24高速铁路无砟轨道CPIII控制网布设及测量技术.docx
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24高速铁路无砟轨道CPIII控制网布设及测量技术
高速铁路无砟轨道CPIII控制网测量技术
陈士清
摘要：
高速铁路无砟轨道要求具有良好的稳定性、连续性和高平顺性，施工中需采用高精度三维控制测量技术。
本文结合哈大铁路客运专线运粮河特大桥CPIII建网的工程实践，介绍高速铁路无砟轨道CPIII建网的技术特点、技术要求以及测量方法。
关键词：
高速铁路 无砟轨道 CPIII建网 测量技术
1引言
高速铁路客运专线无砟轨道是以钢筋混凝土或沥青混凝土整体式道床取代散粒体道砟道床的轨道结构，与有砟轨道相比，无砟轨道主要具有以下特点：
良好的轨道稳定性、连续性和平顺性；良好的结构耐久性和少维修性能；工务养护、维修设施减少；减少客运专线对特级道砟的需求；免除高速行车条件下有砟轨道的道砟飞溅；有利于适应地形选线，减少线路的工程投资；可减轻桥梁二期恒载，降低隧道净空；一旦基础变形下沉，修复困难，要求有坚实、稳定的基础。
自2O世纪6O年代开始，世界各国相继开展了各类无砟轨道的研究。
在日本，板式轨道已在新干线大量铺设，新建铁路的无砟轨道已超过全线的90％，铺设总长度达2700km。
德国铁路Rheda、Ztiblin等无砟轨道已在新建的高速线上全面推广，无砟轨道占线路总长的80％以上，铺设总长度达到800km。
我国在吸取国外研究先进成果的基础上，结合我国高铁建设的实际情况对无碴轨道也进行了大量的研究和工程实践。
为了适应客运专线铁路高速行车对平顺性、舒适性的要求，客运专线铁路轨道必须具有较高的平顺度标准，我国对时速大于200km／h以上铁路轨道平顺度均制定了较高的精度标准。
对于无砟轨道，轨道施工完成后基本不再具备调整的可能性，由于施工误差、线路运营以及线下基础沉降等所引起的轨道变形只能依靠扣件进行微量的调整是。
客运专线扣件技术条件中规定扣件的轨距调整量为±10mm，高低调整量一4、+26mm，因此，对施工测量精度有着较有碴轨道更严格的要求。
2概述
由于过去传统的铁路运行速度较低，对轨道平顺性的要求不高，在勘测、施工中没有要求建立一套适应于勘测、施工、运营维护的完整的控制测量系统。
以往的平面控制网测量等级分为一等、二等、三等、四等、五等，坐标系统可以采用国家坐标系，也可以局部假定坐标系。
高速铁路平面测量控制网分为三级，分别为CPI、CPII、CPIII（CP为controlpoints的缩写），并将三网统一起来，统一采用国家坐标系统，这将更加规范化和系统化。
各级平面控制网的布网要求见下表：
各级平面控制网布网要求
控制网级别
测量方法
测量等级
点间距（m）
备注
CPI
GPS
B级
≥1000
≤4km一对点
CPII
GPS
C级
800~1000
导线
四等
CPIII
导线
五等
150~200
后方交会
50~60
10~20m一对点
注：
1）当CPII采用GPS测量时，CPI的点间距为4km；2）当CPII采用导线测量时，CPI的点间距为4km一对相互通视的点。
各级控制网的作用分别为：
1）CPI主要为勘测、施工、运营维护提供坐标基准；
2）CPII主要为勘测和线下工程施工提供控制基准；
3）CPIII主要为轨道铺设和运营维护提供控制基准。
3控制网的主要特点
3.1高速铁路由于行车速度高，建设标准高，要求无碴轨道具有良好的稳定性、连续性和高平顺性，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。
3.2无砟轨道铺设技术的引进在国内时间较短，其特点是施工工艺新、技术要求严、科技含量高，无砟轨道铺设前期测量工作显得尤为重要。
无砟轨道的测量采用全新的高精度三维控制测量技术，使用GPS全球卫星定位系统进行CPI、CPII控制测量，而CPI属高速铁路高等级控制网，是保证全线贯通的基础，最终使用CPIII控制网进行三位一体精确定位。
铺轨测量精度要求高，平面、高程控制在1mm之内。
4CPIII控制网测量技术要求
1）CPIII平面精度：
相对点位精度为1mm，点位中误差不超过2mm。
2）CPIII高程精度：
相邻点高差中误差小于0.5mm。
3）联测水准点闭合差：
小于4√L（其中L为距离，单位为km）。
4）全线的平面坐标和高程坐标应统一。
5）平面投影变形应满足无砟轨道要求：
10mm／km。
5无砟轨道CPIII控制网测量的条件
1）线下工程已经竣工验收合格。
2）变形稳定，符合铺设无砟轨道条件：
①路基沉降稳定；
②桥梁墩台沉降稳定、梁部上拱及收缩徐变稳定；
③隧道应力变化稳定；
④其他支挡工程变形稳定。
3）已知点（CPI、CPII、水准点）坐标数据可靠。
6测量方法
6.1CPIII控制点的测量标志及埋设
6.1.1CPIII控制点的测量标志我部使用球形棱镜标志组，由球形棱镜与直立套筒组成。
球形棱镜应有相应的资质认证，球形棱镜外径应为45mm；直立套筒应采用抗腐蚀、耐磨的材料制成，且需易于保护。
CPIII测量标志的加工和安装精度要求见下表：
CPⅢ测量标志
几何尺寸的加工误差
重复性安装误差
互换性安装误差
精度指标
±0.01mm～±0.05mm
平面X、Y±0.3mm
高程H±0.2mm
平面X、Y±0.3mm
高程H±0.2mm
6.1.2CPIII测量的立式基座埋设在桥梁布置固定支座端防护墙上，成对布置。
埋设样式详见下图：
在直线段CPIII基桩埋设高度为300mm；曲线地段埋设高度统一设置为180mm；缓和曲线地段埋设根据防碴墙高度渐变设置。
CPⅢ控制点沿线路布置时纵向间距宜为60m左右，且不应大于70m、横向间距不超过结构宽度，并统一对每个CPIII点编号（××××3××，前四个×为整公里数，后两个×表示该CPIII点在本公里的个数，编号沿线路前进方向左单右双）。
6.1.3CPIII控制网区段的划分和区段之间的连接
CPIII控制网的区段定义为在上一级控制网点约束下进行本次平差计算的CPIII网的范围。
CPIII控制网（包括平面网和高程网）可分区段分别进行观测和平差计算，区段的长度不宜低于4km。
CPIII平面网区段的两端必须起止在上一级控制网点（CPI或CPII）上，而且应保证有连续的三个自由设站与上一级控制网点联测。
CPIII高程网要满足区段中联测的上一级水准点的数量不得少于3个，而且CPIII高程网区段的两端必须起止在上一级水准点上。
CPIII网区段与区段之间，至少应该有四对（8个）CPIII点作为公共点在相邻的两区段中都要测量；这些点在各自区段中的观测和平差计算，应该满足CPIII网的精度要求；除此之外，还要满足各自区段平差后的公共点X、Y、H坐标较差应小于±3mm的要求；在达到上述要求后，前一区段CPIII网的平差结果不变，后一区段的CPIII网要再次平差，再次平差时除要约束本区段的上一级控制网点外，还要约束前一区段公共点中至少一个公共点的坐标；这样其他未约束的公共点在两个区段分别平差后的坐标差值应≤1.0mm，以确保CPIII网的整体精度。
最后公共点的坐标，应该采用前一区段CPIII网的平差结果。
6.2平面控制测量
6.2.1对全站仪的选择
1）应为能自动对中目标（棱镜）的测量机器人；
2）角度测量标称精度不低于1”
3）距离测量标称精度不低于2mm+2ppm（一般用1mm+2ppm的仪器）；
4）仪器检定合格方可用于CPIII测量。
6.2.2测量原理及方法
使用边角交会法测量。
CPIII控制网采用自由设站交会网（《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》称为“后方交会网”）的方法测量，CPIII控制点的点间距一般应为50~60m一对，不应超过70m。
自由设站的设站的距离为120m，每个自由设站观测12个CPIII点，全站仪前后方各3对点。
每次测量保证每个CPIII点被测量3次以上。
测量图示如下：
测站（自由站点）
CPⅢ控制点
向CPⅢ点进行的测量（方向、角度和距离）
CPⅢ控制网自由设站边角交会网示意图
对于自由设站测量较为困难的地区（如曲线段），自由设站的设站距离可以为60m，每个自由设站应观测8个CPIII点，全站仪前方和后方各4个（2对）CPIII点，每次测量应保证每个CPIII点被测量4次以上。
CPIII控制点距离为60m左右，且不应大于70m，观测CPIII点允许的最远的目标距离为150m左右，最大不超过180m。
测量前应记录每个测站的温度、气压，并将温度、气压输入仪器进行改正。
对于线路有长短链时，应注意区分重复里程及标记的编号。
CPIII平面控制网的水平方向观测，应满足下表中的规定：
表3水平方向观测的技术要求控制网等级
仪器等级
测回数
半测回归零差
同一测回各方向2C互差
同一方向归零后方向值较差
2C误差
CPⅢ
05″
3
6″
9″
6″
≤±15″
1″
4
6″
9″
6″
≤±15″
CPIII平面控制网的距离测量，应采用以下的多测回距离观测法：
盘左和盘右分别对同一个CPIII点进行距离测量，把盘左和盘右距离测量的平均值作为一测回的距离测量值；每个CPIII点距离测量的测回数应与水平方向相同，各测回测量的距离较差应≤1.0mm。
在全圆方向观测的同时，对CPⅢ点进行距离测量。
6.2.3与上一级CPII控制点联测
CPIII平面控制网测量前，应确保线路两侧50m范围内CPII控制点的密度达到500m～800m，否则应同精度用GPS测量的方法加密CPII控制点；
1）与CPI、CPII控制点联测，一般情况下应通过3个或以上线路上的自由设站进行联测，见下图所示。
联测高等级控制点时，应最少观测3个完整测回数据。
测站（自由站点）
CPIII控制点
向CPIII点进行的测量（方向、角度和距离）
2）与CPI、CPII控制点联测较为困难时，应至少通过2个线路上的自由设站进行联测，见下图3所示。
测站（自由站点）
CPIII控制点
向CPIII点进行的测量（方向、角度和距离）
联测已知点最远距离不应超过300m，不能直接观测的CPII点建议用GPS测量按CPII等级精度加密，并通过设计单位评估后方可使用。
6.2.4边角交会法测量的误差分析
1）观测目标为放置在立式支座上的球形棱镜，此方法属于强制对中方法，这样就消除了以往使用对点器对中整平带来的对点误差，提高了测量精度。
要注意的是要加强对球棱镜的检测，球形棱镜的加工精度是保证重复测量和互换性测量满足要求的前提。
2）仪器的安置是自由设站，只需将仪器整平即可，无需对中，这样又减少了仪器的对点误差，提高了测量精度。
仪器的安置尽量使前后视距相等，可以减小视距差过大带来的视距误差。
3）仪器使用能够自动照准目标的全站仪，减小了人为照准的误差，同时减少因人为操作碰运和震动给观测带来的影响。
4）由于后方交会法并不是一种很严密的测量方法，其自身会有较大的误差传递，因此在CPIII的测量中，必须保证每个CPIII控制点要达到重复测量3次以上，用专门的通过相关部门正式检定合格的软件进行数据的分析处理。
我部使用铁一院的《CPIII精密控制测量数据处理系统》进行解算。
6.3高程控制测量
高程控制测量利用水准仪进行，往返测量CPIII控制点，并联测桥下二等水准点，经平差后得到CPIII点的精确高程。
6.3.1精密水准测量的精度及技术标准
精密水准测量的精度要求（mm）
水准测量
等级
每千米水准测量偶然中误差M△
每千米水准测量全中误差MW
限差
检测已测段高差之差
往返测
不符值
附合路线或
环线闭合差
左右路线
高差不符值
精密水准
≤2.0
≤4.0
12
8
8
4
注：
表中L为往返测段、附合或环线的水准路线长度，单位km。
精密水准测量的主要技术标准
等级
每千米高差全中误差（mm）
路线长度（km）
水准仪等级
水准尺
观测次数
往返较差
或闭合差
（mm）
与已知点
联测
附合或环线
精密水准
4
2
DS1
因瓦
往返
往返
8
注：
①结点之间或结点与高级点之间，其路线的长度，不应大于表中规定的0.7倍。
②L为往返测段、附合或环线的水准路线长度，单位km。
精密水准观测主要技术要求
等级
水准尺
类型
水准仪
等级
视距
（m）
前后视距差（m）
测段的前后视距累积差（m）
视线高度（m）
精密水准
因瓦
DS1
≤60
≤2.0
≤4.0
下丝读数
≥0.3
DS05
≤65
注：
①L为往返测段、附合或环线的水准路线长度，单位km。
2DS05表示每千米水准测量高差中误差为±0.5mm。
在观测数据存储之前，必须对观测数据作各项限差检验。
检验不合格时，对不合格测段整体重测，至合格为止。
CPIII控制点高程测量工作应在CPIII平面测量完成后进行，并起闭于二等水准基点，且1个测段联测不应少于3个水准点。
水准测量作业结束后，每条水准测量路线应按测段往返测高差不符值计算偶然中误差M0；当水准网的环数超过20个时，还应按环线闭合差计算Mw。
M0和Mw应符合表2的规定，否则应对较大闭合差的路线进行重测。
M0和Mw的公式计算请参照有关规范。
6.3.2对水准仪的要求
1）水准仪标称精度应不低于DS1。
推荐使用不低于0.4mm／km的数字式水准仪。
我部使用DINI12数字水准仪,其精度为0.3mm／km。
2）水准仪必须检定合格。
3）水准尺应采用整体因瓦水准标尺，与水准仪配套的尺垫，其重量应不低于5kg。
与水准仪配套的脚架，应采用木质脚架。
6.3.3观测方法
方法一：
往测时以轨道一侧的CPⅢ水准点为主线贯通水准测量，另一侧的CPⅢ水准点在进行贯通水准测量摆站时就近观测；返测时以另一侧的CPⅢ水准点为主线贯通水准测量，对侧的水准点在摆站时就近联测。
往测水准路线如下图所示：
往测水准路线示意图
返测水准路线如下图5所示：
返测水准路线示意图
观测顺序：
1）光学水准仪观测
奇数测站照准标尺分划顺序为：
A后视标尺基本分划；
B中视标尺基本分划；
C前视标尺基本分划；
D前视标尺辅助分划；
E中视标尺辅助分划；
F后视标尺辅助分划。
偶数测站照准标尺分划顺序为：
G前视标尺基本分划；
H中视标尺基本分划；
I后视标尺基本分划；
J后视标尺辅助分划；
K中视标尺辅助分划；
L前视标尺辅助分划。
2）数字水准仪观测
奇数测站照准标尺分划顺序为：
A后视标尺；
B前视标尺；
C中视标尺；
D前视标尺；
E中视标尺；
F后视标尺。
偶数测站照准标尺分划顺序为：
G前视标尺；
H中视标尺；
I后视标尺；
J后视标尺；
K中视标尺；
L前视标尺。
方法二：
CPⅢ点与CPⅢ点之间的水准路线，采用下图所示的水准路线形式进行。
CPⅢ点与CPⅢ点之间的水准路线示意图
观测顺序：
1）光学水准仪观测
奇数测站照准标尺分划顺序为：
A后视标尺基本分划；
B前视标尺基本分划；
C前视标尺辅助分划；
D后视标尺辅助分划。
偶数测站照准标尺分划顺序为：
E前视标尺基本分划；
F后视标尺基本分划；
G后视标尺辅助分划；
H前视标尺辅助分划。
2）数字水准仪观测
奇数测站照准标尺分划顺序为：
A后视标尺；
B前视标尺；
C前视标尺；
D后视标尺。
偶数测站照准标尺分划顺序为：
E前视标尺；
F后视标尺；
G后视标尺；
H前视标尺。
测站数为偶数，一般为6或8个。
由往测转为返测时，两支标尺应互换位置，并应重新整置仪器。
6.3.4水准上桥测量
水准上桥采用规范中规定的三角高程测量的方法测量。
测量时：
1）测量时竖盘指标差要设置小于5″；
2）竖直角不大于30°；
3）前后视距差不大于5m。
4）并至少作两次上桥观测，两次测量高差不能超出1mm，取平均值作为最终的高差。
6.3.5CPⅢ高程控制网数据处理
CPIII控制点高程测量应采用严密平差，平差计算取位按下表中精密水准测量的规定执行。
精密水准测量计算取位
等级
往（返）测距离总和（km）
往（返）测距离中数（km）
各测站高差（mm）
往（返）测高差总和（mm）
往（返）测高差中数（mm）
高程
（mm）
精密
水准
0.01
0.1
0.01
0.01
0.1
0.1
CPIII高程测量采用铁一院的《CPIII精密控制测量数据处理系统》进行解算。
7外业采集及内业数据处理注意事项
在CPIII自由设站测量中，必须使用装有能自动记录及计算的专用数据处理软件的智能型全站仪，能设置各项限差，并能自动对测站各测回数据进行处理，确保采集高质量的外业数据。
内业处理时应使用软件对外业数据作全面检核，对各项指标差、限差和观测值的改正数作详细检查，保证数据无误后方可进行平差计算。
8CPIII控制网的维护
由于CPIII控制点布设于桥梁的防护墙上或路基的接触网基座的基础上，由于受线下工程稳定性和施工影响等因素的影响，为确保CPIII点的准确性，在使用CPIII点进行后续轨道安装测量时，应定期与周围其它点进行校核，特别是要与地面上布设的稳定的CPI、CPII点进行校核，以便及时发现和处理问题。
九、结束语
随着铁路工程技术的发展，尤其高速铁路对平顺性的要求，对测量方法不断提出新的要求。
高速铁路无砟轨道铺设技术的引进，给直接为经济建设服务的工程测量带来了严峻的挑战和极好的机遇。
高精度GPS接收机、智能化全站仪的应用、以及相关软件的开发，使得建造高精度的CPIII控制网成为可能，使工程测量的手段、方法和理论产生了深刻的变化。
工程测量领域正在进一步扩展，正朝向测量数据采集处理自动化、实时化和数字化的方向发展。
以上就是本工程CPIII建网的一些经验，相信对类似的同类工程建设有一定的参考价值。
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