整个无砟轨道施工过程有了广泛而深 入的理解。 1 3 3 研究的主要内容 ( 1 ) 无砟轨道空间基础坐标系统的组成、布测与维护要求。 ( 2 ) 研究如何建立高精度测量控制网，确保无砟轨道施工精度要求。 ( 3 ) 如何利用c p 网对板式、双块式无砟轨道进行全自动测量精调， 以满足高速行车的要求。 ( 4 ) “三网合一 的概念和实现铁路工程测量系统统一的重要意义。 ( 5 ) 如何利用高精度测量控制网对板式道岔进行精确定位。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章精密测量控制网的相关理论知识 2 1 全球定位系统( g io b aip o sitio nin gs y s t e m - g p s ) 2 1 1 全球定位系统简介 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m - g p s ) 作为新一代的卫星导 航定位系统，经过二十多年的发展，已发展成为一种被广泛采用的系统，它 的应用领域和应用前景已远远超出了该系统设计者当初的设想。作为较早采 用g p s 技术的领域，在测量中，它最初主要用于高精度大地测量和控制测量， 建立各种类型和等级的测量控制网。 g p s 是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全 球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系 统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。g p s 的整个系 统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成。 g p s 的空间部分是由2 4 颗g p s 工作卫星所组成，这些工作卫星共同组成了 g p s 卫星星座，分布在6 个倾角为5 5 。的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期 约为1 2 恒星时，每颗g p s 工作卫星都发出用于导航定位的信号，g p s 用户正是 利用这些信号来进行工作的。 g p s 的地面控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统 所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。 主控站的作用是根据各监控站对g p s 的观测数据，计算出卫星的星历和卫星 钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去：同时，它还对 卫星进行控制，向卫星发布指令。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星 的工作状态。注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数 等注入到卫星中去。 g p s 的用户部分由g p s 接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机 气象仪器等所组成。它的作用是接收g p s 卫星所发出的信号，利用这些信号 进行导航定位等工作n 3 。 以上这三个部分共同组成了一个完整的g p s 系统，如图2 - 1 所示。 2 1 2 全球定位系统测量原理 西南交通大学硕士研究生学位论文 图2 - 1g p s 定位系统 图22 中a 、b 、c 为三个已知控制点，p 为待求点。 如果在p 点观测了a 和，卢角，根据a 、b 、c 三点的坐标和d 、f 可计算出p 点的坐标，这种方法称为后方交会：。 根据三角形正余弦定理，可得 y 。一yb2 u ，一x b ) t a n q y 月一y h = ( z p f d ) t a n ( a b p + 口) y 口一y ( = ( z 。一x c ) t a t l ( 口口一p ) 。 图2 - 2 上面的方程中有三个未知数，即。，、y ，和8 肛，其余均为己知型 通过上述三个方程解算三个未知数，从而得出p 点的坐标。 天空上每颗g p s 卫星任意时刻在轨道上的位置是知道的，在任一瓤 安置g p s 卫星信号接收机，只要同时接收到4 颗或4 颗以上的卫星信号， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 量出观测点至各卫星的距离，实质上，这就是以卫星为己知点，用距离进行 后方交会定点的方法。 2 2g p s 布网方法 2 2 1g p $ 基线向量网的等级 根据我国1 9 9 2 年所颁布的全球定位系统测量规范，g p s 基线向量网被分 成了a 、b 、c 、d 、e 五个级别。对于不同等级的g p s 网，有下列的精度要求， 见表2 1 。 g p s 网的精度指标，通常是以网中相邻点之间的距离中误差来表示的， 其具体形式为： 仃= 4 a 2 + ( b x d ) 2 ( 2 1 ) 式中盯网中相邻点间的距离中误差( 衄) 口固定误差( m m ) b 比例误差( r a m k i n ) d 相邻点间的距离( k i n ) 表2 - 1 不同等级g p s 网精度要求 测量分类固定误差a ( 衄)比例误差b ( r a m k i n )相邻点距离d ( k i n ) a50 110 0 一2 0 0 0 b811 5 2 5 0 c1 055 4 0 dl o1 0 2 一1 5 e1 0 2 01 1 0 a 级网一般为区域或国家框架网、区域动力学网；b 级网为国家大地 控制网或地方框架网；c 级网为地方控制网和工程控制网；d 级网为工程 控制网；e 级网为测图网1 引。 2 2 2g p s 基线向量网的同步图形扩展式布网形式 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 g p s 网常用的布网形式有以下几种：跟踪站式、会战式、多基准站式( 枢 纽点式) 、同步图形扩展式和单基准站式。 同步图形扩展式的作业方式具有作业效率高，图形强度好的特点，它是 目前在g p s 测量中普遍采用的一种布网形式，其他布网形式在此不予赘述。 所谓同步图形扩展式的布网形式，就是多台接收机在不同测站上进行同 步观测，在完成一个时段的同步观测后，又迁移到其它的测站上进行同步观 测，每次同步观测都可以形成一个同步图形，在测量过程中，不同的同步图 形间一般有若干个公共点相连，整个g p s 网由这些同步图形构成。 采用同步图形扩展式布设g p s 基线向量网时的观测作业方式主要以下几 种式：点连式、边连式、网连式和混连式。 其中，边连式观测作业方式具有较好的图形强度和较高的作业效率而被 广泛采用，所谓边连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间有一条边( 即 两个公共点) 相连。这样，当有m 台仪器共同作业时，每观测一个时段，就 可以测得m 一2 个新点，当这些仪器观测观测了s 个时段后，就可以测得2 + s ( m 一2 ) 个点u 。 其连接方式如图2 3 所示。 l 2 图2 3 边连式 2 3 坐标系、基准和坐标系统 一个完整的坐标系统是由坐标系和基准两方面要素所构成的。坐标系指 的是描述空间位置的表达形式，而基准指的是为描述空间位置而定义的一系 列点、线、面。在大地测量中的基准一般是指为确定点在空间中的位置，而 采用的地球椭球或参考椭球的几何参数和物理参数及其在空间的定位、定向 方式，以及在描述空间位置时所采用的单位长度的定义u 引。 2 3 1 坐标系的分类 正如前面所提及的，所谓坐标系指的是描述空间位置的表达形式，即 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 采用什么方法来表示空间位置。人们为了描述空间位置，采用了多种方法， 从而也产生了不同的坐标系，如直角坐标系、极坐标系等。在测量中，常 用的坐标系有以下几种： 2 3 1 1 空间直角坐标系 空间直角坐标系的坐标系原点位于参考椭球的中心，z 轴指向参考椭 球的北极，x 轴指向起始子午面与赤道的交点，y 轴位于赤道面上，且按右 手系与x 轴呈9 0 度夹角。某点在空间中的坐标可用该点在此坐标系的各个 坐标轴上的投影来表示，如图2 4 。 x 2 3 1 2 空间大地坐标系 图2 - 4 空间直角坐标系 图2 - 5 空间大地坐标系 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 空间大地坐标系是采用大地经度( l ) 、大地纬度( b ) 和大地高( h ) 来描述空间位置的。纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角， 经度是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面 的夹角，大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离，见 图2 5 。 地面任一点可用三维直角坐标( x ，y ，z ) 表示，也可用大地坐标( b ，l ， h ) 表示，已知某点大地纬度b 、大地经度l 和大地高h 时，由文献 1 6 可知， 可用下式计算出三维直角坐标，即： x = ( + h ) c o s b c o s l y = ( + 而) c o s b s i n l z = n ( 1 一e 2 ) + h s i n b ：1 呈一1 一p 2s i n 2b ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中a 参考椭球长半轴 e 参考椭球扁率 2 3 1 3 平面直角坐标系 平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标( 空间直角坐标或空间 大地坐标) 通过某种数学变换映射到平面上，这种变换又称为投影变换。 投影变换的方法有很多，如u t m 投影、l a m b u d a 投影等，在我国采用的是 高斯一克吕格投影，也称为高斯投影儿1 ，详见2 4 。 2 3 2 基准 所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面，在大地测量中， 在大地测量中，基准是指用以描述地球形状的参考椭球的参数，如参考椭 球的长短半轴，以及参考椭球在空间中的定位及定向，还有在描述这些位 置时所采用的单位长度的定义。 2 3 3g p s 测量中常用的坐标系统 2 3 3 1w g s - 8 4 w g s - 8 4 坐标系是目前g p s 所采用的坐标系统，g p s 所发布的星历参数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 就是基于此坐标系统的。 w g s - 8 4 坐标系统的全称是w o r l dg e o d i c a ls y s t e m - 8 4 ( 世界大地 坐标系- 8 4 ) ，它是一个地心地固坐标系统。w g s - 8 4 坐标系统由美国国防部 制图局建立，于1 9 8 7 年取代了当时g p s 所采用的坐标系统叫g s 一7 2 坐 标系统而成为g p s 的所使用的坐标系统。 w g s - 8 4 坐标系的坐标原点位于地球的质心，z 轴指向b i h l 9 8 4 0 定义 的协议地球极方向，x 轴指向b i h l 9 8 4 0 的启始子午面和赤道的交点，y 轴 与x 轴和z 轴构成右手系。 2 3 3 219 5 4 年北京坐标系 1 9 5 4 年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系 源自于原苏联采用过的1 9 4 2 年普尔科夫坐标系。 建国前，我国没有统一的大地坐标系统，建国初期，在苏联专家的建 议下，我国根据当时的具体情况，建立起了全国统一的1 9 5 4 年北京坐标 系。该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为： a = 6 3 7 8 2 4 5 m ( 参考椭球的长半轴) f = 1 2 9 8 3 ( 参考椭球的扁率) u 刮 2 3 3 31 9 8 0 年西安大地坐标系 1 9 7 8 年，我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新 的国家大地坐标系统，整体平差在新大地坐标系统中进行，这个坐标系统 就是1 9 8 0 年西安大地坐标系统。1 9 8 0 年西安大地坐标系统所采用的地球 椭球参数的四个几何和物理参数采用了i a g1 9 7 5 年的推荐值，它们是： a = 6 3 7 8 1 4 0 m ( 参考椭球的长半轴) f = 1 2 9 8 2 5 7 ( 参考椭球的扁率) u 驯 2 4 高斯投影 2 4 1 高斯投影方法简介 地面真实的图形，只有把地面物体沿铅垂线方向投影到椭球表面上才 能表现出来。当测区范围较小时，椭球表面可以看作一水平面。地形图是 把地面物体用互相平行的垂线投影到同一水平面上，所以地形图是地面在 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 水平面上的正射投影。但是当测区范围较大时，就不能把椭球表面作为水 平面看待。测绘地形图应首先把地面点投影到椭球面上，然后用适当的投 影方法投影到可展成平面的表面上。测量中通常采用的是高斯投影。这样 制成的图就是地图。 高斯投影的方法是设想有一个空心的椭圆柱与地球椭圆体上某一子午 线相切，此子午线称为中央子午线。然后将中央子午线两侧一定范围内椭 圆体表面上的图形按等角的要求投影到椭圆柱面上如图2 - 6 。沿椭圆柱面 上，通过地球两极的母线剪开，展平，则得出一个以中央子午线为中线， 以两侧子午线为边界的带状区域在平面上的图象，这个带状区域称为投影 带。在这一投影带内，中央子午线成为一直线，其长度不变。其他子午线 侧向中央子午线的两侧凸出，其长度均大于椭球面上的长度。这说明它们 都有变形，离中央子午线愈远，长度变形愈大。为了将长度变形控制在测 图精度允许范围内，可限制投影带的宽度。对于中小比例尺的测图，一般 取经度6 。宽的投影带，中央于午戏两侧各3 9 。对于大比例尺的测图，则采 用3 。宽的投影带。所以高斯投影是将椭球面划分为若干带进行分带投影。 7 。一。1 7 一”4 ”w 3 ”? 4 ，罨 瓯瞄舌爿一 s 4 1 4 镕“ 勘* ，；_ 删，；t* 图2 6 高斯 2 4 2w g s - 8 4 坐标系及其坐标转换 g p s 定位成果属于w g s 一8 4 大地坐标系，在铁路线路控制测量中要求采 用我国大地坐标系，这就有一个坐标转换的问题。当已知一点的三维直角 坐标( x ，y ，z ) 时，可解算出该点的空间大地坐标( b ，l ，h ) ，根据相应公 式，选定所投影的椭球面，代入椭球参数( 参考椭球的长半轴和扁率) ，即 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 可算出该点的平面坐标。 2 5 高程系统 在测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统和正常高系统。 2 5 1 大地高系统 大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该 点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也 称为椭球高，大地高一般用符号h 表示。大地高是一个纯几何量，不具有 物理意义，同一个点，在不同的基准下，具有不同的大地高。 2 5 2 正高系统 正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。海水有潮汐，时高时 低，所以水准面有无数个，其中，通过平均海水面的一个称为大地水准面。 它所包围的形体称为大地称为大地体。某点的正高是该点到通过该点的铅 垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号h g 表示。 2 5 3 正常高 图2 - 7 高程系统间的相互关系 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该 点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用h 。表 二= 2 0 j 刁、 o 三者之间的转换关系如图2 7 所示。 2 6g p s 基线解算( 平差) 2 6 1g p s 基线解算的基本原理 g p s 基线向量表示了各测站间的一种位置关系，即测站与测站间的坐 标增量。g p s 基线向量与常规测量中的基线是有区别的，常规测量中的基 线只有长度属性，而g p s 基线向量则具有长度、水平方位和垂直方位等三 项属性。g p s 基线向量是g p s 同步观测的直接结果，也是进行g p s 网平差、 获取最终点位的观测值。 g p s 基线解算就是利用g p s 观测值，通过数据处理，得到测站的坐标 或测站间的基线向量值。在布设g p s 网时，首先需对构成g p s 网的基线进 行观测，并利用所采集到的g p s 数据进行数据处理，通过基线解算，获得 具有同步观测数据的测站间的基线向量。为了确定g p s 网中各个点在某一 特定坐标系统下的绝对坐标，需要提供位置基准、方位基准和尺度基准， 而一条g p s 基线向量只含有在w g s - 8 4 下的水平方位、垂直方位和尺度信 息，通过多条g p s 基线向量可以提供网的方位基准和尺度基准，由于g p s 基 线向量中不含有确定网中各点绝对坐标的位置基准信息，因此，仅6 p s 基 线向量所提供的基准信息，是无法确定出网中各点的绝对坐标的。而我们 布设g p s 网的主要目的是确定网中各个点在某一特定局部坐标系下的坐标， 这就需要从外部引入位置基准，这个外部基准通常是通过一个以上的起算 点来提供的。网平差时可利用所引入的起算数据来计算出网中各点的坐标。 当然，g p s 基线向量网的平差，除了可以解求出待定点的坐标以外，还可 以发现和剔除g p s 基线向量观测值和地面观测中的粗差，消除由于各种类 型的误差而引起的矛盾，并评定观测成果的精度。 基线解算的过程实际上主要是一个平差的过程，平差所采用的观测值 主要是双差观测值。在基线解算时，平差要分三个阶段进行，第一阶段进 行初始平差，解算出整周未知数参数的和基线向量的实数解( 浮动解) ；在 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第二阶段，将整周未知数固定成整数；在第三阶段，将确定了的整周未知 数作为已知值，仅将待定的测站坐标作为未知参数，再次进行平差解算， 解求出基线向量的最终解整数解( 固定解) e 1 9 ju 副。 2 6 2g p s 网平差的分类 g p s 网平差的类型有多种，根据平差所进行的坐标空间，可将g p s 网 平差分为三维平差和二维平差，根据平差时所采用的观测值和起算数据的 数量和类型，可将平差分为无约束平差、约束平差和联合平差等。 2 6 2 1 三维平差和二维平差 所谓三维平差是指平差在三维空间坐标系中进行，观测值为三维空间 中的观测值，解算出的结果为点的三维空间坐标。g p s网的三维平差，一 般在三维空间直角坐标系或三维空间大地坐标系下进行。 所n - - 维平差是指平差在二维平面坐标系下进行，观测值为二维观测 值，解算出的结果为点的二维平面坐标。二维平差一般适合于小范围g p s 网 的平差。 2 6 2 2 无约束平差、约束平差和联合平差 g p s 网的无约束平差指的是在平差时不引入会造成6 p s 网产生由非观 测量所引起的变形的外部起算数据。常见的g p s 网的无约束平差，一般是 在平差时没有起算数据或没有多余的起算数据。 g p s 网的约束平差指的是平差时所采用的观测值完全是g p s 观测值 ( 即g p s 基线向量) ，而且在平差时引入了使得g p s 网产生由非观测量所 引起的变形的外部起算数据。 g p s 网的联合平差指的是平差时所采用的观测值除了g p s 观测值以 外，还采用了地面常规观测值，这些地面常规观测值包括边长、方向、角 度等观测值等驯u 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第3 章无砟轨道三级平面控制网的作用 及建立方法 3 1 基础平面控制网( c pi ) c pi 主要为勘测、施工、运营维护提供坐标基准，沿线路走向布设， 按g p s 静态相对定位原理建立，采用双频g p s 接收机，按b 级g p s 网精度 施测，为全线各级平面控制测量的基准，全线一次布网、统一测量、整体 平差。 c p i 沿线路走向布设，采用边联结方式构网，形成由三角形或大地四边 形组成的带状网；在线路勘测设计起点、终点或与其它铁路平面控制网衔 接地段，布设2 个以上的c p i 控制点相重合，并在测量成果中反映出相互 关系。 c p i 控制点位尽可能选在铁路用地界内、不易被破坏的范围内；当与水 准点共用时，应选在土质坚实、安全僻静、观测方便和利于长期保存的地 方，并按规定埋石。所有c p i 控制点均在现场填写点位说明，必要时丈量 至明显地物的距离，绘制点位示意图，作好点之记。 c p i 控制点每隔4 k m 左右布设一个点；隧道段( 8 0 0 r e ) 于隧道进出口 与斜井处布设一对相互通视的点，以便隧道内c p i i 导线联测。每对点间距 离不小于1 0 0 0 m 。 3 1 1c p i 点位的选取应满足以下要求 ( 1 ) 点位应便于安置g p s 接收机。点位周围视野开阔，在地面高度角 1 5 。内不应有成片的障碍物，便于g p s 卫星信号的接收； ( 2 ) 离大功率无线电发射源( 如电视台、电台、微波站等) 的距离不 小于4 0 0 m ，离高压输电线距离不得小于2 0 0 m ： ( 3 ) 附近不应有强烈干扰卫星信号接收的物体( 如金属广告牌等) ， 尽量避开大面积水域； ( 4 ) 点位应选在稳定、牢固、不易破坏且容易寻找、交通方便、利于 安全作业的地方。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 3 1 。2 基础平面控制点( c p1 ) 施测 ( 1 ) 仪器：采用双频g p s 接收机； ( 2 ) c p i 应与沿线不低于国家二等三角点或g p s 点联测，每5 0 k m 左右 联测一个国家三角点。全线联测国家三角点的总数不得少于3 个。 3 1 3g p s 基线解算 g p s 基线采用静态相对定位模式进行解算，基线解算采用精密星历或广 播星历为原始数据，以g p s 随机的软件解算。以g p s 网中某个g p s 点的w g s 一8 4 坐标为起算坐标进行基线解算。基线解算应作以下检核统计工作： ( 1 ) 计算同一时段观测值的资料剔除率应小于1 0 ； ( 2 ) 同一条边任意两个时段解算值互差小于2 , 5 4 5 2 + d 2 ( 咖) ； ( 3 ) 独立观测边闭合环各坐标分量闭合差应符合下式规定： w x 3t o 、w y 3 甩o 、w z 3 刀a 、w 34 3 n o ( 4 ) 同步观测环闭合差应满足以下要求： rrr w x 胛o 5 、w y 刀o 5 、w z 珂o 5 广= _ = - w ：彬2 + 2 + 彬。磊。5 上式中n 为闭合环边数，盯为仪器标称精度8 3 1 引。 3 1 4g p s 网平差及坐标转换 数据后处理采用通用的商业软件( 如科傻、t p p s 等) 或随机数据处理 软件进行平差计算。 ( 1 ) 采用g p s 基线的双差固定解进行g p s 基线网平差； ( 2 ) 在w g s - 8 4 坐标系中进行三维无约束平差，并把w g s 一8 4 的三维坐 标转换为工程独立平面坐标： ( 3 ) 采用一个已知点和一个已知方向进行坐标转换，并引入相应的平 面坐标系； ( 4 ) 为保证g p s 测量的高精度性，坐标转换前，检查联测三角点的精 度，确认至少满足c 级控制点精度后方可采用； 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 ( 5 ) 基础平面控制网( c p i ) 基线边方向中误差1 7 ”，最弱边相对 中误差1 1 0 0 0 0 0 8 19 1 。 3 2 线路控制网( c pi i ) c pi i 在基础平面控制网( c pi ) 上沿线路附近布设，为勘测、施工阶 段的线路平面控制和无砟轨道施工阶段基桩控制网起闭的基准。 c p i i 网在c pi 网的基础上采用四等导线或c 级g p s 网施测，点间距 8 0 0 1 0 0 0 m ，离线路5 0 - 1 0 0 m 左右，c p i i 控制点位尽可能选在铁路用地界内、 不易被破坏的范围内；当与水准点共用时，应选在土质坚实、安全僻静、 观测方便和利于长期保存的地方，并按规定埋石。所有c p i i 控制点均在现 场填写点位说明，必要时丈量至明显地物的距离，绘制点位示意图，作好 点之记。 在线路勘测设计起、终点及不同单位测量衔接地段，联测2 个以上c p i i 控制点作为共用点，并在测量成果中反映出相互关系。c p i i 控制点应有 良好的对空通视条件，相邻点之间应通视，特别困难地区至少有一个通视 点，以满足放线或施工测量的需要。c p i i 网采用边联结方式构网，形成由 三角形或大地四边形组成的带状网，并与c p i 联测构成附合网。 c pi i 测量采用双频g p s 接收机观测，采用通用的商业软件( 如科傻、 t p p s 等) 或随机数据处理软件进行平差计算，采用固定数据平差；基线边 方向中误差4 2 0 ”，