高速铁路工程测量体系建设与创新

梅 熙 赖鸿斌 李学仕 卢建康

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

高速铁路运行速度高，为保证列车的安全性和舒适性，轨道必须具有高平顺性，这对工程测量提出了挑战，其测量精度需控制在毫米级范围之内，高速铁路工程测量必须建立一套与之相适应的工程测量体系。纵观世界各国的高速铁路建设，都有一套适合于自身轨道结构型式的测量技术标准体系，并在此标准体系基础上，建立了满足施工、运营维护需要的精密测量控制网。我国自2004年起，根据高速铁路轨道平顺性的精度要求，并结合遂渝铁路无砟轨道试验段建设，开展了无砟轨道测量相关技术研究，制定了控制网设计的精度准则和精度指标，进一步编制完成了《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》，初步建立了我国高速铁路工程测量技术标准体系。随着现代测绘技术的发展，结合我国高速铁路的建设特点，开展了高速铁路轨道控制网(CPⅢ)平面及高程测量标准研究和软件研制，建立了我国高速铁路轨道线形控制绝对定位和相对定位相结合、逐级控制的精密控制测量技术体系与方法，填补了我国高速铁路精密工程测量的技术空白。在此基础上，编制完成了《高速铁路工程测量规范》，为我国高速铁路大规模建设提供了坚实的技术支撑。该技术标准发布实施至今已10年有余，在实施过程中出现了一些不能适应当前高速铁路建设和发展的内容，需要持续建设和创新。

1 高速铁路工程测量体系的特点

1.1 “三网合一”的测量原则

在高速铁路的勘测、施工、运营维护过程中，建立基于同一基准的勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网，平面、高程控制测量均采用同一测量基准，简称为“三网合一”[1]。

1.2 高速铁路工程测量控制网布网原则[2-4]

高速铁路工程测量控制网采用分级布网，其原则为：

(1)平面控制网在框架控制网(CP0)的基础上分三级布设，依次为基础平面控制网(CPⅠ)、线路平面控制网(CPⅡ)和轨道平面控制网(CPⅢ)，如图1所示。

图1 高速铁路平面控制网分级布设示意图

(2)高程控制网分二级布设，依次为线路水准基点控制网和轨道高程控制网(CPⅢ)。

1.3 高速铁路控制网精度的确定[5]

(1)平面控制网的精度确定

(2)高程控制网的精度确定

根据轨道平顺性要求，轨道波长为10 m时，高低差应小于2 mm；左右轨顶面水平差的偏差不大于2 mm。由于CPⅢ相邻点间距为50～70 m，根据测量误差传播定律，并根据CPⅢ高差测量误差以测站进行估算可知，其测量精度应介于二等水准与三等水准之间，定为精密水准测量精度。线路水准基点作为轨道控制网(CPⅢ)高程测量的起闭基准，应高于精密水准测量精度，为与国家水准测量精度等级统一，规定线路水准基点测量精度等级为国家二等水准。

2 高速铁路工程测量体系优化

2.1 适用范围

《高速铁路工程测量规范》的适用范围为新建 250～350 km/h高速铁路工程测量，而我国将要建设的成渝中线高速铁路设计速度为400km/h，俄罗斯莫斯科至喀山高速铁路设计速度也为400 km/h。可以预见，400 km/h高速铁路将成为今后的发展方向，高速铁路工程测量体系适用范围应延伸到400 km/h高速铁路工程测量。目前，世界范围内运营速度最快的高速铁路在中国，北京至上海高速铁路枣庄至蚌埠段运营试验速度达486.1 km/h。因此400 km/h高速铁路的测量体系及精度标准虽然没有正式规范可依，但经研究是可以实现的。从目前的初步研究来看，400 km/h高速铁路与350 km/h高速铁路轨道平顺性基本一致，可进一步根据轨道平顺性指标和工程变形限差反演推算平面高程控制网精度标准，用于指导工程勘测设计、施工及运营维护。

2.2 控制测量网形优化

规范中CPⅠ点每4 km布设1对或1个(当CPⅡ采用GNSS测量时)，如果出现连续CPⅠ控制点被破坏，受测量误差的影响，控制网很难恢复。在贵广、沪昆、成渝高速铁路控制网复测中，由于出现连续CPⅠ控制点被破坏，采用恢复后的CPⅠ控制点约束CPⅡ，进而约束CPⅢ控制网时，常常出现CPⅢ控制点成果与原成果坐标差值超过2 cm的情况，给轨道精调工作带来困难。如将CPⅠ每2 km布设 1个或1对(隧道段)，将大大减小控制点破坏留下的空白地段，解决控制点连续破坏后难以恢复的问题，同时能使控制网精度更均匀，有利于控制网的维护。同时，线路水准基点为2 km布设1个，CPⅠ控制点与之共桩的可能性增大，减小了埋桩工作量。

2.3 卫星定位测量指标优化

(1)固定误差与比例误差系数优化[6-8]

固定误差a和比例误差系数b的含义与仪器厂家给出的精度公式中的a、b含义基本相同，其区别在于厂家给出的是某一标准条件下的精度，还应考虑外界因素影响的精度。根据GB 50026-2007《工程测量规范》及铁路卫星定位测量实践经验，固定误差a与比例误差系数b应随等级变化而重新制定，而不应只考虑仪器的标称精度，这有利于控制网的建设和维护。

(2)增加约束点方位角精度要求

增加约束点方位角精度要求，制定实测方位角与设计方位角的比较值限差，有利于采用国家2000大地坐标系国家控制点为CPⅠ约束点。主要用于约束点稳定性和兼容性检验，当采用最少约束条件进行首级控制网平差后，应通过检查方位角精度和边长相对精度来综合判断。方位角精度和边长相对精度可取上一等级的基线边方位角中误差和最弱边边长相对中误差。

(3)卫星定位测量控制网的主要技术要求

卫星定位测量控制网的主要技术要求优化如表1所示。

表1 卫星定位测量控制网的主要技术要求表

2.4 规范体系中的矛盾修正和优化

《高速铁路工程测量规范》总则1.0.11条“极限误差规定为中误差的2倍 ”与《高速铁路工程测量规范》3.2.8条第1款“同一基线不同时段的基线向量各分量及边长较差应满足式(1)的要求”显然是矛盾的：

(1)

式(1)应修正和优化为：

(2)

《高速铁路工程测量规范》3.3.6条第3款规定：由若干条独立基线边组成的独立环或附合路线各坐标分量(Wx、Wy、Wz)及全长Ws闭合差应满足式(3)的规定。

(3)

式中：σ——基线长度中误差(mm)。

式(3)应修正和优化为：

(4)

2.5 控制网复测判定标准及成果采用原则优化

(1)控制网复测判定标准优化

表2 GNSS复测相邻点间坐标增量之差的相对精度限差表

(2)优化后复测成果的采用原则

在高速铁路勘测设计、施工建设和运营维护整个过程中，需要对控制网进行多次复测。复测的阶段不同，其控制网复测成果的采用原则也不尽相同。经研究，优化后精测网复测成果的采用原则如下：

①施工单位接桩后的复测及施工期间的不定期复测均为标段局部复测，当CPⅠ、CPⅡ和线路水准基点复测成果与原测成果较差满足限差要求时，应采用原测成果，目的是保持勘测控制网、施工控制网的基准统一。当较差超限时，应进行二次复测，查明原因，确保复测的正确性和可靠性，并采用同精度内插方法更新成果。

② CPⅢ建网前复测，作为平面控制基准和高程控制基准的CPⅠ和线路水准基点复测成果与原测成果较差满足限差要求时，应采用原测成果，目的是保持线下工程与线上工程的基准统一。考虑到经过长时间的施工，点位难免发生变动或破坏，相对精度有所降低，CPⅡ控制点应全部采用复测成果。在CPⅠ控制点约束条件下采用复测更新成果，既保证了基准的统一，又提高了CPⅡ控制点的相对精度，有利于提高CPⅢ控制网精度。当CPⅡ控制点复测成果与原测成果较差超限时，应进行二次复测，查明原因，确保复测的正确性和可靠性，这是采用复测成果的前提。

③长钢轨精调前复测，当CPⅠ、洞内CPⅡ、线上加密CPⅡ、线路水准基点及线上加密水准点较差满足限差要求时，应采用原测成果，目的是保持轨道控制网(CPⅢ)基准的统一，减小精调工作量。考虑到加载后点位难免发生变动，CPⅢ控制点相对精度有所降低，CPⅢ控制点应全部采用复测成果，有利于提高长钢轨精调平顺性。当CPⅢ控制点复测成果与原测成果较差超限时，应进行二次复测，查明原因，确保复测的正确性和可靠性，这是采用复测成果的前提。

3 高速铁路工程测量技术创新

3.1 高速铁路长大隧道洞内平面控制测量新方法

高速铁路隧道洞内常规导线网在仰拱上布点，易受施工扰动，且多余观测量少、图形强度低，网中各导线点点位精度也不均匀，加上设站点和目标点存在对中误差，对隧道横向贯通产生不利影响。基于上述情况，参照高速铁路轨道控制网(CPⅢ)平面测量网形，在开展长大隧道洞内控制网测量时，可采用自由测站边角交会测量新方法对其进行施测，其测量网形如图2所示。

图2 隧道洞内自由测站边角交会控制测量网示意图

3.2 长大隧道线路中线偏差调整技术

为了使长大隧道施工中线(基于隧道施工控制网)和后续轨道铺设及精调线路中线(基于隧道洞内CPⅡ平面控制网)更加吻合，减少两者之间的偏差，在进行隧道洞内CPⅡ控制网测量时，应联测保存完好的隧道洞内施工控制点，并将满足洞内CPⅡ控制精度的洞内施工控制点作为约束点参与洞内CPⅡ导线网约束平差[9]。在联测施工控制点困难的情况下，也可根据断面测量结果检核线路中线与隧道断面中线偏差量，对偏差量超限处附近的CPⅡ点坐标进行适当调整，并将调整后的CPⅡ点作为约束点参与洞内CPⅡ控制网平差，相当于构建了“CPⅡ虚拟控制点”，如图3所示。这样得到的CPⅡ控制网既可满足本身的精度要求，还能使线路中线与隧道中线的错位量控制在最小范围内，从而保证隧道现状尽可能满足行车的限界要求，减少后续线形调整的工作量。

图3 隧道断面中线与CPⅡ控制的线路中线关系示意图

3.3 超长隧道横向贯通误差限差及分配原则

现行规范中没有20 km以上长度隧道的横向贯通误差限差及分配原则。根据《高速铁路设计规范》，横洞、斜井与正洞交角一般在40°～45°之间，斜井长度过长不利于施工，一般控制在3 km内[10]。应考虑因施工需要在井底设平台而在测量控制网中形成控制短边的影响。模拟洞外GNSS网、洞内导线，分别进行测量横向贯通误差估算。估算方案为：两端掘进长度相等(贯通误差最小)；斜井与正洞45°交角、斜井长 3 km；洞内按双导线网，导线测角精度取0.8″，测距精度取为 1 mm+10-6×D；斜井与正洞交会处的短边取30 m，方位传递误差取2.3″；斜井与正洞内的导线边长取 450 m；洞外GNSS定向边长500 m，方位精度取0.8″。

根据统计的精度指标，考虑一定的安全空间，估算贯通长度在20 km以上的隧道横向贯通允许误差，如表3所示。

表3 20 km以上特长隧道横向贯通允许误差表

3.4 构建高精度北斗/GNSS连续运行参考站(CORS)网络与精密高程基准面

建立连续运行参考站网络并构建精密高程基准面，可为高速铁路提供精确的高时空分辨率位移场、速度场、重力场信息，形成高分辨率的动态时空基准[11-12]。基于该时空基准，进行各级控制网测量、形变监测、实时位置服务等，为高速铁路建设、运营提供多维度的空间信息服务。CORS站建设内容包括观测墩、供电系统、防雷系统、数据传输系统、数据处理中心等，可考虑采用CORS站代替框架控制网CP0。基于高精度似大地水准面确定的理论与方法，融合多源数据(北斗/GNSS、水准、DEM、重力场模型、重力数据)，建立厘米级高速铁路带状大地水准面精化模型，可为高程快速传递、铁路勘测、施工建设、应急救援、基于北斗/GNSS的位置服务等提供精密高程基准。建议在高速铁路工程测量规范中增加GNSS高程测量内容。

3.5 超长隧道与特大型桥梁控制测量与施工测量

提高测量自动化、数字化水平，建立超长隧道与特大型桥梁高精度平面、高程控制网，加强精测网的定期整网复测。隧道洞内控制网施测高精度陀螺方位，考虑重力对精密水准测量的影响，进行加密重力测量，确保超长隧道顺利贯通。三维激光扫描隧道洞口仰坡、洞身开挖及衬砌，检测衬砌断面及厚度，定期扫描监测洞身变形。采用自动化监测系统，实时监测隧道洞口仰坡、隧道洞内仰拱变形。建立特大型桥梁施工线形三维监测系统和主要结构物实时变形监测系统。

3.6 空间形态特征变化及形变监测

以“新型空天地一体化监测技术体系”为立足点，充分发挥卫星/地基InSAR测量覆盖范围广、监测精度高的技术优势，并结合光学遥感、航空摄影测量、机载激光雷达、地面自动化测量等技术手段，协同实施高速铁路沿线广域变形监测、中低空巡检与重点目标监测。通过多源遥感数据的系统集成，开展高速铁路安全隐患信息快速获取、检测与自动识别，并着重对高速铁路沿线区域地震、沉降、滑坡等风险隐患进行及时识别和周期性复测，全面提升高速铁路沿线广域安全性监测的经济性、可靠性与完整性，切实有效避免地质灾害对高速铁路工程的威胁。

3.7 基于惯导系统及多种传感器组合的轨道检测系统

中铁二院研发了“基于惯导系统及多种传感器组合的轨道检测系统”，实现了1.5 km/h的静态轨道检测速度，可用于长钢轨精调及运营阶段的线形测量。其特点为：(1)全站仪免置平设站技术可智能寻找、照准目标棱镜，有效提高设站效率和用户体验感。(2)轨枕识别技术可准确识别轨枕位置和数量，极大提高无砟轨道精调测量数据处理效率和轨道精调质量。(3)优异的综合性能在确保测量精度的前提下可进行120 m间距自由设站，相对进口小车60 m间距设站，测量效率提高近一倍。(4)轨道复位技术(即先行利用既有CPⅢ成果开展轨道测量，CPⅢ复测后无需再次进行轨道测量)可将轨道平面和高程位置进行复位，避免再次进行轨道测量，便于生产组织并节约现场成本。

3.8 三维激光扫描移动测量

集成卫星定位、惯性导航、三维激光扫描、全景摄影等多传感器的轨道移动测量平台，实现了既有铁路轨道几何形态及周边环境数据的快速获取。同时适用于机载、车载和背负式三维激光扫描铁路勘测，可应用于铁路勘测设计、轨道检测、变形监测、运营维护管理、高速铁路施工等。形成的轨道交通基础设施非接触快速测量技术，将显著提升既有线改扩建设计、运营维护的技术水平。

3.9 实景三维空间信息系统平台

实景三维空间信息系统平台是孪生铁路精准映射与融合的关键基础支撑和“智能铁路大脑”的神经中枢。数字孪生铁路是现实世界中的铁路实体在计算机数据库中的映射。通过“空天地”多源遥感手段建立服务于高速铁路建设及运营各阶段的多层次实景三维模型，基于先进的云平台微服务架构，建设分布式实景三维空间信息系统平台，提供时空大数据高效管理、多样化终端沉浸式可视化、多粒度的空间数据及分析处理等智能化服务。

4 结束语

高速铁路工程测量体系为我国建设世界一流的高速铁路提供了技术支撑，《高速铁路工程测量规范》发布实施至今已10年有余，规范体系中存在适用范围窄、控制测量网形恢复难、卫星定位测量指标不合理、控制网复测判定标准不完善、复测成果采用原则不明确等问题需要优化，也存在一些矛盾和差错需要修正。随着测绘手段和技术的不断进步，高速铁路工程测量技术也在不断创新，高速铁路长大隧道洞内平面控制测量新方法、长大隧道线路中线偏差调整技术、超长隧道横向贯通误差限差及分配原则、高精度北斗/GNSS连续运行参考站(CORS)网络与精密高程基准面构建、超长隧道与特大型桥梁控制测量与施工测量、空间形态特征变化及形变监测、基于惯导系统及多种传感器组合的轨道检测系统、三维激光扫描移动测量、实景三维空间信息系统平台等创新应用，将极大提升高速铁路工程测量技术水平。与之相对应，高速铁路工程测量体系也需要持续建设和创新，完善和拓展相关内容，以便更好地为高速铁路勘测设计、数字化施工、列车辅助定位、运营维护和监测等智能化应用发展提供服务。