高速铁路精密测量控制网复测的分析研究.docx

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高速铁路精密测量控制网复测的分析研究

目录

摘要I

AbstractII

1引言1

2精密工程测量的概念、新进展、用途和应用举例1

2.1概念1

2.1.1基本介绍1

2.1.2精密工程测量技术2

2.1.3精密工程测量的特点2

2.2新进展3

2.2.1应用的新发展3

2.2.2技术的新发展3

2.2.3测量仪器的新发展4

2.3应用举例5

2.3.1国内简述5

2.4.2国外简述6

3高铁轨道控制网精密测量复测现状6

3.1高铁选线设计与路基6

3.1.1铁路选线设计6

3.2复测现状8

3.2.1高铁精密工程测量实施方案8

4轨道控制网精密测量精度分析13

4.1平面控制测量精度标准14

4.1.1由轨向误差确定基本长度单元两端点的相对点误差15

4.1.2垂向平顺性对高程测量的精度要求15

4.2精密水准测量17

4.2.1精密GPS水准17

4.2.2精密GPS网质量的影响因素17

4.3本章小结18

5高铁轨道控制网精密测量复测的新方向19

5.1轨道控制网与高级控制网的联测19

5.1.1采用全站仪与地面控制点联测方法19

5.1.2水采用GPS与地面控制点联测方法20

5.1.3GPS位置基准设计21

5.1.4方位基准设计21

5.1.5轨道控制网数据处理与质量控制22

5.2小结22

6高速铁路轨道工程发展前景22

7总结23

致谢24

参考文献25

高速铁路精密测量控制网复测的分析研究

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。

关键词高铁轨道/精密测量/轨道控制网

HIGHSPEEDRAILWAYPRECISESURVEYINGCONTROLNETWORKREPETITIONANALYSISRESERCH

ABSTRACT

Railwaytrackstructureleveliscloselyrelatedtothetransportationconditions.Intheearlystagesofthedevelopmentofrailwaytransportation,speed,axleload,densityislow,therequirementoftrackstructureisgivenprioritytowithreliability.Withtherapiddevelopmentofhigh-speedrailinrecentyears,thetraditionalrailwaydesign,construction,testing,maintenanceandrepairisputtingforwardanewchallenge.Intheprocessofhigh-speedrailwayconstruction,establishaneffective,economicalandpracticalprecisionmeasuringcontrolnetworkistheguaranteeofprojectconstruction,layout,andprecisionisthepremiseoftheoperationandmaintenance。

Precisionengineeringcontrolsurveytechnology,andhigh-speedrailwaytracktotheexistingspecificationandorbitalcomfortindexastheinstruction,basedontheanalysisoftheexistinghigh-speedrailwaytrackcontrolmeasurementtheory,onthebasisofusingGPStechnologyandtraditionalprecisionmeasurementtechnologytoretestoforbit,itscorrespondingprecisionindexstatisticsandanalysis,sothathigh-speedrailismoresafeandreliableoperation.

KEYWORDhigh-speedrail,precisionmeasurement,orbitcontrolnetwork

1引言

铁路作为国民经济的大动脉、国家重要基础设施和大众化交通工具，在中国经济社会发展中具有重要作用。

改革开放以来，铁路建设取得了长足进步，为经济发展做出了重要贡献，然而“一票难求、一车难求”现象仍然十分突出，加快高铁建设已成为解决此瓶颈的主要途径。

随着国家的高速发展，铁路建设也进入现代化建设，一个重要的标志是大幅度地提高列车的运行速度。

高速铁路是发达国家于20世纪60—70年代逐步发展起来的一种城市与城市之间的运输工具。

一般地讲，铁路速度的分档为：

时速100—120km/h称为常速；时速120—160km/h称为中速；时速160—200km称为准高速或快速；时速200—400km/h称为高速；时速400km/h以上称为特高速。

高速铁路的实现为城市之间的快速交通来往和为旅客出行提供了极大地方便，同时也对铁路选线与设计等提出了更高的要求，如铁路沿线的信号与通讯自动化管理，铁路机车和车辆的减震和隔声要求，对线路平纵断面的改造，加强轨道结构，改善轨道的平顺性和养护技术等[1]。

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200km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，而定期开展轨道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.

2精密工程测量的概念、新进展、用途和应用举例

2.1概念

2.1.1基本介绍

近几十年来，随着科学技术的飞速进步和建设事业的迅猛发展，各种前所未有的巨大工程及建筑群体纷纷涌现。

这些工程的兴建，对传统的工程测量在内容、精度、技术要求、测控技术等方面提出了众多亟待解决的问题。

适应现代工程建设的需要，加快工程测量学科的进展，对精密工程测量的发展起到了推动作用。

2.1.2精密工程测量技术

精密工程测量技术一般应用在大型工程测量和精密工程测量中，如高层建筑物、大桥、大坝等沉降观测和变形观测，地震监测与地表沉降观测等。

采用经典的精密光学水准测量仪器进行水准观测是精密高程测量的经典方法。

电子技术的发展应用于现代测绘技术中，精密水准测量采用现代最精密的电子水准仪，具有能自动读数、自动记录观测数据等功能，避免了观测粗差的出现，是精密水准测量的一次伟大革命，而且，对观测的原始数据，可以利用计算机技术进一步自动选取摘录、概算与严密平差。

现在由于卫星定位系统逐渐的成熟，已经可以采用GPS定位系统有效地解决平面坐标测量，而高程的测量方面，GPS技术用于大型桥梁工程的跨江水准测量工作中。

2.1.3精密工程测量的特点

所谓精密工程测量，主要是指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、自动测控等各个方面要求的测量科学。

精密工程测量的主要特点：

仪器设备要求高，需要专门的仪器和设备；在控制网布设的时候，不像一般工程测量上级网控制下级网的特点，在控制点选取上，精密工程测量仅仅选取一个控制点和一个参考方向，以保证测区点的精度作业精度依工程需要而定，并且精度要求非常高；作业环境特殊；数据处理要求严格等。

结合现代工程的需要，在解决复杂工程的测量问题时，在对精度的要求更高要求以及解决测值可靠性及安全监控诸方面，传统的工程测量难以满足和不能实现。

因此，必须研制新仪器和专用设备，提高仪器的自动化程度及精度，深入分析工程测量工作中的各种误差并采取有效措施加以克服，研究新的数据处理方法和理论，研究新的测量技术及实施方案，从而形成一套专门为高精度工程测量所需的理论、方法和技术，这是有别于传统工程测量的一个主要方面。

此外，在工作内容及对象上，传统的工程测量包括在工程建设的勘察、设计、施工和管理阶段所进行的各种测量工作，如控制测量、地形测量、施工放样等，包含了很广的范围，其精度要求将根据各种有关的规范而定，相对而言，其精度较低，以通常的测量方法就容易达到。

而精密工程测量是服务于各种工程中精度要求“特高”“特难”，以及必须实施精密和自动化测量的那部分工作。

虽然其服务范围相对较小，但是它的重要性十分显著，起着关键性的作用。

2.2新进展

2.2.1应用的新发展

随着社会生产力的不断提高，尤其是国民经济和国防建设的需要，特种精密工程测量的内容也得到了极大的拓展。

主要有以下几个方面：

（1）高层建筑的风振测量：

随着GPS技术的发展，在RTK模式下，将一台GPS接收机安装在距待测建筑物不远且相对而言比较稳定的地基上作为基准站，而另一台GPS接收机安装在待测建筑物楼顶作为流动站，可以动态监测该高层建筑物的顶部振动频率和位移。

实例表明，其量测精度为±5mm，可测定0.1~10HZ的振动频率，为相关设计部门提供了可靠的设计参数[2]。

（2）科学防汛：

青江隔河岩大坝GPS大坝变形监测系统发挥了重要作用。

此外，精密工程测量能为减震防害提供科学监测，尽可能的减少损失。

（3）特工测量还在国家军事、国防建设领域有越来越广泛的应用。

此外，精密工程测量在为破损工程提供能否停运检修或继续运行的信息，大型建筑物的变形观测，工程质量施工监理，工业设备安装和运行中的检校考古及文物保护工程，工程与工业建设中的数据库建设及多媒体等国民经济部门将发挥日益重要的作用。

2.2.2技术的新发展

（1）在大型工程建设和变形观测数据处理中，将发展基于知识的地理信息系统，并进一步与大地测量学科、地球物理学科、工程与地质、水利水电以及土木建筑等学科相结合，解决工程建设中以及运行期间的安全监测的各种问题；

（2）多传感器的混合测量系统将得到迅速发展和广泛应用，如GPS接收机与电子全站仪或测量机器人集成，可在大区域乃至国家范围内进行无控制网的各种测量工作；

（3）全球定位系统GPS在精密工程测量应用中的研究，将为精密工程测量开创一个新局面。

测量工作者在工程建设区域范围内，正在深入研究进一步减弱GPS的误差、提高GPS定位精度的问题。

研究内容具体包括对流层对信号传输的影响、天线相位中心的漂移、整周模糊度的解算以及在数据处理方面的小波分析技术、神经元网络处理技术等；

（4）通常的测量工作均在大气中进行，所用的光学仪器、光电测距仪、电磁波信号的传输等都受到大气折光的影响，使通常测量中绝大多数测量方法均不同程度地蒙受折光误差。

研究局地小范围的大气变化规律及其特性，预估这些影响对测量作业中的误差，选择较佳的观测时段或制订合宜的观测方法，使测值精度得到提高。

例如，角度观测中，采用提高视线距地面的高度，分不同时段观测取平均值以及在上午9:

00~11:

30和下午2:

30~5:

00的较佳时段观测，以减弱大气折光对测角的影响。

在测距中，测定仪器站和镜站的大气温度和气压对测距值进行改正，以及采用边对比测量法有效减弱大气折光产生的比例误差等。

温度变化产生的影响也是测量误差的主要来源。

在距离丈量中采用线膨胀数较小材料制成的尺子和应用相应的温度改正公式，减弱温度的影响。

也有些采用补偿方法来提高测量精度，例如以因瓦丝和钢丝构成双丝高程基准点等。

在地震站台的仪器设置时，把高灵敏度的仪器安置在很深的山洞内，以多道密封门实施隔离，采用自动监测和记录，以避免温度变化对高灵敏度仪器测值的影响。

上述几种方法均十分有效并且取得了理想结果。

2.2.3测量仪器的新发展

常规方法的测量仪器，如精密全站仪，电子水准仪、测距仪等，由专门的厂家生产。

目前，这些仪器主要是向进一步提高精度及智能化、自动化方向发展，从而满足精密工程测量的需要。

例如徕卡公司生产的自动跟踪全站仪TCA2003，可自动瞄准目标测量，采集的信息输入计算机处理，根据预设指令，自动完成整个测量作业，且精度很高，常被称作“测量机器人”。

对于特种要求的测量工作，通常的仪器难于发挥作用，故必须研制专用的设备。

很多特种精密测量工作，通常的精度要求为0.1mm。

因此，各类性能优良且工作稳定的传感器得到广泛采用，以它们为测量元件而构成高精度的自动测控系统，在特种精密工程测量中，在安全监控中发挥了积极作用。

精密测量的自动化、智能化是目前最为活跃的部分，也是现代测控技术的发展方向，在这个方面，还有大量的工作要做。

进一步提高测量精度，满足各种工程的需要；努力发展精密测量的智能化、自动化，极大地减轻观测人员的劳动强度；提高测值的可靠性和测量系统的稳定性；研究合宜的数据处理方法，提高对异常值的鉴别能力；进一步深化多学科相结合处理精密工程测量的问题等，这些将是精密工程测量目前发展的方向。

2.3应用举例

大型特种精密工程建设和对测绘的要求是工程测量学发展的动力，这里仅简单介绍国内外有关情况。

2.3.1国内简述

随着我国国民经济和建设事业的飞速发展，最近20多年来得到了显著的发展。

例如，形成了一支较高素质的精密工程测量技术队伍，逐步构成了一套有特色的精密工程测量方法，积累了大量精密工程测量的经验，开发和研究了许多精密工程测量的理论和技术，独立承担了我国各种工程所需的精密工程测量任务。

这些年来，各种现代化工程建设项目的大量涌现，构建了我国现代化国民经济的新格局。

这些工程建设也为精密工程测量的发展提供了条件，主要体现在以下的几个重要工程项目中：

位于太湖之滨的无锡灵山大佛，是以钢筋混凝土筒体为本，筒体预埋的钢构架为支撑，外部包围10mm左右厚的青铜型板而成的站立佛像。

像体的莲花基座分四层，总高9m，由莲花基座底到像顶高达88m，像身最宽处的周径近40m。

全像由1700快、每块2m×2m、重400kg左右的青铜型板焊接而成。

在该像体修建中，为确保该艺术极品的真意和精度，最关键的技术是精密工程测量工作。

该立像的建造不仅是一件艺术极品，而且也是一项饱含现代科技的巨大艺术造像工程。

我国的建设事业正处于方兴未艾的阶段，正在或即将开始建设的大型项目比比皆是。

例如：

南水北调工程，近300m坝高的龙滩，溪洛渡工程，数百米直径的射电天文望远镜列阵，跨越6km江面的苏通长江大桥和跨越32km的杭州湾交通工程大桥，我国从黑龙江到海南的沿海高速公路，青藏铁路工程，许多城市地铁工程及开发区建设。

众多举世瞩目的特大型工程的建设，将为精密工程测量工作者提供施展才华、发挥特长和做出贡献的广阔天地，同时会进一步推动我国精密工程测量理论和技术的发展。

2.3.2国外简述

国外的典型大型工程、特种工程更是数不胜数，单就大型粒子加速器而言，欧洲原子核研究中心的环形正负电子对撞机（LEP），整个工程位于直径8.6km、周长27km且深度达百米的地下环形隧道，布设有5000多块四极聚焦磁铁和两极弯转磁铁；瑞士的阿尔卑斯山隧道长57km，据报道其造价与我国的长江三峡工程相当。

例如南非的某一核变塔，采用测量机器人用极坐标法作三维测量，对每一施工层，沿塔外壁设置了1600多个目标点，在夜间可完成全部测量工作。

对大量的测量资料通过恰当的数据处理模型使精度提高了数倍，所达到的相邻精度远远超过了设计要求。

精密测量不仅是施工的质量保证，也为整治工程病害提供了可靠的资料，同时也能对整治效果作出精确评价。

在高耸建筑物方面，不少人设想，在21世纪建造2000m乃至4000m的摩天大厦，这不仅是建筑师的梦想，更是对测量工程师的挑战。

3高铁轨道精密测量控制网复测现状

3.1高铁选线设计与路基

3.1.1铁路选线设计

铁路选线设计是整个铁路工程设计中一项关系全局的总体性工作。

选线设计的主要内容有：

（1）根据国家政治、经济和国防的需要，结合线路经过地区的自然条件资源分布、工农业发展等情况，规划线路的基本走向（即方向），选定铁路的主要技术标准。

（2）根据沿线的地形、地质、水文等自然条件和村镇、交通、农田、水利设施，来设计线路的空间位置。

（3）研究布置线路上的各种建筑物，如车站、桥梁、隧道、涵洞、路基、挡墙等，并确定其类型和大小，使其总体上互相配合，全局上经济合理。

线路空间位置的设计包括线路平面与纵断面设计。

铁路线路平面是指铁路中心线在水平面上的投影，它由直线段和曲线段组成。

铁路纵断面是指铁路中心线在立面上的投影，它是坡段及连接相邻坡段的竖曲线组成。

而坡段的特征用坡段长度和坡度值表示。

铁路定线就是在地形图上或地面上选定线路的走向，并确定线路的空间位置。

铁路定线的基本方法有套线、眼镜线（如图3-1）和螺旋线（如图3-2）等。

图3-1铁路定线：

眼镜线

图3-2铁路定线：

螺旋线

3.1.1.1铁路路基选线设计

铁路路基是承受并传递轨道重力及列车动态作用的结构，是轨道的基础。

路基是一种土石结构，处于各种地形地貌、地质、水文和气候环境中，有时还遭受各种灾害，如洪水、泥石流、崩塌、地震等。

路基设计一般需要考虑如下问题：

（1）横断面形式

路堤、半路堤、路堑、半路堑、半填半挖等，同公路工程，如图3-3

图3-3整体式半填半挖路基横断面节点

（2）路基稳定性

路基受到列车动态作用及各种自然力影响可能会出现道渣陷槽、翻浆冒泥和路基剪切滑动与挤起等现象，设计中必须对路基的稳定性进行计算[3]。

3.2复测现状

3.2.1测量实施方案

每一项精密工程测量都会受到各自特点及精度要求、固有的外部环境条件、不同施工方案和技术力量等诸多因素的限制。

为顺利实现所要求的精度，必须进行精密工程测量方案的周详设计及论证。

3.2.1.1方案设计的要求

通常来说，一项精密工程测量方案的设计应包括如下一些内容

（1）收集各种相关的资料及深刻理解对精度要求的涵义

收集的资料主要有“各种现有的测绘成果，勘测阶段的资料，建筑区工程地质及水文地质的成果，气候条件，各种设计资料和图纸，工程对精度要求的规定及指标等。

要深入了解及掌握这些基本资料，特别是对精度的内涵要理解。

对于关键部位的一些“特高”精度，必须理解它的涵义。

这些精度与哪些部位有关？

是相对于什么基准而言的？

如果对这种精度不加区分，与整个建筑的精度混为一谈，或以这种“特高”精度作为整个建筑物的所有精度，将无法开展工作。

因此，在精密工程测量时，测量人员应深入理解精度的涵义，掌握工程的基本知识，与设计人员积极沟通，协调一致，在对精度的解释及要求上达成共识。

这样，才能在精密工程测量方案的拟定中，提供切实可行的方案。

（2）找出关键问题及拟定处理方案

一个工程，众多的精度要求是相互有关的，有一些精度是属于整体性要求的也有一些精度是关键性部位所要求的。

通常，整体性要求的精度要求相对较低，测量技术处理不是很困难，比较容易实施，不构成精密工程测量的特点。

但是，关键部位要求的测量精度往往是该项工程总精度要求的最高指标，利用通常精密工程测量技术不易满足精度要求且难于实施作业。

因此，这些关键精度的解决是该项工程精密测量工作的成败所在。

关键部位的精密测量方案，必须详细地进行论证，不仅对拟采用的技术和方法进行论证，而且应在精度分析的基础上，分析采用该方法时主要的误差来源，这些误差来源可能达到的量值，主要误差来源克服的措施。

（3）成功经验的吸收

有些工程建筑物的精密测量项目，通常并不多见，也有些是首次接触。

因此，国内外类似工程成功经验的借鉴极具参考价值，它可以启迪测量工作者在专项要求的测量作业中，有较多的测量方法可供选择，并结合众家之长，设计更为合理可行的技术和方法。

这不仅可少走弯路，克服闭门造车的弊端，而且可以达到取长补短的目的，使技术得到进一步的提高。

对于成功的经验绝不要单纯的生搬硬套。

虽然某种方法在某个专项测量工作中行之有效，但并不证明那种方法是十全十美的。

在引用这种方法前，应根据本工程的特点，详细分析和研究该方法的优点及不足之处。

针对不足之处研究其改进办法，对于完成本工程精密测量项目就更有可靠的保证。

（4）能考虑以不同方法进行改正

一些精密测量项目，需要高度的可靠性。

以一种方法实施时，由于该方法的局限性，只能以一些多余观测条件来验证。

其实，这种验证不太可靠，严格而言，它是采用自己验证自己的方法。

例如，测距仪的乘常数变动没有被发现，在测边独立网中，虽然观测成果较好而且也有一定数量的多余观测，但是整个网的比例误差将难以体现。

为了提高精密测量的可靠性，重大工程某些关键性项目，应采用不同的相应精度的方法检核，或以相应精度不同仪器不同人员采用同一方法检核，这是很关键的。

（5）方案设计的基本步骤

精密工程测量方案设计基本步骤如下：

①对工程区的环境条件、工程及水文地质、气候的特点等进行详细的分析及描述，并分析总结这些条件对测量作业的影响。

要全面完整地掌握该地区已有的测量资料，分析和评价这些资料的精度及利用价值。

②工程区基准点的选择及确定，在详细进行精度分析和遵循有关“规范”条款的基础上，兼顾整个工程区建设的需要，提出控制方案和施测方法，以及对精度进行预估等。

③确定出测量中的关键精度所在，并结合自己的经验以及广泛吸收同类工程成功的实例，提出数个实测方案。

实测方案应包括采用的仪器、测量的方法、关键技术的解决内容、预期精度的估计，以及不同方案的比较。

④数据处理的方法。

⑤对方案可行性的论证，工作量及经费的预算等。

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。

国外对提速线路精密测量的方法主要有瑞士Matisa的B50D型高精度连续式捣固车的“PALAS系统”模式和奥地利Plasser的“轨道作业前导测量车EM-SAT120”模式[4]。

国内传统铁路轨道施工和维护测量主要使用弦线测量、