浅谈高速铁路精密测量技术

浅谈高速铁路精密测量技术

邹翔

安徽省地勘局第二水文工程地质勘查院  安徽芜湖 241000

摘要：近年来，随着我国高铁建设的快速发展，高铁高精度工程测量技术已逐步形成，这一技术已为高铁的优化设计提供了重要基础，并为高铁项目的质量管理提供了有力保证。随着我国高铁建设步伐的加快，为了适应日益增长的工程勘察精度需求，必须对传统的控制测量方式进行改革，开发和改进高铁精密测量工程，从而从本质上提高高铁勘测的质量，保证高铁施工的质量能够满足高铁施工的安全性和舒适性。通过对我国高铁工程施工技术体系的研究，对高铁工程施工目标、施工内容等方面进行了系统的研究，并对其主要特征进行了探讨，以期对高铁工程施工行业的发展具有一定的借鉴意义。

关键词:高速铁路；精密工程；测量技术

1.我国高速铁路精密工程测量技术概念及建立过程

1.1高速铁路精密工程测量技术概述

“高铁精密工程测量的首要目标是构建不同层次的平面和高程控制网络，以保障高铁项目按设计线型施工，保障高铁线路铺轨的准确性，从而保障高铁的平稳和安全运行”[1]。由于我国高铁运行速度在250-350km/h间，对高铁运行的平稳性和安全性提出了更高的要求，因而引起了有关人员的关注。在高铁线路布线精度研究中，对高铁线路布线精度研究具有重要意义。在高铁线路的铺设过程中，需要注意两个问题：一是要严格按照高铁线路的设计线型，即在铺设高铁线路的过程中，要保证高铁线路的几何参数的准确性和可靠性；另一方面，为保证高铁铺轨的平顺性，需要对线路线型参数进行合理的调整，通常在毫米量级，以保证铺轨的平顺性。

1.2我国高速铁路精密工程测量技术体系建立过程

高铁以其相对较高的运行速率，满足了人们对出行的需求，是一种主要的交通工具。为保证高铁运行的安全与舒适，高铁轨道必须满足良好的乘坐舒适性，这对高铁工程施工提出了更高的要求，即采用毫米级别的测量精度，并采用标准的几何线形测量参数。现有的工程测绘技术与手段已无法适应高铁施工的需要，其测绘精度亟待全面提升。随着我国无砟轨道建设的不断深入，我国已逐渐形成了一套完善的高铁工程测量技术体系。随着中国铁道科技的进步，铁道建设对高精度的要求也日益提高，而高精度的工程测量技术也得到了广泛的应用。中铁二院与西南交通大学在2004年开始了对无碴轨道铁路项目的检测技术的研究，并在此基础上建立了无碴轨道综合测试区的高精度工程检测与控制网络。到2006年，伴随着几条大型无砟轨道铁路的开工，我国已初步构建起了与无砟轨道施工新形势相适应的铁路精密工程测量技术体系。《高速铁路工程测量规范》（X10601-2009）是中铁二院于2008年颁布并实施的，标志着我国已初步建立了高铁工程测量技术标准。交通与国家经济的发展密切相关，随着高铁精密工程测量技术体系的不断完善，传统的测量手段的精度得到了极大的提高，可以满足高铁对测量工程的精度要求。

2 高速铁路精密工程测量技术精准要求

“高铁线路铺轨精度直接关系到高铁乘坐舒适性，因此高铁线路铺轨精度与设计线型的一致性是高铁线路施工中亟需解决的问题”[2]。另外，由于高速铁路施工过程中存在着多个施工环节，所以，在设计过程中，必须充分考虑到各个因素的影响。一般而言，为保证高铁工程测量技术的精度，应从如下几个方面着手：

(1)着重分析了钢轨内的几何形状。这主要是由于铁路轨道内部的几何尺寸所包含的各个参数直接影响到铁路轨道的实际形状与平顺性，要正确认识和掌握轨道内部几何尺寸，要确保根据国家有关标准要求确定精度偏差，并对精度偏差进行合理控制。(2)对钢轨的外径进行了全面的考虑。重点研究了轨道在三维空间坐标系统中的坐标和高程。由于铁路线路的外部几何形状对线路施工的空间位置有很大的影响。轨道外形尺寸的确定，应从轨道的定位，路基，隧道，桥梁，站台等几个方面进行协调；其次，要严格控制轨道外几何参数的误差，保证轨道铺设的精度和平顺性。

在具体的测量工作中，第一件事就是编制相关的测量技术说明书。在工程中，应结合工程的特点，制订工程的计量规范，并对工程进行初步的设计分析，充分吸取现有的轨道技术体系中的有用信息；同时，对每一项技术指标都有很高的要求。为达到数据测量的精确性，保证测量结果的正确性与合理性，必须制定出一套符合工程实际的精确测量方法，并结合工程的实际情况与工程的内容加以确定。我们需要建立一个完善的坐标系统设计。为保证坐标系统设计的正确性与合理性，必须依据精确的数据资料，采用合理的坐标系统设计参数。在工程实践中，通过对工程实例和理论计算结果的对比，对工程投影面的长度变化进行了合理的分析。在设计的过程中，还必须构建出一套与测量标准和要求完全相符的坐标体系，并按照有关标准，对特定的坐标系展开特殊的分析，从而达到对长度测量的有效性。在测控中，对变长系统进行了严谨的设计，为今后高精度测控技术的应用奠定了基础。

3.高速铁路精密工程的目的

当前，在高铁施工中，从勘察设计到施工，到工程验收到运营维护，无一不要求运用高精度工程测量技术。在高铁施工中，检测技术是一项贯穿于高铁施工全过程的技术，它对于提高高铁施工质量起着举足轻重的作用。高铁精准施工旨在从根本上提升高铁施工质量，保障高铁运行安全。为了保证项目施工的顺利进行，必须结合工程实际，对各层次平面高程进行合理的控制，以保证项目施工的顺利进行。在高铁施工中，采用高精度的工程控制测量技术，能够有效地控制工程的精度。通过采用高精度测量仪、科学合理的布置与控制手段，可以有效地减少工程中的误差，使得高铁项目达到预期的工程控制精度，为高铁项目的精准建设奠定坚实的基础。“高铁精密工程测量需要在真实条件下，严格按设计线型进行施工，以满足轨道平顺性和毫米级精度的需求，以保障行车安全和舒适性”[3]。

4.高速铁路精密工程的建设内容

4.1建设内容

高铁精密工程测量技术在高铁工程建设中的运用，它所涉及到的内容很多，主要有：（1）高铁平面高程控制；（2）高铁线路施工；(3)对施工现场进行现场勘测；(4)对项目的操作和维修进行测量。

4.2精度要求

在高速铁路铺轨过程中，必须保证轨道内外尺寸的精确性。内径是指轨道的内径，而外径则是指轨道的空间位置和轨道的高度。

4.3轨道内部尺寸

轨道内尺寸又称为轨道相对定位，是由轨道上邻近点间的相对位置决定的，其精度要求为轨道提供平稳、舒适的运行轨道。内径需求包括轨距，横向、纵向高度，和方位等参数需求。该方法可以较好地反映出轨迹的真实形态，从而确保轨迹的准确性。

5高速铁路精密工程测量的特点

5.1应用广泛

“高铁高精工程测量是一种多用途、多层次的平面高程控制网络，可以满足高铁高精工程中各个阶段对高精工程测量的精度需求”[4]。中国的高铁精密工程是逐步发展起来的，在过去，人们对轨道的线型和平顺性的要求并不高，再加上那时的科学技术还不够发达，管理水平也比较落后，铁路部门也没有形成一套完整的工程测量勘测系统，因此，在测量工作中，既没有规范的管理，也没有科学的方法，这就造成了轨道施工中的实际几何参数和设计参数之间存在着很大的差异，从而导致了轨道的总体质量不高。

5.2分级布网

当前，我国的高速铁路测量控制网可以被划分为三个层面，分别是基础平面控制、线路平面控制和轨道控制。这三种控制网可以为轨道施工过程中的勘测、施工和运营维护提供基准坐标控制参考。为了保证每一个控制网的正常运行，必须采用分层布网的方法。在对高速铁路测量控制网进行布设的时候，应该在框架控制网布设结束之后，将平面控制网的布设分成两个部分进行布设，测量控制网要既要满足线下工程测量精度的要求，又要满足对轨道工程的铺设精度的要求，这样才能确保实际施工的几何参数与设计目标参数之间的偏差能够达到足够小的程度，从而让轨道施工与线下工程施工能够通过各级控制网来达到协调统一，从而确保工程质量。

5.3边长投影变形值控制

在此基础上，提出了一种新的边界条件，即边界条件对边界条件的影响。在高铁轨道上，需要建立一个相对独立的坐标体系，并将其控制在允许的范围内。在高铁建设过程中，需要将实测的边长值与反演的边长值进行比对，以实现比例尺的统一。从理论上讲，边长投影的形变量愈小，愈利于精度的控制。目前，我国高铁的平面坐标测量体系均为工程上的独立坐标，其测量精度需达到10mm/km，若采用340mm/km的投影，将会对无碴轨道的施工产生不利影响。实际应用表明，京津城际高铁在实际施工过程中，其平面投影变形均能达到1/10万，取得了较好的工程精度控制效果，达到了设计精度的要求。

5.4三网合一测量体系

按照阶段、目标和功能，将高铁工程测控系统分为三大控制网络，即“三网”，即“三网”。为确保测量结果的准确性，从勘测、建设到运营和养护三个阶段，都要有一个统一的基准，三个阶段的平面和高程控制都要有一个统一的基准，也就是三大控制网都是由CPI级基本平面控制网和II级基点基本高程控制网组成，这种运行方式又称为“三网合一”。“三网合一”主要包括以下几方面：

(1)由于高铁建设的所有阶段都采用了坐标控制，所以“三网合一”的前提是高铁建设和运营维护都要有一个统一的坐标体系。如果坐标高程体系不能达到统一，那么就不能准确地对设计坐标高程进行定位，从而造成轨道工程和线下工程的错位，使其与设计的位置发生偏差，从而产生施工质量问题。在目标速度很小的情况下，可以抵消部分误差，所以对精度的要求比较低；但在目标速度很大的情况下，这些误差很难调节，如果勉强调节，则会对工程结构产生破坏。

(2)在进行高铁高精度工程测量时，应对高铁施工控制网和高铁养护控制网的起始基准进行统一。高铁轨道交通的平面测量控制网，必须以CPI作为基本的平面测量控制基准，以二级水准基点作为基本的高程测量控制基准。比如，在京津城际铁路的施工中，对于线下的施工，采用的是四等测量水准控制网，当铺设轨道时，在进行高程控制时，也用二级勘察水准控制基点作测量参考。这就造成了线下工程与轨道工程施工高程的起算基准不一致，造成了一些施工项目被废弃，给高铁建设带来了不便和损失。要实现“三网合一”，必须以此为先决条件。“三网合一”测绘系统的建立，将把铁路线和附属建筑的坐标统一到一个坐标系中，使得铁路线上的每个点都只能有一个唯一的坐标。“三网合一”的实施，使得高铁的建设与运营与维修工作能够按设计参数，严格执行，确保高铁的平顺性，为高铁的建设与管理提供了方便，也为高铁的建设与管理提供了一种新的思路与方法。

6.高速铁路精密工程测量技术标准的研究及应用

6.1高铁控制网的布设方案

1.CPI。采用B级GPS静测法，在设计阶段，测点间距一般为50-100公里。此外，在设定了参考网路之后。每3-4公里需设一点.即便是难度较大的区域，两个点之间的间距也不会小于1000米。对于特大桥梁和超大跨度隧道，要视具体情况而定。同时，为了保证相邻两个点具有良好的视角，每个视角都应该具有与其相邻视角一致的视角。在简化转移关系方面，CPI控制网需要在三个以上的国家或地区进行控制。

2.CPII。在项目勘察、施工等阶段，都需要进行CPII的设置。可以说，CPII的作用是为工程的测绘、建设提供参考。在布线时，既可采用导线法，也可采用C类GPS的静态控制法。具体的出口间隔在800-1000米之间。应当指出，难度较大的站点布局网点间的间距不能小于600米，并且网点的布局应该按照线路的走向来进行，并且中心线与线路布局的间距应该为50-100米。在设置安装孔时，必须要考虑到部署点的特定位置是不是符合要求的最优位置。

3.CPIII。三层控制网是以CPII为基础，为高铁铺轨与运行提供可靠的控制基准。在岩石线的每一端，都要用五个等级的导线来布置。标高控制分三个层次，并在具体控制点处埋置，这里要确保埋置墙上部的位置及高度高于高速钢轨标志螺栓前端的上部。目前，国内高速铁路高线网一般都是按层次布置、逐级控制。具体要求为，在50-100km之间，至少要对两个国家的不低于两个级别的标准进行测量，以保证在国家85高程系统中的标高一致，并确定轨道的实际参数和设计目标之间的偏差在规定的最低限度之内；同时，将货车施工与路基、桥梁、隧道、平台等建筑施工有机结合起来。在此基础上，根据分层控制原理，构建高铁测控网络，确保轨道-子工程层、桥-隧-站台等空间层级的协调和配合。

6.2精密工程测量技术在无砟轨道施工中的应用

无砟轨道在我国得到了广泛的使用，因此，在无砟轨道建设中的应用具有十分重要的意义。在精测技术方面，主要包括：（1）基桩的密测。在检验和安装无砟轨道时，密封件的密封件必须按照CPIII规范进行。(2)安装量测。结合工程实践，对无砟轨道的安装量测作了较详尽的安装量测。(3)连通度量。在架设无砟轨道过程中，进行对接测量时，必须在已经设置好的贯通工作面上，设置高程控制点，并设置公用中线。(4)线调节方法。在实际测量之前，必须先对CPIII控制点进行测量，然后将它作为参考点，并将它作为一条直线的中线。

6.3 精密工程测量技术的精度控制要点

在高速铁路轨道的精密工程测量过程中，由于仪器的影响而产生的测量误差是一个值得注意的问题。精度控制重点：首先，在进行工程测量作业的时候，要选择具有较高精度的全站仪进行测量，在进行水平角测量时，要确保将第一个测量点方向的水平度盘读数设置为0°00′00〃。其次，要养成用全站仪、水平仪等校准方法，在进行高精度工程测量之前，对所使用的各种仪器进行校准，保证其校准精度在0.3mm以内。最后，仔细观察测站精度与控制点精度，在测站布设精度控制作业完成后，要仔细观察测站的精度与CPⅢ控制点的精度，若发现测站与CPⅢ控制点精度存在的偏差超出了规定要求，要及时找出原因，并进行再次测量。在控制点位置偏移较大的情况下，应及时将其排除，确保测量工作的精度。此外，“在精密工程测量现场，为了确保CPIII控制点的精度与正确性，必须对其进行及时的校正”[5]。

7.结语

总之，在精密工程测量技术的应用中，要充分了解高速铁路工程建设的实际情况，按照高速铁路设计需要进行测量，使得测量结果可以满足工程勘测设计的要求，保证施工的顺利进行。高铁高精度工程测量技术是高铁建设中的关键技术，对高铁的勘察设计、施工施工和运营管理具有举足轻重的意义。通过本项技术的研究，可以有效地提升我国高铁施工项目的总体质量，并逐步健全高铁精密测量技术体系，保障高铁运营安全。在高铁建设中，要充分利用高铁的高精度工程测量技术，以保证高铁工程勘察设计的科学性和施工的平稳性。

参考文献：

[1]叶俊杰.高速铁路精密工程测量技术体系及特点分析[J].运输经理世界,2020(11):8-9.

[2]刘艳军.高速铁路精密控制测量技术分析[J].华北自然资源,2020(01):74-75.

[3]范少杰.高速铁路精密工程测量技术标准的研究与运用[J].工程技术研究,2020,5(06):69-70.

[4]胥军均.高速铁路精密工程测量技术标准的研究与应用[J].智能城市,2019,5(04):99-100.

[5]何学浩.高速铁路精密工程测量技术体系的建立及特点[J].海峡科技与产业,2018(07):119-121.