浅谈高速铁路轨道精密测量技术.doc

浅谈高速铁路轨道精密测量技术1前 言伴随着我国第一条高速铁路京津城际客运专线的建成通车，我国正式跨入了高速时代。铁路“十一五”规划中“四横四纵”等几大新的项目也已经正式启动，并陆续部分建成通车。截止 11 月底，我国高速铁路营业里程已达 7531 公里，我国已经成为全世界高速铁路运营里程最长、在建规模最大的国家。在我国高速铁路迅猛发展的今天，传统的相对测量模式与方法已经满足不了我国高速铁路建设和运营维护的高精度需要。为此，精密工程测量方法就完全替代了传统的相对测量模式，为我国高铁高质高效的建设和后期平稳、舒适的运营发挥了重要的作用。但随着大量高速铁路的交付使用，如何在日益恶劣的测量条件下，长期保持高铁轨道几何线型的高平顺性也就显得日益重要。同时，高速铁路的养护维修作业全安排在夜间综合天窗内进行，视线等受到极大的限制，这就必须依赖高精度的测量数据才能进行作业。可以说，高精度的测量结果已经成为运营中高速铁路养护维修的灵魂所在。为此，本文结合郑西高铁的实际情况，对现行的精密测量技术进行探讨，并介绍如何利用有效的测量结果，指导现场的养护维修作业，逐步提高线路设备质量。2 三维精测网的概念2.1三网合一的概念高速铁路建设与传统铁路建设最大的区别在于工程施工工艺和精度要求非常高。为满足这一要求，高速铁路建设引入了精密工程测量体系，并变传统的相对测量模式为全新的相对测量模式，并在勘测设计阶段、施工阶段和运营维护阶段采用统一的平面、高程控制坐标基准，简称“三网合一”。2.2平面控制网为适应高速铁路建设的需要，GPS 基站网（框架网 CPO）按每 50100km 左右沿所建铁路两侧设置，按国家 A/B 级 GPS 标准施测。高速铁路无砟轨道平面控制网在 GPS 基站网（也称框架网，CP0 网）的基础上进行分级布设。基础平面控制网，亦即勘测设计网（CP），按铁路 B 级 GPS 标准沿线路小于 4km 布设一个点或一个点对。测量方法：使用双频 GPS接收机，按静态测量方式观测两个时段，每个时段 90 分钟，使用广播星历解算基线。误差要求：基线边方向中误差:1.3 秒，最弱边相对中误差：1/170000，相对点位精度：10 mm。线路控制网，亦即施工控制网（CP）,按铁路 C 级 GPS 标准沿线路布设设，点间距在 8001000m，困难地段不短于 600m。测量方法：使用双频 GPS 接收机，按静态测量方式观测两个时段，每个时段60 分钟，使用广播星历解算基线。误差要求：基线边方向中误差:1.7秒，最弱边相对中误差：1/100000，相对点位精度：10mm。轨道控制网，亦即运营维护网（(CP)，主要为无砟轨道铺设和运营维护提供控制基准，沿线路两侧每 5080 米布置一个点对，控制网精度要求高，利用全站仪采用自由设站边角交会方法进行施测。观测时使用 1 秒级全站仪观测 34 个测回，使用 0.5 秒级全站仪观测23 个测回。精度要求：可重复性测量精度：3mm; 相对点位精度: 1mm。2.3控制网复测平面和高程控制网的复测应该使用与建网时相同的技术标准、作业方法、精度等级相同的仪器设备。复测周期：全面复测一般每年一次，对于地面不均匀沉降地区应根据沉降量变化情况可以半年一次，特殊情况再研究。3轨道几何尺寸精密测量开通运营阶段的轨道静态几何状态测量主要是通过测量若干施测点的平面、高程坐标，换算模拟为轨道中线的空间三维坐标，从而对轨道的方向、高低以及平顺性进行控制，从而指导现场消灭病害，服务生产。3.1测量方法目前郑西高铁采用的静态检测仪器为天拓天宝公司生产的 GEDOCE 轨道几何状态测量仪，由 Trimble S8 型全站仪、TSC 手簿（微型掌上电脑）、精密专用反光棱镜和高精度传感器系统组成的轨道几何状态测量小车组成。测量步骤主要有以下几个方面：1. 测量之前，首先需将 CP精测网资料、轨道线型参数等资料预先输入到 TSC 手簿的机载软件中，并提前设定好测量环境（温度、气压等），以便系统对测量环境误差进行修正。2. 在测量现场，须手动照准 2 个 CP坐标，并采集数据，后全站仪自动照准其余 6 个 CP坐标，完成自由建站。建站中需剔除误差较大的 CP坐标，但须同时保留至少 6 个 CP坐标,以保证建站精度。3. 校准、标定 GEDO CE 测量小车后，全站仪瞄准并跟踪测量小车，获取小车所在位置的中线观测数据，同时采集小车所在位置的里程、高程、水平、轨距等数据，并保存测量数据。4. 下线后，利用专业数据处理软件进行数据下载并处理分析，提交测量报告，指导工区现场作业。3.2现场实际操作的局限性按照上述操作流程，要达到消灭现场实际病害的目的，对轨道精测控制网（CP）的精度要求非常高，方能达到整治线路病害的目的。而郑西高铁自开通运营以来，受到施工破坏、地表沉降、装置脱落等客观原因的影响，造成现场的 CP精测网破坏严重、控制网坐标不准确等现象，严重制约了现场测量工作的推进，如果再完全按照测量步骤进行，将有很多地段的测量工作无法开展，现场病害得不到有效消灭。现阶段对郑西高铁进行线路测量时，建站中误差均在 15（1.5mm）以上，部分地段甚至很难达到 30（3mm）以下，隧道内，CP精测网数据尚算良好，但与 GEDO 天宝小车测量规范规定的 10 相比，仍然有较大差距，此建站标准仍然远远不能达到要求，若完全按照 GEDO 天宝小车规定的数据处理方法进行数据处理，我们可以发现，从随机处理软件 GEDO Cale 中导出的模拟图形中，在每两个相邻的测站搭接地段，在高低、方向上均存在一个较为明显的错台，但是通过查阅动检车振幅图对应地段来看，在这些地段均无 GEDO Cale 软件模拟图形中的错台情况，如果完全按照 GEDO Cale 软件中导出的数据进行处理，相邻测站搭接地段的数据将无法得到最为准确的处理，不能较为科学的反应现场的实际情况，对现场的晃车病害也不能得到有效地整治。3.3几点做法按照测量规范要求，对搭接地段，在进行第二站的测量时，需要对前一站的最后 10 根枕进行重复测量。通过对大量测量数据的对比分析，我们发现，重复测量的 10 跟枕木不论是方向偏差，还是高低偏差数值，同一根枕木两值的差值，始终大致保持在某一个固定的数值左右，彼此偏差很少会超过 0.5mm，为了消除测站间的错台情况，我们在数据处理的时候，采用“穿袖子”的方法，把两站的测量数据拟合到同一个基准之上，再对数据进行处理，具体的做法如下：首先将第一站、第二站的 GEDO Cale 软件的导出数据放到同一个EXCEL 表格中，并将两站搭接时重复测量的 10 根枕木放在同一行中，然后对第二站的数据向第一站进行拟合，在方向偏差的数据上，加上第一站与第二站间的 10 根枕偏差的平均值，后赋予给第二站作为新的方向偏差值，高低偏差的处理方法与方向偏差的处理方法一致。至此，我们认为第一、二站采用的基准一致。值得注意的是：在第三站的数据处理时，需要模拟到与第一、二站相同的基准之上，即需要在经过处理的第二站数据的基础上，对搭接区的 10 根枕木的数据进行处理，以保证每一站均能够模拟到同一个基准之上。若按照同样的方法，将经过上述方法进行处理后的数据进行模拟形，我们发现，新得到的图形在搭接地段仍然能够保持线型的平顺变化，这对我们处理数据时保持线型的整体平顺、控制线路的成波平顺性尤为重要。在得到经过“穿袖子”方法处理数据后的模拟图形后，接下来我们需要对所测线路的长波及短波不平顺分别进行控制。具体的做法是：首先分析所得图形的整体走势,即定出方向或者高低的“主线”，然后将偏离线路整体走势的位置给调整到模拟图形的“主线”位置上以保证线路在长波和短波的平顺性，从而提高线路质量。目前郑西高铁上大多数病害的测量数据均按照上述方法进行数据处理，得出的调整方案经过与动检车振幅图和现场的实际复核情况来看，经此方法处理后得出的数据是准确的，按照此方法作业后的线路病害能够切实得到消灭，线路质量能够得到切