高速铁路工程测量课件

2020/4/191工程测量学第十章高速铁路工程测量2020/4/192主要内容和重点主要内容：1绪论2高速铁路控制网布设和精密测量基准3轨道控制网布设和处理4轨道系统精密测量5双块轨枕精调6轨道板精调7通用型强制对中装置8高速铁路的变形监测重点友情提示！难点需要掌握点2020/4/1931绪论1.1高速铁路定义1.时速100～120公里称为常速；2.时速120～160公里称为中速或准高速；3.时速160～200公里称为快速；4.时速200～400公里称为高速；5.时速400公里以上称为特高速。国际铁路联盟对高速铁路的定义：通过改造原有线路，使营运速率达到每小时200公里以上，或者专门修建新的“高速新线”，使营运速率达到每小时250公里以上的铁路系统。中国对速度的界定2020/4/191绪论1.2高速铁路分类优点：技术成熟，经济，与既有路网的兼容性好。缺点：噪声大。按驱动方式划分轮轨系统高速铁路磁悬浮铁路优点：速度快，噪声小。缺点：技术不成熟且造价高，与既有路网不兼容。上海磁悬浮——世界唯一磁悬浮营运线路列车在钢轨上运行列车悬浮在轨道上42020/4/191绪论1.2高速铁路分类优点：轨道稳固、线路平顺，运营维护工作量小。缺点：造价高。轮轨系统按照道床结构划分无砟轨道系统有砟轨道系统优点：造价低。缺点：线路不稳定，昼间运营，夜间维护，运营维护成本高。5Ⅱ型双块系统Ⅰ双块系统双块轨枕单元板：无挡肩，板间不连接连续结构：有挡肩，板间张拉连接并灌注砼将轨枕精确压入混凝土中将双块轨枕排精调好后再浇混凝土2020/4/191绪论1.2高速铁路分类无砟轨道系统分类双块式无砟轨道系统板式无砟轨道系统Ⅰ型板式系统Ⅱ板式系统6钢轨铺设和轨道精调(精度0.3毫米)浇筑轨道板间的接缝轨道板纵连与锁定•形成带状受力结构灌注CA砂浆填充层•轨道板与底座板耦合轨道板铺设和精调•亚毫米级精度(0.3mm)1绪论1.3高速铁路修建过程(以CRTSⅡ型板为例介绍)下部主体工程施工•桥梁、隧道、路基、涵洞•厘米级精度支承层或底座板施工•毫米级精度(3mm)通过锁件张拉宽接缝无砟轨道成型71绪论1.4高速铁路工程分类和测量要求下部主体工程施工•桥梁、隧道、路基、涵洞•厘米级精度线下工程钢轨铺设和轨道精调精度0.3毫米浇筑轨道板间的接缝轨道板纵连与锁定灌注CA砂浆填充层轨道板铺设和精调•亚毫米级精度(0.3mm)支承层或底座板施工•毫米级精度(3mm)基础承轨结构轨道扣件轨道系统除了严格控制沉降和变形外，其它方面与传统铁路测量并无本质区别精密工程测量•独立测量基准•三网合一技术•专用测量工具•特殊测量手段•强调相对精度•精密测量设备82020/4/191绪论1.5高速铁路测量关键技术•变形控制和精密测量技术是高速铁路建设中与测量相关的两大关键技术。•高速铁路实现列车高速行驶的前提条件：①轨道系统的高稳定性一次性建成稳固、可靠的线下工程；严格控制沉降和变形。②轨道系统的高平顺性精密测量技术：测量精度0.3mm；特殊测量手段：严格控制误差传递和积累，确保轨道平顺。92020/4/19101.6中国高铁发展历程提速——中国铁路步入现代化的起点1997年4月1日1998年10月1日2000年10月21日2001年10月21日2004年4月18日2007年4月18日铁路六次大面积提速从48.1公里提升到65.7公里；直达特快最高时速160公里全国铁路旅客列车平均时速新增“D”字头的动车组时速200~250公里1绪论1.6中国高铁发展历程京津城际铁路，全长119公里，桥梁比例86％；2005年7月4日开工，三年建成，运营时速350公里；运营第一年，旅客输送量达1870万人次。追赶——2008年8月1日，中国第一条时速350公里高速铁路建成通车——中国高铁进入世界先进行列1绪论112020/4/191.6中国高铁发展历程超越——全长1069公里，设15个客运站；桥隧比67％；2005年6月23日开工，2009年12月通车运营；设计时速为350公里，全程运行时间3小时；设计行车间隔3分钟，每天开行列车达201对。武广高铁首次实现两车组重联动最高试验时速394.2公里——世界领先1绪论122020/4/191.6中国高铁发展历程领跑——全长1318公里，世界上一次建成里程最长，技术最先进；设计时速380公里，全程运行时间4小时；行车间隔3分钟，为沿线居民提供“陆地飞行”般的便利。2010年12月3日，京沪高铁创造了486.1km/h的铁路运营试验的世界最高速度——中国高铁，领先世界1绪论132020/4/191.6中国高铁发展历程到2014年底，中国高铁运营里程将达到16500公里，约占世界总里程的2/3；“四纵四横”高铁路网主骨架已经大部分建成。1绪论14中国高铁带着世界飞……2020/4/192高速铁路控制网布设和精密测量基准2.1高速铁路测量控制网分级•平面控制网分四级，逐级向下控制；高程控制网为二等水准网。•第一级为框架控制网，简称为CP0网；•第二级为基础平面控制网，简称CPⅠ网；•第三级为线路平面控制网，简称CPⅡ网；•第四级为轨道控制网，简称CPⅢ网。控制网测量方法相邻点的相对中误差(mm)点间距CP0GPS20约50kmCPⅠGPS10约4000mCPⅡGPS8600～800m附合导线8400～800mCPⅢ自由测站边角交会1点对间距50～70m二等水准二等水准测量高差中误差2mm/km约2000m说明：1、相邻点的相对中误差指X、Y坐标分量中误差。2、相邻CPⅢ点高程的相对中误差为0.5mm。152020/4/19162.2布网方法及数据处理原则•框架控制网(CP0)布设•在线路初测前布网和测量，用静态GPS技术建网；•点间距约50km，应与IGS参考站或国家A、B级GPS点联测；•联测点数不少于2个，且均匀分布；•每个点上的独立基线不小于3条，采用精密星历解算基线；•要求全线一次性布设、测量和整体平差。2高速铁路控制网布设和精密测量基准2.2布网方法及数据处理原则•基础平面控制网(CPⅠ)布设•在线路初测阶段建立，用静态GPS技术建网；•点间距约4km，隧道段应在洞口处加设一对CPⅠ点；•由三角形、大地四边形构成的带状网，附合在CP0网上；•全线一次布网、测量和整体平差；•整网三维约束和无约束平差在2000国家大地坐标系中进行；•GPS测量的空间直角坐标分区、分带投影带至工程独立坐标系中。2020/4/19172高速铁路控制网布设和精密测量基准2020/4/19182.2布网方法及数据处理原则•线路控制网(CPⅡ)布设•在线路定测阶段建立，用静态GPS技术或精密导线建网；•沿线路每600～800m布设一个点(隧道洞内每300～600m布设一对点)；•由三角形、大地四边形连接成的带状网，并附合在CPⅠ网上；•隧道段，采用四至六条边的导线环布网，并附合在洞口CPⅠ点上；•全线应一次布网、测量和整体平差。2高速铁路控制网布设和精密测量基准2020/4/19192高速铁路控制网布设和精密测量基准2.2布网方法及数据处理原则•轨道控制网(CPⅢ)布设•在线下主体完工、沉降变形趋于稳定后建立，用精密测量机器人施测；•平面和高程共点的三维控制网，控制点埋设强制对中装置；•平面控制基准是CPⅠ或CPⅡ点；•自由设站后方边角交会方式布设，网形规则；•轨道系统施工和运营维护的控制基准；•数据处理采用传统平面、高程平差或三维平差。2020/4/19202高速铁路控制网布设和精密测量基准2.3建立高速铁路精密测量基准•高速铁路轨道系统应在精密的工程独立基准下进行测量；•建立精密测量基准，包括确定最佳区域椭球和选择最佳投影两方面；•高速铁路测量通过对WGS84椭球的改造来确定最佳区域椭球；•目的：实现区域椭球面与工程投影面的最佳拟合。2020/4/19212高速铁路控制网布设和精密测量基准2.3.1同时改变椭球的长半轴和偏心率•以WGS84为基准椭球，便于GPS成果转换；•推算条件：测区中心P在基准椭球和区域椭球中大地坐标不变。变量假设：投影面高程为WGS84椭球参数：长半轴为第一偏心率为基准位置点在84系中的坐标：大地经度为大地纬度为大地高为hPaePLPBPH2020/4/19222高速铁路控制网布设和精密测量基准2.3.1同时改变椭球的长半轴和偏心率•保持椭球定位、定向不变，P点三维空间直角坐和大地坐标都不变；•同时改变椭球的长半轴和偏心率；•新椭球面通过P点沿法线方向在测区平均高程面(投影面)上的投影;•新的椭球面最大限度地接近测区平均高程面。O假设新椭球要素为和；在新椭球坐标系中，P点大地高由变为；由右图可知，P点大地高的变化量为：1a1ePH'PH)110()('hHHHHPPPPP2020/4/19232高速铁路控制网布设和精密测量基准2.3.1同时改变椭球的长半轴和偏心率2020/4/19242高速铁路控制网布设和精密测量基准2.3.2垂线偏差改正•通过垂线偏差改正实现区域性椭球与测区水准面的最佳拟合；•区域椭球的法线与WGS84的椭球法线一致；•转换过程：xxzuu2020/4/19252高速铁路控制网布设和精密测量基准2.3.2垂线偏差改正基准点PxyzP'''zyxP以法线为基准的站心大地坐标系iiiiiiuiiizyxzyxRzyx11001'''以基准点P为旋转中心以垂线为基准的站心天文坐标系转换2020/4/19262高速铁路控制网布设和精密测量基准2.3.2垂线偏差改正)610(0cossincossinsinsincosPPPPPPPZYXLLBBLBL2020/4/19272高速铁路控制网布设和精密测量基准2.3.2垂线偏差改正O)710(000'''ZYXiiiiiiZYiXiiiiXYXZYZZYXZYX2020/4/19282高速铁路控制网布设和精密测量基准2.3.2垂线偏差改正•对于旋转中心P，转换前后三维坐标应保持不变，由此可得•即)810(000ZYXPPPPPPZYXXYXZYZ)910(0)()()(0)()()(0'''ZYXPiPiPiPiPiPiiiiiiiXXYYXXZZYYZZZYXZYX2020/4/19292.3.3垂线偏差如何确定？2高速铁路控制网布设和精密测量基准0cossincossinsinsincosPPPPPPPZYXLLBBLBLxyzuu法线垂线2020/4/19302.3.3垂线偏差如何确定？2高速铁路控制网布设和精密测量基准xyzuWENSDNSWED)1010(206265NSNSNSNSDD)1110(206265WEWEWEWEDD2020/4/19312.3.3垂线偏差如何确定？•高铁建在狭长带状区域，沿线每两公里左右就有一个二等水准点；•大约有50%的水准点与CPⅠ点重合；•利用GPS测量的大地高，很容易求得沿线路走向上的高程异常；•对于高速铁路精密工程测量控制网，直接利用线路走向上垂线偏差的子午分量和卯酉分量来代替和。2高速铁路控制网布设和精密测量基准112020/4/192020/4/19322.3.4选择最佳投影•传统投影方法是高斯投影。对于地形起伏不大的南北走向工程，建立一个坐标系就可以控制较大区域，甚至是整条铁路。而对于非