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高铁轨道控制网精密测量复测的探讨

高铁轨道控制网精密测量复测的探讨

摘要:铁路轨道结构等级与运输条件密切相关。在铁路运输发展的初期，速度、轴重、密度都处于较低水平，对轨道结构的要求以可靠性为主。随着高铁近年来的迅猛发展，对传统的铁路设计、施工、检测、养护维修提出了新的挑战。在高速铁路建设过程中,建立有效、经济实用的精密测量控制网是保障工程施工、放样及运营维护精度的前提。应用精密工程控制测量和高速铁路轨道技术, 以现有的规范和轨道平顺性指标为指导,在分析现有高速铁路轨道控制测量理论的基础上,利用GPS技术和传统精密测量技术对轨道进行复测，对其相应的精度指标进行统计和分析，从而使高铁运行更加安全可靠。
关键词：高铁 精密测量 轨道控制网
1.引言
为了满足列车运行的高速、高可靠性和旅客乘坐的舒适度，时速大于200 km的铁路对轨道的高平顺性提出了很高的要求，高平顺性依赖于精密控制测量体系支持下的线下工程和轨道工程的高精度施工，高速铁路的精密控制网作为施工和轨道精调的测量控制网，其精度对后续各项工作的顺利开展至关重要，而定期开展精密控制网的复测是保证控制网精度的必要工作。
列车高速运行的基本条件是轨道、接触网、控制系统与高速列车的有效融合，轨道是高速列车的承载和导向设施，轨道质量是路、桥、遂、轨有效集成的，轨道对路、桥、遂的标准有客观要求。良好的轨道是保证列车安全高速运行的前提，这就要求其具有极好的平顺性、较高稳健性、和连续均匀的弹性，为达到这个目的，定期对轨道控制网进行精密测量复测就显得特别重要[1]，
2.高铁轨道控制网精密测量复测现状
精密测量主要是结合现代测绘科技的新进展，研究和解决大型工程或特种工程对测量的高精度、可靠性、自动监测等各个方面的要求。就其精度而言，通常要求毫米或亚毫米级别的量值。各种工程建设对精度要求，因工程而异是不同的。同时也由于各部位的重要性不同，实现的目的不同，构成的材料不同，允许的误差不同等诸因素的综合要求，而对精密工程测量提出不同的精度要求。
现有高速铁路轨道精测网大都为一次布设、统一测量、整网平差, 满足三网合一, 即勘测设计、施工、运营维护控制网使用同一控制网。内容包括
1.三网平面坐标、高程系统统一。
2.三网起算基准统一。
3.三网测量精度统一协调[2]。
基础控制网CPⅠ（平均点对边长小于4km，点对短边长大于1km）、线路控制网CPⅡ（平均点间距900m）、和基桩控制网CPⅢ（平均点间距150m）、组成。高程控制网由基岩水准点（平均点间距100km）、深埋水准点（平均点间距8km）、标准水准点（平均点间距2km）组成，形成统一的高程控制网，如图2-1所示[3]。

图2-1无砟轨道三级平面控制网示意图
3.轨道控制网精密测量精度分析
3.1.平面控制测量精度标准
轨道平顺性包含垂向和横向两个分量。横向不平顺是指钢轨头内侧与钢轨方向垂直的凸凹不平顺。产生的原因有铺轨和整道时轨道中心线的定位误差、轨排横向残余误差、轨道内侧磨耗不均匀、扣件失效等。其中与测量精度有关的是轨道中心的定位误差。
3.1.1由轨向误差确定基本长度单元两端点的相对点位误差
铁道科学研究院建议我国高速铁路管理的基本长度单元为200m，《京沪高速铁路设计暂行规定》（铁建设［2003］13号）（以下简称《设计暂规》）要求，有碴轨道和无碴轨道的管理波长为10m，轨道铺设的轨向精度不得大于2mm[4]。因此，每个基本长度单元含20 个管理波长。设一个管理波长横向不平顺性测量精度为A，因为每个轨向不平顺是独立测量的，所以相互之间误差独立，一个基本长度单元轨向不平顺性引起的总的横向中误差为
a1=a*=4.47a （2-1）
高速铁路轨道不平顺性一般使用轨检车采用弦测法或者惯性基准法测量，用标准差统计指标评定基本长度单元的平顺性，故取a1=±2mm，m1=8.94mm。实际作业中，纵、横向误差同时发生，考虑到纵向误差对轨向不平顺影响有限，同时，与横向误差相比纵向误差比较小，故取纵向误差m2=0.5m1，即为4.47mm[5]。一个基本长度单元两端点相对点位误差为mij=m1+m2大约为 10.0mm，测定一个基本长度单元两端点的相对误差为1/20000[6]。
3.1.2 基本网的测量精度
工程平面控制网测量精度等级确定的原则是根据工程建设的需要，把工程放样或其他使用的最低精度要求放在最基本一级控制点上确定。铁路平面控制的基本网是初测导线，我们根据一条导线边能控制的基本长度单元相对误差确定基本网的精度。《京沪高速铁路测量暂行规定》（以下简称《测量暂规》）中规定导线边长400~600m，最长1000m，最短200m[7]。一条导线边将控制1~5个基本长度单元。考虑到每个长度单元是独立测量和评定的，导线边的相对点位误差为10~22mm，按10mm的相对点位误差推求导线测量精度[8]。
3.1.3首级网测量
按照测量控制的理论，铁路测量首级网应根据初测导线的精度推算。铁路测量首级网一般采用012 测量，我们根据这一原则推求012 网的测量精度。初测导线的精度介于四等和一级之间，接近于四等精度。因此，首级控制宜按三等精度测量[9]。
GPS网的技术标准为：
边长最长5km，最短1km，平均3.5km。直接观测边的相对中误差1/120000以上，最弱相邻点相对点位中误差不大于12mm，按C级网的精度观测[10]。
3.2.高程控制测量的精度
高速铁路高程控制的精度主要是确保轨道垂向铺设的精度，保证把沿钢轨方向高差偏差、同一断面左右两钢轨顶面间高差的偏差、以及扭曲不平顺控制在
限差范围内。
3.2.1 垂向平顺性对高程测量精度要求
“设计暂规”对轨道铺设的垂向平顺性的要求是，当管理波长为10m[11]，高低差应小于2mm；同一横截面左右轨顶面水平差的偏差不大于2mm；扭曲1.5mm/2.5mm。这些规定可统一描述为：两观测点间相对高程误差不得大于2mm。同时，规定位移观测标桩间的最大间距根据单元轨节的长度确定为350~650m，也就是说每个标桩可观测的管理波长的个数为18~32[12]。
按国家水准测量精度标准，二、三等水准每公里高差中数的偶然中误差分别为1mm和3mm，位移观测标桩高程观测应按三等水准测量的精度进行。
3.2.2高程控制测量
铁道工程一般长度为数百公里，大多新线工程远离原来的交通干线，加上我国等级控制点密度小，破坏严重，为保证目标精度的实现，布设测区首级高程控制网十分必要[13]。
首级高程网的测量精度低于二等水准精度，高于三等精度，故应布设介于二、三等之间的精密水准网作为工程的首级高程控制。
4.轨道控制网精密测量复测的新方向
高铁轨道控制网精密测量现状大多是采用区域范围式，先选择一个矩形，覆盖一定距离的轨道，在此区域内利用已有控制点，按照传统的控制网测量方法进行测量，此种方法需要大量的采集点，得到相当大的数据，然后对数据进行筛选，利用平差理论对数据进行处理，进而可以取得高精度测量结果。但这种测量方法不仅需要大量的工作，进度较慢，人力、物力和财力都是一个考验，经济效益自然而然不是那么乐观[14]。
随着人们对安全和速度的更高要求，传统意义上的精密测量复测技术及其精度已无法满足，就高速铁路轨道精密测量复测及其精度分析的现状而言，精密测量复测应独立建网，精度按二等精度控制，在观测选点、观测技术、观测方法和观测频率上都有待提高[15]。
参考这么多的文献，在现有条件下，在轨道精密测量复测中，先按照轨道的纵向定住中线，再以中线为对称轴在对称区域内进行测量，这样可以减少采集点，减少工作量进而提高复测进度，节省开支，能取得更好的效益。
今后，我们的目标是追求更高精度，GPS技术和传统精密测量技术相结合，对轨道进行更好、更快、更高精度的复测，以满足日益快速发展的高铁，进而使其运行更加安全可靠。
5.结束语
我国的高速铁路建设是一个新事物，勘测设计、施工和运营养护没有成功的经验可以利用。尽管我们根据最近几年客运专线和京沪高速铁路测量的体会，编制了“测量暂规”，但从理论上分析测量的精度还很不够，还没有时速达到350km 的高速铁路来验证。随着京沪高速铁路施工和时速350km的客运专线勘测设计工作的开展，对高速铁路平面和高程控制测量进行精度探讨，寻求合理的测量等级和精度要求，确实是我们当务之急。

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