普速鐵路軌道控制網的布設研究

王大帥,汪 澤

(1.鄭州鐵路職業技術學院,河南 鄭州 451460;2.東網空間地理信息有限公司,河南 鄭州 451460)

軌道控制網是鐵路軌道工程的重要設施,在新線鋪設階段作為測量控制網保障軌道的高精度鋪設,在鐵路養護維修階段為線路的平順性和穩定性提供保證。軌道控制網在高速鐵路中應用已經十分成熟,而在普速線路中,尤其是成網運營較久的線路,由于資料不全、線路變形、精度較低等原因,導致大量普速線路缺少全線統一、滿足維修養護要求的軌道控制網。根據國鐵集團統計,這樣的普速線路在2019年已達到了1.9萬公里。同時,普速線路因其結構組成限制,沉降和變形問題較為突出,養護維修成本較高,因此建立標準化的普速線路軌道控制網,對于線路的安全穩定和降低維護成本是十分必要的。

1 普速鐵路軌道控制網的建網設計思路

國家鐵路局發布的《鐵路工程測量規范》將軌道控制網(CPⅢ)定義為沿線路布設的三維控制網,平面起閉于基礎平面控制網(CPⅠ) 或線路平面控制網(CPⅡ),高程起閉于線路水準基點,是軌道施工和運營維護的基準,其組成分為平面控制網和高程控制網[1]。按分級布網的原則進行,整網分三個等級,即基礎控制網(CPⅠ)、線路控制網(CPⅡ)和軌道控制網(CPⅢ)。平面測量精度CPⅠ為衛星定位測量四等精度、 CPⅡ為衛星定位測量五等精度、CPⅢ為鐵路一級導線測量精度,高程測量精度均采用四等水準測量精度。以《有砟軌道固定樁設置及測量暫行技術條件》為依據,參考我國高速鐵路CPⅢ三級控制網的建網方法,在滿足普速鐵路線路大修的精度要求下,以節約建網成本和提升作業效率為指導,在控制網建網技術、測設方法、控制點布設等方面進行適應性改進,設計了普速鐵路軌道控制網的基本布設方案。

2 基準控制網

2.1 基準控制網的測量方法

基準平面控制網應采用邊聯結方式構網,形成三角形和四邊形組成的帶狀網?；鶞示W平面控制測量宜采用衛星定位觀測法,精度等級為衛星定位測量四等,也可采用同等精度的其他方法。

基準高程控制網的高程數據采用GPS靜態擬合,并引入重力精確計算方式求出?；鶞士刂泣c和基準控制網加密點采用水準聯測,其精度應與基準控制點同級。水準點宜與基準網平面控制點共點。水準基點的測量一般用四等水準附合或閉合路線的測量方式。實驗證明采用光電測距三角高程法亦能滿足精度要求,因此地形復雜或行車密度大的鐵路既有線上可使用全站儀測量高程[2]。

2.2 基準網控制點的布設方法

基準網控制點布設宜將平面與高程控制點共用,布設間距考慮布網成本和使用需要,以800～1 000 m間距為宜?？刂泣c應布設在鐵路安全區范圍內,要求穩定可靠,不易被臨近施工影響,同時注意點位之間的通視情況,在橋梁和隧道等建筑物范圍內優先考慮控制點與結構物結合的方式。平面控制點的衛星專用測釘采用鉆孔方式并使用專用錨固劑埋設在軌道兩側橋臺、臺帽或接觸網拉桿等穩固基礎上。穩定的構筑物頂上設置的基準網控制點(平高點)標石,應與構筑物頂面牢固連接。

3 固定樁軌道控制網

3.1 固定樁埋設

固定樁在鐵路用地界范圍內布設,雙線線路沿兩側分開布設,沿線路方向點間距為300～350 m;單線線路沿單側布設,沿線路方向點間距為300～350 m,宜采用“一字型”布設。固定樁位置應通視良好、交通方便。對于小半徑曲線、通視條件不佳地段,應加密布設固定樁。在曲線控制點、變坡點、豎曲線起終點,以及橋梁和隧道起訖兩端處如有需要可以增設固定樁。固定樁一般設置在距線路中線2.5～4.0 m處,應位于高于軌面0.3～0.8 m范圍內。既有線上可用抱箍緊固裝置將固定樁設置在接觸網桿上,免去了重新建樁,且能保證良好的穩定性和觀測視野。

3.2 平面控制網

為提高CPⅢ網的建網效率,不再采用高速鐵路CPⅢ網“自由設站、后方交會”的煩瑣建網方法。建網時固定樁軌道平面控制網應附合于基準網,采用自由測站邊角交會法施測[3],也可采用附合導線網混合網形,多測回邊角測量方法,這樣有效避免了行車干擾,并使測量工作不必納入“天窗點”內,提高作業效率[4]。CPⅢ網平面控制點在與基準網通過自由測站聯測時,需要保證同一個基準網控制點要在連續兩個以上的自由測站進行測量。傳統的絕對測量軌道檢測設備均采用高精度全站儀進行測量,受限于全站儀的性能指標,每隔60 m布置一對CPⅢ控制點。而軌道檢測領域中慣性導航技術的應用,依據其慣性指標,可以將控制點間距從60 m延長至300～500 m,同樣滿足測量指標要求。因此,CPⅢ控制點的設置間距可根據普速鐵路檢測精度需求擴大至150 m,并單點設立。平面控制網平差計算時,前后區段獨立平差重疊點坐標差值應不超過8 mm,且后一區段的平差計算應以本區段的基準點和前一區段的連續兩對(個)固定樁點作為約束點。

3.3 高程控制網

固定樁高程控制測量精度等級為四等,采用水準測量或全站儀三角高程測量。采用水準測量在與基準網進行聯測時,CPⅢ高程控制點應與基準網水平控制點組成附合水準路線,聯測距離應在1 km之內,每千米高差偶然中誤差≤5 mm,每千米高差全中誤差≤10 mm。采用全站儀進行高程測量時,可與平面測量同時進行以提升效率,同步獲取邊長和天頂距觀測值。同樣應注意,每個基準控制點要在連續兩個以上的自由測站進行測量校核。自由測站的每站觀測樁點為7個固定樁,測站選取時保證“前四后三”,即前視四個固定樁、后視三個固定樁。觀測后要與基準網水準基點進行固定數據嚴密平差。平差時可分段平差,分段長度≥4 km,重疊長度≥240 m,平差后高差改正數≤5 mm,高差觀測值的中誤差≤3 mm。

4 普速鐵路軌道控制網的應用

軌道控制網建網后,采用慣性導航軌檢小車對鐵路線路進行平順性快速檢測。慣性導航軌檢小車采用高精度慣性導航系統連續測量軌道線形的位姿,結合攝影測量技術獲取軌檢小車與控制網的相對關系,綜合解算出軌道在控制網坐標系下的絕對坐標和相對幾何參數。相對于傳統的全站儀配套軌檢小車,慣性導航軌檢小車不需要設站,測量技術操作簡單,可不間斷連續行駛測量。在檢測時需要將控制點的光學棱鏡更換為軌檢小車專用測量標靶,可達到5～10 km/h的檢測速度。檢測完成后將檢測數據導入鐵路大修設計軟件中,擬合軌道平順性理想線形,根據與實測線形的差異生成線路的起撥道量,再自動導入大機作業軟件中,實現軌道調整數據和大機作業軟件參數的無縫對接,使大修機械直接讀取結果進行作業,改變既有的大機工作模式,將原有的人工引導作業改為數據化智能化作業[5]。

5 結語

高鐵軌道控制網均采用煩瑣的“自由設站、后方交會”建網方式,而普速鐵路因其精度要求較低且運輸密度高,建議采用附合導線網、多測回邊角的測量方法,在滿足運營維護需求的同時,不需“天窗”作業,不干擾行車。在采用慣性導航軌檢小車的前提下,可使軌道控制點(CPⅢ)的間距由高鐵的60 m拉大至300～500 m,大大降低了建網成本。普速鐵路軌道控制網的標準化成網,可將線路快速檢測、線路理論中線擬合、線路調整方案智能化分析與大機養護維修結合于一體,對鐵路線路養護維修的自動化、智能化具有重要意義。