高速鐵路無砟軌道CPIII控制網(wǎng)測量技術(shù)

1、高速鐵路無砟軌道CPIII控制網(wǎng)測量技術(shù)摘要：高速鐵路無砟軌道要求具有良好的穩(wěn)定性、連續(xù)性和高平順性，施工中需采用高精度三維控制測量技術(shù)。本文結(jié)合哈大鐵路客運專線運糧河特大橋CPIII建網(wǎng)的工程實踐，介紹高速鐵路無砟軌道CPIII建網(wǎng)的技術(shù)特點、技術(shù)要求以及測量方法。關(guān)鍵詞：高速鐵路無砟軌道CPIII建網(wǎng)測量技術(shù)1 引言高速鐵路客運專線無砟軌道是以鋼筋混凝土或瀝青混凝土整體式道床取代散粒體道砟道床的軌道結(jié)構(gòu)，與有砟軌道相比，無砟軌道主要具有以下特點：良好的軌道穩(wěn)定性、連續(xù)性和平順性；良好的結(jié)構(gòu)耐久性和少維修性能；工務(wù)養(yǎng)護、維修設(shè)施減少；減少客運專線對特級道砟的需求；免除高速行車條件下有砟軌道的

2、道砟飛濺；有利于適應(yīng)地形選線，減少線路的工程投資；可減輕橋梁二期恒載，降低隧道凈空；一旦基礎(chǔ)變形下沉，修復(fù)困難，要求有堅實、穩(wěn)定的基礎(chǔ)。自2O世紀6O年代開始，世界各國相繼開展了各類無砟軌道的研究。在日本，板式軌道已在新干線大量鋪設(shè)，新建鐵路的無砟軌道已超過全線的90，鋪設(shè)總長度達2700km。德國鐵路Rheda、Ztiblin等無砟軌道已在新建的高速線上全面推廣，無砟軌道占線路總長的80以上，鋪設(shè)總長度達到800 km。我國在吸取國外研究先進成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國高鐵建設(shè)的實際情況對無碴軌道也進行了大量的研究和工程實踐。為了適應(yīng)客運專線鐵路高速行車對平順性、舒適性的要求，客運專線鐵路軌道必須

3、具有較高的平順度標準，我國對時速大于200 kmh以上鐵路軌道平順度均制定了較高的精度標準。對于無砟軌道，軌道施工完成后基本不再具備調(diào)整的可能性，由于施工誤差、線路運營以及線下基礎(chǔ)沉降等所引起的軌道變形只能依靠扣件進行微量的調(diào)整是?？瓦\專線扣件技術(shù)條件中規(guī)定扣件的軌距調(diào)整量為±10 mm，高低調(diào)整量一4、+26mm，因此，對施工測量精度有著較有碴軌道更嚴格的要求。2 概述由于過去傳統(tǒng)的鐵路運行速度較低，對軌道平順性的要求不高，在勘測、施工中沒有要求建立一套適應(yīng)于勘測、施工、運營維護的完整的控制測量系統(tǒng)。以往的平面控制網(wǎng)測量等級分為一等、二等、三等、四等、五等，坐標系統(tǒng)可以采用國家坐標

4、系，也可以局部假定坐標系。高速鐵路平面測量控制網(wǎng)分為三級，分別為CPI、CPII、CPIII(CP為control points的縮寫)，并將三網(wǎng)統(tǒng)一起來，統(tǒng)一采用國家坐標系統(tǒng)，這將更加規(guī)范化和系統(tǒng)化。各級平面控制網(wǎng)的布網(wǎng)要求見下表：各級平面控制網(wǎng)布網(wǎng)要求控制網(wǎng)級別測量方法測量等級點間距(m)備注CPIGPSB級10004km一對點CPIIGPSC級8001000導(dǎo)線四等CPIII導(dǎo)線五等150200后方交會50601020m一對點注：1)當CPII采用GPS測量時，CPI的點間距為4 km；2)當CPII采用導(dǎo)線測量時，CPI的點間距為4 km一對相互通視的點。各級控制網(wǎng)的作用分別為：1)C

5、PI主要為勘測、施工、運營維護提供坐標基準； 2)CPII主要為勘測和線下工程施工提供控制基準； 3)CPIII主要為軌道鋪設(shè)和運營維護提供控制基準。3 控制網(wǎng)的主要特點3.1高速鐵路由于行車速度高，建設(shè)標準高，要求無碴軌道具有良好的穩(wěn)定性、連續(xù)性和高平順性，因此，要建設(shè)好一條高速鐵路就必須有一套完整的、高精度的控制測量體系。3.2無砟軌道鋪設(shè)技術(shù)的引進在國內(nèi)時間較短，其特點是施工工藝新、技術(shù)要求嚴、科技含量高，無砟軌道鋪設(shè)前期測量工作顯得尤為重要。無砟軌道的測量采用全新的高精度三維控制測量技術(shù)，使用GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行CPI、CPII控制測量，而CPI屬高速鐵路高等級控制網(wǎng)，是保證全線

6、貫通的基礎(chǔ)，最終使用CPIII控制網(wǎng)進行三位一體精確定位。鋪軌測量精度要求高，平面、高程控制在1 mm之內(nèi)。4 CPIII控制網(wǎng)測量技術(shù)要求1)CPIII平面精度：相對點位精度為1 mm，點位中誤差不超過2mm。2)CPIII高程精度：相鄰點高差中誤差小于0.5 mm。3)聯(lián)測水準點閉合差 ：小于4L(其中L為距離，單位為km)。4)全線的平面坐標和高程坐標應(yīng)統(tǒng)一。5)平面投影變形應(yīng)滿足無砟軌道要求：10 mmkm。5 無砟軌道CPIII控制網(wǎng)測量的條件1)線下工程已經(jīng)竣工驗收合格。2)變形穩(wěn)定，符合鋪設(shè)無砟軌道條件：路基沉降穩(wěn)定；橋梁墩臺沉降穩(wěn)定、梁部上拱及收縮徐變穩(wěn)定；隧道應(yīng)力變化穩(wěn)定；其

7、他支擋工程變形穩(wěn)定。3)已知點(CPI、CPII、水準點)坐標數(shù)據(jù)可靠。6 測量方法6.1 CPIII控制點的測量標志及埋設(shè)6.1.1 CPIII控制點的測量標志我部使用球形棱鏡標志組，由球形棱鏡與直立套筒組成。球形棱鏡應(yīng)有相應(yīng)的資質(zhì)認證，球形棱鏡外徑應(yīng)為45mm；直立套筒應(yīng)采用抗腐蝕、耐磨的材料制成，且需易于保護。CPIII測量標志的加工和安裝精度要求見下表：CP測量標志幾何尺寸的加工誤差重復(fù)性安裝誤差互換性安裝誤差精度指標±0.01mm±0.05mm平面X、Y±0.3mm高程H ±0.2mm 平面X、Y±0.3mm高程H ±0.2

8、mm 6.1.2 CPIII測量的立式基座埋設(shè)在橋梁布置固定支座端防護墻上，成對布置。埋設(shè)樣式詳見下圖：在直線段CPIII基樁埋設(shè)高度為300mm；曲線地段埋設(shè)高度統(tǒng)一設(shè)置為180mm；緩和曲線地段埋設(shè)根據(jù)防碴墻高度漸變設(shè)置。CP控制點沿線路布置時縱向間距宜為60m左右，且不應(yīng)大于70 m、橫向間距不超過結(jié)構(gòu)寬度，并統(tǒng)一對每個CPIII點編號(××××3××，前四個×為整公里數(shù)，后兩個×表示該CPIII點在本公里的個數(shù)，編號沿線路前進方向左單右雙)。6.1.3 CPIII控制網(wǎng)區(qū)段的劃分和區(qū)段之間的連接CPIII控

9、制網(wǎng)的區(qū)段定義為在上一級控制網(wǎng)點約束下進行本次平差計算的CPIII網(wǎng)的范圍。CPIII控制網(wǎng)（包括平面網(wǎng)和高程網(wǎng)）可分區(qū)段分別進行觀測和平差計算，區(qū)段的長度不宜低于4km。CPIII平面網(wǎng)區(qū)段的兩端必須起止在上一級控制網(wǎng)點（CPI或CPII）上，而且應(yīng)保證有連續(xù)的三個自由設(shè)站與上一級控制網(wǎng)點聯(lián)測。CPIII高程網(wǎng)要滿足區(qū)段中聯(lián)測的上一級水準點的數(shù)量不得少于3個，而且CPIII高程網(wǎng)區(qū)段的兩端必須起止在上一級水準點上。CPIII網(wǎng)區(qū)段與區(qū)段之間，至少應(yīng)該有四對（8個）CPIII點作為公共點在相鄰的兩區(qū)段中都要測量；這些點在各自區(qū)段中的觀測和平差計算，應(yīng)該滿足CPIII網(wǎng)的精度要求；除此之外，還要

10、滿足各自區(qū)段平差后的公共點X、Y、H坐標較差應(yīng)小于±3mm的要求；在達到上述要求后，前一區(qū)段CPIII網(wǎng)的平差結(jié)果不變，后一區(qū)段的CPIII網(wǎng)要再次平差，再次平差時除要約束本區(qū)段的上一級控制網(wǎng)點外，還要約束前一區(qū)段公共點中至少一個公共點的坐標；這樣其他未約束的公共點在兩個區(qū)段分別平差后的坐標差值應(yīng)1.0mm，以確保CPIII網(wǎng)的整體精度。最后公共點的坐標，應(yīng)該采用前一區(qū)段CPIII網(wǎng)的平差結(jié)果。6.2 平面控制測量6.2.1 對全站儀的選擇1)應(yīng)為能自動對中目標(棱鏡)的測量機器人；2)角度測量標稱精度不低于1”3)距離測量標稱精度不低于2 mm+2 ppm(一般用1 mm+2 pp

11、m的儀器)；4)儀器檢定合格方可用于CPIII測量。 測量原理及方法使用邊角交會法測量。CPIII控制網(wǎng)采用自由設(shè)站交會網(wǎng)(客運專線無碴軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定 稱為“后方交會網(wǎng)”)的方法測量，CPIII控制點的點間距一般應(yīng)為5060 m 一對，不應(yīng)超過70m。自由設(shè)站的設(shè)站的距離為120m，每個自由設(shè)站觀測12個CPIII點，全站儀前后方各3對點。每次測量保證每個CPIII點被測量3次以上。測量圖示如下：測站（自由站點）CP控制點向CP點進行的測量（方向、角度和距離）CP控制網(wǎng)自由設(shè)站邊角交會網(wǎng)示意圖對于自由設(shè)站測量較為困難的地區(qū)（如曲線段），自由設(shè)站的設(shè)站距離可以為60m，每個自由設(shè)站應(yīng)觀

12、測8個CPIII點，全站儀前方和后方各4個（2對）CPIII點，每次測量應(yīng)保證每個CPIII點被測量4次以上。CPIII控制點距離為60 m左右，且不應(yīng)大于70 m，觀測CPIII點允許的最遠的目標距離為150 m左右，最大不超過180m。測量前應(yīng)記錄每個測站的溫度、氣壓，并將溫度、氣壓輸入儀器進行改正。對于線路有長短鏈時，應(yīng)注意區(qū)分重復(fù)里程及標記的編號。CPIII平面控制網(wǎng)的水平方向觀測，應(yīng)滿足下表中的規(guī)定：表3 水平方向觀測的技術(shù)要求控制網(wǎng)等級儀器等級測回數(shù)半測回歸零差同一測回各方向2C互差同一方向歸零后方向值較差2C誤差CP053696±1514696±15CPIII

13、平面控制網(wǎng)的距離測量，應(yīng)采用以下的多測回距離觀測法：盤左和盤右分別對同一個CPIII點進行距離測量，把盤左和盤右距離測量的平均值作為一測回的距離測量值；每個CPIII點距離測量的測回數(shù)應(yīng)與水平方向相同，各測回測量的距離較差應(yīng)1.0mm。在全圓方向觀測的同時，對CP點進行距離測量。 與上一級CP II控制點聯(lián)測CPIII平面控制網(wǎng)測量前，應(yīng)確保線路兩側(cè)50m范圍內(nèi)CPII控制點的密度達到500m800m，否則應(yīng)同精度用GPS測量的方法加密CPII控制點；1)與CPI、CPII控制點聯(lián)測，一般情況下應(yīng)通過3個或以上線路上的自由設(shè)站進行聯(lián)測，見下圖所示。聯(lián)測高等級控制點時，應(yīng)最少觀測3個完整測回數(shù)據(jù)

14、。60mCPIICPCPCPCP 測站（自由站點） CPIII控制點 向CPIII點進行的測量（方向、角度和距離）2)與CPI、CPII控制點聯(lián)測較為困難時，應(yīng)至少通過2個線路上的自由設(shè)站進行聯(lián)測，見下圖3所示。CPI、CP II 控制點 測站（自由站點） CPIII控制點 向CPIII點進行的測量（方向、角度和距離）聯(lián)測已知點最遠距離不應(yīng)超過300m，不能直接觀測的CPII點建議用GPS測量按CPII等級精度加密，并通過設(shè)計單位評估后方可使用。 邊角交會法測量的誤差分析1)觀測目標為放置在立式支座上的球形棱鏡，此方法屬于強制對中方法，這樣就消除了以往使用對點器對中整平帶來的對點誤差，提高了測

15、量精度。要注意的是要加強對球棱鏡的檢測，球形棱鏡的加工精度是保證重復(fù)測量和互換性測量滿足要求的前提。2)儀器的安置是自由設(shè)站，只需將儀器整平即可，無需對中，這樣又減少了儀器的對點誤差，提高了測量精度。儀器的安置盡量使前后視距相等，可以減小視距差過大帶來的視距誤差。3)儀器使用能夠自動照準目標的全站儀，減小了人為照準的誤差，同時減少因人為操作碰運和震動給觀測帶來的影響。4)由于后方交會法并不是一種很嚴密的測量方法，其自身會有較大的誤差傳遞，因此在CPIII的測量中，必須保證每個CPIII控制點要達到重復(fù)測量3次以上，用專門的通過相關(guān)部門正式檢定合格的軟件進行數(shù)據(jù)的分析處理。我部使用鐵一院的CPI

16、II精密控制測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行解算。6.3 高程控制測量高程控制測量利用水準儀進行，往返測量CPIII控制點，并聯(lián)測橋下二等水準點，經(jīng)平差后得到CPIII點的精確高程。6.3.1精密水準測量的精度及技術(shù)標準精密水準測量的精度要求（mm）水準測量等 級每千米水準測量偶然中誤差M每千米水準測量全中誤差MW限 差檢測已測段高差之差往返測不符值附合路線或環(huán)線閉合差左右路線高差不符值精密水準2.04.012884注：表中L為往返測段、附合或環(huán)線的水準路線長度，單位km。精密水準測量的主要技術(shù)標準等級每千米高差全中誤差（mm）路線長度（km）水準儀等級水準尺觀 測 次 數(shù)往返較差或閉合差（mm）與已知點

17、聯(lián)測附合或環(huán)線精密水準42DS1因瓦往返往返8注：結(jié)點之間或結(jié)點與高級點之間，其路線的長度，不應(yīng)大于表中規(guī)定的0.7倍。 L為往返測段、附合或環(huán)線的水準路線長度，單位km。精密水準觀測主要技術(shù)要求等級水準尺類型水準儀等級視距（m）前后視距差（m）測段的前后視距累積差（m）視線高度（m）精密水準因瓦DS1602.04.0下絲讀數(shù)0.3DS0565注：L為往返測段、附合或環(huán)線的水準路線長度，單位km。 DS05表示每千米水準測量高差中誤差為±0.5mm。在觀測數(shù)據(jù)存儲之前，必須對觀測數(shù)據(jù)作各項限差檢驗。檢驗不合格時，對不合格測段整體重測，至合格為止。CPIII控制點高程測量工作應(yīng)在CPI

18、II平面測量完成后進行，并起閉于二等水準基點，且1個測段聯(lián)測不應(yīng)少于3個水準點。水準測量作業(yè)結(jié)束后，每條水準測量路線應(yīng)按測段往返測高差不符值計算偶然中誤差M0；當水準網(wǎng)的環(huán)數(shù)超過20個時，還應(yīng)按環(huán)線閉合差計算Mw。M0和Mw應(yīng)符合表2的規(guī)定，否則應(yīng)對較大閉合差的路線進行重測。M0和Mw的公式計算請參照有關(guān)規(guī)范。 對水準儀的要求1)水準儀標稱精度應(yīng)不低于DS1。推薦使用不低于0.4mmkm的數(shù)字式水準儀。我部使用DINI12數(shù)字水準儀,其精度為0.3mmkm。2)水準儀必須檢定合格。3)水準尺應(yīng)采用整體因瓦水準標尺，與水準儀配套的尺墊，其重量應(yīng)不低于5kg。與水準儀配套的腳架，應(yīng)采用木質(zhì)腳架。6

19、.3.3 觀測方法方法一：往測時以軌道一側(cè)的CP水準點為主線貫通水準測量，另一側(cè)的CP水準點在進行貫通水準測量擺站時就近觀測；返測時以另一側(cè)的CP水準點為主線貫通水準測量，對側(cè)的水準點在擺站時就近聯(lián)測。往測水準路線如下圖所示： 往測水準路線示意圖返測水準路線如下圖5所示：返測水準路線示意圖觀測順序：1) 光學(xué)水準儀觀測奇數(shù)測站照準標尺分劃順序為：A 后視標尺基本分劃；B 中視標尺基本分劃；C 前視標尺基本分劃；D 前視標尺輔助分劃；E 中視標尺輔助分劃；F 后視標尺輔助分劃。偶數(shù)測站照準標尺分劃順序為：G 前視標尺基本分劃；H 中視標尺基本分劃；I 后視標尺基本分劃；J 后視標尺輔助分劃；K

20、中視標尺輔助分劃；L 前視標尺輔助分劃。2) 數(shù)字水準儀觀測奇數(shù)測站照準標尺分劃順序為：A 后視標尺；B 前視標尺；C 中視標尺；D 前視標尺；E 中視標尺；F 后視標尺。偶數(shù)測站照準標尺分劃順序為：G 前視標尺；H 中視標尺；I 后視標尺；J 后視標尺；K 中視標尺；L 前視標尺。方法二：CP點與CP點之間的水準路線，采用下圖所示的水準路線形式進行。 CP點與CP點之間的水準路線示意圖觀測順序：1) 光學(xué)水準儀觀測奇數(shù)測站照準標尺分劃順序為：A 后視標尺基本分劃；B 前視標尺基本分劃；C 前視標尺輔助分劃；D 后視標尺輔助分劃。偶數(shù)測站照準標尺分劃順序為：E 前視標尺基本分劃；F 后視標尺基

21、本分劃；G 后視標尺輔助分劃；H 前視標尺輔助分劃。2) 數(shù)字水準儀觀測奇數(shù)測站照準標尺分劃順序為：A 后視標尺；B 前視標尺；C 前視標尺；D 后視標尺。偶數(shù)測站照準標尺分劃順序為：E 前視標尺；F 后視標尺；G 后視標尺；H 前視標尺。測站數(shù)為偶數(shù)，一般為6或8個。由往測轉(zhuǎn)為返測時，兩支標尺應(yīng)互換位置，并應(yīng)重新整置儀器。6.3.4 水準上橋測量水準上橋采用規(guī)范中規(guī)定的三角高程測量的方法測量。測量時：1) 測量時豎盤指標差要設(shè)置小于5；2)豎直角不大于30°；3)前后視距差不大于5m。4)并至少作兩次上橋觀測，兩次測量高差不能超出1mm，取平均值作為最終的高差。6.3.5 CP高程控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理CPIII控制點高程測量應(yīng)采用嚴密平差，平差計算取位按下表中精密水準測量的規(guī)定執(zhí)行。精密