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客运专线铁路工程测量技术的发展

轨道的高平顺性是实现列车高速运行的最基本条件。实现和保持高精度的轨道几何状态是客运专线建设的关键技术之一。高速铁路和客运专线铁路在建设方面与传统铁路的主要区别,是一次性建成稳固、可靠的线下工程和高平顺性的轨道结构。工程测量是建设和养护维护高速铁路和客运专线铁路的最重要基础技术工作之一。 我国客运专线铁路工程测量是在大规模客运专线铁路建设中不断认识、提高、深化和完善的, 现已基本构建完成了我国客运专线铁路的工程测量体系。

一、我国高速铁路及客运专线工程测量体系的建立和发展

我国高速铁路及客运专线的工程测量发展是随着对高速铁路的认识和客运专线的建设实践逐步深化的过程。

1.传统铁路工程测量

传统铁路工程勘测设计、施工测量采用导线法测设线路中线。导线测量和中线测量精度偏低,对轨道工程精度考虑较少。现行《新建铁路工程测量规范》 (TB10101-99)规定的导线限差见表1。中线测量依据初测导线点、航测外控点、典型地物点或 GPS 点采用拨角法或支距法或极坐标法测设交点或转点,施测曲线控制桩。根据交点、转点和曲线控制桩测设线路中线,一般用偏角法测设曲线,其中线闭合差见表2,中桩的桩位限差为纵向(0.1+S/2000)m,横向为10cm。偏角法测设曲线闭合差限差为纵向 1/2000,横向 10cm。高程测量为五等水准。轨道工程依据线路中桩及引放的外移桩进行轨道铺设。测量基桩的埋设标准很低。

在运营维护中,轨道工程主要采用弦线法进行养护维修。直线依据中桩外移桩,曲线依据曲线控制桩按正矢法进行轨道养护。由于基桩埋设标准低,基桩测设精度偏低,存在线路测量可重复性较差,中线控制桩连续丢失后很难进行恢复等缺点,造成运营线路直线不直、曲线偏移, 曲线半径等要素出现偏差, 超高设置与半径不匹配等现象,致使列车提速后舒适度下降。这些现象在第六次大提速中已有明显反映,显现出传统的测量体系和方法已不能满足客运专线建设需要。

2.客运专线建设初期的主要测量标准和测量实践

⑴秦沈客运专线。在 1999 年开工建设的秦沈铁路客运专线中,铁三院利用 GPS 技术,测设导线控制点,施工单位依据设计院导线控制网采用导线法测设长大直线和曲线。 在轨道施工中开始引进轨道检测仪对轨道几何状态进行做道和检测。

⑵《京沪高速铁路测量暂行规定》。2003年,原铁道部高速铁路办公室依据“八五”、“九五”国家重点科技攻关计划专题――高速铁路线桥隧站设计参数与技术条件的研究等有关成果, 吸取了秦沈客运专线测量的实践经验,编制了《京沪高速铁路测量暂行规定》(铁建设〔2003〕13号)。在建的客运专线初期大都参考和采用了《京沪高速铁路测量暂行规定》。其主要测量设计思路为:按线路中线点之间的相对中误差为1/10000,使用国家三等大地点,用GPS测量加密相当国家四等大地点,在 GPS 点的基础上做铁路五等导线,利用导线点测设线路中线控制点和铺设轨道。加密四等大地点按GPS测量D级网的技术要求测设。铁路五等附合导线测量的相对闭合限差为1/20000。为使实际地面测量不受影响,规定投影长度变形不大于1/40000,即每千米不大于2.5cm。高程测量采用四等水准测量。

线路的中线测量标准同《新建铁路工程测量规范》(TB10101-99)。轨道工程的铺设与维护仍延续传统的相对测量方法,不能避免传统铁路出现的问题,尤其不适用于无砟轨道施工。

⑶京津城际铁路的测量实践。在客运专线铁路建设初期,京津城际、武广、郑西等客运专线均参照《京沪铁路高速铁路暂行规定》设置测量控制网进行施工。随着对高速铁路测量工作认识的不断深化,发现以下四个方面问题,不适用于无砟轨道施工,在京津城际铁路建设中最早暴露出来。

①控制点埋石标准低。《京沪高速铁路测量暂行规定》控制点埋石标准与《新建铁路工程测量规范》(TB10101-99)控制点埋石标准相同,控制点埋深浅,标石规格低,在沉降区域和其他地基不稳定区域控制点不稳定, 对建设和运营维护中的高精度控制和沉降观测造成影响。

②控制网精度低。控制网测量精度不能满足轨道平顺性要求,建成后轨道的平顺性,尤其是长波不平顺很难保证。测量标准与国外高速铁路测量标准有较大差距。

③网点布局不合理。由于对控制网没有进行系统设计,网点布局不合理,不能满足无砟轨道高精度测量要求。

④施工控制测量接口多,控制测量方法和执行标准尺度不一。客运专线线下工程的控制测量应满足无砟轨道误差要求。我国客运专线与国外不同,地形复杂,桥长、隧长是基本特色。但长桥和长隧的控制测量仅由施工单位对单项工程建网进行控制,施工单位各自为政,没有进行统一的布网测设要求和标准, 没有统筹考虑线下工程的测量标准要满足无砟轨道施工要求。

针对以上问题,工程管理中心与京津公司研究后决定立即在京津城际启动应急测量网建设,应急网采用平面三等导线、高程二等水准标准进行测设,较设计交桩网采用平面五等导线、高程四等水准精度和标准有较大提高。应急网建成后迅速对已建桥梁墩台进行了复核,对已完成的 691 个墩台中横向超标的有 98 个,最大偏差 57mm;纵向超标的有 102 个,最大偏差 55mm;最大高程偏差 128mm,平均-31.7mm,多为负偏差。

经分析,平面偏差均为测量网间量标准差异造成,高程偏差受水准点埋石标准较低及区域地质沉降影响。 随后对全线出现的偏差均采用技术和工程措施进行了妥善处理,并启动了精测网建设,铁三院承担了基础网至轨道设标网(GVP/CPⅢ)间的全部测量工作,施工单位承担了无砟轨道的轨道基准点(GRP)和轨道板精调安装的测量工作,确保了无砟轨道施工精度。京津城际铁路已于 2007 年底全部完成无砟轨道施工和轨道铺设任务,现基本完成轨道精调作业。经轨道静、动态检测,总体精度情况良好。以上偏差也充分佐证了客运专线铁路建设高精度测量网的重要性和必要性。

京津的实践也说明,《京沪铁路高速铁路暂行规定》受当时对高速铁路,尤其是无砟轨道客运专线的认识局限,对控制网的设计要求及精度标准还有不足,但提出了分级设网的雏形,提高了测量精度要求,在客运专线建设中起到了重要的承上启下作用。

3.现行的客运专线测量标准

随着对客运专线铁路测量认识的逐步深化,铁道部组织铁道第二勘察设计院和西南交通大学开展了无砟轨道工程测量控制网精度研究,依据高速铁路轨道平顺性要求,参考国外高速铁路测量标准,提出了平面和高程控制网精度标准。根据研究成果,组织编制和颁布了《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》 (铁建设〔2006〕189号)和《时速200~250公里有砟轨道铁路工程测量指南(试行)》 (铁建设〔2007〕76 号),提出了勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网“三网合一”的要求,设计了基础平面控制网 CPⅠ、线路控制网CPⅡ和基桩控制网CPⅢ三级测量控制网, 对控制网网型和测量精度做出了明确要求。 高程控制网按无砟和有砟分别提高为二等和三等水准测量施测。提出了客运专线铁路工程测量平面坐标系统应采用边长投影变形值≤10mm/km(无砟)/25mm/km(有砟)的工程独立坐标系。同时提出了客运专线无砟轨道铁路工程控制测量完成后,应由建设单位组织评估验收的要求,并制定了评估验收内容和要求。表4~6 为客运专线无砟轨道铁路工程控制网测设要求和精度标准,并借鉴国外测量标准,提出了控制点的定位精度(见表7) 。表8~9时速 200~250 公里有砟轨道测量铁路工程控制网测设要求和精度指标。

通过以上技术措施,为实现线路的坐标控制绝对定位创造了条件。

当前,武广、郑西、哈大等时速 300~350 公里客运专线和京沪高速铁路均按《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》布设了CPⅠ、 CPⅡ控制网和高程控制网, 并布设了部分CPⅢ控制网。 石太、合武、武合、合宁、温福、福厦、广珠城际等时速 200~250 公里客运专线也已按新的测量标准设计和施设了平面和高程控制网,并采取积极、 稳妥的技术和管理措施处置了新旧测量网测量精度不同造成的测量偏差。

二、需要进一步深化研究和规范的几个问题

1.CPⅢ的测设方法应进一步研究深化

CPⅢ主要为轨道工程的铺设和运营维护提供基准,由于前期对其精度和测设方法研究较少, 《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》对 CPⅢ的测设提出了导线法和后方交会法(自由设站边角交会法) 两种方法,《时速200~250公里有砟轨道铁路工程测量指南(试行)》对CPⅢ要求使用导线法。但由于铁路线路横向宽度限制,导线法与轨道高精度测量匹配较为困难,同时在铺轨和运营维护时,个别基桩点的缺失对施工和维护作业影响较大, 不利于轨道精测系统智能化测量定位,不便于机械化作业。因此,客运专线铁路 CPⅢ测设应采用自由设站边角交会法。

CPⅢ测量是建设高平顺性轨道的基础工作,点多量大,对其重要性,许多单位和测量人员还没有引起充分的重视,技术力量薄弱,应加强宣传和培训,规范其管理。

2.轨道几何状态检查仪是高速铁路和客运专线铁路轨道定位和运营维护的重要测量器具,应高度重视,加强研究和管理。

传统铁路轨道施工和维护测量主要使用弦线测量或相对型轨道检查仪(俗称轨检小车)。但国外高速铁路轨道,尤其是无砟轨道的施工和维护已发展为坐标测量。高速铁路和客运专线铁路,尤其是无砟轨道高速铁路精度测量需要使用专用的测量装备以 CPⅢ为基准施测,进行包括长、短波不平顺的轨道几何状态控制。同时在轨道验收时也需要使用轨道几何状态检查仪对轨道几何状态进行精密验收。

客运专线开工建设以来,我们陆续引进和研发了部分新型轨道精密测量器具。引进的四种无砟轨道中,博格使用特制精调框配合全站仪依据轨道设标网(相当于 CPⅢ)进行轨道板精确定位;雷达2000使用粗调机将工具轨和轨枕组成的轨排粗调后,使用由轨检小车、全站仪等组成的“一体化”轨道测量系统根据 CPⅢ精调定位;旭普林使用全站仪依据 CPⅢ定位支脚实现轨枕精确定位,但铺轨后也需使用由轨检小车、全站仪等组成的“一体化”轨道测量系统精调钢轨位置;日本板铺轨后的精调也需要使用由轨检小车调整充填式垫板和扣件。各种型式的无砟轨道施工和验收均需使用大量的轨道精密测量器具。引进的新型轨道精密测量器具主要是瑞士安博格公司 GRP 和德国SINNING公司的GEDO 轨道几何状态检测仪。国内正在进行研发的单位分别是江西日月明公司、长沙悦诚公司、西安远景智能公司等单位,产品均在研发中。

根据《铁路专用计量器具新产品技术认证管理办法》(铁道部22号令)、 《铁路专用计量器具管理目录》(铁科技〔2006〕31号),轨道几何状态检测仪为Ⅰ类铁专量具,应通过铁道部技术认证。但因为缺乏相关技术条件和相关检定规程,技术认证工作还没有开展。

轨道几何状态检测仪的使用是高速铁路和客运专线铁路测量和检测的关键装备,急需加强研发和管理。

3.在轨道工程验收中增加量测长波不平顺内容,完善轨道几何状态测量验收方法和检测数量

国外高速铁路轨道均在静态验收时精确测量轨道几何状态,检查其是否满足设计位置和高平顺性要求。轨道动态验收是在静态验收合格后,再使用轨检列车对轨道内几何尺寸进行检测,计算分析轨道功率谱密度。如动态检测中偏离值超过标准值,需要与静态轨道测量值对比分析,研究采取相应措施进行改善。静态检测的数据和动态检测数据相互印证,为维修调整提供精确依据,为高速列车开行提供决策支持。动态检测和静态检测相互补充,不能替代。

精确测量轨道几何状态是世界高速铁路的通行做法。如德国铁路标准DB883.0031明确要求验收时“合同的承包方(AN)以验收申请方式提供按支承点的间隔对车辆投入运营准备就绪的轨道(经过焊接和磨光)的大地测量结果” 。法国、荷兰、比利时、台湾等国家和地区也有类似的要求。部分国家和地区在开通前还委托专业测量机构对验收项目的静态轨道几何状态进行抽查。

我国铁路第六次大面积提速的实践证明轨道位置十分重要,传统的弦线测量法会造成线路的偏移,尤其对大半径曲线,较小的正矢偏差就会造成很大的曲线半径误差,已不适应轨道工程施工和养护。因此客运专线轨道工程建设应依据精密控制测量网精确施设。同样,验收也应采用坐标法精确测量轨道的几何状态。当前,各客运专线已依据轨道平顺性要求建立了平面和高程控制网,引进的博格、雷达2000、旭普林三种无砟轨道在施工时均依据 CPⅢ精确测设钢轨支承点或钢轨, 具备了在验收时对包括大地坐标在内的每个钢轨支承点处钢轨的几何状态进行精密量测的条件。

《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》(铁建设〔2006〕189号)在竣工测量中提出了对轨道精确测量的要求,但《客运专线无砟轨道铁路施工质量验收暂行标准》(铁建设〔2007〕85号)对轨道中线和高程仅规定每公里检查2处,每处10个点;《时速 200~250公里有砟轨道铁路工程测量指南》(铁建设函〔2007〕76号)规定铺轨时采用弦线法测量, 《客运专线铁路轨道工程施工质量验收暂行标准》(铁建设〔2005〕160号)规定的检验数量为每5公里2处。轨道工程的验收数量和国外先进做法还有一定距离,同时没有轨道长波不平顺的检测要求。

4.要研究建立初级基础控制网 CP0 的条件和精度要求

鉴于我国大地坐标网已不能很好满足客运专线基础控制网测设需要的现状,在京津城际、哈大客专、京沪高速(西段)、贵广铁路等测量工作中,施测单位还根据线路实际研究和增设了CP0 级控制网,对保证CPⅠ级控制网精度和补设精度进行了积极探讨,使基础控制网更加完善和灵活。需要总结其测设经验,研究初级基础控制网的条件和精度。

当前,在建客运专线铁路无砟轨道施工即将大面积展开,我们已经建立了满足高速铁路和客运专线铁路高平顺性要求的测量控制网基本标准,相信通过不断的总结和完善,我们一定能建成世界一流的客运专线测量技术体系和完整的测量控制标准。

 

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最后编辑于:2018/11/4作者: 测量测绘

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