鐵路建設(shè)不同階段布設(shè)精密測量控制網(wǎng)的實(shí)施技術(shù)研究

傅成棟

（甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司 甘肅蘭州 730000）

0 前言

鐵路列車的行駛速度較快，對軌道的平順性、精度及幾何線性有較高的要求，需控制在毫米級范圍內(nèi)。就此，勘測單位需構(gòu)建符合鐵路勘測設(shè)計要求、鐵路工程施工及運(yùn)營維護(hù)的精密測量體系，為鐵路施工和運(yùn)營維護(hù)管理提供精確數(shù)據(jù)，保障鐵路的正常使用和安全運(yùn)營，延長鐵路的使用壽命。

1 工程概況

本文以包銀鐵路為例，闡述鐵路精密測量控制網(wǎng)的應(yīng)用要點(diǎn)。該鐵路包括包頭至銀川段、阿拉善支線兩部分。其中，包銀鐵路全長505.78km，共有17 個車站；橋梁總長245.30km，橋隧比重48.5%；設(shè)計速度為250km/h；最大坡度為20‰。阿拉善支線與銀川樞紐的包蘭線黃羊灘站連接，通過包蘭線引入銀川站，線路全長129.95km，新建線路長度為100.8km，橋梁比14.9%；設(shè)計速度為160km/h，預(yù)留速度為200km/h；限制坡度為13‰。

在工程施工前，勘測單位（甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司）根據(jù)和《鐵路工程測量規(guī)范》，遵循分級布網(wǎng)、逐級控制的原則，構(gòu)建精密控制網(wǎng)，建立任務(wù)范圍內(nèi)的精密測量控制網(wǎng)，包括以下四部分：①框架控制網(wǎng)（CP0）布設(shè)及測量；②基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)（CPⅠ）布設(shè)及測量；③線路控制網(wǎng)（CPⅡ）布設(shè)及測量；④高程控制網(wǎng)布設(shè)及測量[1]。在鐵路不同建設(shè)階段，勘測單位開展的測量工作不同。在定測環(huán)節(jié)，進(jìn)行基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)的布設(shè)；在施工圖設(shè)計環(huán)節(jié)，進(jìn)行補(bǔ)充精測，與原本GPS 點(diǎn)進(jìn)行連測；在施工環(huán)節(jié)，進(jìn)行每條切線的連測；在深度開工環(huán)節(jié)，進(jìn)行CPⅠ、CPⅡ及精密水準(zhǔn)的補(bǔ)測。本文主要以平面控制網(wǎng)為例，分析精密測量控制網(wǎng)的布設(shè)要點(diǎn)，為其他單位提供經(jīng)驗參考。

2 精密測量控制網(wǎng)在包銀鐵路的實(shí)施技術(shù)

2.1 平面測量控制網(wǎng)實(shí)施技術(shù)

2.1.1 布設(shè)前的準(zhǔn)備

在布設(shè)前，勘測單位需收集相關(guān)資料，如沿線國家的GPSA、B 級點(diǎn)、包銀鐵路所在區(qū)域的鐵路控制網(wǎng)CP0 點(diǎn)等。在上述資料中，對于通過初測控制階段檢驗，和線路距離低于10km，且點(diǎn)位穩(wěn)定、精度符合控制網(wǎng)布設(shè)要求的點(diǎn)位，可直接用于平面測量控制網(wǎng)的布設(shè)，將其作為起算數(shù)據(jù)，不需布設(shè)CP0 點(diǎn)。在包銀鐵路工程中，先期開工段（銀川樞紐起向北延伸3km）與銀西高鐵并行，銀西線中存在的CPⅠ、CPⅡ點(diǎn)符合上述要求，將其用于包銀鐵路的相應(yīng)點(diǎn)位。

2.1.2 選點(diǎn)

在進(jìn)行平面控制網(wǎng)的選點(diǎn)時，勘測單位需注意以下幾點(diǎn)：①選擇土質(zhì)堅實(shí)、便于觀測、不易受影響的區(qū)域；②選擇的點(diǎn)位應(yīng)符合GPS 接收機(jī)安裝要求，可有效接收GPS 衛(wèi)星信號；③點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源超過200m，如電視臺、微波站等，遠(yuǎn)離高壓輸電線50m 以上；④點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離大面積水域；⑤在明確CPⅠ、CPⅡ控制點(diǎn)后，應(yīng)在點(diǎn)位現(xiàn)場標(biāo)注說明，并做好點(diǎn)之記，用AutoCAD 繪制。

2.1.3 埋石

在包銀鐵路中，勘測單位分別設(shè)置控制點(diǎn)標(biāo)志、基巖埋標(biāo)及一般情況下埋樁。

控制點(diǎn)標(biāo)志選擇直徑為20mm、長30mm 的不銹鋼材料，通過普通倒T 字型鋼筋將材料下部焊接，如圖1 所示。在材料頂部刻0.5mm 深的十字分劃絲，并安裝標(biāo)牌，表示點(diǎn)位信息，如包銀線CPⅠXXX、包銀線CPⅡXXX 等。

圖1 控制點(diǎn)標(biāo)志

基巖埋標(biāo)是在基巖裸露的區(qū)域埋設(shè)基巖樁，巖樁選擇穩(wěn)定性強(qiáng)、未風(fēng)化的巖石埋樁，通過鉆孔方式埋樁，放置標(biāo)芯，再通過強(qiáng)力膠填充空隙，使用水泥材料抹平。

一般情況下埋樁選擇混凝土預(yù)制樁，其內(nèi)部設(shè)置鋼筋籠，提高預(yù)制樁強(qiáng)度，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范埋設(shè)。如果水準(zhǔn)基點(diǎn)和CPⅡ在平面點(diǎn)出現(xiàn)共樁現(xiàn)象，則需將CPⅡ點(diǎn)與CPⅠ點(diǎn)采用相同的規(guī)格埋設(shè)。

2.1.4 施測

在包銀鐵路中，勘測單位通過邊聯(lián)結(jié)方式整合CPⅠ、CPⅡ網(wǎng)，獲得帶狀網(wǎng)。其中，CPⅠ控制網(wǎng)和國家GPSA、B 級點(diǎn)、銜接區(qū)域其他線路的CP0 點(diǎn)實(shí)現(xiàn)直接基線聯(lián)測，共同形成附合網(wǎng)；CPⅡ則與CPⅠ聯(lián)測形成附合網(wǎng)。在施測過程中，選擇Leica 雙頻GPS 接收機(jī)進(jìn)行觀測，觀測精度要求如表1 所示。在觀測前，勘測單位統(tǒng)一設(shè)置測量儀器的參數(shù)，將數(shù)據(jù)采樣間隔設(shè)置為15s，將高度角設(shè)計為15°；在觀測過程中，需做好天線整平工作，要求其對中誤差低于1mm。在每個觀測時段，前后分別兩區(qū)天線高，要求兩者差值低于3mm，平均數(shù)為最終觀測值。

表1 GPS 精度檢測精度指標(biāo)

2.1.5 基線解算

在基線解算中，勘測單位選擇徠卡LGO8.4 基線解算軟件，通過廣播星歷進(jìn)行計算，選擇國家GPSB 級點(diǎn)等三維坐標(biāo)為起算點(diǎn)?；€解算的各項參數(shù)需遵循如下要求：

①對于同一時段的觀測值，需將其資料剔除率控制在10%以內(nèi)；②對于同一條邊任意兩個時段的解算值，其差值控制在（mm）；③對于采用獨(dú)立觀測方式的邊閉合環(huán)，其各坐標(biāo)分量間的閉合差需遵循如下要求：Wx≤3·σ；Wy≤3·σ；Wz≤3·σ；W≤3·σ。如果觀測中發(fā)現(xiàn)上述指標(biāo)不符合要求，需重新測量。

2.1.6 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在基線解算完成后，需進(jìn)行網(wǎng)平差與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作。首先，將聯(lián)測GPSA、B 級點(diǎn)、銜接區(qū)域其他線路的CP0 點(diǎn)作為CPⅠ的起算數(shù)據(jù)，開展兼容性檢驗工作；其次，通過Cosa GPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)平差處理，選擇2000 國家大地坐標(biāo)系，網(wǎng)平差選擇三維無約束平差，將起算點(diǎn)的三維成果為CPⅠ的計算基礎(chǔ)，將CPⅠ的二維成果為CPⅡ的計算基礎(chǔ)。

在無約束平差處理中，對基線分量有明確要求，V△x、V△y、V△z等改正數(shù)絕對值需符合如下要求：V△x≤3σ；V△y≤3σ；V△z≤3σ。

在網(wǎng)平差處理完成后，可獲得CPⅠ、CPⅡ的坐標(biāo)、基線向量、改正數(shù)及精度信息等參數(shù)；再按照獨(dú)立坐標(biāo)系投影帶，進(jìn)行CPⅠ、CPⅡ分帶坐標(biāo)系的計算，要求不同帶間具備兩個以上的公共點(diǎn)。

2.1.7 CPⅡ測量

在隧道貫通施工完成后，勘測單位進(jìn)行CPⅡ測量，其流程如下：

（1）在測量前，進(jìn)行測量點(diǎn)的布設(shè)，勘測單位將CPⅡ控制點(diǎn)布設(shè)于隧道洞內(nèi)的電纜槽位置，該點(diǎn)位可用作隧道洞內(nèi)的二等水準(zhǔn)基點(diǎn)，要求點(diǎn)間視線和洞內(nèi)設(shè)置間的距離大于0.2m，勘測人員將點(diǎn)位編號為XXXCPⅡ01。其中，XXX 是指隧道的名稱。

（2）在測量過程中，勘測人員開啟測量儀器，放置20min，使其適應(yīng)外界環(huán)境，再按照規(guī)范要求，讀取氣象參數(shù)與溫度參數(shù)。測量結(jié)果顯示，溫度為0.2℃，氣壓為50Pa。在開展導(dǎo)線觀測前，需按照檢校、照準(zhǔn)、參數(shù)設(shè)置的流程合理配置全站儀，并遵循規(guī)范流程，觀測限差；再通過目標(biāo)點(diǎn)尋標(biāo)，一一輸入準(zhǔn)確的導(dǎo)線點(diǎn)號，并將測站儀器的實(shí)際高度和目標(biāo)高共同輸入采集軟件中，進(jìn)行學(xué)習(xí)，即可開展自動化數(shù)據(jù)采集工作。需要注意的是，在測量過程中，需實(shí)時監(jiān)測儀器運(yùn)行狀況，避免儀器故障引發(fā)系統(tǒng)誤差。

（3）數(shù)據(jù)處理。在測量完成后，勘測人員進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合外業(yè)電子記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行測站方向、邊長觀測值的限差、中誤差及對向觀測邊較差等數(shù)據(jù)的計算；再將隧道洞口或斜井端的CPⅠ為起算數(shù)據(jù)，進(jìn)行導(dǎo)線閉合差的計算，如全長相對閉合差、坐標(biāo)閉合差等。在上述參數(shù)指標(biāo)計算完成后，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值對比。包銀鐵路隧道與導(dǎo)線的參數(shù)均符合規(guī)定，勘測人員通過嚴(yán)密平差方法進(jìn)行深入分析，選擇地面網(wǎng)數(shù)據(jù)處理軟件FSDIGDPAS 計算，該軟件可提供點(diǎn)位坐標(biāo)、中誤差及點(diǎn)位橢圓誤差等精度評定數(shù)據(jù)的計算，確保各項精度評定數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，保障精密測量控制網(wǎng)的布設(shè)質(zhì)量[2]。

2.2 精密測量控制網(wǎng)運(yùn)維復(fù)測

對于鐵路工程而言，精密測量控制網(wǎng)的布設(shè)具有系統(tǒng)性、持續(xù)性特征，需勘測單位在布設(shè)期間做好維護(hù)與復(fù)測工作，方可保障控制網(wǎng)的精度，使其滿足鐵路建設(shè)需求。其中，復(fù)測是勘測單位選擇的復(fù)測方法、復(fù)測儀器及精度，均需遵循建網(wǎng)時相應(yīng)等級的規(guī)定。在包銀鐵路中，勘測單位開展的運(yùn)維復(fù)測工作要點(diǎn)如下：

（1）維護(hù)周期。在包銀鐵路的建設(shè)期間，CPⅠ、CPⅡ平面控制網(wǎng)、線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)進(jìn)行持續(xù)復(fù)測。在各個控制網(wǎng)交樁后，施工單位需進(jìn)行復(fù)測。

（2）復(fù)測工作?？睖y單位開展不定期復(fù)測工作，復(fù)測地點(diǎn)為鐵路建設(shè)沿線的特殊區(qū)域、出現(xiàn)地面沉降的區(qū)域或施工中出現(xiàn)異常的區(qū)域，這類區(qū)域需增加復(fù)測次數(shù)。同時，考慮到控制網(wǎng)的點(diǎn)位處于鐵路工程的施工沿線，易受鐵路施工影響，出現(xiàn)丟樁或樁位移動等現(xiàn)象，勘測人員在發(fā)現(xiàn)這類現(xiàn)象后，需進(jìn)行復(fù)測[3]。

3 結(jié)論

綜上所述，鐵路精密測量控制網(wǎng)的布設(shè)流程較為復(fù)雜，勘測單位需結(jié)合工程參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，開展布設(shè)工作。借鑒包銀鐵路的成功經(jīng)驗，勘測單位在布設(shè)平面測量控制網(wǎng)時，可按照資料收集、選點(diǎn)、埋石、施測、基線解算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、CPⅡ測量的流程開展工作，并做好測量控制網(wǎng)的運(yùn)維復(fù)測工作，保障控制網(wǎng)的精度。