高速铁路中的精密工程测量技术.doc

高速铁路中的精密工程测量技术 精密工程测量是工程测量的分支，是测绘科学在大型工程、高新技术工程和特种工程等精密工程建设中的应用。精密工程测量主要研究精密工程测量技术的理论和方法，突出“高精度”和“可靠性”，代表了工程测量的最新发展和先进技术。他是传统工程测量的发展和延伸，应用先进的高精度的仪器、设备进行测角、测距、测高、定向、定位从而获得个点的三维坐标或进行施工放样。其测量精度一般为1-2mm，相对精度高于106。我国建国半个多世纪以来，随着社会主义现代化建设的发展，同样促进了精密工程测量的蓬勃发展，而正在建设的高速铁路对测量技术的特殊要求也加速了测量技术的发展。现对高速铁路建设中的精密测量技术的应用做一简单论述。 一、高速铁路建设中精密测量技术的重要性 高速铁路以其输送能力大、速度快、安全性好、舒适方便等优点开始在我国进入了高速发展阶段。高速铁路设计时速高达200km/h350km/h，运行目标是高安全性和高乘坐舒适性，任何一个小小的颠簸，都会给旅客列车带来严重的安全事故。因此，要求轨道结构必须具备高平顺度和高稳定性。而轨道具备高平顺性和高稳定性的条件，除轨道结构的合理外形尺寸、良好的材质和制造工艺外，轨道的高精度铺设是实现轨道初始高平顺性的保证。而这些必须依靠精密测量才能完成。进入高铁时代的铁路测量，也随着高铁的要求发生了重大变革，由于高铁比普通铁路线路变得更直、曲线长度变得更长、隧道和桥梁的增加、轨道演变为无砟轨道测量、测量控制网的变化、沉降监控量测的高精度和持久性、测量工作时间的变化等等，给铁路建设维护中的精密工程测量带来很多新课题，测量的理论、方法、规范、仪器都需要革新和变化。二、 高速铁路施工测量的精度标准 高速铁路工程测量执行的国家规范有高速铁路工程测量规范（TB10601 2009）、铁路工程卫星定位测量规范（J1088-2010）、铁路工程测量规范（TB101012009）及国家一、二等水准测量规范（GB/T12897-2006）。2.1 平面控制测量的精度标准高速铁路工程测量的控制网，按施测阶段、施测目的及功能可分为勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网。平面控制网应在框架控制网CP0基础上分CP、CP、CP三级布设。按逐级控制原则布设的平面控制网，其设计的主要技术要求应符合表2-1的规定。2-1 各级平面控制网设计的主要技术要求控制网测量方法测量等级点间距相邻点的相对中误差（mm）备注CP0GPS50km20CPGPS二等4km 一对点10点间距800mCPGPS三等600800m8导线三等400800m8附合导线网CP自由测站边角交会5070m一对点1CP平面网的主要技术要求应符合表2-2的规定。 表2-2 CP平面网的主要技术要求控制网名称测量方法方向观测中误差距离测量的中误差可重复性测量精度相邻点相对点位中误差CP平面网自由测站边角交会1.81.0mm1.5mm1.0mm导线控制网可布设成附合导线、闭合导线或导线网，测量应符合表13-6规定，表中为测站数，当边长短于500m时，二等边长中误差应小于2.5mm，三等边长中误差应小于3.5mm，四等、一级边长中误差应小于5mm，二级边长中误差应小于7.5mm。表2-3 导线测量的主要技术要求等级测角中误差()测距相对中误差方位角闭合差()导线全长相对闭合差测 回 数0.5级仪器1级仪器2级仪器6级仪器二等11/250 0001/100 00069隧道二等1.31/250 0001/100 00069三等1.81/150 0001/55 0004610四等2.51/80 0001/40 000346一级41/40 0001/20 00022二级7.51/20 0001/12 000132.2高程控制测量的精度标准高速铁路工程测量的高程系统应采用1985国家高程基准。高程控制网按施测阶段、施测目的及功能可分为勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网。高程控制网分二级布设，第一级线路水准基点控制网，为高速铁路工程勘测设计、施工提供高程基准；第二级轨道控制网（CP），为高速铁路轨道施工、维护提供高程基准。 高程控制网的技术要求水准测量等级每千米高差偶然中误差(mm)每千米高差全中误差(mm)附合路线和环线周长的长度(km)附合路线长环线周长二等12400750精密水准243三等36150200四等51080100五等7.5153030各级高程控制测量宜采用水准测量。山岭、沼泽及水网地区，水准测量有困难时，三等及以下高程控制测量可采用光电测距三角高程测量，二等高程控制测量可采用精密光电测距三角高程测量。水准测量各等级水准测量限差应符合表13-10的规定，光电测距三角高程测量观测的主要技术要求应符合表13-11的规定，表中为测段水准路线长度，为水准路线长度，为检测测段长度，为测距边长，为测段间累计测距边长，单位均为km；为测段水准测量站数。水准测量限差要求 (mm)水准测量等 级测段、路线往返测高差不符值测段、路线的左右路线高差不符值附合路线或环线闭合差检测已测测段高差之差平原山区平原山区二等精密水准三等四等五等三、高速铁路平面控制测量高速铁路工程测量包括了勘测设计、线下工程施工、轨道施工、竣工验收测量，整个测量周期长，其间还包括施工期间平面高程控制网的复测与维护。由于高速铁路线路长、地区跨越幅度大，地形、地质条件变化大，因此要求高速铁路工程测量工作开展前，勘测设计单位需根据线路走向、地形地貌特点、地质特征等进行测量总体设计，明确控制网形式、坐标系统、基准、精度和建网时机等主要原则。高速铁路工程测量平面坐标系应采用工程独立坐标系统，在对应的线路轨面设计高程面上坐标系统的投影长度变形值不宜大于10mm/km。高速铁路工程测量平面控制网应在框架控制网（CP0）基础上分三级布设，第一级为基础平面控制网（CP），主要为勘测、施工、运营维护提供坐标基准；第二级为线路平面控制网（CP），主要为勘测和施工提供控制基准；第三级为轨道控制网（CP），主要为轨道铺设和运营维护提供控制基准。三级平面控制网之间的相互关系如图13-1所示。图13-1 高速铁路三级平面控制网示意图高速铁路为了实现三网合一，要求勘测、施工、营运维护各阶段的平面控制基准统一且相互衔接，即：勘测阶段的基础平面控制网CP应附合到CP0控制网上；作为线下工程施工控制的线路平面控制网CP应附合到CP控制网上，保证施工的线路平面位置与设计的线路平面位置一致；作为轨道施工控制的轨道控制网CP应附合到CP控制网上，保证轨道工程施工的线路位置与线下工程施工的线路位置一致，CP控制网是高速铁路测量最基本的控制网, 在高速铁路的修建过程中，从线路的中线放样、底座混凝土钢模放样方案、轨道板调整到钢轨精调系统以及后期线路维护都离不开CP，所以CP控制网在施工中显得极为重要，因而以下仅介绍CP。3.1 CP平面网测量的构网形式CP控制网应采用自由测站边角交会法施测，每个自由测站观测12个CP点。主要技术要求应符合表13-42的规定。每个CP测量组中需使用同一批棱镜（包含联测CPII等控制点），并做好棱镜常数等参数的设置工作。表13-42 CP平面网的主要技术要求测量方法方向观测中误差距离观测中误差相邻点的相对中误差自由测站边角交会1.81.0mm1.0mm为了保证自由测站的测量精度，要求自由测站点距CPIII控制点距离应为120 m左右，最大不超过180m；自由测站距CP或CP控制点的距离不宜大于300m；每个CP点至少应保证有3个自由测站的方向和距离观测量。按照这些要求，根据CP控制网的测量内容和条件，一般采取如下形式构网。通常情况下采用测站间距为120m的CP平面网型，如图13-12所示。因遇施工干扰或观测条件稍差时，也可采用测站间距应为60m左右（如图13-13所示）的构网形式，这时每个CP控制点应有4个方向交会。3.2 CP测量数据采集与处理软件简介 CP数据采集软件是专为我国无砟轨道客运专线铁路施工中，CP控制网测量数据采集而设计的外业观测自动化软件。适用在Leica1800/2003，Leica1201，TrimbleS6/S8 等智能全站仪上，可运行在Windows Mobile 操作系统的外业手簿上或普通的商务PDA上。并通过数据电缆或无线数传电台控制智能型全站仪，进行相应的设置之后即可自动完成多测回全圆方向和距离观测，并保存合格数据。四、高速铁路高程控制测量高程控制测量以线路水准基点控制网为起算基准，系统采用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，应消除断高，换算成1985 国家高程基准。有困难时亦应换算成全线统一的高程系统。4.1 线路水准基点控制网测量1）线路水准基点选埋线路水准基点是沿高速铁路线路敷设的首级高程控制点，一般每2km左右布设一个，重点工程（大桥、长隧及特殊路基结构）地段应根据实际情况增设水准基点。点位距线路中线50300m为宜。并于国家高等级水准基点构成附合路线或闭合环形式的高程控制网。2）线路水准基点控制网测量线路水准基点控制网按二等水准精度建立，水准路线一般150km，宜与国家一、二等水准点联测，最长不应超过400km。线路水准基点控制网应全线（段）一次布网测量。在勘测阶段不具备二等水准测量条件时，可根据勘测设计的需要建立相应的高程控制。在线下工程施工前，全线再建立二等线路水准基点控制网。4.2轨道控制网（CP）高程测量CP高程控制网也称轨道控制网，主要为高速铁路轨道施工、运行期维护提供高程基准。应在线下工程竣工且沉降和变形评估通过后施测。CP高程控制点与CP平面控制点共点，测量通常安排在CP平面控制网观测完成后进行。CP高程控制网采用“精密水准”方法测量，它是介于二等水准和三等水准测量精度的一个等级，专用于CP高程测量。施测前应对全线的二等线路水准基点进行复测，构网联测测区内所有复测合格的二等线路水准基点。在具备充分准备的条件下按下列要求实测测量：（1） CP高程控制网的首次测量与平差计算，应该独立地进行两次。所谓“独立地进行两次”是指两次测量和平差计算应该在完全不同的两个时间段内进行。（2） CP高程控制网采用“精密水准”方法观测，按照“后-前-前-后”或“前-后-后-前”的顺序测量。宜使用DS1及以上精度的电子水准仪及因瓦尺进行测量。（3） 应附合于二等线路水准基点，与测区内二等线路水准基点的联测时，采用独立往返精密水准测量的方法进行，每两公里联测一个线路水准基点，每一区段应至少与三个水准基点进行联测，形成检核。（4） CP点与 CP点之间的水准路线，应该采用“中视法”或“矩形法”的水准路线形式，以保证每相邻的4个 CP点之间都构成一个闭合环。（5） CPIII控制点水准测量应对相邻4个CP点所构成的水准闭合环进行环闭合差检核，相邻CP点的水准环闭合差不得大于1mm。（6） 区段之间衔接时，前后区段独立平差重叠点高程差值应3mm。满足该条件后，后一区段CP网平差，应采用本区段联测的线路水准基点及重叠段前一区段连续12 对CP点高程成果进行约束平差。相邻CPIII点高差中误差不应大于0.5mm。3）CP高程传递测量当桥面与地面间高差大于3m，线路水准基点高程直接传递到桥面CP控制点上困难时，应选择桥面与地面间高差较小的地方采用不量仪器高和棱镜高的中间设站三角高程测量法传递高程，且要求变换仪器高观测2次，每次要求手工观测4个测回。两组高差较差不应大于2mm，满足限差要求后，取两组高差平均值作为传递高差。中间设站三角高程测量方法，就是在没有仪器高和棱镜高量取误差的情况下，求出点A 和点B 的高差。其测量原理如图1所示。也可在同一侧设置观测点，如图2。图1图2五、高铁轨道施工测量 无砟轨道是高速铁路建设中优先选用的轨道形式，它是以钢筋混凝土道床取代散粒体道砟道床的整体式轨道结构。无砟轨道混凝土底座及支承层平面施工可采用全站仪自由设站直接进行模板三维坐标放样，一次完成。也可先采用全站仪自由设站测设轨道中心线，模板平面位置由轨道中心线放出，模板高程采用几何水准施测。测量使用的全站仪精度不应低于（2、2mm+2ppm），水准仪精度不应低于3mm/km。自由设站观测的CPIII控制点不宜少于3对，更换测站后，相邻测站重叠观测的CP控制点不宜少于2对自由设站是高速铁路轨道施工中最常采用的测量方法，它在工作区域的线路中线附近任意一点架设全站仪，测量线路两侧多对轨道控制网CPIII点的方向和距离，通过多点边角后方交会原理获取仪器中心点的平面和高程位置，然后再依据仪器的三维坐标进行其他测量和测设。该方法充分利用了智能全站仪在特定条件下测角、测距具有极高的精度以及自动搜索这一特点而提出的。为了保证测量精度，必须要有一定的多余观测量。5.1 轨道安装定位测量 采用龙门吊铺设轨道板，液压锁闭起吊横梁起吊，锁闭时侧面的抓钩依垂直方向旋人，锁闭机的4个抓夹点的螺栓经检查完全封闭后起吊轨道板。轨道板起吊前，先检查板号、板的方向是否正确，承轨台是否有裂纹，轨道板是否有损坏，如混凝土剥落，深度不超过5mm，面积不超过50cm，剥落点不得侵人板边缘巧mm，长度不得超过100mm。轨道板吊起后，用附加绞盘在起吊横梁上调整横向倾斜度，以便能以相应的超高将轨道板安放在混凝土底座板上。龙门吊将轨道板移至安装点正上方后缓慢放下，落在底座板上的实现摆好的垫木上，人工配合作业，一端和已安装好的轨道板对齐，另一端将轨道板的半圆形凹槽直接定位在圆锥体上。5.2 轨道精调测量 轨道精调测量应在长钢轨应力放散并锁定后，采用全站仪自由设站方式配合轨道几何状态测量仪进行。采用全站仪自由设站配合特制测量标架进行，单元板精调的方法是我国自主创新研发的型轨道板安装定位方法。仪器的安装全站仪的架设：把两对强制对中三角架架设在前后两个GRP点上，这两个GRP点间隔了三个轨道板。把全站仪放在小里程的GRP点上，将配套的棱镜放在大里程的GRP点上，假设全站仪上是1号GRP点，棱镜架设的是2号GRP点。GRP 点的坐标是由全站仪自由设站测量CPIII点得到。标架的架设：总共有5个标架，1号标架放在所测II型板的第一号承轨台上，1号标架上的棱镜为1#和8#，2号标架放在第五个承轨台上，2号标架上的棱镜为2#和7#号棱镜。3号标架放在第十个承轨台上，3号标架上的棱镜为3#和6#棱镜。4号标架放在上一个调好的调好的板的第一个承轨台上，4号标架上的棱镜为4#和5#棱镜，用于仪器的定向。所有标架要与承轨台紧紧密贴在一起.II型板的特征：有十个承轨台，每个承轨台的数据都已经设计好，在板文件中给出。精调的目的就是将II型板放样到它所设计的位置上。仪器的连接：将全站仪与安装有II型板测量系统的计算机连接起来。把全站仪与一配置好的电台用数据线进行连接，电脑与另一个电台连接，选择好参考系数，进行全站仪与电脑的连接 。连接成功后仪器的安装结束。（3）标架的检校每天测量开始前，都要进行标架的检校。用标准标架进行仪器的检校。取出标准标架，放在II型板的任一承轨台上，与承轨台紧紧密贴好，放一个标准棱镜在标准标架上，用全站仪测量标准标架上的棱镜，测回三次。将标准标架旋转180，与承轨台密贴。进行测量，保存数据。取下标准标架，放上1号标架，与承轨台密贴好。测量得出数据，与标准数据进行比较，设置1号标架的参考参数，分为绝对参考参数和相对参考参数。依次设置好1号到4号标架的参考参数，仪器校正结束，可以进行无砟轨道板的精调了。（4）定向全站仪和后视棱镜整平对中结束后，进行定向测量。对全站仪常数设置：进行温度，气压，棱镜常数进行改正。强制对中三角架的使用，棱镜高为一常数60cm。棱镜选择莱卡小棱镜，棱镜常数为17.5mm。在连接好的计算机中导入需要使用的数据：板文件数据(FFE,FFD格式),包括板上承轨槽上三个面，30个点的数据。GRP点数据（DPU格式），需要使用到的GRP点的点坐标，由CPIII点测量出来。打开南方II板精调板软件，新建文件，新建文件中有四个文件夹和一个工程文件名。打开 工程文件名，测量得到的数据全部保存在这个文件中。一个文件夹是系统文件(logs),一个文件夹放有板文件，一个文件放GRP数据，一个文件存放测量数据。进行仪器定向：选择相对应的GRP点进行定向，全站仪的GRP点为1号点，在电脑上选择一号点坐标，定向棱镜为2号GRP点，选择2号点进行后视，把全站仪对准定向棱镜测量，定向成功，查看定向精度，精度达到要求，定向完成。（5）精调工作 定向成功后，即可开始进行精确调板工作。就是把粗略放置的CRTSII板放置到设计好的位置。调板通常先调1#、8#点。测量1#、8#点时，可采用单点测量，亦可采用跟踪测量，在1#标架上设有倾角传感器，采用视距法测定棱1，再借助倾角传感器得到棱镜8的高差或采用视距法测定棱镜8，再借助倾角传感器得到棱镜1#的高差。通常采用跟踪测量，在跟踪测量时，工人调板的时候可显示板的位置和高程，工人可根据显示器上显示的数据调板。跟踪测量的缺点为精度不高。在调时，1#、8#点的两工人要同时以同样的速度同样的频率转动扳手，先调方向，再调高程。如果不同步，就有可能将板底的钢板拉出，或着千斤顶蹦出或高程、方向出现大幅度的变化，影响精调。1#、8#点调完后，接着采用跟踪测量分别测出3#、6#棱镜高程及板的位置。通过1#、3