胶济客专既有铁路轨道控制网精密测量方法研究_杜兆宇.pdf

2023 NO.2 建 筑 与 土 木SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION胶济客专既有铁路轨道控制网精密测量方法研究杜兆宇(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)摘要：轨道控制网是既有线轨道运营维护的控制基准，它为列车运营时平顺性和舒适性提供了可靠的保证。该文依据胶济客专运营维护阶段的实际情况，在介绍线路平面控制网和高程控制网构建的基础上，提出一种适合既有线轨道控制网（CPIII）改造精密测量方法和技术措施，并对测量成果进行分析评价。该成果对后续的既有运营线路轨道维护提供了技术保障。关键词：胶济客专 线路平面控制网 线上线下水准 轨道控制网中图分类号：U456文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)02-0042-04On the Precision Measurement Method of Track Control Network Transformation of the Existing Jiao-Ji Passenger Dedicated LineDU Zhaoyu(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Beijing,102600 China)Abstract:Track control network is the control benchmark for track operation and maintenance of existing lines,it provides a reliable guarantee for the smoothness and comfort of train operation.According to the actual situation in the operation and maintenance stage of Jiao-Ji Passenger Dedicated Line,and on the basis of introducing the construction of the line horizontal control network and vertical control network,this paper puts forward a precision measurement method and technical measures suitable for the reconstruction of the existing line track control network(CPIII),and analyzes and evaluates the measurement results.This achievement provides technical support for the follow-up track maintenance of existing operation lines.Key Words:Jiao-Ji passenger dedicated line;Line plane control network;Online and offline leveling;Track control network随着国民经济的发展，我国正大力建设铁路客运专线1。胶济客运专线起点青岛站，途径青岛北、胶州北、青州市、章丘，终点济南东站，全线为有砟轨道，青岛 K42+594、K97+715济南设计行车速度为200 km/h，K42+594K97+715段设计速度为250 km/h，运营速度为200 km/h，采用电力动车组牵引。该客运专线已于2016年通车运营，为了确保运营安全，保证轨道稳定性和平顺性，需要对客运专线轨道进行维护，轨道控制网（CPIII）是既有线轨道运营维护的控制基准2，为此，该文介绍了胶济客专（K220+000K388+723）轨道控制网精密测量相关技术问题，并对测量结果进行了比较分析。DOI：10.16661/ki.1672-3791.2206-5042-6696作者简介：杜兆宇（1977），女，硕士，高级工程师，研究方向为高速铁路精密控制测量及城市轨道交通测量。42建 筑 与 土 木 2023 NO.2 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONSCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯1 线路平面控制测量线路平面控制网（CPII）是轨道控制网的平面基准。按照逐级控制的布网原则，线路平面控制网（CPII）是在框架控制网（CP0）、基础平面控制网（CPI）的基础上进行，考虑到该项目属于运营维护阶段的实际情况，构建线上线路平面控制网。线上加密CPII控制桩直接在既有线上布设3。路基地段优先在满足观测要求的涵洞帽石顶、水泥墩等稳定的混泥土构筑物上设置，桥梁地段设置在既有桥梁的挡砟墙上或桥头。综合考虑项目的实际情况，该标段线上加密CPII测量由 K220K270、K270K289、K289K300、K300K311与K311 K388五段进行，每个标段之间均有搭接，其中 K220 K270 段还要与一标段搭接，其搭接点为219P22、220P22。采用GPS静态测量方法，按照铁路四等GPS观测技术要求设置卫星截止高度角、采样间隔等参数4。观测过程中，在天线附近50 m以内不使用电台，10 m以内不使用对讲机，以免干扰接收机接收卫星信号。CPII基线解算和质量检核合格后，在WGS-84坐标系下进行三维无约束平差，得到各点WGS-84坐标系下的空间直角坐标、三维基线向量改正数及边长相对中误差等精度信息，剔除粗差观测值，检验线上加密CPII网内符合精度。符合要求后，采用联测的CPI点作为约束点，使用中铁四院SYGPS平差软件进行二维约束平差，二维约束平差成果各项精度指标均合格。考虑到此次线上加密CPII需尽量布设在线路一侧（天窗不垂直，无法跨线测量），布设点位要求卫星信号不受遮挡，点间距要求在600 m左右；而原导线CPIII点交错布设在线路两侧，部分点布设在接触网支柱基础上，点间距在150 200 m左右，因此，此次线上加密CPII点采用2011年部分原导线CPIII点。此次该标段线上加密CPII与2011年原导线CPIII的平面坐标差异较大，其中，横向方向（X方向）坐标较差偏大（最大值为0.208 m）；一方面可能因两个控制网之间存在系统偏差，另一方面可能由2011年CPIII导线测量的横向中误差引起。2 高程控制测量高程控制是轨道控制网的高程基准。沿线布设深埋水准点和普通水准点，组成统一的高程控制网，分为线下水准测量和线上水准测量。2.1 线下水准测量线下普通水准点充分利用原胶济线线下水准点桩位，对受损严重的既有桩位进行了维护处理，当不满足现场布设点位要求时，重新埋设线下水准点。水准基点不大于2 km布设一个，水准基点选在距中线50200 m的土质坚实、通视良好、施测方便、高程适宜和便于保存之处。水准基点尽量与CPI点共桩，单独布设时，埋设要求同CPI。按照三等水准测量施测，联测国家水准点时采用往返测支水准路线形式，在主路线上形成结点5。使用天宝或徕卡的电子水准仪及配套的3 m铟瓦条码水准尺，采用单路线往返观测；一条路线的往返测使用同一类型仪器和转点尺垫，沿同一路线进行。在外业测量经过各项限差验算合格后，首先进行高程网基准点选取，选用15个原胶济线精测网水准点、1个沿线国家水准点（JL7）、1个济青高铁水准点（CPI153，与石济客专线下水准点共桩），并对以上17个水准点进行稳定性分析。采用此17个点及1个与一标段搭接的济青高铁深埋水准点（SBM15）作为高程网平差计算的约束点，采用中铁四院SYADJ软件进行整网严密平差，计算测量成果；结果均满足 铁路工程测量规范（TB 10101-2009）的相关要求。根据相关技术规范和该项目复测要求，以“线路水准基点复测与原测高差较差应小于20L”作为判断点位发生显著沉降与否和点位高程能否继续使用的指标6。分析该标段线路21段水准基点2018年复测高差和2011年复测高差的较差，全线共有5段高差较差超限，占比23.8%。其余16段高差较差均满足三等水准复测限差要求。同时，比较该标段2018年复测与2011年复测线路水准基点高程较差（见图1）。由图1可知：图1 线路水准基点2018年复测高程与2011年复测高程较差图43 2023 NO.2科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 建 筑 与 土 木SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯除个别控制点发生点位沉降外，其余控制点稳定，未发现区域沉降现象。考虑到该标段2018年线下水准复测补埋63个水准点，上一次水准网复测时间为2011年，距今时间较长，控制点桩损坏严重、桩位丢失较多，原复测成果的现势性较差，因此，该次高程网复测成果全部更新，更新成果时考虑与一标段的衔接。2.2 线上水准测量线上水准基点埋设在线路附近稳定可靠且不易被破坏的地方，桥梁部分埋设于桥梁固定支座正上方挡砟墙顶，尽量保证在桥梁上下联测时不再进行水准测量，可与线上加密CP点共桩。此次该标段线上加密水准测量分K220K270、K270K289、K289K300与K399K388 四段进行。如 K270K289 段与 K220K270段搭接点为270H21，此次该标段在K220里程与一标段搭接，搭接点为219H21。线上水准基点按照国家三等水准测量标准施测，采用不低于DS1的数字水准仪及铟瓦水准尺。观测数据采用仪器内置储存器记录，并转换成电子手簿。线上加密水准网采用联测的线下水准点作为约束点，进行平差计算。考虑到此次线上加密水准点布设在线路一侧（天窗不垂直，无法跨线测量），而原导线CPIII点交错布设在线路两侧，部分点布设在接触网支柱基础上，点间距在150200 m左右，因此，线上加密水准点采用2011年部分原导线CPIII控制点，共联测20个导线CPIII点，分析比较两次高程较差，具体情况见图2。由图2可知，2018年线上加密水准点高程大部分比2011年导线CPIII高程低，其原因可能为两次测量等级不相同引起的系统差异（2018年线上加密水准为三等，2011年导线CPIII高程为四等），也可能是沉降因素引起的。因此，建议后期加强控制网的复测工作，以便更为准确地判断是否存在沉降变形灾害。3 轨道控制网（CPIII）精密测量3.1 CPIII控制网布设CPIII控制网点成对布设，间距约为60 m，CPIII点布设高度大致等高，并设在设计轨道高程面0.3 m以上。路基段CPIII点直接安装在线路两侧接触网立柱上，为了避免破坏立柱结构，CPIII标识采用抱箍方式，分别为H型混凝土、钢柱抱箍件、格构柱抱箍件及圆形抱箍件这3种形式。桥梁地段CPIII点设置在既有桥防撞墙上，在防撞墙上采用30 mm左右直径钻头，钻深70 mm，埋设时采用速凝水泥或锚固剂填充孔位，将CPIII预埋件埋入防撞墙内。既有车站内CPIII点的布设在站台廊檐下部凹槽处，孔深在70 mm左右，距离轨面高度0.3 m以上，测量标志横向埋设且不得侵界。平面测量棱镜采用德国Sining公司的AL-402棱镜。作业前对组件进行了重复性和互换性安装误差的检测，满足X、Y误差0.4 mm，H误差0.2 mm的要求。3.2 CPIII控制网平面测量CPIII控制网平面测量采用“分段测量、分段平差”的方法进行。CPIII网平面测量共分为14个区段，最短区段长度为8.0 km，最长区段长度为18.9 km，平均区段长度为12.2 km，搭接示意图见图3。该标段与一标段在K220处搭接，重复观测5对CPIII点。其他区段搭接，重复观测6对CPIII点。CPIII网平面测量采用自由设站边角交会法施测，图3 CPIII分段搭接联测示意图图2 线上加密水准点2018年复测高程与2011年复测高程较差图44建 筑 与 土 木 2023 NO.2 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONSCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯每个自由测站一般观测12个CPIII点。每个CPIII点至少保证有3个自由测站的方向和距离观测量。CPIII自由测站平均间距约为120 m左右，当特殊地段观测条件较差时，测站间距调整至60 m左右。CPIII网平面测量水平方向采用全圆方向观测法进行观测，距离观测采用多测回距离观测法。边长观测实时地在全站仪中输入温度和气压进行了气象元素改正。数据处理前，首先对观测数据进行质量检核，对不合格数据及时安排返测。外业观测数据质量检核合格后，以联测合格的线上加密CPII为起算数据，采用中铁四院SYADJ软件进行自由网和约束网平差计算，并按CPIII网测量技术要求进行精度检核。区段之间衔接时，首先在接边前比较相邻区段独立平差重叠点的坐标差值。当坐标较差满足4.5 mm 时，后一区段CPIII网平差采用本区段联测的加密CPII点及重叠段前一区段的13对CPIII点作为约束点进行平差计算。此次所有CPIII测段独立平差中CPIII约束网平差距离改正数、方向改正数、点位中误差及CPIII网相邻点相对点位精度均满足规范要求。考虑到该标段需要在K311处进行分带，坐标换带处 CPIII 分为 K300+036 K312+440 段和 K311+240K321+713段，两个测段之间重复观测长度约1.2 km，满足大于800 m的观测要求。以前测段的CPIII坐标对后测段的CPIII坐标进行约束平差，并分别计算出118 15 00 和117 15 00 的两套CPIII平面网的坐标成果。3.3 CPIII控制网高程测量CPIII高程网测量利用平面网测量的边角观测值，采用自由测站三角高程测量方法，与CPIII平面网测量同步进行，测量分段方式保持一致（见图3）。CPIII自由测站三角高程网附合于线路水准基点，每2 km左右进行了高程联测，当特殊地段不便联测时，最远2.5 km左右联测一个线路水准基点。CPIII自由测站高程网进行附合路线闭合差统计，并计算每千米高差全中误差，各项指标均符合三等水准测量的要求。采用自由设站三角高程方法测量时区段之间重叠点不少于4对，区段之间衔接时前后区段独立平差重叠点高程差值4.5 mm；满足该条件后，后一区段CPIII网平差，采用本区段联测的线路水准基点及重叠段前一区段连续的12对CPIII点高程成果进行约束平差。此次CPIII网高程测量数据各项精度指标均合格，满足规范要求。此次该标段在K353+000K366+740范围联测石济客专的水准点：CPI513（线下水准点，与济青高铁线下水准点共桩）、CPII562（线上水准点）、2446201（线上水准点）、361H22（线上水准点，与胶济客专线上水准点361H21共桩）、362H21（线上水准点）。将石济客专的线下和线上高程点作为胶济客专的高程起算点进行水准数据平差处理，并对胶济客专高程与石济客专高程较差与线路衔接处的联测高差进行比较分析。此次该标段高程网与石济客专高程网兼容性较好。4 结语最近十来年是我国铁路事业大发展大建设时期，特别是新建设了很多高速铁路和客运专线，我国的铁路网覆盖基本满足国家经济建设的需要。同时，运营线路的维护工作又凸显出来，保证铁路安全运营、保障人民群众生命安全，又成为今后工作的重中之重。铁路轨道控制网（CPIII）的建设是一项系统性、持续性强的工作，需要在运营期间进行定期复测和维护。该文依据胶济客专运营维护阶段的实际情况，提出一种适合既有线轨道控制网（CPIII）改造精密测量方法和技术措施，并对测量成果进行分析评价。该成果对后续的既有运营线路轨道维护提供了技术保障。参考文献1 罗红斌,李小飞,周敏厚,等.既有铁路精密控制网测量研究J.测绘技术装备,2018,20(2):19-20,18.2 王兵海.高寒地区高铁长大隧道洞内控制测量J.工程勘察,2022,50(6):63-67.3 姜浩,李祖来.胶济客专精密测量控制网改造工程J.北京测绘,2020,34(10):1348-1352.4 付久容.既有普速铁路控制网的布设及测量J.铁道建筑,2019,59(5):140-144.5 朱晓.超长铁路隧道洞内平面控制测量关键技术研究D.成都:西南交通大学,2021.6 郭城磊.BDS 在铁路工程控制测量中的应用研究D.成都:西南交通大学,2021.45