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1、轨道力学高速铁路无砟轨道测量技术读书报告高速铁路无砟轨道测量技术读书报告摘要: 随着铁路速度的不断提高，对轨道平顺性的要求也在不断提高，精度要求也在不断提高，围绕建设高速铁路保证轨道高平顺性的关键技术之一的高速铁路工程测量技术，传统的测量手段已经无法满足要求，因此无砟轨道测量理论要求也需要不断的提高。CP 控制网是高速铁路精密工程测量中重要一级控制网，主要为铺设无砟轨道和运营维护提供控制基准，建好CP 控制网并按规范要求达到应有精度，无砟轨道的高平顺性才有可能实现。本文介绍目前我国高速铁路无砟轨道测量检测现状及问题，就无砟轨道测量技术的发展及所取得成就进行讨论。关键词：无砟轨道；高速铁路；工程

2、测量；CP 控制网目录第一章 绪论 11.1 我国高速铁路无砟轨道测量技术的需求 11.2 我国高速铁路背景： 11.3 研究的目的和意义 1第二章 我国高速铁路无砟轨道测量研究现状 22.1 高速铁路的概念及发展状况 22.2 无砟轨道的特点及发展历史 32.3 高速铁路无砟轨道测量检测概述及发展历史 3第三章 我国无砟轨道测量分析 53.1 我国无砟轨道测量的基本状况 53.2 CP 控制网特点与测量基本原理 51）控制网特点 62）测量原理 73.3 无砟轨道平顺度铺设的精度标准 73.4施工测量注意事项 73.5 CP 的测设方法应进一步研究深化 7第四章 我国高速铁路无砟轨道工程测量

3、体系初步取得成果 841客运专线建设初期的主要测量标准和测量实践 81）秦沈客运专线 82）京沪高速铁路测量暂行规定 83）京津城际铁路的测量实践 84.2现行的客运专线测量标准 9第五章 总结 11参考文献 12高速铁路无砟轨道测量技术第1章 绪论1.1 我国高速铁路无砟轨道测量技术的需求 中国高速铁路用5年的时间走完了国际上40年的发展历程，现已成为世界上高速铁路系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行速度最快、应用范围最广、在建规模最大的国家。无砟轨道是具有“高精度、高平顺性、耐久性”结构特点的综合性和系统性非常强的工程1。因为高速铁路轨道对精度的要求非常高,因此我国大多数高速铁路

4、普遍采用无砟轨道。无砟轨道及跨区间超长无缝线路成为高速铁路轨道的主型轨道构造，其精确测量定位为列车高速运行奠定了坚实的基础，与传统的轨道线路结构有着本质区别。因此，掌握高速铁路轨道测量检测技术并开展相关技术培训成为当务之急。当前，我国正在大规模建设铁路客运专线，对铁路的设计、控制和施工提出了更高的要求。客运专线将广泛采用无砟轨道结构，较有砟轨道而言，无砟轨道突出的特点之一就是轨道的高平顺性，它直接限制着列车的运行速度，并且混凝土轨道道床一旦浇筑，可调整的范围微小。为满足轨道的高平顺性和强固定性，线路必须具备非常准确的几何线形参数，对定轨测量的精度要求很高32。1.2 我国高速铁路背景： 铁路运

5、输具有经济、快捷和运量大的特点，是国民经济的命脉，担负着全国客运和货运的一半上，对安全性的要求不言而喻。近几年，我国进行了六次铁路大提速，列车的运行速度和行车密度不断提高，新采用的“动车组”运行时速可达 300km 以上，在京沪、京广、京哈等线路上，每隔数分钟就有一趟列车通过。“十一五”期间，我国将增加 17000km 铁路，其中客运专线 9800km。到 2010年，全国铁路营运历程将达 85000km，其中，复线里程 35000km，电气化里程35000km，快速线路营运里程 22000km2。 根据我国高速铁路建设的近、中、远期规划，到2015年，新建高速铁路路网规模将达到2.5万km，

6、包括1.5万km的“四纵四横”高速铁路路网主骨架、5 000 km的主骨架高速铁路连接线和5000 km的城际高速铁路。大规模高速铁路建设有序高效推进，技术创新实现新的突破。在客货运量较大幅度增长的同时，铁路施工和后期养护工作量进一步加大，特别是在高速铁路无砟轨道施工测量方面人才短缺。因此高速铁路轨道测量技术的大力提高具有必要性。1.3 研究的目的和意义 随着经济的发展，我国的铁路系统进入了高速化和重载化时代，行车密度大大提高，对于铁路道提出了更高的要求，因此确保线路质量成了铁路施工和养护部门面临的一项艰巨任务3。对铁路轨道轨距和水平度的测量是铁路施工和养护部门的一项经常性重要工作，其测量精度

7、和效率对铁路安全运行有重大意义4。目前我国正处于铁路建设的大发展时期，已建成或正在兴建多条时速超过 200 千米甚至 300 千米的高速客运专线，对铁路轨道的轨距和水平度的精度要求大大提高。20 世纪 50 年代以来，我国铁路部门在引进、消化和吸收国外先进测量技术的基础上，先后研制了许多型号的轨道测量仪，标志着我国在铁路轨道参数测量领域取得长足进展。第2章 我国高速铁路无砟轨道测量研究现状2.1 高速铁路的概念及发展状况铁路是人类发明的首项公共交通工具，在十九世纪初期便在英国出现。直至二十世纪初发明汽车，铁路一向是陆上运输的主力。但早期铁路的速度称不上高速，一度还因公路运输等运输方式的崛起而丧

8、失其主导地位。现在我们所讨论的高速铁路，指的是最高运行时速在200公里以上的铁路。 高速铁路客运专线,能够满足旅客对缩短旅行时间、舒适方便且经济快捷等的需求,近年来高速铁路的发展进入到一个快速发展期由于其具有速度高,能量消耗小,安全可靠,服务优良的特点,高速铁路自然而然地受到各国政府的普遍重视同普通列车相比,高速铁路既克服了普通铁路速度较低的不足,又具有很高的舒适性和安全性,所以,高速列乍从一开始就显示出了巨大的优越性,和其他运输方式在速度、运能、安全性、准确性、能耗、环境污染、效益等方面相比较也有着不可比拟的优势。世界上首条出现的高速铁路是日本的新干线，于1964年正式营运。日系新干线列车由

9、川崎重工建造，行驶在东京名古屋京都大阪的东海道新干线，营运速度每小时271公里，营运最高时速300公里。 我国发展高速铁路起步较晚，属于国际高铁发展的第三次浪潮，但进步很快，取得了丰硕的成果。中国的高速铁路的建设始于2004年的中国铁路长远规划，开通的第一条真正意义的高速铁路是2008年8月1日开通运营的350公里/小时的京津城际高速铁路（符合高铁大系统定义，高铁定义既要求基础建设部分，又要求高速动车或高速列车部分。经过10多年的高速铁路建设和对既有铁路的高速化改造，中国目前已经拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网。截止2014年10月26日，中国高铁总里程达到12000公里，“四纵

10、”干线基本成型。中国高速铁路运营里程约占世界高铁运营里程的50%，稳居世界高铁里程榜首。中国和世界上客运铁路速度的分档一般定为：时速120140公图1 中国无咋高速铁路里称为常速；时速140160公里称为快速；时速160200公里称为准高速；时速200400公里称为高速；时速400公里以上称为更高速。时速600公里以上称为特高速。时速1000公里以上称为音速。时速1260公里以上称为超音速。对于高速的水平，随着技术的进步而逐步提高。西欧把新建时速达到250300公里、旧线改造时速达到200公里的称为高速铁路；1985年联合国欧洲经济委员会在日内瓦签署的国际铁路干线协议规定：新建客运列车专用型高

11、速铁路时速为350公里以上，新建客货运列车混用型高速铁路时速为250公里。 中国高速客运铁路，常被简称为“中国高铁” 。 2.2 无砟轨道的特点及发展历史定义：无砟轨道又作无碴轨道。在铁路上，“砟”的意思是小块的石头。常规铁路都在小块石头的基础上，再铺设枕木或混凝土轨枕常规的轨道系统，会造成道砟粉化严重、线路维修频繁的后果，安全性、舒适性、经济性相对较差。但无砟轨道均克服了上述缺点，是高速铁路工程技术的发展方向。特点：无砟轨道平顺性好，稳定性好，使用寿命长，耐久性好，维修工作少，避免了飞溅道砟。砟，岩石、煤等的碎片。在铁路上，指作路基用的小块石头。传统的铁路轨道通常由两条平行的钢轨组成，钢轨固

12、定放在枕木上，之下为小碎石铺成的路砟。路砟和枕木均起加大受力面、分散火车压力、帮助铁轨承重的作用，防止铁轨因压强太大而下陷到泥土里。此外，路砟（小碎石）还有几个作用：减少噪音、吸热、减震、增加透水性等。这就是有砟轨道。传统有碴轨道具有铺设简便、综合造价低廉的特点，但容易变形，维修频繁，维修费用较大。同时，列车速度受到限制27。 图2 无砟轨道 图3 有咋轨道无砟轨道的轨枕本身是混凝土浇灌而成，而路基也不用碎石，铁轨、轨枕直接铺在混凝土路上。无砟轨道是当今世界先进的轨道技术，可以减少维护、降低粉尘、美化环境，而且列车时速可以达到200公里以上。2.3 高速铁路无砟轨道测量检测概述及发展历史 目前

13、，我国高速铁路采用的无砟轨道结构形式主要有CRTS I型、CRTS型、CRTS型板式无砟轨道和CRTS型、CRTS型双块式无砟轨道5,6，以及宽枕、混凝土岔枕等无砟轨道。我国无砟轨道测量控制网由一级基础平面控制网（CP）、二级线路平面控制网（CP）、三级轨道控制网（CP）和大地水准点构成。CPI沿线路走向布设，为线路平面控制网起闭的基准，网间距小于4 km；CP在CP基础上沿线路附近布设，为勘测、施工阶段的线路平面控制和轨道控制网起闭的基准，网间距约1 km；CP沿线路布设，起闭于CP或CP，一般在线下工程施工完成后进行实测，为轨道施工和运营维护轨道的高平顺性是实现列车高速运行的最基本条件。实

14、现和保持高精度的轨道几何状态是客运专线建设的关键技术之一。高速铁路和客运专线铁路在建设方面与传统铁路的主要区别，是一次性建成稳固、可靠的线下工程和高平顺性的轨道结构28，33。工程测量是建设和养护高速铁路和客运专线铁路的最重要基础技术工作之一。我国客运专线铁路工程测量是在大规模客运专线铁路建设中不断认识、提高、深化和完善的，现已基本构建完成了我国客运专线铁路的工程测量体系。 (1)传统铁路工程测量 传统铁路工程勘测设计、施工测量采用导线法测设线路中线。导线测量和中线测量精度偏低，对轨道工程精度考虑较少。现行新建铁路工程测量规范(TB 1010199)规定的导线限差。中线测量依据初测导线点、航测

15、外控点、典型地物点或GPS点采用拨角法或支距法或极坐标法测设交点或转点，施测曲线控制桩。根据交点、转点和曲线控制桩测设线路中线，一般用偏角法测设曲线，中桩的桩位限 差为纵向(01+S2 000)m，横向 图4 有砟轨道测量为10 cm。偏角法测设曲线闭合差限差为纵向12 000，横向10 cm7。高程测量为五等水准。轨道工程依据线路中桩及引放的外移桩进行轨道铺设。测量基桩的埋设标准很低。在运营维护中，轨道工程主要采用弦线法进行养护维修。直线依据中桩外移桩，曲线依据曲线控制桩按正矢法进行轨道养护。由于基桩埋设标准低，基桩测设精度偏低，存在线路测量可重复性较差，中线控制桩连续丢失后很难进行恢复等缺

16、点，造成运营线路直线不直、曲线偏移，曲线半径等要素出现偏差，超高设置与半径不匹配等现象，致使列车提速后舒适度下降。这些现象在第六次大提速中已有明显反映，显现出传统的测量体系和方法已不能满足客运专线建设需要8。（2)现行的客运专线测量标准随着对客运专线铁路测量认识的逐步深化，铁道部组织铁道第二勘察设计院和西南交通大学开展了无砟轨道工程测量控制网精度研究，依据高速铁路轨道平顺性要求，参考国外高速铁路测量标准，提出了平面和高程控制网精度标准9,34。根据研究成果，组织编制和颁布了客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定(铁建设2006189号)和时速200250公里有砟轨道铁路工程测量指南(试行)(铁建

17、设函200776号)，提出了勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网“三网合一”的要求，设计了基础平面控制网CP I、线路控制网cP和基桩控制网CP三级测量控制网，对控制网网型和测量精度做 图5 无砟轨道测量出了明确要求29，35。高程控制网按无砟和有砟分别提高为二等和三等水准测量施测。提出了客运专线铁路工程测量平面坐标系统应采用边长投影变形值10 mmkm(无砟)25 mmkm(有砟)的工程独立坐标系。同时提出了客运专线无砟轨道铁路工程控制测量完成后，应由建设单位组织评估验收的要求，并制定了评估验收内容和要求（详细要求见第四章）。第三章 我国无砟轨道测量分析3.1 我国无砟轨道测量的基本状况

18、无砟轨道与有砟轨道在工程建设过程中，最大的区别是有砟轨道可在铺轨完成后采用大型养路机械对轨排的中线和水平进行精调，而无砟轨道具有一次成形的特点，施工过程中每道工序对各部分的尺寸按毫米级控制。铺轨完成后，在有限的范围内通过扣件进行精调。因此，高精度的测量技术是保证无砟轨道施工质量的前提条件，没有测量控制技术，高速无砟轨道工程无从谈起10。 我国制定了客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定，按照“勘测、施工、养护”三个测量控制网合一的原则，采用分级设网、绝对坐标控制体系，使线路中心线与施工图设计中心完全吻合，轨道高低、水平、轨距、扭曲等技术指标满足土12mm的精度要求11，但与日本新干线测量控制存在

19、区别。新干线工程在线下构筑物完成后，无砟轨道工程开始前，对所有构筑物的中线及与限界相关的边界位置进行测量，对测量结果判断和分析后，重新回归线路的中心线位置，线路中心与施工图设计中心有可能出现偏差，曲线半径、转角等也会有微调。一旦无砟轨道开始施工，新的中心位置坐标将延续至运营养护阶段12。 无砟轨道工程施工前，按现行测量规范要求，需布设基桩间距约为60 m的CP III测控网。建设管理单位应重点监控与协调测控网的布设和平差、测控网段间交互测量和平差，施工单位和日后运营管理单位的责任是保护基桩状态13。不同的无砟轨道类型，施工过程中采用的测量控制方法也略有不同。CRTS I型板式无砟轨道以往采用在

20、5m间隔的凸台上设置基准器、使用特制三脚规定位轨道板和精调轨面的方法，目前在工程施工中，采用CPIII测控网直接测设轨道板和精调轨面的方法。CRTS II型板式无砟轨道采用特制的测量框架，对打磨后的承轨槽进行测量以定位轨道板的空间位置。CRTS I型双块式无砟轨道直接通过轨道状态精调仪测量轨面的空间位置，并通过调整支撑轨排架的螺杆调节器完成轨道精调定位。CRTS II型双块式无砟轨道采用专用测量软件，通过测设支脚顶部球形支点的坐标，采用机械架设轨排框架完成双块式轨枕的空间定位。上述测量控制全是采用全站仪前后交汇观测三组CP删基桩点的自由设站方式，再通过观测专用的测量辅助装置，保证轨面空间绝对坐

21、标达到设计要求。因此，CP III测控网和基桩的良好状态是无砟轨道施工重要的基础条件。3.2 CP III控制网特点与测量基本原理高铁CP控制网简的需求： 高速铁路列车运行速度高，为了达到安全性和舒适性，要求高铁必须具有非常高的平顺性、高精度的铺轨和几何线性参数，其精度达到了毫米级36，传统的铁路测量方法和精度已不能满足高铁的建设和运营。为此，高速铁路勘测、施工、运营过程中，在地面平面框架控制网C P0的基础上建立3级控制网：C P I ， 在C P 0 基础上布设， 点间距4 000 m左右，测量精度为GPS B级，在勘测阶段建立；C P，在C P I上布设，点间距800 m左右，测量精度为

22、G P S C级或三等导线，在勘测阶段建立；C P，主要为铺设无碴轨道和运营维护提供控制基准，铺轨前建立，在C P I、C P上布设，点间距60 m左右，采用测量机器人自由设站后方交会的原理进行施测，测量精度为相邻点位小于1mm14。 现在高铁已经实现“ 三网合一” 的测量体系： 勘测控制网，CP I、CP和水准基点；施工控制网，C P I 、C P 、C P 和水准基点； 运营维护基准网，C P 和加密维护基点（ 也称C P ） 。从而保证了测量坐标系统的统一，各阶段测量工作顺利衔接，施工精度高。通过高铁施工和运营，其安全性、舒适性得到了验证。图6为高铁工程测量3级平面控制网示意图，图7为高

23、铁测站间距为120 m的C P平面网观测网形示意图15。 图6 高铁3级平面控制网示意图 (单位：m） 图7 高铁CP平面网观测网形示意图 CP III控制网(轨道控制网)是高速铁路精密工程测量中重要一级控制网，主要为铺设无砟轨道和运营维护提供控制基准。建好CP控制网并按规范要求达到应有精度，无砟轨道的高平顺性才有可能实现。 1）控制网特点 表1 控制网布网区别(1)布网形式特别。CP控制网与CP I及CP控制网布网要求不同，三者区别见表l。测站间距120 m的CP控制网形见图8。CP控制网测点的位置、数量、标志与传统测量大不相同。其必须大致对称布置在线路左右两侧，每公里至少有16对网点，桩点

24、标志不需要像传统方法一样刻十字丝16。CP控制网的测点是一个三维坐标点，包括J，是一个虚拟的点，其对应位置是观测棱镜的几何中心，桩点要求具有互换性和重复安装性。CP控制网图形为标准的带状网形，点多密度大，观测数多，可靠性强，精度高37。（2）测量方法独特。外业观测时，平面测量时采用自由设站边角交会方法；高程测量时则采用精密水准测量方法，每 相邻两对CP控制网测点构成一个水准闭合环内业计算使用平差软件。CP控制网 图8 测站间距120 m的cPIII控制网形示意测点与测点间的水准路线见图9。 图9 CPIII控制网测点与测点间的水准路线示意 (3)测量使用的仪器性能先进，测量效率高。全站仪标称精

25、度：测角达到l”及以上，测距达到1+2 ppm x D。水准测量使用标称精度05 mmkm以上的电子水准仪。 (4)平面网主要技术指标与水准观测主要技术要求见表2和表3。 表2 平面网主要技术指标 表3 水准观测主要技术指标 2）测量原理 (1)平面坐标。在CP控制网的测点选位和埋设完成后，利用高精度全站仪自由设站，自动记录数据、自动存储数据并实施现场监控，直至区段测完。外业观测合格后，采用内业平差软件对数据进行计算，先自由平差，即对CP控制网本身精度进行评估，如不符合要求，分析后重测相关外业数据。CP控制网本身精度合格后再进行约束平差计算，即采用上一级CP I和CP控制网坐标计算出CP控制网

26、的坐标。区段与区段间严格按规范要求进行重叠观测和平差，直到测完为止17,18,38。(2)高程。高程测量采用精密水准测量方法，利用高精度电子水准仪，严格按规范要求进行外业观测，保证每个矩形闭合差合格，再利用上一级的二等水准点高程进行约束平差，计算出CP控制网的各测点高程。3.3 无砟轨道平顺度铺设的精度标准 由于无砟轨道具有轨道平顺性高、刚度均匀性好, 确保了高速行车安全并有良好的乘坐舒适度, 在世界各国铁路上得到了程度不同的发展, 在我国新建铁路上所占的比例逐年增加，无砟轨道在铺设施工过程中就如何进行测量、控制轨道的铺设精度已成为关键技术18,39。 无砟轨道施工精确测量不同于普通线路的施工

27、测量, 无砟轨道施工精度的要求比有碴轨道更高, 铁道部客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定中要求无砟轨道施工质量应满足表4 的要求,测量弦长均为10m 进行控制19。 表4 无砟轨道平顺度铺设精度标准mm 3.4施工测量注意事项1）外业观测 (1)观测时应注意天气影响大风及雨、雪天气不宜观测，阳光强烈时应给仪器遮阳；附近不能有振动源干扰，影响测量数据采集；测量过程中应随时检查仪器的稳定性40。 (2)平面测量时，CP控制网的每个测点应保证有3个方向和3个距离的交会。当测站间距为120mtt,寸，每-N站应观测6对CP控制网的测点；当测站间距为60m时每一测站应观测4对CP控制网的测点20。 (

28、3)棱镜摆设时，棱镜面应尽量正对仪器测量方向。2）内业计算 (1)CPIII控制网的自由网平差后相邻CP控制网测点的相对点位中误差能够满足表2中的精度要求，当约束平差后不能满足时，应检测上一级控制网测点的稳定性和精度。 (2）CP控制网区段之间至少应有6XCCPIII控制网测点作为公共点，在相邻的2个区段中应进行外业观测和内业平差41。3.5 CP的测设方法应进一步研究深化CP主要为轨道工程的铺设和运营维护提供基准，由于前期对其精度和测设方法研究较少，客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定对CP的测设提出了导线法和后方交会法(自由设站边角交会法)2种方法，时速200250公里有砟轨道铁路工程测量

29、指南(试行)对CP要求使用导线法。但由于铁路线路横向宽度限制，导线法与轨道高精度测量匹配较为困难，同时在铺轨和运营维护时，个别基桩点的缺失对施工和维护作业影响较大，不利于轨道精测系统智能化测量定位，不便于机械化作业。因此，客运专线铁路CPIII测设应采用自由设站边角交会法。CPIII测量是建设高平顺性轨道的基础工作，点多量大，对其重要性，许多单位和测量人员还没有引起充分的重视，技术力量薄弱，应加强宣传和培训，规范其管理21,22。第四章 我国高速铁路无砟轨道工程测量体系初步取得成果 我国高速铁路及客运专线的工程测量发展是随着对高速铁路的认识和客运专线的建设实践逐步深化的过程。41客运专线建设初

30、期的主要测量标准和测量实践1）秦沈客运专线在1999年开工建设的秦沈铁路客运专线中，铁三院利用GPS技术，测设导线控制点，施工单位依据设计院导线控制网采用导线法测设长大直线和曲线。在轨道施工中开始引进轨道检测仪对轨道几何状态进行做道和检测。2）京沪高速铁路测量暂行规定2003年，原铁道部高速铁路办公室依据“八五99、6tt九五，国家重点科技表3导线测量限差(京沪高速铁路测量暂行规定表3-28)攻关计划专题高速铁路线桥隧站设计参数与技术条件的研究等有关成果，吸取了秦沈客运专线测量的实践经验，编制了京沪高速铁路测量暂行规定(铁建设200313号)。在建的客运专线初期大都参考和采用了京沪高速铁路测量

31、暂行规定，如表3所示。其主要测量设计思路为：按线路中线点之间的相对中误差为110 000，使用国家三等大地点，用GPS澳J量加密相当国家四等大地点，在GPS点的基础上做铁路五等导线，利用导线点测设线路中线控制点和铺设轨道。加密四等大地点按GPS测量D级网的技术要求测设。铁路五等附合导线测量的相对闭合限差为120 000。为使实际地面测量不受影响，规定投影长度变形不大于140 000，即每千米不大于25 cm。高程测量采用四等水准测量。线路的中线测量标准同新建铁路工程测量规范(TB 10101-99)。轨道工程的铺设与维护仍延续传统的相对测量方法，不能避免传统铁路出现的问题，尤其不适用于无砟轨道施工7。3）京津城际铁路的测量实践在客运专线铁路建设初期，京津城际、武广、郑西等客运专线均参照京沪高速铁路测量暂行规定设置测量控制网进行施工。随着对高速铁路测量工作认识的不断深化，发现以下4个方面问题，不适用于无砟轨道施工，在京津城际铁路建设中最早暴露出来。 (1)控制点埋石标准低。京沪高速铁路测量暂行规定控制点埋石标准与新建铁路工程测量规范(TB 1010l-99)控制点埋石标准相同，控制点埋深浅，标石规格低，在沉降区域和其他