高速铁路测量施工技术(沉降观测)_secret

浅谈铁路工程测量的学习及应用
伴随着科学技术的日益发展，现代的测量技术也日趋的成熟，尤其是在高速铁路（200km/h～350km/h）快速发展的背景下，各种高精度的测绘仪器以及GPS(全球定位系统)的使用，使得测量方法和效率逐步的提高，工作更加的便捷、省时。

铁路测量施工有着程序交错，要求精度高，任务重，时间紧，工作条件艰苦等特点，这就要求我们有着严密的工作规划和实施细则，才能满足施工进度和精度的要求。

随着技改措施调整后，加之按照上级部署和现场施工条件循序渐进的打开了施工局面。

工程未动，测量先行，根据现有的资源，加大力度复核所有的测量资料，这就使我们的测量工作也面临着严峻的挑战，同时对测量人员加强培训，使综合素质更高，实际操作更强，技术更严谨、务实，只有这样才能满足生产和铁路工程测量规范的要求。

一、工程概况
我单位（XX建设集团路桥工程有限公司）负责进行中标承建的XX标段第一项目部测量任务，其中桥梁39座，特大桥9座，大、中、小桥30座，总长18.96km；路基38段，总长7.024 km，涵洞11座，梁场1处。

起始于怀集县蓝钟镇（与九标DK628+043.27相接）葵扇大桥，前行进入马宁镇后经梁村镇，跨新塘水库后进入冷坑镇，穿越规划汕昆高速公路（梁场附近）后再次进入XX镇，前行跨XX 河、XX省道后进入XX镇，横跨规划XX高速公路至大沙大桥止
（DK654+027.46），往肇庆方向延伸。

沿线位于丘陵区边缘地带，地形起伏较大，地面高程40～110m。

其中测量的主要任务是：复核精密控制网（C PⅠ、C PⅡ、C PⅢ）及加密控制点；路基、桥涵的沉降变形观测；测量资料的整理归档；竣工测量的移交等工作。

二、客运专线控制网的建立
1 铁路客运专线精密测量
客运专线铁路精密工程测量是为了保证客运专线铁路非常高的平顺性，轨道测量精度要达到毫米级。

观测的主要内容是路基、桥涵沉降观测和梁体徐变。

沉降观测应测定路基、桥涵地基的沉降量、沉降差及沉降速度。

对于无砟轨道，这就要求对施工精度有着更严格的要求，务必建立一套与之相适应的精密工程测量体系，精密工程测量体系应包括勘测、施工、运营维护测量控制网，即“三网合一”。

2 精测网的建立
精密工程测量的内容：C PⅠ基础平面工程控制点（网）；CPⅡ线路平面控制点（网）；CPⅢ无碴轨道平面控制点（网）；运营维护测量控制网；精密二等水准测量。

目前主要接触和使用的是C PⅠ、C P Ⅱ及相关的加密水准控制点。

在施工单位进场之后，由设计单位（中铁四院）现场交点，包括C PⅠ控制点8个，C PⅡ控制点25个,测量点之记和二等水准资料，初测定测均由中铁四院测量大队完成。

加密控制点153个由第一项目部测量队陆续完成，线下工程测量的复测工作由测量队在工程开工前完成，完成后的成果报测量专业工程师签字后方可运用于现场施工测量，平差结果都满足铁路工程测量规范及二
等水准精度的要求。

3 坐标高程系统
我单位施工所需的平面加密控制网的坐标系统与设计提供的控制网相同，即：平面坐标系统采用施工坐标系，形成为任意带高斯投影平面直角坐标系，参考椭球为WGS-84椭球，参数为：长半轴a=6378137m,扁率f=1/298.257223563.投影带情况如下：WGS-84坐标系统，中央子午线精度取111°50′00″，投影面大地高取60m,高程异常取-10m.高程系统采用1985国家基准高程。

3前期埋点及人员设备
在选点的过程中，要选择通视条件好，便于施工控制和保护的地方，挖坑的标准原则上是：45 cm *45 cm *100cm,挖好后用砼将坑填好，钢筋头不低于混凝土面1cm,并将上面做好标识如（JM1001）.投入的测量人员：共计46人，工程师2人，助理工程师10人，技师4人，测量工30人；设备投入：南方S82-2008（双频）GPS接收机8台套（精度：5mm+1ppm,鉴定合格）；天宝Dini03型电子水准仪6台套（中误差：0.3mm/km,读数精度：0.01mm,鉴定合格）。

二、全球定位系统（GPS）的使用
1 测量原理
GPS（Global Positioning System）即全球定位系统,是由美国建立的一个卫星导航定位系统,利用该系统,用户不但可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速;而且还可以进行铁路施工的高精度测量和精密定位。

它由三大部分组成:空间部分
—GPS卫星、地面控制部分—地面监控系统、用户设备部分—GPS信号接收机；在GPS定位中,空间部分的GPS卫星发射测距信号和导航电文（导航电文中含有卫星的位置信息）,用户用GPS接收机在某一时刻同时接收4颗以上的GPS卫星信号,测量出测站点（接收机天线中心）至4颗以上GPS卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标,据此利用距离交会法解算出测站的位置。

2 GPS测量技术的优点
1）测站之间无需通视，GPS这一独特的特点,使得选点更加灵活方便，但测站上空必须开阔,以使接收GPS卫星信号不受外界电磁波的干扰。

GPS静态定位技术和动态定位技术相结合的方法可以高效、高精度地完成铁路平面控制测量，可以全天候作业，一般不受天气影响。

2）定位精度高，一般双频GPS接收机基线解精度为5mm +1ppm,而红外仪标称精度为5mm +5ppm,GPS测量精度与红外仪相当,但随着距离的增长,GPS测量优越性愈加突出。

大量实验证明,在小于50公里的基线上,其相对定位精度可达12×10-6。

3) 观测时间短，采集数据方便，采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在40～60min左右 (根据精度要求可适当调整) ,采用快速静态定位方法,观测时间更短。

例如使用南方测绘S82-2008GPS 接收机的RTK法可在3s以内求得测点坐标,可以精确测定观测站的大地高程，大大缩短了采集数据的时间。

4）操作简便，GPS测量的自动化程度很高，目前GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化,观测人员只需将天线对中、整平,量取天线高打开
电源即可进行自动观测,外业观测数据利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标（具体操作详见GPS使用说明书）。

3 GPS系统在实际测量工作中的应用
1）RTK定位技术的应用：实时动态定位（RTK）系统是由基准站和流动站组成（和手机使用的原理有些相像，基站接收卫星信号，再由基站发送至客户）,建立无线数据通讯是实时动态测量的保证。

其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点（基准站可以不设置在已知点上）,安置一台接收机作为参考站,对卫星进行连续观测,流动站上的接收机在接收卫星信号的同时,通过无线电蓝牙传输设备接收基准站上的观测数据,随机计算根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。

这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果，提高工作效率，实时动态（RTK）定位的精度可以达到厘米甚至毫米级。

2）其野外作业流程:（1）设置参考站:在已知控制点上（或任意点，周围环境好）架设好GPS接收机和天线,打开接收机,同时连续接收所有可视GPS卫星信号,并通过数据发射电台将其测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态发送出去,待电台指示灯显示发出通讯信号后，等待进入正常的工作状态后，进行坐标校核工作，直至达到精度要求， RTK手薄上显示屏的右下角显示出固定解后进行下一步操作，即：流动站开始工作。

（2）流动站工作:打开接收机,新建（或打开）工作项目,建立（或选择）配置集（要求与参考站相匹配）。

流动站接收机在跟踪GPS卫星信号的同时也接收来自参考站的数据,进
行处理获得流动站的三维WGS-84坐标。

动态定位模式在铁路测量中有着广阔的应用前景,可以完成点放样、线放样、地籍地形等相关的测量工作。

测量2～4S,平面精度达到5mm,高程控制达到1～2cm,且整个测量过程不需通视,有着常规测量仪器（如全站仪）不可比拟的优点，具有节省时间和人力，提高效率和精度的特点。

4 施工加密控制网数据处理
1） B级GPS网基线外业预处理和C级以下各级线处理时，可采用广播星历，按仪器制造商提供的GPS数据处理软件静态相对定位模式进行，网平差处理软件采用武汉大学《COSAGPS后处理软件》进行平差处理。

在开始处理前，先对外业数据质量检查和数据预处理，对GPS 观测数据进行闭合环闭合差、重复基线进行计算检查，检查是否符合规范和技术设计要求。

由独立观测边组成环的闭合差应该符合下式：Vx≤3√n*σ，Vy≤3√n*σ, Vz≤3√n*σ, V≤3√3n*σ.各级GPS 网相邻点间的弦长精度用下面的公式计算：σ=√a2+(b*d) 2,
式中σ为中误差（mm），a为固定误差（mm）,b为比例误差(mm/km)，d为相邻点间的距离（km）。

当各项要求符合标准后，进行GPS网的无约束平差，基线向量的绝对值在规定的限差（3σ）之内。

5 内业数据平差计算方法
平面加密控制网的平差，首先要对所需的基线解进行选择，形成基线向量文件，即三维向量网平差所需的基线向量；然后输入一个C PⅠ点的WGS-84三维空间坐标为起算数据，导入基线文件进行基线向量闭合环闭合差及重复基线校差的检查，检查符合要求后，进行三
维无约束平差和二维约束平差。

平差结果完成后，根据平面加密控制网的闭合环差，重复基线差，坐标点位精度的统计，在确认满足精度的前提下，基线边相对误差达到≤1/100000、方位角中误差≤1.7″的精度时，加密网精度可靠，可以进行施工测量工作。

6 GPS测量作业技术指标
1) 各等级GPS测量控制网的主要技术指标
2) GPS静态测量各等级测量控制网的主要技术要求
三、天宝电子水准仪在高铁测量中的应用
天宝（Trimble）Dini0.3电子水准仪是美国天宝公司研制的目前世界上高精度的电子水准仪之一，其各项指标都明显优于其他电子水准仪。

性能卓越、操作方便，使水准测量进入了数字时代，大大提高了生产效率。

广泛应用于高等测绘、大型水电设施、高速公路、港口机场等诸多领域，尤其是近几年，在高速铁路突飞猛进的发展与使用
过程（如控制网的精测、沉降变形观测、轨道的安装等）中发挥着强大的作用，为高速铁路的发展提供了测量技术上的保障。

1 高速铁路的沉降变形观测
1）贵广铁路客运专线无碴轨道要求构筑物应具有足够的强度、刚度、稳定性，满足耐久性要求，并强调与相邻构筑的变形与刚度协调、统一，满足列车运行平稳、安全运营，以及旅客乘坐的舒适度要求。

针对以上高速客运专线的特点，无碴轨道对线下工程的工后沉降要求十分严格、标准高。

对高精度仪器的使用也较为苛刻（后面详解），为确保线下土建工程满足无碴轨道的铺设条件，施工期必须按设计要求进行系统的沉降变形动态观测，通过对沉降观测数据的综合分析评估、分析、推算出最终沉降量和工后沉降，合理确定无碴道开始铺设时间，确保客运专线无碴轨道结构铺设质量。

2）沉降变形观测网（点）按二等变形测量等级技术要求建立，我单位按照以下原则组织和实施沉降变形观测：路基、桥涵、过渡段工程的立体监控、信息施工、数据真实，成果可控。

通过对上述工程沉降观测点的精密测量，对结果系统、综合分析出沉降变形规律，以供设计参考使用。

客运专线无碴轨道路基变形一般不应超过15mm，路桥、路涵或桥涵等工程交界处的差异沉降不应大于5mm ，过渡段沉降造成的路基与桥梁的折角不应大于1/1000，等待分析评估沉降稳定满足无碴轨道铺设要求后方可铺设无碴轨道。

1仪器的常用性能及操作事项
水准线路的限差根据国家水准测量规范输入，如二等水准的最大
视距为50m，最大最小视线高分别为2.8m和0.3m,它有自动补偿功能，补偿精度为0.2″；度数精度为0.01mm,按Enter键测量，线路测量一般要新建一条线路，名字根据自己的需要来取，测量模式一般为aBFFB和aFBBF（即按照“后前前后”和“前后后前”的顺序进行往返测量）。

根据沉降观测精度要求高的特点，为能精确地反映出路基、桥梁在不断加荷作用下的沉降情况，一般规定测量的误差应小于变形值的１/10～1／20，为此要求沉降观测应使用精密水准仪(DS1或DS05级)，水准尺也应使用受环境及温差变化影响小的高精度铟瓦合金水准尺。

按照国家二等水准技术要求施测，沉降监测网的首期观测（“零周期”）要求往返观测2次，并取观测结果的平均数作为变形测量初始值。

其余各期往返观测1次，为了将观测中的系统误差减到最小，达到提高精度的目的，请参照（“观测过程控制”）中所述进行观测，当该段完成后高差sh会自动算出。

3 监测网的建立及主要技术要求
1）变形监测网的建立
监测网包括水平位移监测网、垂直位移监测网。

水平位移监测网根据需要采用独立坐标系统按三等平面监测网建立，分区域独立布网完成，不能利用 CPI和CPII控制点的监测网时，至少与一个CPI或CPII控制点联测，以便引入客运专线无碴轨道铁路工程测量平面坐标系统，实现水平位移监测网坐标与施工平面控制网坐标的相互转换。

垂直位移监测网可根据需要独立建网，线下工程垂直位移监测一般按沉降变形等级三等（国家二等水准测量）的要求施测，高程采用
施工高程控制网系统。

全线二等水准贯通后，将垂直位移监测网与二等水准基点联测，将垂直位移监测网高程基准归化到二等水准基点上，观测时按国家二等水准测量的技术要求施测。

2）各项（类）主要技术要求
3）观测过程控制
1）变形观测的自始至终要遵循“五固定”原则：即“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”，奇偶站交替为变化奇、偶站照准前后尺测量，所有沉降变形观测均严格按照国家二等水准规范和设计要求进行。

在同一
条路线的往返测使用同一台DINI03电子水准仪，配3米铟瓦条码形水准标尺，选用2.5kg以上的尺垫在施测过程中尺垫踩实以避免尺垫下沉，采用单路线往返观测都形成闭合或附合水准，观测时要一次完成，中途不中断。

观测成果的重测和取舍按《国家一、二等水准测量规范》（GB/T12897-2006）二等水准有关要求执行。

观测时，视线长度≤50m，前后视距差≤1.5m，前后视距累计差≤6.0m，视线高度≥0.5m，测站限差：两次读数差≤0.4mm，两次所测高差之差≤0.6mm，检测间歇点高差之差≤1.0mm，沉降变形观测的测量精度为±1mm,读数取位至0.01mm。

4）测量监测资料的内业处理
按照观测频次与时间要求，及时进行沉降观测，观测的原始数据要妥善保管，对外业测量数据进行整理，把不符合要求的观测资料给予删除，留下合格的原始数据进行平差处理。

平差软件采用武汉大学——武测科傻系列软件《科傻地面控制测量数据处理系统》，对每一段进行自动求解控制网各种线路闭合差，平差的结果符合国家二等水准测量规范规定的精度及要求。

结束语：在高速铁路铁路的修建过程中，相信越来越多的先进仪器会被我们熟知和使用，它会大大的缩短施工周期、节约成本、提高效率和测量精度，目前正处于工程施工的关键时期，我们的测量队伍要时刻充实自己的知识，刻苦努力掌握先进的仪器设备，完善自我能力。

争取打好今年全年的攻坚战，开拓创新，迎难而进，打出咱们水电人特有的精神，洒下辛苦的汗水，播下智慧的种子，等待它传扬。

附件：作业技术参考依据及文献
1）DK567～DK823段《新建铁路贵阳至广州线（贺广段）C PⅠ(二等)GPS网坐标成果》；
2）DK567～DK823段《新建铁路贵阳至广州线（贺广段）C PⅡ(三等)GPS网坐标成果》；
3）DK567～DK823段《新建铁路贵阳至广州线（贺广段）二等水准测量成果表》；
4）DK567～DK823段《新建铁路贵阳至广州线（贺广段）C PⅠ级GPS 点之记》；
5）DK567～DK823段《新建铁路贵阳至广州线（贺广段）C PⅡ级GPS 点之记》；
6）《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T18314-2001;
7）《全球定位系统（GPS）铁路测量规程》TB/10054-97;
8）《国家一、二等水准测量规范》TB/T12897-2006;
9）《高速铁路工程测量测量规范》TB/10601-2009;
10）《新建铁路贵阳至广州线（贺广段）工程措施加强后施工加密控制网技术方案》；
11）《新建贵广铁路十标第一项目部沉降变形监测技术方案》TB/10601-2009;
11）设计、监理及其他相关资料。