高速铁路工程测量精度和测量模式

徐立

【摘 要】从高速铁路设计、施工、运营角度论证铁路工程测量的精度要求,提出新的铁路工程测量模式,阐述改变目前铁路工程测量流程和方式的优越性和可行性. 【期刊名称】《铁道勘察》 【年(卷),期】2006(032)001 【总页数】5页(P1-5)

【关键词】测量精度;铁路测量模式;一次布网 【作 者】徐立

【作者单位】铁道第四勘察设计院,湖北,武汉,430063 【正文语种】中 文 【中图分类】U21

高速铁路的发展使铁道工程勘测、设计、施工和运营组织都发生了巨大变化。它来势迅猛，测量工程师们还没来得及做好充分的技术准备。迫于形势需要，除借鉴国外已有先进技术外，讨论得比较多的就是提高测量精度。其实除适当提高测量精度外，改进测量方法和流程，降低成本，提高效率，是当前铁路工程测量更为重要的课题。

1 高速铁路测量需要采用的精度标准

铁路工程测量标准的提高依赖资金、人力、物质、时间投入的增加。不经充分的实

验资料和严谨的理论论证，大幅提高测量精度，看似加大了保险系数，其实造成资金、人力、时间的浪费；也有可能仍不满足工程要求而产生质量事故。这种做法即使从测量质量的角度来看也是弊大于利。

《京沪高速铁路测量暂行规定》中提到：“高速铁路由于列车运行速度快，对线路平顺性要求高，其测量精度也较一般铁路要求要高。”文中并未解释为什么“列车运行速度快，对线路平顺性要求高，其测量精度也要高”。也未论证测量精度高多少为合适。各设计院撰写的有关高速铁路测量的论文和拟定的细则中，多次有人提到用国家二、三等平面和高程控制网精度控制勘测、设计、施工各阶段测量；还有人考虑国家控制网精度还不够，设想为每条高速铁路建立独立的二、三等控制网。 各设计院测量工程师的想法从经济、效率、和质量各方面考虑有如下困难。 (1)控制测量每提高一个等级其经费增长约40%，观测时间成倍增加。就目前情况来看，多数工程项目给予勘测的工期都十分紧张。

(2)二、三等控制网精度是以对应十几至几十公里的长边为条件的，其密度不能满足铁路测量需要，当进一步用0.5 km短边加密时，其精度回落到一级导线的精度。 (3)布设高等级控制网除精度要求高外还面临其他难题：如起算联测的一等控制点少；平差、计算不同于低等级控制网，更复杂；要进行天文、重力测量需要更专业的部门来完成，铁路设计院和工程局一般不具备施测能力。

(4)关于建立独立的高速铁路二、三等控制网，不强制闭合到国家等级控制网上的设想因下列原因而不可取：

①独立坐标系统一般用于区域性小范围地区，地球面可近似当作平面，不需做高斯投影；长大铁路途经几省，其球面特性不可忽略。

②不具备进行高精度天文、重力测量的能力，数百公里控制网呈狭窄线形，其精度不易控制。

③已有的各种比例尺地形图及沿途经由的道路、江河、城市、机构等，都是以国家

统一大地坐标定位；铁路另辟蹊径，相关关系很难理顺。

列车速度提高使路基、轨道、桥梁结构等受力发生变化，高速运行列车的平稳性要求对铁路线形提出很高标准，这些都和列车速度直接相关。测量精度和高速度并不直接相关，只有间接的关系。这种间接关系在以下几个方面对测量精度提出要求。 1.1 桥、隧等需要高精度控制的建筑物增多

桥、隧或桥隧群通常用假定坐标独立控制网控制，以保证桥隧施工所需精度，其剩余误差由相邻路基测量吸收。在桥、隧建筑高密度区，路基段很短，难以在精度许可范围内平顺连接各个独立结构。表1是铁道第四勘察设计院参与勘测设计的几条快速通道桥隧占线路总长的比例。

表1 若干客运专线桥隧长度线名线路长/km总桥隧百分比1000m以上特大桥2000m以上隧道座数总长/km%座数总长/km%武广71559 2%67128 918%1150 37%郑西48459 7%68195 340%187215%武合40044%3475 719%951 813%

因此将线路控制测量闭合精度提高到1/20 000，使其满足1 000 m以下大桥、2 000 m以下隧道的控制测量精度。只对1 000 m以上特大桥、2 000 m以上长隧道用假定坐标独立控制网进行控制测量，以解决上述矛盾。 1.2 改进传统中线测量方法

用穿线或拨角、量边的极坐标法测设中线，允许误差较大：1/3 000闭合精度，3～5 km在弯道处联测1次，允许闭合差为1～1.5 m；联测后不平差，甩掉闭合差以联测的新坐标继续往前穿。该方法的优点是能以较低的精度进行测量，保证中线不因误差累积而断裂，但测设的中线和图上定线不一致，相差较远。当遇到长大直线段，3～5 km内不能联测甩掉误差时，会使实测线路偏离图上设计线路较远，产生的误差累积可达数米。使用全站仪、GPS-RTK，采用直角坐标法直接放样，误差分配在各个中桩上不累积，能很好地保持测设的中线和图上定线的一致。但这

种方法对控制网测量精度要求较高，要保证从相邻的控制点测设同一个中桩时，较差的限差在5 cm以内。 1.3 关于无碴轨道测量

整体道床、无碴道床钢轨可调节的范围较小，施工对平面和高程测量精度的要求有所提高。以下列出我国秦沈铁路和德、法、日、西四国高速铁路铺轨竣工和养护的精度要求(如表2、表3、表4、表5及表6所示)。

表2 秦沈客运专线轨道不平顺管理标准类别高低/(mm/10m)轨向/(mm/10m)轨距/mm水平/mm扭曲/(mm/2 4m)轨面短波mm/m验收精度33+2，-233+3，-0

表3 法国高速铁路轨道不平顺管理标准项目名称横向振动加速度/ms-2高低/mm轨向/mm车体转向架(12 2m基长)半峰值(31m基长)峰值(10m基长)半峰值(33m基长)峰值目标值32警告值1 23 5510612干预值2 261018816限速值2 8815241220

表4 德国铁路200 km/h区间轨道铺设和维修作业允许公差类别水平纵向高低直线轨向曲线轨向轨距钢轨接头焊缝铺设±2mm2mm/5m2mm/10m2mm，00 21～-0 4mm维修±5mm2mm/16m3mm/10m直线：3～-2mm曲线：-10mm

表5 西班牙线路验收的允许公差极限值测量参数纵向高低线路方向水平轨距钢轨扣件拧紧力矩轨枕间距焊接接头公差极限值备注+10mm/-20mm20m弦实测正矢与理论正矢之差10mm相邻正矢差绝对值3mm每隔5m测量一次正矢差绝对值±10mm20m弦实测正矢与理论正矢之差3mm每隔5m测量一次正矢差绝对值±2mm每隔5m测量一次±3mm轨距与1435mm之差值30N·m/-20N·m扣板中心部分应压在钢轨上一般±30mm个别±50mm核查在36m距离内的60根轨枕，公差在±30mm轨顶面：+0 3mm/-0 2mm工作边：向外0 3mm(凸)

向内0mm(凹)测量1m长的范围内

表6 日本轨道不平顺养护、竣工验收标准项 目养护维修标准(动态)竣工验收标准(动态)有碴轨道区段无碴轨枕区段紧急补修标准(动态)舒适度标准(动态)轨距/mm+6～-4±2±2+6～-4+6～-4水平/mm53275高低/(mm/10m)643107方向/(mm/10m)43264三角坑/(mm/2 5m)53365

从以上诸表可以看出，在各种道床上铺轨应满足以下轨向和高低对精度的要求： ①轨向可容许误差为2 mm/10 m，相当于1/5 000。也就是说，控制测量高于1/5 000(相当于GB50026—93中三级导线的标准)才可以满足铺轨时轨向顺滑的要求。适当提高到1/10 000(二级导线)，足以满足铺轨的轨向精度要求。 ②高低可容许误差为3 mm/10 m。若以2 km设置一个水准点，两点之间精度为其相对精度为：足以满足铺轨的高低精度要求。

上世纪90年代以前，常规铁路对轨向和高低的平顺要求分别为4 mm/10 m和5 mm/10 m。当时，平面控制精度为1/2 000～1/3 000，高程控制精度为而直到目前，现代工程和大地测量仪器精度也还不能够分辨2 mm、4 mm或3 mm、5 mm。所以，根据铺轨平顺和列车运行时乘客舒适来要求控制精度达到毫米不可能也不必要。

随着国民经济和建设快速增长，铁路建设拆迁、征地费用增加。为了保证图上选线和实地放线一致，减少改线测量和盲目拆迁、征地。对控制测量和航测图均应提高精度要求，而且航测图和中线测量应受同一控制系统控制。

综上所述，高速铁路工程控制测量，平面采用一级导线、一级小三角(三边)或E级GPS(3～5 km一对点)网控制，达到1/20 000精度，高程采用五等水准或三角高程达到精度，可以很好地满足速度200 km/h以上铁道工程设计、施工和运营对测量精度的要求。对速度在200 km/h以下铁道工程，增加的测量工作量也不多。制定一个统一标准，指导铁路工程测量是很有必要的和可行的。

2 改变铁路测量的模式

铁路工程测量精度一直是一个倍受测量工程师关注的问题，但铁路测量从未因精度问题对设计和施工产生过影响。问题都出在测量错误、测量资料处理错误等方面。理清各个测量环节之间的关系；简化测量过程使其更简洁、明晰、规范；以容易控制的内业逐步取代难以控制的外业测量(如横断面)，对提高测量质量，保证设计、施工顺利实施更为重要。从简化测量过程，使用最先进测量方法，合理规定测量精度标准着手，提出改进当前铁路工程测量方法和流程的新模式。 2.1 现行铁路测量流程 现行铁路测量流程如图1所示。

从流程图可以看出，航测、线路各自和国家等级控制点联测，形成两个独立系统。航测通过外业、制图后提供给线路，到初步设计阶段就只能当作示意图。由于和线路测量不是同一个控制系统，航测图上定的线放到地面后存在以下系统误差 (1)

式中 M——图上选线和实地放线误差； MJ——加密国家等级点误差影响； MC——初测导线误差影响； Md——定测交点测量误差影响。

(1)式M的3个分项中，MJ由于精度和控制网图形强度都很高，其影响很小。但航外控精度要求距最近国家等级点中误差为0.7 m，故有MJ=0.7 m。 初测导线10 km联测一次，相对中误差为1/10 000，故有MC=1 m。 交点测量每3 km联测一次，相对精度为1/5 000，即Md=0.6 m。 则

因为存在1.36 m的系统误差，尽管航测图已经达到高精度，实现了数字化、电子

文档，仍不能参与实质性设计。1.36 m的系统误差不消除，勘测设计一体化就不能进行。最多进行勘测选线一体化，其作用有限，地形图使用效率也很低。 2.2 关于新测量流程的建议

为了扭转这种状况，使得图纸上定线放样到实地后消除1.36 m的系统误差，需要改变铁路测量流程如下。 (1)一次布网

把原航外控、加密四等控制点、初测导线、定测交点，合并为3～5 km一对GPS点或边长500～1 000 m的导线，做相对精度为1/1.5～1/2万的一次布网，并对其作五等水准测量。后续航测外控、初测低精度导线(1/3 000)、定测中线以至于施工控制都以此为惟一控制依据。消除Mj、Mc、Md的影响。

合并后，除能消除地形图和实地同名点的系统差外，还有以下主要作用： ①简化测量程序，减少测量工作量；

②勘测、设计、施工都只用一次布网的资料和控制桩，资料简单清晰，差错少。 (2)从一次布网控制点直接测设中线

传统中线测量以实地测设桩为准，造成很大的累积误差Md。从一次布网的控制点，采用全站仪、GPS-RTK等设备直接测设中线，跳过初测导线和定测交点测量。这样测设的中线桩和航测图处于同一控制模型控制之下，其误差只有几厘米，实测线路和图上选线达到高精度吻合。其实质是以理论坐标控制测设中线。 这种以理论坐标控制测设中线具有明显的优越性：

①直接从一次布网控制点测设中桩，不用长距离连续转点，避免了误差累积。 ②可以任何里程切入测量，只要不是改线都不会出现断链。这一特点使得中线测量能够不连续进行。可以先测设桥、隧地段，使地质、桥梁、隧道等专业能及早开展工作。提高航测精度后，还可以只对重点地段测设中桩，一般路基在航测模型上直接量测。

(3)从航测模型量测横纵断面

在航测模型上量测横纵断面，国外多家机构进行过研究且已投入使用。国外采用1/3 000～1/5 000大比例尺摄影，或初测做小比例尺摄影，定测再做一次大比例尺摄影。国内有许多单位，特别是铁道部属各设计院进行过研究，但因精度达不到《新建铁路工程测量规范》的规定限差而未能进行下去。 横断面测量检测限差为 高程 (2)

由(2)式可以看出，《新建铁路工程测量规范》规定断面点高程限差一般小于0.3 m。

航摄像片测图能达到精度推导如下： ①摄影比例尺与高程精度的关系

焦距(摄影机)的大小与高程精度成反比，即摄影机焦距越小，像对同名点两光线交会角越大，高程精度越高。但焦距小于一定值以后又会产生植被遮挡等问题。所以按常规一般可以选择88 mm、152 mm、200 mm、300 mm等几种规格的焦距镜头。焦距为150 mm时，其摄影比例尺、航高H和高程精度关系如表7所示。 表7 航摄像片比例尺与高程精度的关系摄影比例尺航高H/m高程精度/mⅠ级地形H/5000Ⅱ级地形H/3000Ⅲ级地形H/15001∶50007500 150 250 501∶800012000 240 400 801∶1200018000 360 601 20 ②利用像元算法的计算公式

其中，1个像元差为25 μm=±0.025 mm，Δh=±H/4 000。

理论上两种计算方法均可得出高程精度在H/5 000～H/3 000之间是可靠的。采

用1/8 000～1/5 000摄影比例尺，按表7航高(1 200～750 m)，高程精度为0.4～0.15 m。该推导得到铁四院航察处认同。

据以上推导，1～2级地形采用1/8 000摄影比例尺，3级地形采用1/5 000摄影比例尺，可以使模型点高程误差控制在0.3～0.5 m。这一误差仍大于《新建铁路工程测量规范》规定限差(见(2)式)。从计算土石方的角度来看，横断面点的精度越高，土石方计算越准确，但20～50 m才做一个断面，如果在这20～50 m之间任意另选一个断面，如果不是很平坦，这个断面和两头断面的较差远不止0.3～0.5 m，这个精度配比显然不合理。采用航摄模型截取断面，断面点的高程精度适当放宽到0.3～0.5 m，把断面间距缩小到原来的1/2～1/3，土石方计算精度将大大提高。

以上3项改变，实际上构成了一个新测量模式。第三步需在第一、二步进行以后才能保证航测模型和实地一致，进而在航模上做横、纵断面。第二步从控制点直接测设中线，控制网必须是一次布网才能保证中线测设正确。 改进测量模式后的流程如图2所示。 图2 新测量模式

按照这个流程图，在勘测、设计及施工各阶段，以至于运营都在一次布网统一控制之下。航测适当加大投入，进行1/5 000～1/8 000摄影，提高测图精度。当一次布网密度不够时，初测只做低精度导线供各专业测绘和调查，初测导线桩不必保留。定测从一次布网控制点上用全站仪或GPS-RTK直接测设中线。中线桩只供勘测设计阶段使用，不必保留。当航测精度较高，植被不过于浓密时，横断面、部分纵断面直接从航测模型上截取，或者直接进入勘测设计一体化工作站进行设计。交桩资料为一次布网控制点和各专业设计建筑物的理论坐标。整个测量过程环节少、效率高，外业工作量大幅减少，资料十分简洁，图纸、资料和实地桩标注一致。铁道第四勘察设计院在郑西线试用航测技术测量线路、站场横断面和1∶500工点图，直

接进行生产；对桥、隧专业的纵断面测量进行了实验。批量检查和精度评定如表8、表9、表10所示。

表8 横断面点比较数据 m较差≤0 10 1～0 20 2～0 30 3～0 50 5～1≥1个数2171778364277百分比38%31%14%11%5%1%

表9 洛河特大桥外业勘测与航测纵断面成果比较统计数据 m较差≤0 10 1～0 20 2～0 30 3～0 50 5～1≥1 0个数161671953212百分比54 4%22 6%6 4%1 7%10 8%4%

表10 北留特大桥外业勘测与航测纵断面成果比较统计数据 m较差≤0 10 1～0 20 2～0 3≥0 30 5～1≥1个数371449百分比57 8%21 9%6 3%14%

比较以上诸表可见：小于0.2 m较差为70%；小于0.3 m较差为80%，精度良好。对超过0.5 m较差的点进行了检查和分析，除少部分是摄影后地形变化(如修路)，主要原因是外业实测误差、漏点(实测不可能像航测模型取点那么密)或者中线桩放偏。反而证明航模上取点可靠性高。

以上整个模式，各个设计院都针对相关内容作了些调研和实验。还可以进一步完善，但已不存在实质性困难，尽早推行使用对高速铁路的建设十分必要。 参考文献

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