浅谈高速铁路施工三维精准测控问题论文
1 高速铁路测量的总体特点及基本要求
高速铁路测量的主要包括控制测量、线路施工测量、铺轨测量等3大方面工作。
高速铁路控制测量通常分为4个等级(我国铁路部门将其称为CP0、CPⅠ、CPⅡ、CPⅢ控制网，高速铁路控制网的布设形式(局部)。CPⅢ控制网是高速铁路轨道施工质量控制的骨干，CPⅢ控制网是建立在CPⅠ、CPⅡ控制点基础上的，为确保轨道施工质量以及确保全线施工线路中线的平顺连接必须对各标段范围内的CPⅠ、CPⅡ控制点进行全面复测，为合理布设CPⅢ控制网、满足现场施工测量需要应在线路两侧按每500m左右间距加密一定数量的CPⅡ平面控制点(相邻标段连接处还应在GPS观测时的两端各延伸2个CPⅠ点以保证与相邻标段的平顺连接)，CPⅡ控制点的复测及加密宜采用不少于8台的高精度GPS接收机同步环作业观测模式以提高GPS观测网形的图形强度(网形应以大地四边形和中点多边形为主，各时段均应以边连接方式处理数据并按线路里程顺序将所有的大地四边形、中点多边形和各三角形联成一个整体作为平面控制网复测、加密的主干网形。外业观测数据应采用高精度的网平差软件整体平差。
控制点数量和精度应满足CPⅢ控制网的布网要求)。CPⅢ控制网的固定点应沿线路布置在路基两侧的接触网基座辅助立柱、桥梁防撞墙、隧道壁上并根据建筑物的结构情况每隔50m～60m布置一对点【在两对点之间相隔100m～120m布置自由测站点以对前后各三对点(共12个CPⅢ平面控制点)进行边角交会。这样，每个CPⅢ控制点有三个自由设站点的交会方向】，CPⅢ平面控制网应附合在CPⅠ、CPⅡ或加密的高级控制点上(约相隔500m～800m)，在自由设站点上应对附近的高级控制点进行方向、边长联测以传递坐标并控制误差积累(当在自由设站点上不能直接观测高级控制点时可设辅助站点;当布设自由设站点遇特殊情况时可隔60m加设一个测站点以确保在加站点上仍可观测12个方向。当在正常的两个自由设站点之间加设一个测站点时加站点上可只观测8个方向)。CPⅢ控制网的相对精度要求较高且边长较短，故测量标志必须采用强制对中标志【测量标志强制对中误差应不大于0.2mm。为此，CPⅢ测量标志联结件应采用固定套筒、直杆轴横插等形式，联结件主要零件应具有防锈性能并可减小因温差变化过大而引起的施工问题且适合野外露天作业。测量时的棱镜宜采用高精度360°棱镜，测量时应使360°棱镜上一对由凸起的橡胶部分所形成的六角形顶点的连线对准仪器照准方向】，路基地段的CPⅢ点通过在接触网基础(出露路肩0.3m)上布设永久辅助立柱设置(相邻点间距50m左右设置。立柱采用直径20cm的钢筋混凝土圆柱、高度1.2m～1.3m)，在桥、隧边墙及混凝土柱子上应每隔60m左右设置一对CPⅢ标志套筒(每对标志允许的最大里程差为3m。
钻孔应采用直径20cm的钻头进行、钻深8cm，钻孔时必须保证其大致水平)。CPⅢ自由设站边角交会是在自由设站点上对CPⅢ点进行方向和边长观测，观测应采用带自动照准功能的电子全站仪且其测角标称精度应不低于1″、测距标称精度应不低于1mm+1mm/km，测量中半测回归零差应不大于4″、一测回中2C(2倍视__准差)变动应不大于4″、同一方向各测回水平方向值较差应不大于4″、同一方向水平距离值各测回较差应不大于2mm。CPⅢ在一个测站上观测方向一般应为12个(为减少外界环境对观测结果的影响可进行分组观测。为消减大气状态对观测结果的影响可在夜间进行测量作业。为保证每次测量时同一个点始终使用同一个棱镜应对测量需要的12个棱镜进行编号并对每个CPⅢ点使用的棱镜号和连接器进行登记备查)。在自由站上测量CPⅢ时应将靠近线路的CPⅠ点及全部CPⅡ点进行联测、纳入网中。所有的CPⅠ、CPⅡ点均应至少通过三个自由站联测，每段CPⅢ测量必须起闭与CPⅠ或CPⅡ点且联测长度应控制在150m之内，当受观测条件限制只能有一个自由站点与CPⅠ(或CPⅡ点)通视时应设置辅助点。CPⅢ控制网应根据线下构筑物实际施工情况分段观测、分段计算(分段长度一般宜控制在4km左右，在分段观测连接处应有三条公共边、8个CPⅢ公共控制点联接。CPⅢ控制网点与点之间的水准测量应采用，任一相邻四个CPⅢ点均构成闭合环以确保观测数据的质量，CPⅢ控制点水准测量应按二等精密水准测量要求施测，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每一测段应至少与3个二等水准点进行联测以确保精度符合要求，精密水准测量应采用满足精度要求的电子水准仪(电子水准仪标称精度应不低于0.3mm/km)及配套因瓦水准标尺。使用的各种仪器设备均应在鉴定有效期内(有效期通常为1年)，每年至少应对各种测量仪器检校一次，每天使用仪器前应借助仪器自带的软件对仪器进行自我检验及校准。目前，国内高速铁路建设自由设站CPⅢ控制网测量时多采用与电子全站仪配套的、能自动记录及计算的专用数据处理软件进行观测数据存储与处理，若要通过手工校验修正参数则必须进行人工记录，CPⅢ控制网平面数据处理应采用约束平差方式获得最或然坐标(x、y 坐标计算中误差均应小于1mm;两期独立测量成果的x、y坐标较差均应小于3mm)，CPⅢ控制点的高程数据处理应采用整体性严密平差。
高速铁路线路施工测量主要包括中线测量和路基测量2方面工作(基本方法与传统铁路测量类似)。高速铁路铺轨测量主要工作包括无碴轨道混凝土底座及支承层放样(采用电子全站仪自由设站极坐标法测设)、加密基标测量(电子全站仪自由设站极坐标法测设)、轨道安装测量(包括CRTSⅠ和CRTSⅡ型轨道板安装定位以及CRTSI和CRTSII型双块式无碴轨道安装定位)、轨道精调测量(轨道精调测量应在长钢轨应力放散并锁定后进行并采用电子全站仪自由设站方式测量)，高速铁路铺轨测量是确保铁路施工质量的核心、关键工作(高速铁路轨道静态平顺度允许偏差见表1)，自由设站边角交会对网形要求比较严(控制点间距离必须控制在60m左右、最长不超过70m，其测量方法、观测数据检验、内业计算等都有特别要求)是高速铁路测量的关键技术。
2 高速铁路无碴轨道精调测量的特点及基本要求
目前我国高速铁路轨道调整过程中多采用电子全站仪配合轨道测量系统来测量和计算轨道的偏移量，用于轨道精调的电子全站仪必须具有自动驱动和自动目标识别功能(比如Leica 的TCA2003、TS30、TM30;SOKKIA 的NET05、NET1;等)，轨道精调的电子全站仪空间位置采用自由设站后方交会测量的方法获得(即根据CPIII网进行自由设站点的定位)。轨道精调测量工作中，电子全站仪自由选择仪器位置和高度并通过向已知坐标的CPIII点进行三维测量来完成测站点的三维定位工作，然后根据测站点的坐标利用极坐标法测量出轨检小车上棱镜点的坐标(同时根据电子传感器记录的轨道超高和轨距计算出某一里程处轨道点的平面位置和高程)，再将计算获得的轨道点坐标与它的设计坐标比较获得计算轨道点坐标(即测量坐标)与设计坐标的差值，最后，根据以该轨道点的坐标差值为依据由精调人员通过调整螺杆将轨道移动到设计位置。无碴轨道精调中每个测量区间需要选择8个CPIII点进行电子全站仪三维后方交会且下一区间设站时至少要包括4个上一区间精调中用到的CPIII控制点(以保证轨道线形的平顺性)。轨道精调测量过程中，电子全站仪每次设站时均应根据后方交会的测量数据检查选择的8个CPIII控制点的稳定性(应在剔除不稳定CPIII点后再进行测站点的三维后方交会和严密平差计算以获得测站点的可靠三维坐标)。轨道精调测量工作中必须首先利用电子全站仪对CPIII控制点进行后方交会测量以确定电子全站仪所在点的坐标(即自由测站点的坐标)然后再依据无碴轨道精调电子全站仪后方交会示意极坐标原理来确定轨检车及轨道的绝对三维坐标。
2.1 电子全站仪后方交会测量原理电子全站仪后方交会功能有2个，即高程后方交会和坐标后方交会。
2.1.1 电子全站仪高程后方交会
电子全站仪高程后方交会只测定测站点的Z坐标(高程)，对已知点的测量要求是必须测距(测量的已知点数可取1点～10点)。操作过程是：在测量菜单中选择“后方交会”进入后方交会测量界面;选择“高程交会”并进入“后方交会/已知点”界面、输入已知点高程和目标高(并保存在同一个文件夹里)后瞄准目标点按测量键即可在屏幕上看到测量结果(按同样的方法可依次输入其余几个已知点的高程和目标高并获得各次测量结果)，当观测数据足以计算测站点高程时屏幕将显示计算提示,此时按“计算”键或“OK”键即可在屏幕上看到最终结果.
2.1.2 电子全站仪坐标后方交会
电子全站仪坐标后方交会的原理是测站点的坐标通过列立角度和距离观测方程并采用最小二乘法求解，测站点高程则取其平均值作为最后结果。电子全站仪坐标后方交会主要测定测站点的X、Y 坐标(兼顾高程H)，对已知点的测量要求是必须测距、测角(测量的已知点数可取2点～12点)。操作过程是：在测量菜单中选择“后方交会”进入后方交会测量界面;选择“坐标交会”并进入“后方交会/已知点”界面、输入已知点的三维坐标(X、Y、H)和目标高(并保存在同一个文件夹里)后瞄准目标点按确认键(按同样的方法可依次输入其余几个已知点的三维坐标和目标高并按确认键)，当观测数据足以达到计算测站点坐标的设定精度时屏幕将显示计算提示(此时按“计算”键或“OK”键即可在屏幕上看到测站点坐标最终结果【包括测站坐标、坐标标准差、测量精度的详细说明(测站点坐标将采用原有值)。若某已知点的测量结果有问题可通过操作作废该点并重新计算】并显示测站点高程。需要注意的的是：若仅采用测角交会时，当测站点与3个或3个以上已知点位于同一圆周上时测站点坐标将无法确定，此时应将测站点尽可能设立在由已知点构成的三角形的重心上(或增加一个不位于圆周上的已知点的观测;或至少对其中一个已知点进行距离测量)，另外，仅采用测角交会时若已知点夹角过小测站点坐标也常会导致坐标无法计算(测站距已知点越远已知点间夹角就越少，也就越容易位于同一圆周上)。
2.2 电子全站仪坐标后方交会的计算原理
电子全站仪坐标后方交会(即无碴轨道精调中的自由设站法观测)的观测值是斜距、水平方向和天顶距，计算时先选取待定点的坐标为未知参数，继而建立观测值与未知参数间的函数关系(观测值与未知参数间的函数关系为非线性)，然后再按间接平差方法进行平差获得最或然结果。鉴于上述论述，不给出待定点近似坐标则误差方程就无法列出，故在构建观测量误差方程前必须进行未知参数近似值的计算。
3 结 语
无碴轨道的施工质量对高速铁路建设具有举足轻重的作用，CPⅢ控制网是铺设无碴轨道和轨道精调的关健，CPⅢ控制网测量必须以CPⅠ、CPⅡ为基础进行，要保证CPⅢ控制网的测量精度就必须保证CPⅠ、CPⅡ控制点的精度。高速铁路无碴轨道行车速度快，为保证列车在高速铁路高速行驶的稳定性必须保证轨道线形的良好平顺性，无碴轨道线形平顺性控制是轨道精调后实现的，轨道精调与自由设站后方交会的设站精度密切相关，可靠的、高精度的电子全站仪后方交会测量是轨道精调的基础。
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