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1、高速铁路精密工程测量技术体系与特点,主要内容,1.高铁精密工程测量技术体系建立的背景2.建立高铁精密工程测量技术体系必要性3.高铁精密工程测量的内容与目的4.高铁精密工程测量体系的特点,1.高铁精密工程测量技术体系建立的背景,概述,高速铁路旅客列车行驶速度高(200350km/h)，为了达到在高速行驶条件下保证旅客列车的安全性和舒适性，要求高速铁路必须具有非常高的平顺性和精确的几何线性参数，误差必须保持在毫米级的范围内。无砟轨道控制测量技术已成为无砟轨道建设关键技术之一。通过参与无砟轨道工程建设的实践，深切感受到无砟轨道的施工质量控制是无砟轨道能否成功的关键，无砟轨道施工控制测量精度则显得更为
2、重要，一旦测量精度出现问题，将为整个使用寿命期留下隐患，不仅改善轨道几何形位参数十分困难，更需要花费高昂的代价进行弥补。因此，无砟轨道能否成功一个重要的前提是在连续监督条件下高质量的铺设无砟轨道，即要有高精度的测量技术和正确的施工方法。传统的铁路测量方法和精度已不能满足高速铁路建设的要求，要成功的修建无砟轨道，必须建立一套与之相适应的精密工程测量技术体系和标准。,背景-1,我国的高速铁路精密工程测量技术体系是伴随着我国高速铁路无砟轨道工程的建设而逐步建立完善的。,国际上铺设无砟轨道较多的日本、德国等国家都有自己的无砟轨道工程测量规范和技术标准。德国的铁路DB883标准规定了无砟轨道施工控制网的
3、等级和精度。在此基础上，德国各公司还根据不同的无砟轨道结构制定了自己的测量技术标准和作业指南。如德国的旭普林公司制定有适合旭普林无砟轨道体系的旭普林测量计划、测量体系、精度要求和方法；博格公司也有一套博格板式无砟轨道施工测量体系及精度要求。,2004年，铁道部决定在遂渝线开展无砟轨道综合试验，但在施工过程中发现原有的测量控制网精度及控制网布设不能满足无砟轨道的施工要求。为此，最早我国在遂渝线开展了无砟轨道铁路工程测量技术的研究，并建立了遂渝线无砟轨道综合试验段精密工程测量控制网。,2006年随着京津城际、武广、郑西客运专线无砟轨道铁路的全面开工建设，原有的铁路测量体系和技术标准已不能适应客运专
4、线无砟轨道建设的要求。为了适应我国客运专线无砟轨道建设的形势，根据铁建设函 2005 1026号关于编制2006年铁路工程建设标准计划的通知的要求，在铁道部建设管理司和铁道部经济规划研究院主持下，我国开始编制客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定。我国铁路科技工作者先后完成了无砟轨道测量技术的研究、无砟轨道控制测量理论和方法研究以及客运专线无砟轨道铁路工程测量控制网精度标准的研究等一批科研成果。主要解决了如下问题：(1)对无砟轨道施工控制网精度设计的有关问题，包括控制网设计的精度准则、精度阈值以及精度计算方法等进行了研究论证，为无砟,背景-2,轨道测量技术标准的制订提供理论依据；(2)根据客运专
5、线无砟轨道铁路线下工程工后变形监测和无砟轨道平顺性施工要求，反演推算各级控制测量的精度要求，取得了一系列的成果。,根据上述科研成果，在吸取遂渝线无砟轨道综合试验段测量的实践经验，并参考国外有关无砟轨道测量规范和标准的基础上，编制完成了客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定，由铁道部于2006年10月16日发布实施。初步形成了我国高速铁路工程测量技术标准体系。,背景-3,2008年根据铁道部经济规划院关于委托编制2008年铁路工程建设标准及标准设计的函(经规计财函20088号)的要求，在现行客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定基础上，以近年来高速铁路工程测量成果为支撑，认真总结京津、武广、郑西、哈
6、大、京沪、广深等高速铁路测量的实践经验，于2009年8月完成了高速铁路工程测量规范(TB10601-2009)的编制，由铁道部于2009年12月1日发布实施。高速铁路工程测量规范(TB10601-2009)的发布实施，形成了一套具有自主知识产权的高速铁路工程测量技术标准。,背景-4,高速铁路的测量方法、测量精度与传统的铁路工程测量完全不同。我们把适合于高速铁路工程测量的技术称为高速铁路精密工程测量；把高速铁路测量中的各级平面高程控制网称为高速铁路精密测量控制网，简称“精测网”。,2.建立高铁精密工程测量技术体系的必要性,2.1 传统的铁路工程测量方法简介2.2 传统的铁路工程测量方法的缺陷2.
7、3 建立高铁精密工程测量技术体系的必要性,主要内容,2.1 传统的铁路工程测量方法简介,传统的铁路工程是以线路中线控制桩作为铁路勘测设计和施工的坐标基准，其测量作业模式和流程如下。,简介-1,初测,定测,线下工程施工测量,铺轨测量,平面控制测量初测导线：坐标系统为1954年北京坐标系；测角中误差12.5(25)；导线全长相对闭合差：光电测距1/6 000，钢尺丈量1/2 000。高程控制测量初测水准：高程系统为1956年黄海高程/1985 年国家高程基准；测量精度：五等水准(30)。,1,简介-2,以初测导线和初测水准点为基准，按初测导线的精度要求放出交点、直线控制桩、曲线控制桩(五大桩)中线
8、测量。,2,平面测量以定测放出交点、直线控制桩、曲线控制桩(五大桩)作为线下工程施工测量的基准；高程测量以初测水准点为基准。,3,直线以经纬仪穿线法测量；曲线用偏角法或切线支距法进行铺轨控制。,4,2.2 传统的铁路工程测量方法的缺陷,1、平面坐标系投影差大,缺陷-1,采用1954年北京坐标系3带投影，投影带边缘边长投影变形值最大可达340mm/km，不利于GPS、RTK、全站仪等新技术采用坐标定位法进行勘测和施工放线。,2、线路平面测量可重复性较差,以线路中线控制桩作为铁路勘测设计和施工的坐标基准，没有采用逐级控制的方法建立完整的平面高程控制网，线路施工控制仅靠定测放出交点、直线控制桩、曲线
9、控制桩(五大桩)进行控制，当出现中线控制桩连续丢失后，就很难进行恢复；由于路基地段没有分级建立平面控制网，没有稳固的平面控制基准，施工后线路中线控制桩就被破坏，只是在路基工程施工期间根据中线控制桩设置护桩进行平面控制。无法使用统一的平面控制基准进行线下工程和轨道工程施工。,缺陷-2,3、测量精度低,由于导线方位角测量精度要求较低(25)，施工单位复测时，经常出现曲线偏角超限问题，施工单位只有以改变曲线要素的方法来进行施工。在普通速度条件下，不会影响行车安全和舒适度，但在高速行车条件下，就有可能影响行车安全和舒适度。,4、轨道铺设精度难以满足设计线形和平顺度要求,轨道的铺设不是以测量控制网为基准
10、按照设计的坐标定位，而是按照线下工程的施工现状采用相对定位进行铺设，这种铺轨方法由于测量误差的积累，往往造成轨道的几何参数与设计参数相差甚远。在既有线提速改造时，采用定位进行铺轨就出现了圆曲线半径与设计半径相差太大、大半径长曲线变成了很多不同半径圆曲线的组合、曲线五大桩位置与设计位置相差太大、纵断面整坡变成了很多碎坡等问题。,2.3建立高铁精密工程测量技术体系的必要性,传统铁路测量方法采用定测中线控制桩作为联系铁路勘测设计与施工的线路平面测量控制基准，中线控制桩在线路竣工后已不复存在，铁路平面控制基准经失去，因而在竣工和运营阶段的线路复测只能通过相对测量的方式进行，这种方式只适合测量精度要求低
11、的普速铁路测量。而高速铁路轨道必须具有非常精确的几何参数，使轨道的几何参数与设计的目标位置之间的偏差保持在最小，精度要保持在毫米级范围以内。从既有线提速发现轨道几何参数与设计值存在着巨大差异，说明仅仅依靠相对测量方法对线路进行维护是远远不够的，必须引入绝对测量系统，建立一套完整精密测量系统。,必要性,3.高铁精密工程测量的内容与目的,3.1 高铁精密工程测量的内容3.2 高铁精密工程测量的目的3.3 高速铁路轨道铺设的精度要求3.4 高铁轨道施工与精密测量系统的关系,主要内容,3.1 高铁精密工程测量的内容,内容-1,高速铁路精密工程测量贯穿于高速铁路工程勘测设计、施工、竣工验收及运营维护测量
12、全过程，主要包括：,(1)高速铁路平面、高程控制测量：CP0基础框架平面基准网；CPI基础平面控制网；CPII线路平面控制网；CPIII轨道控制网；线路水准基点测量二等水准测量；CPIII水准测量精密水准测量。,(2)线下工程施工测量：线路测量、桥涵测量、隧道测量等。,(3)构筑物变形监测：路基变形测量、桥涵变形测量、路桥路隧过渡段变形测量、隧道变形测量、区域地表沉降监测等。,内容-2,(5)运营维护测量：构筑物变形监测、轨道几何状态检测。,(4)轨道施工测量：无砟轨道混凝土底座及支承层放样、加密基标测量、轨道安装测量、道岔安装测量和轨道精调测量等。,内容-3,内容-4,内容-5,3.2 高铁
13、精密工程测量的目的,目的,高速铁路精密工程测量的目的是通过建立各级平面高程控制网，在各级精密测量控制网的控制下，实现线下工程按设计线形准确施工和保证轨道铺设的精度能满足旅客列车高速、安全行驶。,高速铁路客运专线列车行驶速度高(200350km/h)，为了达到在高速行驶条件下列车的安全性和舒适性，要求：(1)线路严格按照设计的线型施工，即保持精确的几何线形参数；(2)轨道必须具有非常高的平顺性，精度要保持在毫米级的范围内。,为了满足上述要求，应根据线下工程和轨道铺设的精度要求设计高速铁路的各级平面高程控制网测量精度。,3.3 高速铁路轨道铺设的精度要求,精度要求-1,高速铁路施工的定位精度决定着
14、高速铁路的平顺性，高速铁路轨道铺设应满足轨道内部几何尺寸(轨道自身的几何尺寸)和外部几何尺寸(轨道与周围建筑物的相对尺寸)的精度要求。其中内部尺寸描述轨道的几何形状，外部几何尺寸体现轨道的空间位置和标高。,1、轨道的内部几何尺寸,轨道的内部几何尺寸体现出轨道的形状，根据轨道上相邻点的相对位置关系就可以确定，表现为轨道上各点的相对位置。轨道内部几何尺寸的各项规定是为了给列车的平稳运行提供一个平顺的轨道，即通常提到的“平顺性”。平顺性指标直接决定了列车运行速度，旅客乘坐的舒适度。,内部几何尺寸主要通过轨距、轨向、高低、水平和扭曲等参数来保证。利用这些参数检查轨道的实际形状是否与设计形状相符。,精度
15、要求-2,注：表中a为轨枕/扣件间距。,高速铁路轨道静态平顺度允许偏差,精度要求-3,2、轨道的外部几何尺寸,轨道的外部几何尺寸是轨道在空间三维坐标系中的位置和高程，由轨道中线与周围相邻建筑物的关系来确定。轨道外部几何尺寸的测量也称之为轨道的绝对定位，轨道的绝对定位必须与路基、桥梁、隧道、站台等线下工程的空间位置坐标和高程相匹配协调。,高速铁路轨道绝对定位允许偏差,精度要求-4,轨道的绝对定位精度必须满足轨道相对定位精度的要求，即轨道平顺性的要求。高速铁路各级测量控制网测量精度应同时满足线下工程施工和轨道工程施工的精度要求，即必须同时满足轨道绝对定位和相对定位的精度要求。,由此可见，无砟轨道的
16、施工测量必须要达到高精度的要求，才能满足轨道的静态平顺性指标，而我国传统的有砟轨道的施工方法是无法满足当前客运专线无砟轨道的精度要求的。因此，要建设好一条高速铁路就必须有一套完整的高精度的控制测量体系，包括工程控制网的建立、轨道安装测量、轨道精调测量和固定及测量人员对轨道实际几何参数进行检查等内容。高精度的控制网是以必要的精度对轨道进行平面和高程精调的基础。,3.4 高铁轨道施工与精密测量系统的关系,无砟轨道精密工程测量技术作为无砟轨道铁路建设成套技术的一个重要组成部分，在无砟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。,轨道施工与精密测量系统的关系,德国睿铁公司（RailOne）执行
17、副总裁巴哈曼先生在总结无砟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砟轨道工程建设中的重要作用。,4.高铁精密工程测量体系的特点,4.1 高速铁路工程控制网基本概念4.2“三网合一”的测量体系4.3 建立框架控制网CP04.4 高速铁路平面控制网分级布网4.5 平面坐标系统的要求4.6 高程控制测量的布网要求4.7 构筑物变形监测,主要内容,4.1 高速铁路工程控制网基本概念,基本概念-1,CP0(基础框架平面基准网)为满足线路平面控制测量起闭联测的要求，沿线路每50km左右建立的卫星定位测量控制网，作
18、为全线勘测设计、施工、运营维护的坐标基准。CP0控制网与IGS参考站或国家A、B级GPS点进行联测，通过逐级控制形成铁路工程控制网。,工程独立坐标系 为满足铁路工程建设要求采用的以任意中央子午线和高程投影面进行投影而建立的平面直角坐标系。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。,CP(基础平面控制网)在基础框架平面控制网（CP0）或国家高等级平面控制网的基础上，沿线路走向布设，约4KM一对（个），在勘测阶段按GPS静态相对定位原理建立，为线路平面控制网起闭的基准。,CP(线路平面控制网)在基础平面控制网(CP)上沿线路附近布设，为勘测、施工阶段的线路平面控制
19、和轨道控制网起闭的基准。可用GPS静态相对定位原理测量或常规导线网测量，在勘测阶段建立。点间距为400800m左右，测量精度为GPS三等网或三等导线。,基本概念-2,基本概念-4,CP（轨道控制网）沿线路布设的三维控制网，起闭于CP或CP，点间距为纵向60m左右、横向为线路结构物宽度，为无砟轨道施工和运营维护的基准。CP网一般采用自由设站边角交会法测量，一般在线下工程施工完成后施测，要求相邻点平面相对精度优于1mm，同精度复测较差优于3mm。,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
20、平面测量成果的一致性，时速200公里及以上铁路的“三网”应建立统一的平面、高程控制基准，即三网合一。也就是各阶段平面控制测量应以基础框架点控制网为起算基准，高程控制测量应以线路水准基点为起算基准。,基本概念-3,4.2“三网合一”的测量体系,三网合一-1,高速铁路工程测量的平面、高程控制网,按施测阶段、施测目的及功能不同分为：勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网。,(1)勘测控制网包括:CP控制网、CP控制网、二等水准基点控制网。(2)施工控制网包括:CP控制网、CP控制网、水准基点控制网、CP控制网。(3)运营维护控制网包括:CP控制网、水准基点控制网、CP控制网。,三网合一-2,为保证三
21、阶段的测量控制网满足高速铁路勘测、施工、运营维护3个阶段测量的要求，在设计、施工和运营阶段构建和保持高速铁路轨道空间几何形位的一致性，满足高速铁路工程建设和运营管理的需要，三阶段的平面、高程控制测量必须采用统一的坐标高程系统和起算基准。即勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网均采用CP为基础平面控制网，以二等水准基点网为基础高程控制网，从而实现“三网合一”。,“三网合一”是高速铁路采用坐标进行线路的勘测设计、工程施工以及运营维护管理的前提。在“三网合一”的基础上，线路及其附属构筑物的里程和坐标一一对应，每一个里程只有一个唯一的坐标(x，y，h)，使施工和运营维护能够严格按照设计的线形进行施工和
22、养护，保证高速铁路轨道的平顺性，同时也为工务管理信息化和构建数字化铁路创造了条件。“三网合一”是高速铁路工程测量技术体系的基础和核心。,4.3 建立框架控制网CP0,高速铁路建立框架控制网CP0，是在总结京津城际铁路、郑西、武广、哈大、京沪、石武高速铁路平面控制测量实践经验基础上提出的。由于高速铁路线路长、地区跨越幅度大且平面控制网沿高速铁路呈带状布设。为了控制带状控制网的横向摆动，沿线必须每隔一定间距联测高等级的平面控制点，但是由于沿线国家高级控制点之间的兼容性差，基础平面控制网CP经国家点约束后使高精度的CP控制网发生扭曲，大大降低了CP控制点间的相对精度，个别地段经国家点约束后的CP控制
23、点间甚至不能满足规范要求的CP控制点相对中误差1/180 000。在测量中不得不采用一个点和一个方向的约束方式进行CP控制网平差，但这种平差方式给CP控制网复测带来不便。为此，在京津城际铁路、哈大、京沪、石武高速铁路平面控制测量首先采用GPS精密定位测量方法建立高精度的框架控制网CP0，作为高速铁路平面控制测量的起算基准，不仅提高了CP控制网的精度，也为平面控制网复测提供了基准。,CP0,4.4 高速铁路平面控制网分级布网,分级布网-1,高速铁路工程测量平面控制网应在框架控制网(CP0)基础上分三级布设，第一级为基础平面控制网(CP)，主要为勘测、施工、运营维护提供坐标基准；第二级为线路平面控
24、制网(CP)，主要为勘测和施工提供控制基准；第三级为轨道控制网(CP)，主要为轨道铺设和运营维护提供控制基准。,1、平面控制网分级布网的原则,分级布网-2,高速铁路工程测量平面控制网应在框架控制网(CP0)基础上分三级布设，是因为测量控制网的精度在满足线下工程施工控制测量要求的同时必须满足轨道铺设的精度要求，使轨道的几何参数与设计的目标位置之间的偏差保持在最小。而轨道的铺设施工和线下工程路基、桥梁、隧道、站台等工程的施工放样，是通过由各级平面高程控制网组成的测量系统来实现的，为了保证轨道与线下工程路基、桥梁、隧道、站台的空间位置坐标、高程相匹配协调，必须按分级控制的原则建立铁路测量控制网。,分
25、级布网-3,各级平面控制网的主要技术要求,2、各级平面控制网的主要技术要求,4.5 平面坐标系统的要求,坐标系统-1,平面坐标系统应采用边长投影变形值10 mm/km的工程独立坐标系。高速铁路工程测量精度要求高，施工中要求由坐标反算的边长值与现场实测值应一致，即所谓的尺度统一。由于地球面是个椭球曲面，地面上的测量数据需投影到施工平面上，曲面上的几何图形投影到平面时，不可避免会产生变形。,京津城际、武广线、郑西线无砟轨道CP控制网的测量实践也表明，在满足边长投影长度变形值不大于10 mm/km的条件下(即投影变形误差控制在1/100000以内)，线下工程施工时，可不进行边长投影改正直接利用坐标反
26、算距离进行施工放线，CP观测距离不需进行投影改化进行平差计算就可满足CP控制网的精度要求。,高差投影变形,施工高程面,参考椭球面,投影面改正值,平均高程H,坐标系统-2,中央子午线,高斯投影改正值,高斯投影面,参考椭球面,高斯投影变形,坐标系统-3,4.6 高程控制测量的布网要求,高速铁路工程测量高程控制网分二级布设，第一级线路水准基点控制网，为高速铁路工程勘测设计、施工提供高程基准；第二级轨道控制网(CP)，为高速铁路轨道施工、维护提供高程基准。,高程布网,高速铁路高程控制网布网要求,4.7 CPIII自由测站边角交会网测量,CP为轨道控制网，是铺轨加密基标和轨道精调的基准，为了保证铺轨加密
27、基标和轨道精调测量的精度，其点位间距以60 m为宜。CP控制网应采用自由测站边角交会网进行构网测量，以CP或CP作为基准进行固定数据约束平差。,CPIII-1,CP自由测站边角交会网自由测站间距为120 m左右，每个CP控制点至少有3个自由测站点进行距离、方向交会。,1、CPIII控制网的特点,控制的范围长。线路有多长，控制网的长度就有多长。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。要求相邻点平面相对精度优于1mm，相邻点高程相对精度优于0.5mm，平面和高程同精度复测较差均优于3mm。是一个平面位置和高程位置共点的三维控制网。目前CP三维网平面和高程是分开测量后
28、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、CP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）。CP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。施测方法与国内测量方法显著不同。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CP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。,CP-2,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。,CP-3,(1)点位分布均匀，有利于铺轨加密基标和轨道精调作
29、业精度的控制；(2)网形均匀对称，图形强度高，每个CP控制点有3个方向交会，多余观测量多，有利于提高网的可靠性和测量精度；(3)相邻点间相对精度高、兼容性好，能有效控制轨道的平顺性；(4)控制点采用强制对中标志，自由测站没有对中误差，消除了点位对中点误差对控制网精度的影响。,CPIII-4,2、CPIII控制网的优点,利用CPIII和测量小车进行工具轨法施工测量,CP-5,利用CPIII和测量小车进行工具轨法施工测量,CP-6,利用CPIII和测量小车进行轨道运营维护,CP-7,利用CPIII和捣固机进行工务养护,CP-8,4.7 构筑物变形监测,高速铁路线路长，路基、桥梁、涵洞、隧道工程量大
30、，沿线复杂地质条件对工程建设影响大,线下构筑物变形是无砟轨道铁路的重要参数，一直贯穿于设计、施工、运营养护、维修各阶段。高速铁路构筑物的变形监测与控制是高速铁路建设成败和安全运营的关键，为使变形监测所获取的数据科学、可靠并连续，因此在高速铁路工程测量规范中，专门作为一章对构筑物变形测量的监测网构网、测量精度、监测点的布设及测量方法进行了规定。这是高速铁路精密工程测量体系的一个特点。规范中主要对变形监测基准网的设计与布设、路基及其过渡段、桥涵、隧道等地段沉降观测断面布设、观测频次、观测方法、数据处理与成果提交要求，以及区域地表沉降监测手段、技术方法、观测频次和数据分析方法进行了规定。,变形监测,以高速铁路工程测量规范(TB106012009)为代表的高速铁路精密工程测量技术标准的编制实施，开创了我国高速铁路工程测量技术标准体系，大大提高了我国铁路工程测量的技术水平，有力地推动了铁路工程测量技术进步，及时为我国高速铁路的大规模建设提供了测量技术标准。采用该标准成功地建成了武广、郑西客运专线无砟轨道铁路以及胶济、合宁、合武、甬台温、温福、石太、福厦等客运专线，目前在建的京沪、哈大、京石、石武、西宝、大西等无砟轨道高速铁路及一批有砟轨道客运专线均按照此标准开展精密工程测量。高速铁路精密工程测量技术标准为我国建设世界一流的高速铁路提供了技术支撑。,结束语,
