GNSS技術(shù)在既有線大型樞紐車站測量中的實踐

周世明

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

1 項目背景

伊朗位于“一帶一路”倡議的“絲綢之路經(jīng)濟帶”上，位于亞洲西部，屬中東國家，古時稱之為“波斯”。伊朗中北部緊靠里海、南靠波斯灣和阿拉伯海，東鄰巴基斯坦和阿富汗，東北部與土庫曼斯坦接壤，西北與阿塞拜疆和亞美尼亞為鄰，西與土耳其和伊拉克領(lǐng)土相連。國土面積約165萬km2，世界排名第18。據(jù)伊朗國家2014年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，伊朗人口達(dá)7 700萬，伊朗是亞洲主要經(jīng)濟體之一，經(jīng)濟實力較強。伊朗經(jīng)濟以石油開采業(yè)為主，為世界石油天然氣大國，地處世界石油天然氣最豐富的中東地區(qū)，石油出口是經(jīng)濟命脈，石油生產(chǎn)能力和石油出口量分別位于世界第4位和第2位，是石油輸出國組織成員，由于基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重制約發(fā)展，鐵路運輸落后，伊朗政府借助外部資源加大發(fā)展鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，提高鐵路運輸效率。

2 德伊高鐵項目概況

伊朗德伊高鐵起點位于伊朗首都德黑蘭(Tehran)，經(jīng)由德黑蘭伊瑪目霍梅尼國際機場、伊朗宗教城市庫姆市(QOM)，終點為伊朗著名旅游城市伊斯法罕(Esfahan)的高速鐵路(簡稱德伊高鐵)全長404.79 km，線下工程按300 km/h設(shè)計，線上250 km/h設(shè)計，按照中國鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]修建。項目業(yè)主為：伊朗道路及城鄉(xiāng)部下屬交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展公司(CDTIC)(2017年6月更改為伊朗鐵路公司)，合同類型為設(shè)計施工總承包加融資(DB+F)。德伊高鐵項目在2010年10月與伊朗簽署商務(wù)合同,于2016年1月項目進入實施階段。

德伊高鐵項目為“四邊”(邊勘測、邊設(shè)計、邊施工、邊談合同)工程。起點位于既有德黑蘭樞紐車站，該站由德國公司始建于1930年，經(jīng)過多次改擴建，現(xiàn)如今是集客運、車輛整備、維修、機務(wù)、救援等大型場站。根據(jù)伊朗方意見：在修建高鐵時將再次對既有德黑蘭車站改擴建，接入德伊高鐵，與德黑蘭至庫姆既有線前面30 km并行。因此,德黑蘭車站以及德庫既有線前面36 km據(jù)需要在現(xiàn)狀測量之后，再進行設(shè)計工作。德黑蘭既有車站股道約180股，道岔219付。由于車站修建完成較久，加之技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，車場內(nèi)情況復(fù)雜，既有鋼軌包含P60、P50、P46、P38等4種之多，且難以辨認(rèn)。場站設(shè)置較為混亂，為理清關(guān)系，勘測設(shè)計便利，全站設(shè)置基線9條，本項目采用中國規(guī)范對既有德黑蘭車站進行改造[2]。線路走向見圖1。

圖1 線路方案示意圖

3 測量的主要內(nèi)容

3.1 平面測量

根據(jù)前期布置的控制點、既有車站正線或基線測量車站各線路以及附屬設(shè)施、站房、站臺、雨棚、貨場、倉庫、檢修設(shè)施、平交道、圍墻等平面位置，繪制于平面圖中[3]。

3.2 高程測量

對于需要接軌的車站除了正線需測量中樁高程外，相關(guān)接軌或者改建線路也需測量，并繪制線路放大縱斷面圖，其他還包括重要建筑物的高程測量等[3]。

3.3 附屬設(shè)施測量

車站范圍內(nèi)所有的附屬設(shè)備及設(shè)施，包括各類房屋、雨棚、天橋、地道、燈塔、站臺、平交道、信號機、警沖標(biāo)、接觸網(wǎng)桿、車擋、貨場、堆場、水鶴、給油設(shè)備等等，并繪制于平面圖中[3]。

3.4 排水系統(tǒng)測量

車站范圍內(nèi)排水系統(tǒng)，包括線間排水溝、邊溝的建筑形式、起訖點高程、變化點高程、坡度、截面尺寸等資料，并出具調(diào)查表、平面位置及流向繪制于平面圖中。

3.5 地形圖測量

如車站范圍內(nèi)地形有較大變化或者范圍不夠，影響方案時需補測變化處地形。一般要求左右不少于200 m，大型或特殊場站可增至400甚至600 m。特大型車站根據(jù)車站既有范圍或者設(shè)站需求加寬。

3.6 橫斷面測量

根據(jù)車站既有正線、基線測量車站橫斷面，航空攝影比例尺較小滿足斷面采集的地段可在數(shù)字化平面圖中采集。

3.7 車站上建調(diào)查

調(diào)查車站范圍內(nèi)線路上部建筑詳細(xì)情況，如鋼軌長度、鋼軌型號、異形軌、枕木數(shù)量、枕木類型、絕緣節(jié)數(shù)量、軌距拉桿數(shù)量、軌道防爬器對數(shù)、防爬支撐對數(shù)、脫軌器、魚尾板形式、數(shù)量以及它們的相對位置，并繪制示意圖[3]。

3.8 車站拆遷調(diào)查

調(diào)查車站改造或新增范圍內(nèi)所有的房屋、樹木、公路、電力線、通信線、管道等設(shè)備，平面位置繪制于平面圖中，并填寫相關(guān)拆遷調(diào)查表。

既有德黑蘭車站規(guī)模大，測量內(nèi)容復(fù)雜，如何在快速、高效、保證質(zhì)量的前提下，完成車站平面測量，是確保該項目按期完成勘察設(shè)計工作的關(guān)鍵，通過項目組對各種測量方法的研究及工作效率的對比，決定采用GNSS測量技術(shù)。

4 采用GNSS測量既有線的方法

4.1 平面高程控制測量

1)坐標(biāo)系統(tǒng)。平面坐標(biāo)系采用工程獨立坐標(biāo)系統(tǒng)：線路高程面上的邊長投影變形值不宜大于25 mm/km，即投影長度變形(包括高程歸化、高斯正投影變形之和)不大于1/40 000。采用WGS84參考橢球，ITRF2005框架，高斯投影。東坐標(biāo)和北坐標(biāo)的加常數(shù)分別為500 km、0。工程橢球構(gòu)建采用改變橢球參數(shù)的方法(即參考橢球長半軸直接加投影面大地高并保持扁率和定向不變)進行三等平面CPI控制網(wǎng)測量[4]。

2)高程系統(tǒng)。采用伊朗國家高程系統(tǒng)，測量等級為三等水準(zhǔn)測量。

4.2 GNSS測量參數(shù)設(shè)置

在鐵路既有線鐵路勘測設(shè)計中，在布置平面高程控制網(wǎng)時，常常沿鐵路線布置成帶狀形式。通過多次實踐證明，在既有線勘測時，在選取控制點求解的轉(zhuǎn)換參數(shù)進行GNSS測量時，平面高程距離GNSS基站越遠(yuǎn)，精度越差，不滿足鐵路勘測設(shè)計精度要求，本項目采用以下方法控制測量精度。

1)采用經(jīng)典四參數(shù)法。求解基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)時，選取4個及以上的控制點參與到水平、垂直校正。公共點平面殘差應(yīng)控制在1.5 cm以內(nèi)，高程殘差應(yīng)控制在3 cm以內(nèi)，東、北斜坡控制在30 ppm以內(nèi)。

2)單點高程校正法。求解基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)時，選取基準(zhǔn)站相鄰的控制點4個?？刂泣c順序，基準(zhǔn)站控制點必須為首個，其余順序隨機。所有點水平參加校正，垂直校正僅選擇基準(zhǔn)點，進行單點高程校正。

4.3 GNSS作業(yè)過程

1)內(nèi)業(yè)選取合適的參數(shù)校正計算方法求解GPS轉(zhuǎn)換參數(shù)，導(dǎo)入天寶、南方儀器?；鶞?zhǔn)站接收機設(shè)在固定的CPI控制點上，連續(xù)接收所有可視GNSS衛(wèi)星信號，利用電臺將測站坐標(biāo)、觀測值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)及接收機工作狀態(tài)通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)出。流動站接收機在跟蹤衛(wèi)星信號的同時接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，求載波相位整周模糊度，再通過相對定位模型獲取所在點相對于基準(zhǔn)站的坐標(biāo)和精度指標(biāo)。在系統(tǒng)內(nèi)進行實時處理，給出厘米級定位結(jié)果[5]?；鶞?zhǔn)站與流動站測量距離宜為1 km以內(nèi)，困難段不超過1.5 km。

2)既有線軌道中線上每個測量點觀測時間不少于15 s，GNSS信號遮擋地段時間延長到30 s。測量時采用對中桿或基座進行對中固定測量，禁止直接手持流動站進行測量。

4.4 檢 核

外業(yè)測量時，每次更換基準(zhǔn)站都必須檢核另一個CPI并記錄。平面互差應(yīng)小于2.5 cm，高程互差應(yīng)小于3 cm，超過限差時，應(yīng)重測并查明原因。

4.5 精度統(tǒng)計

測量完成后，對采用GNSS測量技術(shù)的測量成果，與全站儀及水準(zhǔn)儀測量成果進行了精度對比，精度對比見表1～2。

表1 K0+500-K33+950軌面高程對比

表2 K0+500-K33+950平面點位對比表

4.6 平面高程對比的初步結(jié)論

1)通過對平面成果對比及采用1 000 m的基站測量，GNSS測量高程與水準(zhǔn)測量高程小于2 cm的達(dá)91.81%，滿足《改建鐵路工程測量規(guī)范》(TB10105—2009 J963—2009)的第5.3.5條之規(guī)定“既有鋼軌面高程檢測限差不應(yīng)大于20 mm”，可以滿足既有線改建鐵路勘測設(shè)計項目[6]。

2)通過對平面成果對比及采用1 000 m的基站測量，與采用全站儀測量數(shù)據(jù)計算的平面撥距小于2 cm的達(dá)96.54%，滿足既有線撥距計算要求。

5 既有車站平面測量流程探索

德伊高鐵全線采用工程獨立坐標(biāo)系統(tǒng)，由于工期緊，地形圖采用高清衛(wèi)片制作1∶2 000地形圖，德黑蘭車站主基線，采用精測網(wǎng)利用GNSS測量既有正線Ⅱ道長直線邊擬合后向兩端延長，包住既有設(shè)備設(shè)置,以便主要設(shè)備在一個統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)，便利繪制車站既有股道及設(shè)備于1∶2 000現(xiàn)狀圖中[7]。與鐵路基線不平行車場，設(shè)置輔助基線。

5.1 確定鐵路基線

1)首先對既有車場與既有正線平行布置進行相關(guān)測量，相關(guān)車場與正線不平行的，則另設(shè)輔助基線，對既有正線平直線路長度包含車站范圍不全地段，可以利用車站正線向車站兩段延長線延長作為基線。常規(guī)測量方法為，在正線線路左側(cè)設(shè)置外移樁，通過測設(shè)外移樁，擬合線路直線段。本次測量時，利用GNSS測量及絕緣方尺，直接對線路進行測量擬合，既增加了擬合精度，又減少了工序，節(jié)省了時間。

2)既有德黑蘭車站屬于特大型車站，地形圖長度需要大約4.4 km，寬度1.6 km。車站連接瑪士哈德、加茲溫、庫姆等主要三個方向線路，成東西走向布置，車站Ⅱ、Ⅲ道為正線，東端接瑪士哈德方向，西端接加茲溫及庫姆方向，分界里程位于車站中心，為了便于勘測和設(shè)計，車站設(shè)主基線(JK)一條3.9 km，基線范圍包含了車站內(nèi)德黑蘭至庫姆正線、德黑蘭至加茲溫正線以及德黑蘭至瑪士哈德正線，輔助基線(J1K-J8K)8條，包含了德黑蘭車站車輛檢修、動車場、救援場、廢舊車輛拆解場、機務(wù)段等[3]。

5.2 測量既有線線型及曲線要素計算

用GNSS測量及絕緣方尺測量既有線線型及曲線要素，車站需要里程丈量和曲線要素測量的，以前常規(guī)測量方法是測量出直線段擬合，利用工務(wù)臺賬的曲線要素計算出線路長度，推算出線路里程，再用全站儀、絕緣方尺及鋼尺進行里程丈量及測量出實際的曲線要素，本次測量時，利用平面高程控制網(wǎng)，對全線進行線型測量，根據(jù)測量出來的線型坐標(biāo)資料擬合直線段，試配出曲線要素，推算出線路里程，然后再利用GNSS、絕緣方尺進行里程丈量及測角。在測量過程中，省去了單獨里程丈量及測角工序，將二者合二為一，節(jié)省了大量的工作時間及人力，同時提高了測量精度，避免了因為溫差對鋼尺精度的影響。

5.3 道岔測量

用GNSS絕緣方尺丈量出各道岔詳細(xì)尺寸，并確定岔心位置。在局部車輛或者列車壓道的情況下，也可以利用GNSS測量出岔根岔前軌縫坐標(biāo)，在調(diào)查清楚道岔型號的情況下，也可以計算出岔心坐標(biāo)。

5.4 線間距測量

用GNSS及絕緣方尺丈量出站內(nèi)各平行股道線間距，車站內(nèi)各車場一般為平行布置，通常車場在運營一段時間后，軌道均有不同程度變形，各個股道間線間距間距也發(fā)生了變化，為了便于設(shè)計及繪制車站現(xiàn)狀圖，通常采用平行地段丈量線間距，求出平均值。在線間距較大時，或者是股道間有高站臺、貨物對方，不方便用使用鋼尺丈量線間距的，也可以利用GNSS測量出線間距[8]。

5.5 岔后曲線測量

利用GNSS及絕緣方尺測量或者懸線法測量出各到發(fā)線岔后曲線的曲線要素，一個大型或者特大型車站有道岔幾百付，測量岔后連接曲線工作往往耗費大量的人力及時間，通常的做法是利用懸線法，丈量出岔后連接曲線的正失長度，取平均值，然后計算出曲線半徑，50 m取整。本次測量時，采用GNSS測量出岔后曲線坐標(biāo)值，然后計算曲線半徑，節(jié)省了較多時間，提高了工作效率。正矢法曲線計算見表3。

表3 正矢法曲線測繪記錄計算表

5.6 軌面高程測量

利用GNSS對鐵路軌面高程進行RTK高程測量。

5.7 車站上部建筑物測量

利用GNSS測繪出站內(nèi)岔心、信號機、站臺、平交道、站牌、排水溝、上水設(shè)施、地道、天橋、站房、行包房、候廳、辦公樓等所有設(shè)備及設(shè)施的平面坐標(biāo)。

5.8 橫斷測量

利用GNSS、掌上電腦等設(shè)備測量各場站橫斷面。

6 結(jié)束語

綜上所述，在鐵路既有線測量中，采用GNSS四參數(shù)及單點定位法，測量精度滿足規(guī)范要求。將GNSS測量技術(shù)應(yīng)用于既有線測量，能大大提高生產(chǎn)效率。

從本次德黑蘭既有車站測量的成果資料來看，各專業(yè)勘測資料利用GNSS測量均滿足各階段設(shè)計要求，并且勘測資料的精度得到提高，也可以省去繁重的外業(yè)勞動，在本次實踐中，取得了較好的效果。特別是在里程丈量及曲線要素測量方面節(jié)省效果最為顯著。通過工期測算，在德黑蘭既有樞紐車站測量中若采用全站儀器、水準(zhǔn)儀等傳統(tǒng)測量方法需要3個月左右，采用GNSS測量僅用了1.5個月，勞動效率提高100%。通過在既有德黑蘭車站測量工作應(yīng)用GNSS測量技術(shù)，對于既有線勘測方面總結(jié)出一套完整的勘測流程，做到更高效、快捷地完成生產(chǎn)任務(wù)方面有著重要的意義。

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