高速铁路无砟轨道精测网控制测量技术的运用

摘要：高速铁路无砟轨道对线路稳定性平顺性及工程测量中平面高程控制网的要求及高从而决定了精测网的基准布设和测设的重要性。所以在此对无砟轨道基准网的布设进行详述并将在施工作业过程中所运用的测量技术和注意事项进行解析说明。

键词关：无砟轨道、精测网、平面及高程控制网

前言：为解决无砟轨道高平顺和稳定性要求，目前我国已在高速铁路线路勘察、施工、运行维护期间建立统一的平面、高程控制网和计算基准。高速铁路无砟轨道精测网分为平面控制网和高程控制网。其按照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。各阶段平面控制测量均以基础平面控制网（CPI）为基准，高程控制测量则应以线路水准基点控制网为基准。通过平面、高程控制网的布设从而决定了整条高铁线路逐级施工的精密性和安全性，这是工程建设的基础，也是施工运营的保证，严重制约了后期工程的发展。所以作为工程的基准核心，我们必须加以严格控制，精密布设。

其中，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（CPI）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制网(CPII)主要为勘测和施工提供控制基准。第三级为轨道控制网（CPIII）主要为轨道铺设和运营维护提供控制基准。而高速铁路工程测量高程控制网则分两级布设。第一级为线路基准点控制网，为高速铁路工程勘测设计施工提供高程基准；第二级是轨道控制网（CPIII)为高速铁路轨道施工维护提供高程基准。通过平面、高程的双方面结合构成了无砟轨道三维立体控制体系，对工程的基本框架奠定了良好、精准、完善的特性。

一、框架控制网（CP0）测量和数据处理

1 布网

框架控制网（CP0）应在初测前采用GPS测量方法建立，全线一次性布网，统一测量，整体平差。通过大地控制网点作为基准点,控制点的布设应沿线路走向每50km左右布设一个点，在线路起点、终点或与其他线路线接地段，应至少有1个CPO控制点。

2 测标建造CPO控制点标石的选埋

控制点应设在适合于GPS观测作业的地点，周围200米范围内不得有强电磁干扰源或强电磁反射源，点位距离线路中线不得大于10km. 控制点标石应设在基础稳定，不受施工和其他人为活动的干扰，且必须能够长期保存的地点。标石埋设完成后，应在现场填写点位说明，丈量标石至明显地物的距离，绘制点位置示意图。新埋标石应办理测量标志委托保管书，以便日后使用。

3 CPO构网联测

CPO构网联测时， CPO控制网应该与IGS参考站或者国家A B 级GPS点进行联测。全线联测的已知点数不应该少于2个，且在网中均匀分布。每个CPO控制点与相邻的CPO连接数不得小于3个, IGS参考站或者国家A B级GPS点与相邻的CPO连接数不得小于2个。在观测时应适用标准称精度不低于5MM 的双频CPS接收机，同步观测的GPS接收机不应少于4台。观测段的分布尽量可能昼夜均匀，夜间观测地段数应不少于1个。每个观测地段不应跨越北京时间早8点。在建网观测时仪器天线的安置应做到严格的整平对中，天线对中误差应不大于1毫米；天线高应在测前和测后各量取一次，每次应该在相同的位置从天线三个不同方的向量取后平均其数值，或者用接收机天线专用量高器量取。同一时段的观测过程不得关闭并重新启动仪器，不得改变仪器的参数设置，不得转动天线位置。观测过程中若遇强雷雨、风暴天气应立刻停止当前观测时段的作业。

4 CPO基线向量解算

基线向量应采用精密星历进行基线解算。同一时间段观测值的数据剔除率应小于十个百分点。应采用多基线解算模式进行基线解算，计算结果应包括基线向量的各个坐标分量及其协方差阵等平差所需的元素。起算点选用联测的IGS参考站或者国家A B级GPS点，其点位坐标精度应优于0.1M。最后对同一基线不同时段的基线向量各分量边长较差、基线向量的独立闭合环的各个坐标分量闭合差进行检核。

5 CPO网平差及复测

CPO的网平差在无约束平差中基线向量各个分量的改正数绝对值应满足平差要求。约束平差前，应进行外部数据处理质量检核，联测站点的坐标成果与约束平差成果差值的绝对值应小于0.2M，且由此计算的基线长度相对差应小于0.3M。而整体约束平差所采用的约束点应为IGS参考站或者国家A B 级GPS点的2000国家大地坐标系成果。整体约束平差中基线向量各个分量改正数与无约束平差同一基线改正数较差的绝对值应满足规范要求。无约束平差输出ITRF或者IGS 国际地球参考框架下各个点的三维坐标、各个基线向量的平差值及各个基线的坐标分量必须要分别输出。整体约束平差输出时应按照2000国家大地坐标系中各个地点的地心坐标和大地坐标的要求，各个基线向量平差、各个基线的坐标分量、改正数及其精度则需要周期性记录。

CPO复测的方法和精度应与原测相同。CPO复测成果转换为平面坐标后与原测成果的X、Y 坐标较差限差为+20MM，当较差满足限差要求时，采用原测成果，否则应按同精度扩展方法更新坐标成果即可完成。

二．基础平面控制网(CPI)测量

1 布网

CPI控制网适宜在初测阶段建立，困难时应在定测前完成，全线段应一次布网统一测量并整体平差。CPI控制网应按照要求严线路走向布设，并附合于CP0控制网上。控制点则宜设在距线路中心50m至1000m范围内不易被施工破坏、稳定可靠、便于测量的地方。点位布设应兼顾桥梁、隧道及其他大型构（建）筑物布设施工控制网的要求，并按照规范的规定埋石。在标石埋设完成后，现场要填写点位说明，丈量标石应到明显地物的距离，绘制点位示意图，按要求作好点之记。 CPI采用边联结方式构网，形成由三角形或大地四边形组成的带状网。当线路勘测设计起点、终点或与其它铁路平面控制网衔接地段时，必须有两个及以上的CPI控制点相重合，并在测量成果中反映出相互关系。现场的CPI控制网应与附近的已知水准点联测，与沿线的国家或城市三等以上平面控制点联测的总数不宜少于3个，特殊情况下不得少于2个。当联测点数为2个时，应尽量分布在网的两端；当联测点数为3个及其以上时，宜在网中均匀分布。

2 CPI基线向量解算

关于CPI的基线向量解算，在同一时段时观测值的数据剔除率要小于10%而在不同时段时的重复观测基线较差则应满足小于0.2MM；由若干条独立基线边组成的独立环线或附合路线各坐标分量及全场Ws闭合差要满足限差范围内。

3 CPI控制网平差及坐标转换要求

在无约束平差中基线向量各分量的改正数绝对值应满足不大于0.5并且在其中引用无约束平差WGS-84坐标系中的空间直角坐标系、基线矢量改正数和其精度的信息。而用作CPI控制网约束平差的约束点（CP0）间的边长相对中误差应小于1∕250000；CPI控制网根据独立坐标系投影带的划分，可将空间直角坐标系分别投影到相应的平面坐标投影带中，然后通过计算CPI控制点的工程独立坐标并转换到国家或城市平面坐标系统，再以联测的国家或城市平面控制点作为固定点进行即可。

三、线路平面控制网(CPII)测量

1 一般地段CPII测量

1.1布网

CPII控制网适宜在定测阶段完成，采用GPS测量或导线测量的方法施测， CPII控制网必须沿线路布置，并符合于CPI控制网上。CPII控制点应选在距离线路中线50至200米得范围内稳定可靠便于测量的地方，并且按照规定要求埋石。标石埋设完成后，应该现场填写点位置与说明，丈量标石至明显地物的距离并绘制地点位置示意图做好点标记。在线路勘测设计起终点及其不同测量单位衔接地段，应该联测两个及以上CPII控制点作为公用点以便测量成果中反映出相互关系。

1.2.施测时应满足的要求

对于CPII控制网的布网来说应该采用边联结方式构网，形成有三角形或者大地四边形组成的带状网，并且与CPI联测构成符合网。施测时应该按照三等GPS测量要求施测。CPII控制网的坐标转换则应该在GPS基线网三位无约束平差的基础上通过联测CPI控制点作为约束点进行平差从而计算CPI控制点的工程独立坐标。在约束平差后的相应坐标系的空间直角坐标、二维平面直角坐标、基线向量及其改正数精度的相应信息应保存记录。当导线符合差在2千米以上时，此时应该采用导线网方式布网，导线网的边数以4到6条边最合适并起闭于CPI控制点。水平角观测边长测量及应符合三等导线测量的技术要求。导线成果计算则应该在方位角闭合差及导线全长相对闭合差满足要求后采用严密平差方法计算。

2 隧道内CPII测量

隧道洞内CPII控制网应在隧道贯通后，采用导线测量。导线点应该充分利用洞内施工平面控制桩，并在施工干扰小、安全稳固、方便设站、便于保存的地方埋设，埋设时应该距离洞内设施0.2米以上。隧道洞内CPII导线观测应该满足精度不低于1秒的全站仪施测。在开测前应该先将仪器开箱放置20分钟左右，让仪器与洞内温度基本一致后方可进行观测。观测时洞口及洞外位置应该在夜晚或者阴天进行，而洞内观测则应该充分通风无施工干扰，当目标棱镜在人工观测时应该有足够的照明度，受光均匀柔和清晰，避免管线从旁边照射目标，而采用自动观测时则应该尽量减少光源的干扰。

四、轨道控制网CPIII测量

1 CPIII简介

轨道控制CPIII是沿线路布设的三维控制网，起闭于基础平面控制网（CPI）、线路控制网及线路水准基点，应该在线下工程竣工，通过沉降变形评估后施测，是无砟轨道铺设和运营维护的三维基准。CPIII平面测量，采用自由设站边角交汇法测量,而CPIII高程测量，则采用机密水准测量进行，起点闭合于线路水准基点。CPIII建网测量前应该对CPI、CPII和二等水准网进行权限复测，复测成果经评估合格后方可使用。CPIII建网测量前应该制定施测方案，经建设单位审批后执行，CPIII成果应该严谨评估，合格后才可用于无砟轨道的铺设。

2 CPIII控制网的特点

CPIII控制网的控制点数量众多且精度要求高，沿线路方向通常每公里有16对32个控制点。每个控制点与相邻5个控制点的相对点位中误差均要求不大于1毫米，线路有多长其控制网的长度就要有多长，是一个平面和高程位置共点的三位控制网。但应注意的是CPIII控制网在使用时却是平面和高程同时使用的。CPIII控制点通常设置在接触网干上、防撞墙上、及隧道二衬上。CPIII测量标志通常有永久的预埋件，预埋件由平面测量杆、高程测量杆和精密棱镜组成。由于CPIII平面网是一个边角控制网，测量方法与传统边角网测量有很大的差异。传统的边角网测量仪器都是架设在控制网上进行观测，距离必须进行往返观测，但CPIII平面控制网网却采用自由测站进行边角交汇测量，而且距离只能进行单程观测，而高程控制网测量则一律采用电子水准仪进行。

3 CPIII平面测量

3.1 CPⅢ测量时间

桥梁架设完毕、沉降稳定评估通过方可在线路防撞墙上设置CPⅢ网并进行第一次测量平差。利用CPⅢ网采用后方交汇模式放样轨道基准点及轨道板精调控制点(GRP)，然后进行CPⅢ第二次测量平差,利用平差后数据测量平差轨道板精调控制点(GRP点)。轨道板铺设完毕钢轨铺设之前则是进行CPⅢ第三次的测量平差，主要用于长钢轨的精调施工。

3.2 CPⅢ测量点的埋设及命名

CPⅢ的标志桩一般埋设于梁固定支座上方、防撞墙顶部中间，线路方向与左右方向偏差均不大于±10mm，预埋件的中心线与竖直方向的夹角不大于5°，然后隔一跨梁(约65m处)埋设于相同的位置，非标梁和连续梁每50m到80m处埋设一对CPⅢ的标志桩，切记不要设置在梁的中间部位。防撞墙施工完毕后在相应的防撞墙顶部采用冲击钻打孔直径为10cm、深10cm的孔洞，使用支座灌浆砂浆将CPⅢ预埋件埋入防撞墙，预埋件顶部高于防撞墙顶部1mm到2mm。此时应注意加盖CPⅢ保护套。CPⅢ点按照公里数递增进行编号,其编号反映里程数;CPⅢ点以数字CPⅢ为数字代码,所有处于线路上行线轨道左侧的标记点,编号为奇数,处于上行线轨道右侧的标记点编号为偶数,在有长短链地段应注意编号不能重复。

3.3 CPⅢ的观测条件

CPⅢ观测应在气象条件相对比较稳定的天气下进行(温差变化较小、湿度较小如阴天)，夜间观测应避免强热光源对观测的影响，应尽量选择无风的阴天进行完全避开日出、日落、日中的前后1h的时段进行观测。测量仪器应选择高精度全站仪。测量时仪器尽可能的与棱镜在同一平面，以检查仪器竖直角和水平角的误差，增加建站的稳定性。每一测站应记录温度、气压，从而进行全站仪的自动改正，对于线路有长短链时，应则注意区分重复里程及标记的编号。

3.3 CPⅢ自由设站交汇

CPⅢ控制网采用自由测站方式测量，每个自由测站，将以前后2×6个 CPIII点为测量目标，每次测量应保证每个点测量3次。CPⅢ控制点的距离为60m左右，且不应大于80 m，观测CPⅢ点允许的最远的目标距离为150m左右，最大不超过180m。每一站测量4组完整的测回，距离观测与水平角观测同步进行，并由全站仪自动进行，距离测量一个测回是全站仪盘左、盘右各测量一次。CPⅢ平面测量可以根据测量需要进行分段测量，其测量范围内的CPI及CPⅡ点应进行联测。当与上一级CPI、CPII控制点联测时应保证每隔800m～1000m的间隔联测一个。联测高等级控制点，,应最少观测3个完整测回数据(其精确度应在5毫米误差以下)。为保证棱镜常数的统一,便于自动观测,地面CPI、CPⅡ点也采用CPⅢ专用棱镜。棱镜与地面CPI、CPⅡ点的对中问题,须采用专用棱镜转换套筒,套筒可以与普通安装徕卡棱镜的基座、支架配套，安装两种不同棱镜后，保证两种棱镜的中心重合。基座可安放在三脚架上并精确整平对中，用于架设在原CPⅠ或CPⅡ上安放棱镜。联测高等级控制点时，应最少观测3个完整测回数据。

4 CPⅢ高程控制网测量

CPⅢ控制点高程测量采用单程精密水准测量方法进行，保证每相邻的4个CPⅢ点之间都构成一个闭合环。外业观测时,左边第一个闭合环的4个高差应该由两个测站完成,其他闭合环的3个高差可由一个测站按后-前-前-后或前-后-后-前的顺序测量。CPⅢ点与上一级水准点的高程联测时，应采用独立往返精密水准测量的方法进行。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，且一个测段联测不应少于3个水准点。精密水准测量采用满足精度要求的电子水准仪和配套的铟瓦尺。仪器设备应在鉴定期内，有效期最多为1年，每年必须对测量仪器精确度进行一次校准,每天使用该仪器之前应根据自带的软件对仪器进行检验和校准。当在水准测量野外作业结束后，对所有的观测数据进行平差前的检查，如果有观测遗漏或观测错误的数据应该及时补测或者重测。观测完成后按精密水准测量要求计算往返较差或闭合差，每条水准路线按测段往返测高差不符值计算偶然中误差MΔ，当水准网的环数超过20个时则要按环线闭合差计算Mw、MΔ和Mw。当往返测高差不附值和每公里偶然中误差满足要求后，应采用严密平差方式计算，平差计算取位依精密水准测量的规定执行。

5 精密水准测量的主要技术标准

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;

2) DS05表示每千米水准测量高差中误差为±0.5mm。

3) DS05表示每千米水准测量高差中误差为±0.5mm。

4) 其中L为往返测段、附合或环线的水准路线长度,单位km。

6 高程测量注意事项

对于数字水准仪，同一标尺两次读数差不设限差，两次读数所测高差的差为执行基辅分划所测高差的差。在测量中应保证视距长≤60m；前后视距差≤2.0m；前后视距累计差≤6.0m。当观测限差超限时，则要重新观测。严格按照精密水准测量观测方法进行观测,在气象条件变化稳定时进行观测,太阳过大时应注意对仪器遮阳。在扶尺时应借助尺撑，标尺保持垂直，使标尺上的气泡居中。若与高压输电线或地下电缆平行，则使水准路线在输电线或电缆50m以外进行测量，以避免电磁场对水准测量的影响，施测时均装遮光罩。在施测时水准仪的圆水准器应严格整平。在连续各测站上安置水准仪时，要保证其中两脚螺旋与水准路线方向平行，第三脚螺旋轮换置于路线方向的左侧与右侧。每天观测完都应该检查当天的测量数据是否中存在问题，如果确有问题的必须对不合格的数据进行现场补测。

五、 平面高程控制网复测

1 控制网复测原则及要求

高速铁路工程建设期间，应该加强CPO、CPI、CPII及其线路水准基点控制网复测维护工作。控制网复测维护分为定期复测维护和不定期复测维护，定期复测有建设单位组织实施，不定期复测维护由施工单位实施。定期复测维护是对高速铁路平面高程控制网全面复测，复测内容包括全线CPO、CPI、CPII及其线路水准基点。复测频次要求如下：

施工单位接桩后，应对CPI，CPII和线路水准基点进行复测。CPIII在建网前，CPO、CPI、CPII和线路水准基点复测一次，且应该同时考虑为CPIII建网提供基础数据。工程静态验收前，CPO、CPI、CPII、CPIII及其线路水准基点复测一次。特殊地区，地面沉降地区或者施工期间出现异常的地段应适当增加复测次数。控制网复测前应该收集原始数据或者复测成果资料，如：CPO、CPI、CPII控制点成果及其点标记，CPI、CPII测量平差计算资料线路水准基点成果，基准测量平差计算资料测量技术报告以及CPO、CPI、CPII控制桩和线路水准基点桩等。

2 平面高程控制网的维护

施工单位应该根据施工需要开展不定期复测维护，复测周期不应该大于6个月。不定期复测维护内容包括CPI、CPII、线路水准基点及其施工加密控制点复测，还应检查控制点之间的相对位置是否发生位移，点位的相对精度是否满足要求。当复测较差超限时，应该查明原因，由监理单位确认后进行补测修正。

六、 施工控制网加密测量

施工控制网加密测量可以根据施工要求采用同级扩展或者向下一级发展的方法。施工控制网加密前，应该根据现场情况制定施工控制网加密测量技术设计书。施工控制网加密测量可以采用导线或者GPS测量方法施测，施工控制网加密必须就近符合到CPII或者CPI控制点，采用固定数据约束评差。加密控制点应该设在兼顾稳定，便于施工放线而且不容易破坏的范围内，并且按照规定埋石。采用导线加密时，导线边长200到400为宜，加密导线的变数不宜少于6条，方向符合长度不宜大于2千米坐标符合长度不宜大于一千米。评差后相邻点点位中误差应小于5毫米，点位中误差则小于10毫米。采用GPS测量方法加密按照规范要求，GPS基线边不应该短于300米。加密高程控制测量应该启闭于线路水准基点，采用同级扩展的方法按照二等水准测量要求施工。

七、 结论

参考文献 　

[1]　 [7].水泥混凝土路面典型结构研究[J].西安公路交通大学学报,1999

[8]　李　华,程英华.我国水泥混凝土路面的现状与问题[J].公路,1994,

[9]　宋建文,孙廷选,孙泰周.水泥混凝土路面设计和施工中若干技术问题的探讨[J].河南交通科,1996,(1):2833.

高铁论文