客运专线无渣轨道铁路工程测量刘成龙

客运专线无碴轨道铁路工程测量西南交通大学土木工程学院测量工程系刘成龙我国建立高速铁路和客运专线的必要性我国是世界上人口最多的国家，也是缺乏运力的国家之一，主要干线能力十分紧张，除秦沈客运专线外，均为客货混跑模式，客运快速与货运重载难以兼顾，无法满足客货运输的需求，并影响了旅客运输质量的提高。建设铁路客运专线，实现客货分运，是满足客运快速、准时、舒适等方面需求的根本途径。为此，2005年国务院常务会议讨论并原则通过了中长期铁路网规划，明确了我国铁路网中长期建设目标和任务。按照蓝图规划，我国计划到2020年建成时速超过200km的客运专线10000km，形成“四纵四横”客运专线骨架，建成环渤海圈、长江三角洲、珠江三角洲地区快速客运铁路系统。200km以上高速铁路多采用无砟轨道无砟轨道具有稳定性好、维修量少的特点无砟轨道静态平顺度允许偏差应符合下表规定序号项目平顺度允许偏差（mm）1轨距±2弦长10m2/10m弦长30m2/5m2高低弦长300m10/150m弦长10m2/10m弦长30m2/5m3轨向弦长300m10/150m4扭曲基长3m35水平2无砟轨道的静态平顺度和轨道中心坐标可以通过轨道几何状态测量仪和轨道控制网CPIII进行检测轨检仪的概念：铁路轨道几何状态测量仪简称轨检仪，也叫轨道检测小车，是一种通过CPIII控制网、智能型全站仪、倾角及轨距传感器和专用测量软件,能够自动检测线路中线坐标、轨顶高程和轨距、水平、高低、扭曲和轨向等轨道静态参数，并自动进行记录整理的智能化轻型轨道检测设备。全站仪配合轨检小车进行轨道测量轨检小车的功能和精度轨距测量，中误差≤±0.5mm。超高测量，中误差≤±0.5mm。轨检小车和全站仪之间建立无线数据通讯。全站仪配合CPIII、轨检小车，由全站仪按极坐标法、轨检小车上的传感器和计算软件，测量并计算出轨道中心的三维位置X、Y、Z，X、Y、Z的中误差均≤±1.0mm。和设计位置比较给出调整量，进行轨道板和轨道的粗调和精调。中铁咨询和西南交大合作研制的轨检仪已经在武广线通过铁道组织的外业测试无砟轨道施工与精密测量系统的关系无碴轨道铁路测量技术作为无碴轨道铁路建设成套技术的一个重要组成部分，在无碴轨道铁路建设和运营管理过程中也越来越显示出其重要性。德国睿铁公司（RailOne）执行副总裁巴哈曼先生在总结无碴轨道铁路建设经验时说：要成功地建设高速铁路，就必须有一套完整、高效且非常精确的测量系统——否则必定失败。这句话也充分说明了精密工程测量在无碴轨道工程建设中的重要作用。铁道部对高速铁路精密测量系统的重视铁道部现行的无砟轨道铁路工程测量规范(1)中华人民共和国行业标准铁建设[2006]189号_____________________________________客运专线无碴轨道铁路工程测量技术暂行规定2006－10－发布2006－10－16实施_____________________________________中华人民共和国铁道部发布我校岑敏仪、顾利亚教授参与了该标准的主编工作铁道部准备发行的铁路工程测量规范(2)《新建铁路工程测量规范》（报批稿）《新建铁路工程测量规范》编写组二○○九年二月我校刘成龙、张同刚老师参与了编写铁道部准备发行的铁路工程测量规范(3)《高速铁路无砟轨道施工测量暂行标准》（报批稿）《高速铁路无砟轨道施工测量暂行标准》编写组二○○九年二月我校刘成龙老师参与了编写铁道部准备发行的铁路工程测量规范(4)《高速铁路工程测量规范》（报批稿）《高速铁路工程测量规范》编写组二○○九年二月我校刘成龙、高山、张同刚老师参与了编写高速铁路工程测量的新概念（1）铁路工程独立坐标系统----高速铁路工程测量平面坐标系应采用工程独立坐标系统。边长投影在对应的线路轨道设计高程面上，投影长度的变形值不大于10mm/km。三网合一----高速铁路工程测量的平面、高程控制网，按施测阶段、施测目的及功能可分为勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网。为了保证勘测、施工、运营维护各阶段平面测量成果的一致性，应该做到三网合一。也就是各阶段平面控制测量应以基础框架平面控制网（CP0）为起算基准，高程控制测量应以线路水准基点控制网为起算基准。精测网----高速铁路工程测量平面控制网应按分级布网的原则分四级布设，第一级为框架平面控制网（CP0）测量，第二级为基础控制网（CPⅠ），第三级为线路平面控制网（CPⅡ），第四级为轨道控制网（CPⅢ）。高速铁路工程测量的新概念（2）CPⅢ控制网区段----为便于施工和数据处理，在无砟轨道施工和CPⅢ控制网测量前，将线路划分成若干长度不等的线段。之后CPⅢ控制网按区段进行独立测量，并通过上一级控制网进行独立约束平差。每一CPⅢ控制网的区段长度不应短于4km。CPⅢ目标组件----轨道控制网（CPⅢ）点的实际空间物理位置的反射目标，由反射棱镜、预埋件和连接件等组成。CPⅢ平面网的纵横向闭合差----CPⅢ点间沿线路方向和垂直线路方向的长度闭合差，可用于评定CPIII平面网的外业观测精度、探测CPIII网中观测值的粗差等。精密水准测量----客运专线铁路无碴轨道工程测量中，用于测量CPIII网高程的等级水准测量，其精度介于二等、三等水准测量之间，高差中数偶然中误差为2mm/km。高速铁路精密测量系统的基础知识（1）高速铁路的精密测量系统分为平面控制测量和高程控制测量。高速铁路的平面控制测量按照逐级控制的原则建立，共分四级控制。首级网为框架控制网CPO，点间距为50~70km，为GPS一等三维网；二级网为基础控制网CPI，点间距为4km，为GPS二等三维网；三级网为线路平面控制网CPII，点间距为500~700m，为GPS三等平面网；四级网为轨道控制网CPIII，为智能型全站仪自由测站边角交会的三维控制网，其点间距为纵向60m左右一对控制点，点对的横向间距为10~20m，CPIII的精度要求为相邻点位的相对中误差≤1mm。高速铁路精密测量系统的基础知识（2）高速铁路的高程控制测量分为勘测高程控制测量、水准基点高程测量、CPⅢ控制点高程测量。各级高程控制测量等级及布点要求应按下表的要求执行。高程控制网级别测量等级点间距勘测高程控制测量二等或四等水准测量≤2km水准基点高程控制测量二等水准测量≤2km深埋水准高程控制测量二等水准测量≤20km基岩水准高程控制测量二等水准测量≤300kmCPIII高程控制测量精密水准测量≤70mCPIII平面控制网的测量网形（1）每个CPIII测量标志点均有三个设站点对其进行方向、边长观测。CPIII平面控制网的测量网形（2）测站间距为120m时，CPⅢ平面控制网测量网形示意图如下图所示。120m60mCPⅠCPⅡCPⅡCPIII平面控制网的测量网形（3）测站间距为60m时，CPⅢ平面控制网测量网形示意图如下图所示。60mCPⅠCPⅡCPⅡ60mCPIII平面控制网的测量网形（4）采用测站间距120m的标准网形测量过程中如某CPⅢ点由于障碍物被挡，可以考虑采用由测站间距120m转测站间距60m的测量网形，如下图所示。CPⅠCPⅡ120m60m60mCPⅡCPIII平面控制网的测量网形（5）在实际测量过程中，如果CPⅠ或者CPⅡ点离线路较远，可以在线路外合适位置设置辅助点，在辅助点上架设仪器，观测临近的CPⅢ点和CPⅠ或者CPⅡ点。此时其测量网形示意图如下图所示。120m60mCPⅠCPⅡCPⅡJM002JM001CPIII平面控制网的特点（1）控制点数量众多。沿线路方向通常每公里有16对即32个控制点；精度要求高。每个控制点与相邻5个控制点的相对点位中误差均要求小于1mm；控制的范围长。线路有多长，控制网的长度就有多长；是一个平面位置和高程位置共点的三维控制网。目前CPⅢ三维网平面和高程是分开测量后合并形成共点的三维网，但其使用时却是平面和高程同时使用的；控制点的位置、CPⅢ测量标志较传统控制测量有很大不同。控制点通常设置在接触网杆上（路基部分）、防撞墙上（桥梁部分）和围岩上（隧道部分）。CPⅢ测量标志通常由永久性的预埋件、平面测量杆、高程测量杆和精密棱镜组成；德国CPIII专用测量标志（不包括棱镜的价格为4000元）预埋件连接杆连接件和棱镜件西南交通大学研制的CPIII测量标志（不包括棱镜的价格为120元）Ⅱ型精密三维测量标志实物照片安装筒已经安装到墙面后的实物照片西南交通大学CPIII测量标志的使用方法（1）棱镜连接杆安装到安装筒后的实物照片完整的CPIII点平面测量标志安装照片西南交通大学CPIII测量标志的使用方法（2）水准尺在水准测量杆上立尺的实物照片水准测量杆安装到安装筒后的实物照片西南交通大学CPIII测量标志的专利证书CPIII测量标志的埋设位置---路基上（1）CPIII测量标志的埋设位置---桥梁上（2）CPIII测量标志的埋设位置---隧道中（3）CPIII平面控制网的特点（2）CPⅢ平面网是一个边角控制网，但其测量方法较传统边角网测量有很大差异。传统的边角网测量仪器都是架设在控制点上进行观测，距离必须进行往返观测，但CPⅢ平面网却采用自由设站进行边角交会测量，而其距离只能进行单程观测；CPⅢ控制网测量的仪器均采用高精度和自动化程度高的电子测量仪器。其平面网测量要求全站仪具有电子驱动、目标自动搜索和操作系统功能的测量机器人（如LeicaTCA2003和TCRA1201、TrimbleS6和S8系列全站仪等）；高程测量一律采用电子水准仪（如TrimbleDiNi12、LeicaDNA03等）；测站和测点均强制对中，测点标志要求具有互换性和重复安装性，X、Y、Z三维互换性和重复安装性误差要求小于0.3mm；图形规则对称，多余观测数多，可靠性强；是一个标准的带状控制网，其纵向精度高、横向精度略差。CPIII平面控制网的特点（3）控制网的使用较传统方法有很大不同。首先是采用自由测站后方边角交会测量的方式确定测站点的三维坐标，然后用三维极坐标测量的方式进行无砟轨道板和长钢轨的粗调、精调和精测以及轨道的维护管理等。CPIII的三维坐标点，是一个虚拟的控制点，其对应的位置是CPIII目标组件中棱镜的几何中心。水准尺是无法立在CPIII高程所对应的点上进行水准测量。无砟轨道精调中作业中全站仪后方交会示意图Ⅲ控制点轨检小车棱镜点轨道1轨道2后方交会点CPIII高程控制网的测量网形（1）---中国方法CPⅢ高程网测量方法形成的四边形闭合环（图中空心箭头组成的图形）为规则的矩形，因此简称此方法为矩形法。矩形法CPⅢ高程网测量可只进行单程观测。60m11mCPIII高程控制网形成的闭合网形（2）---中国方法矩形法水准测量闭合环的情况如下图所示。其中，箭头方向为高差传递方向。由图可知，每相邻两对CPⅢ点均构成独立的矩形闭合环，方便形成闭合差检核，可靠性高。60m11mCPIII高程控制网的测量网形（3）---德国方法德国中视法CPⅢ高程网观测采用往返观测的方式进行，其往测水准路线如下图所示。60m11mCPIII高程控制网的测量网形（4）---德国方法德国中视法CPⅢ高程网观测采用往返观测的方式进行，其返测水准路线如下图所示。11m60mCPIII高程控制网形成的闭合网形（5）---德国方法德国中视法往返测高差及其所形成的闭合环情况如下图所示。其中单箭头为往测高差，双箭头为返测高差，箭头方向为高差的传递方向。60m11mCPIII平面控制网的测量仪器---带马达驱动、自动目标照准ATR功能和操作系统的智能型全站仪智能型全站仪的特点---激光对中（1）智能型全站仪的特点---电子气泡（2）智能型全站仪的特点---无棱镜测距（3）智能型全站仪的特点---导向光装置（4）智能型全站仪的特点---马达驱动自动照准功能（5）智能型全站仪的特点---锁定跟踪测量Tracking（6）智能型全站仪的特点--