高速铁路精密测量及形变监测理论与应用

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【摘要】安全是我国实施高速铁路系统建设最核心和最根本的问题，轨道精度要达到毫米至亚毫米级，较大的投影变形或网形扭曲，都会影响轨道的精确铺设。研究确定高速铁路改造建筑施工精密测量标准及方法,不仅是当前施工的需要,更是今后线路养护维修工作的基础和保障。本文将从高速铁路测量的特点和精度要求切入，提出精密测量及形变监测应用的具体建议。

【关键词】高速铁路；精密工程测量；测量基准；地图投影

中图分类号：U238 文献标识码： A

一、前言

目前，我国高速铁路工程建设不得不解决的两大测量技术难题是：1）高速铁路工程测量技术精度要求高，为了实现轨道几何状态的高平顺性，要求测量精度必须从原来的厘米级提高到毫米级，甚至是亚毫米级，这就对铁路工程测量的理论、方法及技术体系和标准进行根本性的变革；2）高速铁路沿线大范围形变监测的技术挑战，为保障高速列车安全平稳运营，必须及时、高效、快速地监测铁路路基和桥梁的几何变形，并进行稳定性评估，这需要对大范围形变监测理论与技术进行系统研究与开发。在此背景下，本文将立足于高速铁路精密测量与形变监测的理论体系与技术系统，提出若干的想法。

二、高速铁路精密测量及形变监测内容界定

（一）高速铁路精密工程测量的内容

高速铁路精密工程测量贯穿于高速铁路工程勘测设计、施工、竣工验收及运营维护测量全过程,包括以下内容：(1)高速铁路平面高程控制测量；(2)线下工程施工测量；(3)轨道施工测量；(4)运营维护测量。

（二）高速铁路精密工程测量的目的

高速铁路精密工程测量的目的是通过建立各级平面高程控制网,在各级精密测量控制网的控制下,实现线下工程按设计线型准确施工和保证轨道铺设的精度能满足旅客列车高速、安全行驶。高速铁路旅客列车行驶速度高( 250-350 km/h),为了达到在高速行驶条件下,旅客列车的安全性和舒适性,要求：(1)线路严格按照设计的线型施工,即保持精确的几何线性参数；(2)轨道必须具有非常高的平顺性,精度要保持在毫米级的范围以内。为了满足上述要求,应根据线下工程和轨道铺设的精度要求设计高速铁路的各级平面高程控制网测量精度。

（三）高速铁路轨道铺设的精度要求

高速铁路轨道施工的定位精度决定着高速铁路的平顺性,高速铁路轨道铺设应满足轨道内部几何尺寸(轨道自身的几何尺寸)和外部几何尺寸(轨道与周围建筑物的相对尺寸)的精度要求。其中内部尺寸描述轨道的几何形状,外部几何尺寸体现轨道的空间位置和标高。

1、轨道的内部几何尺寸

轨道内部几何尺寸体现出轨道的形状,根据轨道上相邻点的相对位置关系就可以确定,表现为轨道上各点的相对位置。轨道内部几何尺寸的各项规定是为了给列车的平稳运行提供一个平顺的轨道,即通常提到的平顺性。因此,除轨距和水平之外,还规定了轨道纵向高低和方向的参数,这些参数能保证轨道有正确的形状。利用这些参数可以检查轨道的实际形状是否与设计形状相符,轨道内部几何尺寸的测量也称之为轨道的相对定位。

2、轨道的外部几何尺寸

轨道的外部几何尺寸是轨道在空间三维坐标系中的坐标和高程,由轨道中线与周围相邻建筑物的关系来确定。轨道外部几何尺寸的测量也称之为轨道的绝对定位,轨道的绝对定位必须与路基、桥梁、隧道、站台等线下工程的空间位置坐标和高程相匹配协调。轨道的绝对定位精度必须满足轨道相对定位精度的要求,即轨道平顺性的要求。由此可见,高速铁路各级测量控制网测量精度应同时满足线下工程施工和轨道工程施工的精度要求,即必须同时满足轨道绝对定位和相对定位的精度要求。

（四）高速铁路形变监测的主要内容和基本要求

1、形变监测的主要内容

路基：根据不同地质条件和路基高度，主要包括路基面的沉降监测、路基基底的沉降监测和路堤本体沉降监测。桥梁：以墩台基础的沉降监测和预应力混凝土梁的徐变变形监测为主。涵洞：自身沉降监测和洞顶填土的沉降监测。隧道：隧道线内线路基础的沉降监测。过渡段：路桥、路隧、路涵等过渡段沉降监测应以路基面沉降和不均匀沉降监测为主。站场：无特殊情况，一般按正线线下结构要求的相关内容监测。

2、形变监测的基本要求

(1)当发现沉降数据出现异常时首先自查，重测并分析工作基点的稳定性，必要时联测基准点进行检测。(2)严格按水准测量规范的相关要求进行测量。首次测量应进行往返监测，并取监测结果的中数，将经过严密平差处理后的高程值作为初始值。(3)为了将系统误差减到最小，提高监测精度，各次沉降监测应使用同一台仪器和附属设备，必须按照固定的监测路线和监测方法进行，监测路线必须形成附合或闭合路线，使用固定的工作基点进行监测。即实行“五固定”固定水准基点、工作基点、固定人、固定测量仪器、固定监测环境条件、固定测量路线和方法。(4)沉降监测需采用满足相应测量精度等级的电子水准仪，每次监测前需所使用的仪器和设备应进行检验校正。(5)在沉降监测过程中，应做好重点信息的记录，如架梁、运梁车通过时的施工荷载，测量时的天气情况和地下水情况，这利于对沉降变形和异常数据进行分析。

三、高速铁路精密测量及形变监测理论与应用成果与展望

目前我国对高速铁路精密测量与形变监测理论与技术开展了系统而深入的研究，研发了相应的软硬件系统。其关键技术及创新点如下：

（1） 提出了轨道控制网与轨道基准网的建网理论与技术体系，自主开发了相应的软件系统，控制测量精度可达亚毫米级（与国外技术同等精度，但性价比明显优于进口软件系统），多项研究成果已被相关规范所采纳，实现了高速铁路精密测量技术的自主创新与国产化。

提出了轨道控制网（CPIII）与轨道基准网（TRN）的建网理论与技术体系，自主开发了相应的软件系统，控制测量精度可达亚毫米级（与国外技术同等精度，但性价比明显优于进口软件系统），多项研究成果已被相关规范所采纳，实现了高速铁路精密测量技术的自主创新与国产化。发现了 CPIII 平面控制网外业测量测回数与精度指标的关系，提出了 CPIII 平面网外业测量不控制 2C 互差的测量模式，可显著提高 CPIII 网测量的效率，提出了 CPIII 网区段间衔接的余弦函数平滑搭接新方法，提出了 CPIII 三角高程网构网技术，提出了相应的平差模型与精度评定方法，开发了 CPIII 平面及高程网测量和数据处理软件。提出了 TRN 平面及高程控制网构网模式及置平坐标转换方法，推导了 TRN 平面及高程精度评定的数学模型，实现了的 TRN 的精度评定（国内外没有类似精度评定），研制了 TRN 数据采集与处理系统，首次实现了 TRN 外业数据采集的程序化。

（2） 独创性地提出了永久散射体网络化雷达干涉的理论与技术体系，开发了国内首套基于卫星 SAR 影像的高速铁路 PSI 沉降监测软件，沉降测量精度可达 3-5 毫米（精度优于国内外类似系统），显著提高了监测效率及沉降漏斗的可探测性，为高速铁路沉降监测提供了一种新的技术途径，填补了长大线性工程沉降监测技术的空白。

发现了制约高速铁路大范围沉降监测的主要因素，即时间失相关和大气延迟；发现了农田区域及植被区域永久散射体（PS）稀少的现象，发明了分体式人造角反射器，提出了固定式与分体式人造角反射器并行布设的模式，解决了农田和植被区域沉降监测的难题。

（3）加强抗差卡尔曼滤波在变形监测数据处理中的应用

如下图为一桥墩沉降变形监测网的一部分，点BM12和点BM13是该监测网的基准点，其余各为点桥墩的沉降变形点，线路长约0.25km，采用二等附合水准路线，观测周期为7天，共观测了15期。与普通卡尔曼滤波法处理的结果相比较，抗差卡尔曼滤波法的波形更稳定，且在一个更小的范围内波动，说明抗差卡尔曼滤波处理的结果与各期平差值更为接近，抗差卡尔曼滤波法优于普通卡尔曼滤波法。

图 桥墩沉降变形监测网

（4）其他形变监测实施措施

(l)采用局部更新水准点高程方法来解决水准点之间高差闭合差超限问题，对于复测未超限的段落维持水准点高程不变，超限的段落两端联测两个或多个水准点或深埋水准点，直至闭合差满足规范要求，再对该水准线路范围内的水准点沉降情况进行分析，对个别差异沉降明显的水准点高程值做局部调整。(2)在无柞轨道施工前，对全线精测网复测一次，以基岩水准点为高程计算基准，统一更新所有线路水准基点的高程，以复测后成果作为无柞轨道施工期的高程基准。根据新高程基准，对线下竣工中线进行复测，对底座板的厚度进行验算，必要时对设计坡度进行局部变更。

四、结束语

综上，高速铁路精密工程测量技术的研究，不仅为我国建立高速铁路精密工程测量技术体系奠定基础，而且为高速铁路的大规模建设及时提供测量技术标准。

参考文献

[1]王哲浩.高速铁路接触网精确测量技术标准的研究[J].电气化铁道.2011(02).

[2]杨雪峰.高速铁路轨道基准网高程网的精度评定[J].测绘科学. 2014(03).