高速铁路精密测量讲义

新建北京至沈阳客运专线精密控制测量技术2014年8月高速铁路测量控制网产生的背景高速铁路修建最核心的问题是解决轨道平顺性，为了适应高速铁路轨道平顺性的要求，线路必须具备准确的几何参数，轨道测量精度要达到毫米级，其测量方法、测量精度与传统的铁路工程测量完全不同。这对高速铁路建设及维护过程中控制测量工作提出了全新的要求。高速铁路测量控制网的坐标系统一、位置基准与平面控制网高速铁路测量控制网的坐标系统高速铁路平面精密控制网涉及使用的坐标系有：1954北京坐标系、1980西安坐标系、WGS-84坐标系、2000国家大地坐标系。我国高速铁路平面精密控制网中的空间直角坐标或大地坐标只是在提供首级或次级控制点成果时使用。具体到工程建设，因为使用的直观和习惯性，一般均采用高斯平面直角坐标。高速铁路测量控制网的坐标系统高斯投影的基本概念高斯平面直角坐标的建立通过高斯投影，将中央子午线的投影作为纵坐标轴，用x表示，将赤道的投影作为横坐标轴，用y表示，两轴的交点作为坐标原点，由此构成的平面直角坐标系称为高斯平面直角坐标系。如右图所示。对应于每一个投影带，就有一个独立的高斯平面直角坐标系，区分各带坐标系则利用相应投影带的带号。高速铁路测量控制网的坐标系统二、高程基准与高程控制网大地水准面是我国高程测量的基准面。沿重力作用方向的铅垂线是高程测量中的基准线。我国高速铁路控制网测量流程为什么要建立高速铁路工程测量体系客运专线铁路速度高,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)严格按照设计的线型施工,即保持精确的几何线性参数;(2)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。为什么要建立高速铁路工程测量体系为了适应客运专线铁路高速行车对平顺性和舒适性的要求，客运专线铁路轨道必须具有高平顺度标准。无砟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。高速铁路工程测量体系的特点确定了高速铁路工程测量“三网合一”的测量体系：a、勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网坐标高程系统的统一；b、勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网起算基准的统一；c、线下工程施工控制网与轨道施工控制网、运营维护控制网的坐标高程系统和起算基准的统一；d、勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网测量精度的协调统一；高速铁路工程测量体系的特点三网合一的重要性（1）勘测控制网、施工控制网起算基准不统一的后果•平面尺度：纵向里程，横向偏移•高程基准：线路纵断面，穿跨越限界高速铁路工程测量体系的特点三网合一的重要性（2）线下工程施工控制网与轨道施工控制网的坐标系统和测量精度不统一的后果●线下工程与轨道工程错开●净空限界不足高速铁路工程测量体系的特点2.确定了高速铁路精密工程测量分级布网的布设原则高速铁路工程测量体系的特点3.确定了客运专线无砟轨道铁路工程测量高程控制网的精度等级●首级高程控制网按二等水准测量精度要求施测●铺轨高程控制测量按精密水准测量精度要求施测4.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。（1）检查评估内容包括：平面高程控制网测量技术设计、选点埋石、仪器精度指标及检定情况、外业观测、平差计算和资料完整齐全等。（2）外业观测数据检验评估。（3）平差计算数据处理质量评估。（4）控制网计算成果的整理和质量验证。高速铁路精密工程测量控制网平面控制测量各级平面控制网布网要求高速铁路精密工程测量控制网平面控制测量作业流程（1）CPⅠ控制测量：一般在初测时完成，为客运专线无砟轨道铁路工程提供平面基准。（2）CPⅡ控制测量：一般在定测时完成，作为客运专线无砟轨道铁路工程施工平面控制网。（3）CPⅢ平面控制测量：在施工测量时施测，铺设无砟轨道时作为无砟轨道铺设基桩控制网。高速铁路精密工程测量控制网平面控制测量方法（1）GPS测量：用于建立CPⅠ、CPⅡ控制网；（2）导线测量：用于建立CPⅡ、CPⅢ平面控制网(有砟轨道)；（3）自由设站边角交会网测量：用于建立无砟轨道铺设基桩控制网。高速铁路精密工程测量控制网高程控制测量高程控制测量分为深埋水准控制测量、水准基点高程测量、CPⅢ控制点高程测量。客运专线无砟轨道铁路高程控制网应按二等水准测量精度要求施测。CPⅢ控制点高程测量按精密水准测量精度要求施测。CPⅢ控制网测量CPIII点布设CPIII点标志CPIII网区段划分CPIII网观测平面网测量高程网测量CPⅢ控制网测量•分段测量的区段长度不宜小于4km。区段接头不应位于车站范围、连续梁范围内。•CPⅢ平面网区段的两端必须起止在上一级控制网点（CPⅠ或CPⅡ）上，而且应保证有连续的三个自由设站与上一级控制网点联测。•CPⅢ高程网要满足区段中联测的上一级水准点的数量不得少于3个，而且CPⅢ高程网区段的两端必须起止在上一级水准点上。CPⅢ控制网测量方法•CPⅢ测量标志的选择•CPⅢ测量标志的埋设CPⅢ控制点主要沿线路布置于路基两侧的接触网基础、桥梁防撞墙、隧道侧壁上，当CPⅢ控制点布置在桥梁防撞墙上时，点位应设置在桥墩固定支座端上方的防撞墙上。CPⅢ控制网测量•CPⅢ测量标志的埋设1.桥梁地段CPⅢ控制点布设示意图CPⅢ控制网测量•CPⅢ测量标志的埋设2.路基地段CPⅢ控制点布设示意图CPⅢ控制网测量•CPⅢ测量标志的埋设1.隧道地段CPⅢ控制点布设示意图CPⅢ控制网测量CPⅢ控制网测量需具备的工况条件：1、桥梁防撞墙已完工；2、隧道衬砌已经完成，电缆槽完工；3、路基上接触网杆基础沉降稳定；4、线下工程沉降和变形满足要求，沉降评估通过；5、CPⅠ、CPⅡ、高程控制点已复测；CPⅢ控制网测量需具备的软硬件条件：1、具有自动目标照准和程序控制自动测量功能的全站仪；2、CPⅢ测量标志（包括预埋件、连接件、测量棱镜）；3、数字水准仪与配套的因瓦水准标尺；4、CPⅢ外业数据采集软件与CPⅢ内业平差计算软件；CPⅢ控制网测量CPⅢ平面控制网测量方法自由设站的设站距离为120m时，每个自由设站应观测12个CPⅢ点，全站仪前方和后方各6个（3对）CPⅢ点，每次测量应保证每个CPⅢ点被测量3次以上CPⅢ控制网测量CPⅢ平面控制网测量方法对于自由设站测量较为困难的地区（如曲线隧道），自由设站的设站距离可以为60m，每个自由设站应观测8个CPⅢ点，全站仪前方和后方各4个（2对）CPⅢ点，每次测量应保证每个CPⅢ点被测量4次以上。CPⅢ控制网测量CPⅢ高程控制网测量方法往测水准路线返测水准路线CPⅢ控制网测量CPⅢ高程控制网测量方法CP3-1CP3-3CP3-5CP3-7CP3-9CP3-11CP3-13CP3-29CP3-31CP3-2CP3-4CP3-6CP3-8CP3-10CP3-12CP3-14CP3-30CP3-32CP3-33CP3-3460m10m高速铁路控制网的维护高速铁路建设期间，应加强CP0、CPⅠ、CPⅡ及线路水准基点控制网复测维护工作。控制网复测维护分为定期复测维护和不定期复测维护，定期复测应由建设单位组织实施，不定期复测维护应由施工单位实施。1.定期复测维护是对高速铁路平面高程控制网全面复测，复测内容包括全线CP0、CPⅠ、CPⅡ及线路水准基点。复测频次应满足下列要求：⑴施工单位接桩后，应对CPⅠ、CPⅡ及线路水准基点进行复测；⑵CPⅢ建网前，CP0、CPⅠ、CPⅡ及线路水准基点应复测一次；⑶工程静态验收前，CP0、CPⅠ、CPⅡ及线路水准基点应复测一次；⑷特殊地区、地面沉降区域或施工期间出现异常的地段，应适当加大复测频次。2.施工单位应根据施工需要开展不定期复测维护，复测周期不宜大于6个月。不定期复测维护内容包括CPⅠ、CPⅡ及线路水准基点及施工加密控制点复测。高速铁路控制网的维护复测执行的主要技术标准1.《高速铁路工程测量规范》TB10601-2009；2.《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T18314-2009；3.《铁路工程卫星定位测量》TB10054-2010；4.《国家一、二等水准测量规范》GB/T12897-2006；高速铁路控制网的维护控制网复测的基本要求1、CPⅠ级控制网按高铁二等GPS控制测量要求进行复测。采用边联接方式构网，形成由三角形或大地四边形组成的带状网，同一隧道范围内不应分带或改变投影高。2、CPⅡ级控制网按高铁三等GPS控制测量要求进行复测。采用边联接方式构网，形成由三角形或大地四边形组成的带状网。3、线路水准基点施工复测的精度和要求按二等水准精度要求复测。高速铁路控制网的维护控制网复测应遵循以下原则：(1)编写复测技术方案。(2)复测采用的方法和精度应与原测相同。(3)复测前应检查标石的完好性，对丢失和破坏的控制点应按同精度扩展方法补设。施工单位应向评估项目部提交以下内容：(1)CPⅠ、CPⅡ及二等水准复测的原始数据及观测记录，以及标准格式文件。(2)二等水准复测的原始数据及观测记录，以及二等水准高差检核表。复测完成后应进行成果分析，编写并提交复测报告。高速铁路控制网的维护控制网复测仪器要求：平面网复测采用双频GPS接收机的平面标称精度要求不低于5mm+1ppm；二等水准网复测采用自动安平水准仪的标称精度要求不低于±0.3mm/km。测量仪器需要经测绘仪器计量定点单位检定合格并在有效期内方可使用。高速铁路控制网的维护CPⅠ、CPⅡGPS控制网测量的主要技术要求等级固定误差a（mm）比例误差系数b（mm/km）基线方位角中误差（″）约束点间的边长相对中误差约束平差后最弱边边长相对中误差CPⅠ511.31/2500001/180000CPⅡ511.71/1800001/100000高速铁路控制网的维护CPⅠ、CPⅡGPS测量作业的基本技术要求等级项目CPⅠCPⅡ静态测量卫星截止高度角（°）≥15≥15同时观测有效卫星数≥4≥4有效时段长度（min）≥90≥60观测时段数≥21～2数据采样间隔（s）15～6015～60接收机类型双频双频PDOP或GDOP≤6≤8高速铁路控制网的维护二等水准测量的观测方法等级观测方式观测顺序与已知点联测附合或环线二等往返往返奇数站：后-前-前-后偶数站：前-后-后-前二等水准观测的主要技术要求（单位：m）等级水准仪最低型号水准尺类型视距前后视距差测段的前后视距累积差视线高度数字水准仪重复测量次数光学数字光学数字光学数字光学（下丝读数）数字二等DS1因瓦≤50≥3且≤50≤1.0≤1.5≤3.0≤6.0≥0.3≤2.8且≥0.55≥2次高速铁路控制网的维护复测注意事项1、作业前按规范要求进行相关仪器检校，作业过程中经常对光学对中器进行检校，保持接收机设备工作状态正常。2、在观测前，预报星历情况，按卫星星历预报表、GPS接收机数量及交通情况编制观测计划。3、作业中，仪器对中误差小于1mm，每个时段观测前、后各量天线高一次，两次较差值小于2mm，取均值作为最后成果；观测时用电子手簿进行自动记录点号、天线高，同时认真填写GPS静态观测手簿。4、观测过程中不在天线附近50m以内使用电台，10m以内使用对讲机；在一个时段观测过程中未出现以下操作：接收机关闭又重新启动，进行自测试，改变卫星仰角限，改变数据采样间隔，按动关闭文件和删除文件等功能键。高速铁路控制网的维护复测数据处理1、首先将CPⅠ、CPⅡ原始观测文件进行预处理，转换为标准RINEX文件，同时对点号、天线量高方式、天线高逐一进行复核。2、CPⅠ、CPⅡ采用商用基线处理软件统一进行基线解算和输出基线向量文件，采用通过鉴定的软件进行基线向量网平差。高速铁路控制网的维护复测数据处理1、CPⅠ、CPⅡ应在独立环或附合路线坐标分量及全长闭合差和重复基线较差检验合格后，进行三维无约束平差。2、CPⅠ三维无约束平差中基线向量各分量的改正数的绝对值满足规范要求后选取稳定控制点进行约束平差计算。3、CPⅡ无约束平差中基线向量各分量的改正数的绝对值满足规范要求后，以所联测的C