高速铁路轨道测量系统研究

1、摘 要目前我国正在大规模建设高速客运专线，客运专线将广泛采用当代铁路建设的新技术和新成果，新建高速客运专线，对于铁路建设者的管理、设计、建造技术和施工部门来说，都是一个全新的课题，高速铁路建设没有成功的经验可以利用，高速铁路轨道测量在我国更是没有先例。因此，作为初始轨道建设技术关键和运营管理基础的轨道测量系统正是目前高速铁路建设阶段所面临的挑战性问题，探讨可行的轨道测量方法势在必行。论文首先论述了轨道测量的基础部分，即高速铁路控制网的布设，平面测量控制网分三级布设，第一级为GPS基础平面控制网CPI，第二级为线路控制网CPII，第三级为基桩控制网CPIII。总体上，控制网由CPI、CPII、C

2、PIII和大地水准点组成。根据高速铁路轨道测量质量精度要求、特点及重要性，研究了先进的测量设备和测量方法，即轨检小车测量系统，其功能是及时准确地提供铺设轨道所需要的轨道位置、高程及轨道几何状态等参数，满足轨道的施工质量和精度及施工标准中对轨道几何状态提出的规定。轨检小车测量系统在轨道测量过程中，在高精度全站仪配合下，使用自由设站，根据CPIII进行定位，采用配合全站仪的测量系统来计算轨道平面位置和高程的偏移量，高精度传感器记录超高、轨距等轨道几何状态参数，整个设备都固定在轨检小车上，系统由电脑控制。为了适应和促进国民经济发展，必须大力增加铁路运输能力。这方面除了修建新线之外，对既有线进行技术改

3、造，充分其挖掘潜能，也是一种有效的措施。论文的最后一部分实现了用坐标法复测既有线的目的，其目的是对其现状作详细的测绘和调查，把其现状准确地反映出来，为既有铁路的运营管理、养护、技术改造、改建和增建第二线提供资料，把线路整正到圆顺状态。利用坐标法实测的坐标计算出正矢变化图，从而选出圆曲线上点，用最小二乘法拟和半径和圆心坐标。根据整正曲线的原则优化曲线参数和选定曲线元素，最后计算出相应各测点的拨道量，及特征点的里程和坐标。【关键词】: 轨道几何状态，轨道测量，自由设站，轨检小车，复测既有线目 录III1123345679991011131517171819202123242525262728293

4、132333537393944464648505051525253545455565860606264676868697072第1章 绪论1.1课题研究背景高速铁路是铁路运输发展的趋势，而中国不仅铁路建的少，列车速度也严重滞后，根据国家中长期铁路网规划，在我国，铁路等级除、级外又增加了“客运专线”等级，时速200350km/h的铁路统称为客运专线，中国客运专线规划建设“四横四纵”和三个城际客运系统的高速铁路客运网。随着中长期铁路网规划的实施，我国正在大规模建设高速客运专线，客运专线将广泛采用当代铁路建设的新技术和新成果，无碴轨道结构是当代高速铁路修建技术中的一个重要标志，目前世界上只有少数几个

5、国家拥有广泛使用这方面技术的经验。新建高速客运专线，对于铁路建设者的管理、设计和施工部门来说，是一个全新的课题，对于高等级铁路客运专线的设计、建造技术和管理标准，也正处在国外技术引进阶段，高速铁路轨道测量在我国更是没有先例。因此，高速轨道测量正是目前高速铁路建设阶段所面临的挑战性问题。而传统的轨道测量方法不可能达到高速轨道铺设精度平顺性验收标准的要求和轨道整体平顺性的要求，所以建设者需要根据高速铁路建设的高质量、高标准要求，从节约时间、成本和线路整体高平顺性的角度出发去探索一些更有效、更可行的测量方法，以适应未来高速铁路大规模建设和轨道测量朝着自动化方向发展的必然趋势。并且高速客运专线轨道工程

6、要求一次性铺设无蹅轨道1，无蹅轨道技术和无蹅轨道的铺设，对轨道质量的要求很高，无碴轨道测量的一个最显著特点就是高精度，测量技术必须保证最终的毫米级精度；且要求新建轨道结构具有高平顺性、高稳定性和高可靠性的特点，这就要求客运专线轨道在铺轨施工测量过程中具有很高的初始精度。而我国高速铁路建设是一个新事物，勘测设计、轨道测量和运营维护都没有成功的经验可以利用，因此探讨可行的轨道测量方法势在必行。1.2 高速铁路轨道测量的重要性轨道测量是保证轨道结构铺设高精度实现初始高平顺性的基础。轨道结构铺设阶段产生的初始不平顺2，是运营阶段不平顺产生、发展、恶化的根源，建设过程中若不严格控制，将造成运营期间难以处

7、置的后患。据欧洲的研究，轨道初始平顺状态对运营后轨道长期的平顺状态和维修工作量有决定性的影响。初始平顺性好的轨道，维修周期长，养护维修的工作量小，能长期保持良好的高平顺状态；初始平顺性差的轨道，不仅维修周期短，即使增加维修作业次数也难以改变轨道初期“先天”的不良水平，不能满足高速行车的要求。因为轨道具有所谓“奇特的记忆功能”，即轨道能够把初期已经形成的轨道不平顺“记忆”下来，轨道捣固等维修作业，无论用大型机具还是人工作业，均只能暂时整平去除不平顺，但不能消除对初始不平顺的“记忆”，经维修整平顺了的轨道，经过一定数量的列车滚压之后，原来的不平顺又会在原地点重新出现，而且波形与原不平顺十分相似，可

8、见轨道的初始平顺性成为建设高速铁路成败的关键技术之一。而在我国高速铁路轨道测量还是一个新事物，没有成功的经验可以借鉴，传统的轨道测量方法不可能达到高速轨道铺设精度平顺性验收标准的要求和轨道整体平顺性的要求；不可能消除对高速铁路十分有害的初始周期性不平顺；不能充分发挥无蹅线路能大幅度提高轨道平顺性的应有作用。这就说明如果不采用适合高速铁路轨道测量的设备和方法，来保证轨道铺设的初始精度和达到高速铁路高平顺性的要求，轨道几何参数和轨道位置存在较大的误差，一旦无蹅轨道固定下了，就很难再改变，同时也会产生幅值很大的周期性不平顺，这些十分有害的周期性不平顺会被轨道“记忆”下来，很难去除。此外，轨道的初始平

9、顺性还直接影响新线的开通速度；轨道初始不平顺小，铺设精度高，也是高速线路建设的技术水平和工程质量的综合体现。完成这一任务必须用先进的测量设备和方法，以保证轨道的初始平顺性，达到竣工和验收的标准。同时高速铁路实际铺轨时，轨道中心线由控制点直接测量，线路位置误差由控制点的精度控制。在铺轨阶段，如果只检测轨道的平顺度，尽管轨道的平顺度满足了要求，线路还是有可能较大地偏离设计位置（特别在曲线段）。由于位置的偏差导致曲线段整体不平顺会产生很危险的后果，因此，在轨道测量时，不仅要对轨道的几何状态进行检测，也要对轨道中心线的位置进行调整。由此可见，高速铁路控制测量不是控制线路局部的平顺度，而是控制整体线路的

10、形状，或者说是控制整体线路的平顺度。因此，高速铁路线路平面位置不仅要满足局部平顺性的要求，同时也要满足线路整体的平顺性，不仅要检测轨道几何状态的平顺度，还要检测轨道中心线的位置正确与否。可见高速铁路轨道测量的重要性不言而喻。1.3 高速铁路轨道测量的意义提供走行速度快、安全、可靠度高及乘坐舒适性良好的轨道，无疑是高速轨道的基本目标。而轨道结构作为高速铁路行车的基础对高速行车的安全性起着至关重要的作用。安全和高速是高速铁路最首要、最核心的问题。轨道的平顺状态2是实现高速铁路安全、高速的关键；轨道不平顺是引起机车车振动的主要根源，严重的轨道不平顺不仅会引起机车车辆剧烈振动，使轮轨作用力加大，列车安

11、全性、平稳性和乘车舒适性都受到影响，甚至会导致列车脱轨。如果舒适性和安全性问题得不到保障，那么，高速铁路也就失去了它存在的价值。在高质量的轨道结构是确保高速铁路安全、快速、舒适、方便、高效的基础。因此，提高高速铁路轨道测量精度，严格控制轨道的初始不平顺即严格控制轨道铺设精度，是建设高平顺、高质量的高速铁路轨道结构的技术关键，是能带动全局使轨道符合高平顺性要求的保证性措施，至关重要，对于确保高速铁路建设成功，确保高速车辆安全、平稳、舒适地运行，减少轨道和机车车辆的养护维修费用，都有十分重要的意义。1.4 高速铁路轨道测量的特点高速铁路的特点是高速度和高密度，其目标是高安全性和高乘坐舒适性，因而要

12、求轨道结构必须具备高平顺性、高稳定性和高可靠性，这就要求了高速铁路轨道测量必须达到很高的测量精度。并且由于高速无蹅轨道设计和施工精度要求比有碴轨道高，高速轨道测量作业的重要性也显著提高，测量作业的优劣，将最终决定无碴轨道的成败。因此高速铁路轨道测量不仅精度要求高，而且重要性也显著提高，轨道的测量作业应该引起建设者的高度重视。1.4.1 轨道测量的高精度要求高速铁路和一般铁路的区别之一就是轨道的高平顺性，轨道的平顺性是限制列车速度的直接因素。理论和实践表明，高速铁路轨道平顺性的控制和建设已成为高速铁路建设成败的关键技术之一1，特别是建设阶段初始平顺性因将直接影响运营速度和养护工作量而倍受关注。轨

13、道的初始平顺性除与路基、桥梁、轨道结构的工程设计有关外，还与勘测和施工密切相关。所谓轨道不平顺3是指轨道几何形状、尺寸和空间位置的偏差，所以与轨道测量精度有密切的关系，而高精度的轨道测量是高平顺性的前提。目前高速铁路客运专线的建设，主要采用的是无蹅轨道技术，无蹅轨道的铺设精度要求较高，如德国科隆法兰克福高速线4，线路铺设轨道参数规定设计超高的误差不大于±2mm；基本轨距的误差不大于±2mm；前后高低和方向5m间隔的2个相邻检测点的前后高低允许最大误差±2mm，对150m间隔的点最大为±10mm。因此，足以显示出高速轨道测量的高精度要求。因此在轨道建设过程

14、中要制订非常严格的钢轨平直性标准和高速轨道铺设精度标准，要十分重视严格控制轨道的初始平顺性。一旦出现这种起源于铺设精度的不平顺，就会在轨道结构和路基基础上烙下深刻的印记，产少所谓的记忆性，需要后期付出更多的维修工作量，有时还难以从根本上予以解决5。为此，国内外都对高速铁路轨道的铺设精度提出了较高的要求，表1 为部分国家铁路时速大于200 km区段轨道铺设精度标准和我国高速铁路轨道铺设精度标准1表2。表 1 国外高速铁路轨道铺设精度标准项目EN标准法国德国西班牙日本速度（km/h）250300200250200200200200轨距（mm）±2±2±3水平（mm）&

15、#177;2±23±242高低（mm）2/10m3/20m3/10m4/20m3/10m2/5m3/10m2/10m轨向（mm）2/10m3/20m3/10m4/20m2/10m2/10m3/10m2/10m扭曲（mm）3/3m3/3m3/3m4/3m1.5/2.5m表 2 我国高速铁路轨道铺设精度标准项目高低轨向水平扭曲（6.25m）轨距有蹅轨道幅值mm2222±2无蹅轨道幅值mm221±1道岔幅值mm222±1弦长（m）101.4.2 高速铁路轨道的高平顺性要求高速铁路轨道应具备可靠的稳定性和高平顺性，以确保行车安全高速并有良好的旅客乘坐舒

16、适度。高平顺性是设计、建设高速铁路的控制性条件，也是高速铁路有别于中、低速铁路的最主要特点，高平顺性的轨道是依托在高平顺性的线路空间曲线、路基、道床、钢轨、桥梁等基础之上的。中国铁道科学研究院5曾对轨道不平顺在不同速度时的影响作过一些研究。试验和理论分析都表明，轨道不平顺对车辆振动加速度、轮轨作用力、脱轨系数、轮重减载率等的影响，虽不全部是单调递增的，但一般均随行车速度的提高而大大增加。轨道各种波长不平顺对高速行车的影响可归纳成下述类型6：短波不平顺(L数米)，这种不平顺主要产生行车噪声及轮重变化，其不利影响可通过打磨钢轨和消除轨枕“空吊板”来消除或减轻；中波不平顺(数米L20 m)，这种不平

17、顺不利于行车平稳，可通过10m弦不平顺的消除来减轻或排除其不利影响；长波不平顺(20mL100m)，这种不平顺主要影响旅客舒适性，可通过对长波不平顺的控制来满足旅客乘车舒适的要求。在高速铁路上，长波长不平顺是影响乘车舒适性的主要原因，应当在铺设阶段适当增加测量弦长度，特别是要完善检测手段。线路状态的不平顺对刚度较大的无碴轨道结构的动力附加作用显著增加。速度提高后轨道动态几何尺寸容许偏差管理值变得更加严格，也就是说，速度越高对轨道的平顺度要求越高。而国内外的研究均表明7，在线路方面直接影响、控制行车速度的主要因素有两个：一是线路的平纵断面，另一个是线路的平顺状态。轨道平顺性包含垂向和横向两个分量

18、，产生的原因有铺轨和整道时轨道中心线的定位误差、轨排横向残余误差、轨头内侧磨耗不均匀、扣件失效等，其中与测量精度有关的是轨道中心的定位误差。高速铁路轨道不平顺性主要有与桥梁、道床、路基变形和轨道铺设精度直接相关的中长波不平顺；与钢轨平直度和轨头表面状态有关的短波不平顺。因此，高速线路的高平顺性除了轨道的结构设计应在技术上保证线路高平顺性和刚度均匀性以外，还需对其静态铺设精度、施工工艺和过程管理严格控制。要使高速铁路满足高平顺要求，必须在设计和施工全过程的每一个环节，都必须采用科学合理的技术措施，严格控制初始平顺性。高速铁路对轨道的平顺性要求要比一般普通铁路高得多，高速铁路轨道的平顺状态是决定高

19、速列车能否实现安全、高速的关键和核心，因此对轨道不平顺必须从其发生、发展的各个阶段进行严格控制。为了提高和保持良好的轨道平顺状态，保障高速行车安全、平稳、舒适，应严格控制轨道初始不平顺，采用先进的轨道状态测量设备和技术；提高轨道不平顺的验收标准，作业后严格进行验收。实践证明4，严格控制轨道初始不平顺，对运营后的轨道保持良好的平顺性十分有益，而且使运营后的维修费用降至最低。1.5 轨检小车测量系统的研究意义当前，我国正在大规模建设高速客运专线，客运专线将广泛采用当代铁路建设的新技术和新成果，而我国高速铁路的建设还是一个新事物，没有成功的经验可以利用，面对这个全新的课题，高速铁路建设阶段必然会面临

20、众多挑战，高速铁路轨道测量在我国更是没有先例。本文正是在这种背景下研究能满足高速铁路轨道要求的先进测量设备和测量方法，即轨检小车测量系统（GJC-1）。轨检小车测量系统是在测量机器人的配合下，使用自由设站，能够自动检测线路中线平面坐标、高程以及轨距、超高等静态轨道几何状态参数，并自动进行记录整理的轻型轨道检测设备。它是采用多传感器的高速铁路轨道测量系统，轨检小车上装有棱镜、斜倾传感器、位移传感器、编码器和电脑，整个设备都固定在轨检小车上，系统由电脑控制。轨检小车测量系统在动静态不平顺差异较小的高平顺线路、无碴轨道线路，既有线路维护，以及在新线施工中，整道、检查铺设精度、验收作业质量时，都可得到

21、较为广泛的应用。同时我国既有铁路7万多公里，连接祖国各地，是社会发展和经济建设的主要命脉。并且随着列车速度的不断提高，列车追踪时间间隔越来越短，铁路部门对铁路轨道不平顺状态参数要求越来越高，及时对铁路进行检查、保养，保证列车安全可靠运行是铁路部门的头等大事。轨道的高低、水平不平顺及轨距等轨道几何参数是铁路部门检查轨道病害、指导线路维修、保障行车安全的重要指标，也是实现轨道状态现代化管理必不可少的数据。现有轨道检测方式有两种：一种是大型的车载轨检装置，如铁路部门的轨检车8，适用于大范围的铁路检测，但不适合铁路的日常维护；另外一种是手工测量方式，用水泡式高度差检测仪检测超高，通过拉线方法检测水平度

22、或曲率半径，此法效率低，由于人工操作检测精度受人为影响较大。并且大型轨检车主要使用的是惯性法，其结构复杂、成本高，不适合移植到铁路工务部门日常维护铁路所使用的手推小车上。因此，铁路工务部门急需一种方便实用且造价低的动态检测装置对轨道状态进行检测，当推动本装置在轨道上行走时，可自动测量出轨道几何状态，并可以自动计算、显示和储存测量的结果；对测量数据进行处理和分析，给出准确的铁路轨道几何参数，为管理部门的决策提供依据。由此可以见，本文研究的轨检小车测量系统不但适合于高速铁路轨道施工测量，对于既有线路轨道维护作业的测量也非常适用。因此，研制轨检小车测量系统有很好的应用前景。1.6 本文研究的主要内容

23、我国高速铁路建设是一个新事物，勘测设计、施工测量和运营养护都没有成功的经验可以利用，本文在这种背景下根据高速铁路轨道测量的内容和任务研究了可行的高速铁路轨道测量设备和方法，即轨检小车测量系统(GJC-1)。论文对其硬件装置、测量原理和作业方法进行了探讨，并编程实现了其部分功能。论文最后一章用坐标法实现了整正既有铁路线路的目的。各章节内容安排如下：第1章 绪论。阐述了本文研究的背景、高速铁路轨道测量的重要性及意义，以及根据高速铁路轨道测量的特点说明了为什么要研究开发适合高速铁路轨道测量的设备和方法及其意义。第2章 高速铁路工程控制网的布设。本章通过对客运专线无蹅轨道铁路工程测量技术暂行规定的学习

24、和体会系统说明了高速铁路工程控制网的布设等级、原则、精度和测量方法。第3章 轨检小车测量系统用于高速铁路轨道测量。本章阐述了：轨检小车测量系统的构成、原理及性能；轨检小车测量系统测量轨距、超高的原理和线路中线坐标的推算；轨检小车轨道测量系统在全站仪的配合下，使用自由设站，根据CP进行定位，测量轨道三维坐标的作业方法，且编程实现了自由设站在轨道测量中的应用，并达到高速轨道测量的精度要求；探讨了由坐标推算线路里程、里程偏移量及中线偏移量的算法。第4章 极坐标法复测既有铁路线路。根据目前国内既有线路的改造状况，在文章最后一部分论述了坐标法复测既有线的原理，并软件实现了复测既有线的目的。利用坐标法得到

25、的实测数据，根据最小二乘原理拟和圆曲线半径和圆心，然后根据整正曲线的原则优化曲线参数，最后计算出整个曲线段上相应各测点的拨道量以及特征点的坐标和里程。第2章 高速铁路工程控制网的布设2.1 铁路工程测量概述铁路工程测量9指在铁路工程建设勘测设计、施工和管理阶段所进行的各种测量工作的总称。按工作顺序和性质分为：勘测设计阶段的控制测量和地形测量、初测、定测等，铁路施工阶段的施工测量和设备安装测量；铁路运营管理阶段的变形观测和维修养护测量等。高等级工程控制网的建立是轨道测量的基础，高质量的控制网是建立在以必要的精度对线路进行平面和高程控制测量基础之上的。但过去所建设的铁路大多为，既有控制网测量技术标

26、准及测量方法是与之适应的，它不适用于高速铁路的工程测量工作。因此高速铁路的控制网布设必须自成一套技术标准，用以指导高速铁路的勘测、施工等工作。随着高速铁路工作的开展，而高速铁路建设在我国又是一个新事物，勘测设计、施工测量和运营维护都没有成功的经验可以利用，对高速铁路平面和高程控制测量进行探讨，寻求合理的测量等级和精度要求，确实是我们的当务之急。高速铁路无蹅轨道施工控制测量技术是无蹅轨道建设的关键技术之一10，其内部与外部尺寸等平顺性指标是制定测量技术标准的主要因素。通过对客运专线无碴轨道铁路工程测量技术暂行规定的学习和体会，以及对国外控制测量技术的了解，深切感受到高速轨道施工质量控制是高速铁路

27、建设能否成功的关键，施工控制测量精度更为重要，一旦出现问题，将为整个使用寿命期留下隐患，不仅改善轨道几何形位参数十分困难，更需要花费高昂的代价进行弥补。为此在阐述轨道施工测量前，先介绍高速铁路工程控制网的布设等级、原则、精度、施测方法，作为轨道测量的基础。2.2 高速铁路控制网的布设高速铁路控制网，通常从国家测量控制网开始通过逐级控制形成铁路工程控制网。为了对高速铁路无碴轨道工程建设各阶段控制测量的精度、方法进行规范，使之满足无碴轨道工程建设勘测设计、工程施工、运营维护各阶段对测量成果的需求，文献11把无碴轨道工程测量平面、高程控制网分为勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网。勘测控制网是指包

28、括基础平面控制网在内，在勘测设计阶段为满足高速铁路无碴轨道工程勘测设计和向施工单位进行交桩而进行的平面、高程测量，它包括了线路控制网；施工控制网是在基础平面控制网、线路高程控制网基础上为满足施工而建立的各级平面高程控制网；运营维护控制网是在无碴轨道工程竣工后，施工单位交给运营单位，为运营阶段对无碴轨道工程进行变形监测、运营维护的平面、高程控制网，它包括了基础平面控制网、二等水准网、线路控制网、控制基桩点等。高速铁路客运专线无碴轨道铁路工程测量分为勘测、施工、运营维护三个阶段，其基本工作流程见说明图2-1。图21高速铁路客运专线无碴轨道铁路工程测量基本工作流程图 高速铁路测量控制网布设原则高速铁

29、路线路作为狭长的线性工程，施工控制应遵循从整体到局部、分级布网、逐级控制、有足够的精度和密度等原则进行布设。高速铁路工程测量平面坐标系应采用工程独立坐标系统，并引入1954北京坐标系/1980西安坐标系11，高程系统应采用1985国家高程基准。因为1954北京坐标系和1980西安坐标系是目前国家控制网和现行铁路工程测量各种规范规定采用的坐标系统。采用这一坐标系可使高速铁路测量成果纳入全国统一的坐标系统，也便于各单位测量成果的相互联系和利用，满足整体规划的要求。此外，由于平面控制测量精度标准要求显著提高，还需要注意在施工坐标系设计中，严格控制投影变形的影响12；边长投影在对应的线路设计平均高程面

30、上，投影长度的变形值不大于10mm/km。对于线路纵断面起伏较大而导致投影变形影响不易控制的段落，施工坐标系宜设计为较窄投影带宽，以此来严格控制高斯投影变形，而高程归化投影变形的影响，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。根据高速铁路对轨道初始平顺性铺设精度和施工精度标准的较高要求，进而对平面、高程控制测量标准的要求也显著提高，在施工前应建立适宜精度标准的首级GPS网、加密GPS网、铺轨基桩控制网13，是保障无碴轨道铺设精度指标顺利实现的前提。值得注意的是，高速铁路轨道平面、高程控制测量工

31、作开展前，应根据测区地形、地貌及线路工程情况进行平面、高程控制网设计14。平面、高程平面、高程 平面测量控制网布设按分级布网的原则把平面测量控制网分三级布设11，第一级为GPS基础平面控制网CP（Basic Horizontal Control Points），第二级为线路控制网CP（Route Control Points ），第三级为基桩控制网CP（Base-piles Control Points ）。各级平面控制网的作用为：GPS基础平面控制网CP主要为勘测设计、施工、运营维护提供坐标基准；线路控制网CP主要为勘测设计和施工提供控制基准；基桩控制网CP主要为铺设无碴轨道提供控制基准。表

32、3为平面控制网布网要求。平面控制网布设时CP采用GPS施测，每对GPS点间距离1km左右，每隔4 km左右布设互相通视的1对GPS点，作为附合导线的方位边，按B级GPS 网精度要求测量。CP为附合网，可采用GPS或导线测量方法施测，按C级GPS 网或四等导线精度要求测量；点间距为800 m1000 m，除了能提高导线边（基线边）方位角精度外，还可增强平面控制网的可靠性。CP为附合导线，在布设控制点时，考虑到无碴轨道铺设控制长波为150 m，因此规定CP控制点之间的距离宜为150 m200 m，以保证在控制长波段的施工精度。图22为无碴轨道三级平面控制网示意图。表3 高速铁路平面控制网布网要求控

33、制级别测量方法和等级点间距基线方向或测角中误差/（）测距中误差/mm相邻点位坐标中误差/mm最弱边相对中误差或闭合差/mm方位角闭合差/（）CPGPS B级点对内1km1.31/170 000点对间4kmCPGPS C级8001000m1.71/100 000四等导线2.55101/40 000CP五等导线150200m4351/20 000后方交会5060m线路中线CP图 22 无碴轨道三级平面控制网示意图CPCPCP150-200 mCPCPCPCP4 km1000m800-1000 m在德国高速铁路建设中，德铁标准RIL883控制网测量要求如表4，把无碴轨道施工控制网分为四级10：PS1

34、、PS2、PS3、PS4。PS1是在国家基础控制点PS0下发展的平面控制点，沿线路方向大约每1000m一个控制点；PS2沿线路方向大约每150m至250m一个控制点；PS3是水准基点；PS4是固定在接触网杆上的控制点。在上述四种控制点中，只有三种是可置镜的平面控制点，而PS4是固定在接触网杆上的只能安置反射镜的控制点。我国平面基础控制点的精度和密度均不能满足作为无碴轨道平面基础控制网的需要。因此把基础控制点CP（相当于PS0）作为第一级平面控制网，把CP（相当于PS1）作为第二级平面控制网，把CP（相当于PS2）作为第三级平面控制网。表4 德铁标准RIL883控制网测量要求控制网级别（点况）点

35、间距相邻点位中误差绝对精度测量方法PS0参照点大约4km5mm10mmGPSPS1基本位置网点8001000m10mm15mm导线/GPSPS2加密点大约150m10mm15mm导线 平面控制网的测量方法基础平面控制网CP根据线路走向隔4 km左右布置1个点，并在勘测阶段完成。CP控制网采用全组合的构网方式，形成由三角形或大地四边形组成的带状网，每条基线向量采用静态GPS观测，按B级GPS测量要求，全线（段）一次布网，统一测量，整体平差，为全线（段）各级平面控制测量的基准。CP控制点位宜选在离线路中线100200m、不易被破坏的范围内。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，必

36、须有2个以上的CP控制点相重合，并在测量成果中反映出相互关系。CP应与沿线不低于国家二等三角点或GPS点联测，宜每50km联测一个国家三角点。全线（段）联测国家三角点的总数不得少于3个，特殊情况下不得少于2个。当联测点数为2个时，应尽量分布在网的两端；当联测点数为3个及其以上时，宜在网中均匀分布。GPS控制测量外业观测和基线解算应执行现行全球定位系统（GPS）铁路测量规程的相关规定。线路控制网CP在基础平面控制网CP上沿线路附近布设，为勘测、施工阶段的线路平面控制和无碴轨道施工阶段基桩控制网起闭的基准。CP的观测精度高于五等，接近于四等。CP测量应在CP的基础上采用GPS测量或导线测量方法施测

37、，一般选在离线路中线50100m，且不易破坏的范围内。在线路勘测设计起、终点及不同单位测量衔接地段，应联测2个以上CP控制点作为共用点，并在测量成果中反映出相互关系。CP控制点应有良好的对空通视条件，点间距应为800 1000 m，相邻点之间应通视，特别困难地区至少有一个通视点，以满足定测放线或施工测量的需要；CP控制点分段起闭于CP控制点，测量等级及精度要求应符合文献11的要求；CP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CP联测构成附合网。 也可采用导线测量，导线测量应起闭于CP控制点，采用标称测等。CP导线应在方位角闭合差及导线全长相对闭合差满足要求后，采用严密平

38、差计算。基桩控制网CP，是在二级控制网CP中加密建立的。沿线路布设的三维控制网，起闭于基础平面控制网（CP）或线路控制网（CP），一般在线下工程施工完成后施测，为轨道铺设和运营维护的基准。CP测量应按导线测量或后方交会法施测，采用导线法测量时，直线部分宜设于线路一侧，曲线部分宜设于线路外侧；采用后方交会法测量时，应设于线路两侧。 CP控制点宜设于线路外侧，距线路中线的距离一般为34m，控制点的间距以150200m为宜。对线路特殊地段、曲线控制点、线路变坡点、竖曲线起终点及道岔区均应增设加密控制点，曲线地段加密控制点间距以5060m为宜，它们相对于两端CP控制点的纵、横向中误差应小于1.5mm。

39、CP的平面位置和高程通过距离测量和精密水准测量联合测定，点间隔60m左右。高程采用水准测量，要求往返测。通常使用螺栓来标定CP控制网，这些小金属螺栓埋设到电杆里，离开轨道大约1m的高度，和轨道平行。这种方法可以建立高效的三维控制网，将特制的强制对中棱镜固定到这些螺栓上，作为轨道精调的控制点。CP控制点在整个铺轨作业过程中，提供高密度控制点，容易使用，可视性好，并且有足够的稳定性。CP控制点埋设完成后，应对其进行检测，检测的内容、方法与各项限差应满足下列要求：检测控制点间夹角时，方向观测应不少于两测回，距离往返观测各两测回；控制点间的距离允许偏；直线段控制点间夹角与180º较差应小于8

40、，曲线段控制点间夹角与设计值较差计算出的线路横向偏差应小于1.5mm；弦长测量值与设计值较差应小于2mm。CP控制点满足各项限差要求后应永久固定，控制点应设置在稳固、可靠、不易破坏和便于测量的地方，并应防冻、防沉降和抗移动，控制点标识要清晰、齐全、便于准确识别和使用，并绘制布设平面示意图和控制点表，做好点之记描述其位置、里程、外移距。总体上，控制网由一级CPI、二级CPII、三级控制点CPIII和大地水准点组成。一级控制点CPI由业主单位提供，施工单位利用业主提供的一级控制点CPI测设二级控制点CPII和大地水准点。大地水准点使用数字水准仪测设，间距控制在1000m以内。测设二级控制点CPII

41、时，利用GPS测量和网内平差得到二级控制点的X，Y坐标，二级控制点的Z坐标利用数字水准仪在大地水准点或一级控制点CPI基础上测设。二级控制点间距控制在500m，设置在线路附近。三级控制点CPIII在二级控制点CPII的基础上测设，间距不大于70m，成对设置在线路两侧(一般为60m)。三级控制点CPIII组成粗调和精调施工的控制网。考虑到导线网测设三级控制点不足，为此必须利用自由设站法测设三级控制点，在每个置镜点测量3个测回，以减小观测误差，置镜点间距不大于140m，并利用最小二乘原理进行平差。2.2.4 高程控制测量高速铁路高程控制的精度主要是确保轨道垂向铺设的精度，保证把沿钢轨方向高差偏差、

42、同一断面左右两钢轨顶面间高差的偏差、以及扭曲不平顺控制在限差范围内。高程控制测量的精度对轨道铺设的垂向平顺性的要求11是, 当管理波长为10 m，高低差应小于2 mm；同一横截面左右轨顶面水平差的偏差不大于2 mm；扭曲1.mm/2.5 m。高速铁路不同阶段对高程测量的精度要求是不同的。定测阶段中桩高程测量的目的主要是调查线路的纵断面，为纵断面初步设计提供高程数据，并不作为施工的依据。施工阶段高程放样是施工的依据，它不但影响工程数量，而且主要影响工程的质量和轨道的垂向平顺性15。因此，勘测设计阶段和施工阶段可分别用不同的精度测量。但首级控制测量的精度应能控制各个阶段的高程测量工作。高速铁路高程

43、控制测量分为勘测高程控制测量、水准基点高程测量、CP控制点高程测量。各级高程控制测量等级及布点要求应按表5的要求执行。勘测高程控制测量应与高一级的国家水准点联测。四等水准测量一般30km联测一次，困难条件下不应大于80km；二等水准测量一般150km联测一次，困难条件下不应大于400km并形成附合水准路线。CP控制点高程测量工作应在CP平面测量完成后进行，并起闭于二等水准基点。CP控制点水准测量应按精密水准测量的要求施测，CP控制点高程测量应严密平差，以作为轨道铺设精调时的基础。表5 各级高程控制测量等级布点要求控制网级别测量等级点间距勘测高程控制测量二等水准测量2000m四等水准测量水准基点

44、高程控制测量二等水准测量2000mCP高程测量精密水准测量200m鉴于此，高速铁路高程测量应首先布设精密水准网，每5 km布设一个精密水准点，按二等水准的技术要求进行观测，不具备二等水准测量条件时，可分两阶段实施，即勘测阶段按四等水准测量要求施测，线下工程施工完成后，全线再按二等水准测量要求建立水准基点控制网。在勘测阶段，勘测高程控制网应附合于高一级的国家水准点上并以国家水准点为起算数据，采用固定数据平差和1985国家高程基准，整个1 km往返测高差平均值的偶然中误差小于2 mm，路线高程闭合长度不超过30 km。初测时，在精密水准点之间布设四等水准路线测量基准点；定测时，用五等水准的精度测量

45、中桩高程。施工阶段，为保证高程放样精度和位移观测基标的高程精度，也就是为保证轨道铺设的垂向精度，根据前面的分析，应在精密水准点之间以三等水准的精度测量位移观测基标的高程，并以三等水准的技术要求进行高程放样。第3章 轨检小车测量系统用于高速铁路轨道测量3.1 高速铁路轨道测量设备发展状况目前，国外用于高速铁路轨道测量的设备主要是瑞士安伯格技术公司生产的高精度轨道测量设备GRP100016。该设备在欧洲无碴轨道高速铁路、中国台湾高速铁路和国内的遂渝线无碴轨道试验段等工程上得到了很好的应用。图 31 用于德国纽伦堡英格尔斯塔特线高速铁路的施工建设图 32 用于遂渝线无碴轨道试验段的施工测量GRP10

46、00测量系统主要由TGS FX手推轨检车及相应的控制单元、GBC100棱镜和GRPwin测量和分析软件包三大部分组成。TGS FX轨检车内安装高精度的传感器装置，用于测量轨道高低、轨向（短波和长波不平顺）、水平、轨距、里程。单独使用GRP1000，可以测量无碴轨道平顺度铺设的相对精度。为了满足对无碴轨道三维绝对位置坐标的精度要求，需要用1台LEICA TPS全站仪来对GRP1000定位，上述定位测量通过全站仪的自动目标照准功能以及与GRP1000之间无线电通讯来完成。在实现精确测量轨道内部几何参数之余，还可配合全站仪测量轨道的外部绝对位置，满足无碴轨道施工要求，GRP1000轨道测量系统在我国

47、武广客运专线和京津城际轨道上得到了应用，对我国的无碴轨道建设起到积极的作用。但价格非常昂贵。国内高速铁路轨道测量设备有江西日月明集团GJY-H-4/5轨道检查仪。GJY-H-5轨道检查仪是一种基于光纤陀螺精密测角的轨迹测量原理的新型轨道几何状态检查仪器。可同步检测左右轨道的高低、轨向、正失、轨距、水平、三角坑、轨距变化率和里程等参数。但是目前还没有得到应用。3.2 轨检小车测量系统介绍随着我国高速铁路客运专线的施工建设，对轨道质量的要求传统的轨道测量方法已无法实现，为了确保高速铁路铺轨的质量和精度要求，探索先进的测量设备和测量方法进行轨道几何状态的测量和线路中线位置的调整已成为高速铁路建设中不

48、可缺少的一部分17。图33轨检小车测量系统测量原理图。图 33 轨检小车测量系统测量原理图本文从建设者需要高精度、高效率、满足高速铁路高平顺性和节约成本的角度出发研究了一个有效、可行的测量系统，即轨检小车测量系统（GJC-1），以适应未来高速铁路大规模建设和轨道测量自动化方向发展的必然趋势。轨检小车测量系统应用于无碴轨道铺轨测量，不仅可以满足高速铁路轨道铺设精度的要求，也可大大提高工作效率；轨检小车测量系统将是轨道铺设施工测量的理想设备，给轨道建设者提供了一种可行、可靠的测量手段；也是新建高速铁路高速化和管理现代化的重要技术装备。3.2.1 轨检小车测量系统的构成及原理轨检小车测量系统（GJC

49、-1）由手推轨检小车及相应的控制单元、传感器装置、棱镜和测量分析软件包构成。轨检小车测量系统是在测量机器人的配合下，使用自由设站，能够自动检测线路中线平面坐标、高程以及轨距、超高等静态轨道几何状态参数，并自动进行记录整理的轻型轨道检测设备。为了保证测量精度、降低测量成本、方便使用，采用手推式测量小车进行测量。轨检小车的设计综合了量身定做的部件和高精度的测量传感器。轨检小车采用运动测量方式，由传感器测量系统与运动部件（机架和轮子）组成并组装成一体18。并以手动推行方式控制小车的行进速度和运动过程测量工作，手动推行作用点放在整机的重心位置。电池和倾角传感器安放在水平机架的内部；两个位移传感器安装在

50、两侧的轮旁；光电编码器安装在T字形交点处；便携式电脑安放在水平机架上。如图34。机械机构采用三点定面方法，以三只行走轮支撑测量系统的重量并带动测量系统运行。重量上要考虑普通单人手推行走，因此设计测量系统的重量要小于30kg，并方便于轨道的快速上、下，离开作业轨道。轨检小车内安装的高精度传感器装置，用于测量轨道几何状态参数。其测量分析软件模块，可实时显示轨道当前位置及相对于设计轴线的偏差值（水平/垂直），完全可以满足无碴轨道铺轨作业中快速定位的测量要求。该测量系统对两根轨道的轨距和超高是采用定点测量，即5m长度上测量1个点，因为我国规范采用10米弦长为基准对轨道的高低和轨向幅值进行测量检验，采用

51、轨检小车测量系统进行轨道测量检验时，需要每隔5米间距采集轨道测量数据，每相邻5米测点的高低或轨向的理论值与实测值之差的绝对值均不应超过2毫米（即表明轨道的高低或轨向的幅值满足10米弦正矢不超过2毫米的规定19）。定点长度值由安装在小车上的光电编码器进行测量计算；轨距的定点测量由安装在机架上的位移传感器测量；超高由倾角传感器测量。图34 轨检小车的安装示意图高速铁路轨道施工测量所需要的测量设备主要包括1台轨检小车和12台高精度全站仪。轨检小车测量系统的三维绝对位置坐标测量模块，可以测量高速铁路轨道平顺度铺设的相对精度。为了满足高速铁路轨道三维绝对位置坐标的精度要求，使用全站仪来对轨检小车进行定位

52、，全站仪对线路周围布设的CP控制点上的棱镜进行测量，通过全站仪的自动目标照准功能和自由设站法得到全站仪的三维坐标，然后再通过全站仪与轨检小车之间的持续无线电通讯来完成高速铁路轨道三维绝对位置的坐标测量。该测量系统在实现精确测量轨道内部几何参数之余，还可配合全站仪测量轨道的外部绝对位置，满足无碴轨道施工要求。在测量过程中轨检小车测量系统的测量软件，实时检测轨道轴线与设计中线的偏差，车体内传感器实时检测出轨距、超高等轨道几何状态参数，施工人员可根据显示屏上显示的临界数据调整轨道位置，使其与设计值充分吻合，从而确保在最终浇筑混凝土形成道床板之前能对轨道进行高效的调整以保证线路的整体高平顺性20。3.

53、2.2 轨检小车测量系统的性能为了满足高速铁路轨道的施工质量和精度，保证高速铁路线路的整体高平顺性，要求铺轨过程中对轨道进行精调,以提高轨道结构的初始平顺性。轨检小车测量系统主要包括1台轨检小车和1台高精度全站仪，配置全站仪的标称精度要达到测角±0.5，测距±（1mm+1ppm），确保轨道三维绝对位置的测量精度。全站仪在测量绝对三维坐标时采用的是自由设站法，并且三维位置的测量精度都要达到毫米级。该系统可实时显示当前轨道位置与设计坐标的偏差，测量和定位速度快，精度高，测量数据的采集、分析、存储、均自动完成。能高效地满足高速铁路轨道铺轨施工定位、既有铁路线路维护的测量需求，是高

54、速铁路无碴轨道铺设中轨道测量的理想设备。轨道的超高幅值与轨距幅值由轨检小车上安装的高精度传感器进行测量检测，轨检小车测量系统的超高静态测量精度可达±0.5mm，轨距静态测量精度相对于1435mm标准轨距可达±0.5mm，测量精度可以满足高速铁路无碴轨道平顺度铺设精度标准的要求。表6为轨检小车测量系统的性能指标。表 6轨检小车测量系统的性能指标硬件备注轨距mm1435质量约30kg全站仪测角精度±0.5测距±（1mm+1ppm）位移传感器量程25mm65mm位移传感器精度±0.3mm倾斜传感器量程10°10°倾斜传感器分辨率0

55、.01°光电编码器分辨率5000P/R小车系统内部精度±0.5mm施工模块能实时显示测量结果，适合于无蹅轨道铺设、放样测量；轨道几何尺寸竣工测量；既有线维护测量。 轨距测量原理轨检小车测量系统设计安装的位移传感器是采用三角法测量原理，在推行过程中测量轨距。三角位移测量是采用激光光点作为探头，且为非接触测量，测量速度快，加之计算机在测量中的应用，使得激光三角位移传感器在动态测量方面有长足的发展。典型的激光三角法测距光路图21，如图35所示。系统主要由激光源、会聚透镜、成像透镜、探测器（主要是PSD或CCD）及信号处理控制器等组成。光源发出的光经过会聚透镜投射到被测物体表面，其

56、漫反射光经成像透镜形成光斑成像在光电位置检测器件（PSD）上。该散射光斑的中心位置由传感器与被测物体表面之间的距离决定。被测物体表面的位移改变引起光敏元件上成像光点产生位移，而光电位置检测器件输出的电信号与光斑的中心位置有关，通过对光电位置检测器件输出的电信号进行运算处理就可获得传感器与被测物体表面之间的距离信息。假设当物体位于参考面D时，光斑成像于PSD中心位置F处，被测面与参考面相距y时，光斑像点在PSD上的位移为：，y与x的关系由下式给出：。当被测物位于参考面的上方时取加号，位于参考面的下方时取减号。图 35 激光三角法测量原理图图36 轨距测量原理 超高测量原理。轨道水平状态是轨道几何

57、状态检查的核心项目之一，但受价格、体积与维护条件等各方面原因的影响，大型轨检车中常用的惯性测量基准22并不适用于轨检小车测量系统，因此轨检小车测量系统采用倾角传感器来承担该项目的检测，由安装在手推小车上的倾角传感器检测轨道的水平不平顺，为高速线路铺轨提供重要技术依据。水平检测是用左右两轨轨顶的高程差来表示的。轨检小车借助于倾角传感器和位移传感器敏感出轨道倾角，再按两轨中心线间距，通过三角函数关系换算成高度差，存在以小测大的问题，因此轨检小车测量系统对倾角传感器的分辨率要求很高。超高测量原理如图37所示，小车在轨道上推行，车轮和小车是刚性连接，车轮随着轨道起伏运动，小车上的倾角传感器输出能反映轨道起伏状态的信号。23超高计算时，根据可以选择不同的基准来