城市軌道交通軌道工程測量技術(shù)

1、城市軌道交通軌道工程測量概述近年來，我國迅速發(fā)展的地鐵、輕軌等城市軌道交通，對列車安全行駛、乘客旅途舒適性的要求越來越高。由于城市軌道交通的軌道結(jié)構(gòu)采用混凝土整體道床，軌道工程一次定位，幾乎不能再調(diào)整；而鋪軌基標是高標準軌道混凝土整體道床的軌道鋪設控制點，故高精度滿足鋪軌要求的測量工作，重點是用鋪軌基標來保證軌道的設計位置和線路參數(shù)，同時也保證行車隧道的限界要求。這就對鋪軌精度提出了更嚴格要求，因此精確測設鋪軌基標是保證地鐵軌道高精度施工的重要環(huán)節(jié)。何謂鋪軌基標？鋪軌基標是高標準軌道整體道床的軌道鋪設控制點，它是具有精確平面坐標和高程的標志；按精度等級可劃分為控制基標和加密基標；鋪軌基標埋設位置有兩種，即位于線路中線或線路中線的一側(cè)。圖一為：利用直角道尺（精度0.5mm）通過沿線布設的鋪軌基標精確確定一股鋼軌的位置和標高。（圖一）（圖二）軌道工程測量的實質(zhì)？軌道工程測量的主要工作是鋪軌基標測量。其實質(zhì)是按照設計線路和鋪軌綜合設計圖的要求，以一定的間隔，在線路中線或其一側(cè)測設具有精確平面坐標和高程的標志，作為鋪軌的平面和高程依據(jù)。見圖二。在廣州市城市軌道交通軌道工程建設中，我們總結(jié)如下《城市軌道交通軌道工程測量作業(yè)流程圖》：城市軌道交通軌道工程測量作業(yè)流程圖從《城市軌道交通軌道工程測量作業(yè)流程圖》中，我們可以看出軌道工程測量主要包括：施工控制點復測（四等平面控制、二等高程控制）、控制基標測設（三維放樣、歸化改正滿足規(guī)范要求精度）、加密基標測設（三維放樣、復測滿足規(guī)范要求精度）、竣工測量、其他測量工作等。2鋪軌基標測量作業(yè)程序2.1施工控制點的交接和復測軌道專業(yè)施工所需的中線方向、里程、高程等均是由地面精密控制點引入，為保證鋪軌精度，要求鋪軌前應全面的對其檢測，通過貫通測量后，對施工控制點進行統(tǒng)一的調(diào)整和平差后再設置基標，以保證基標的精度。鋪軌基標的測設依據(jù)為業(yè)主測量隊提供的施工控制點。施工單位進場后，在駐地監(jiān)理工程師的主持下由施工單位測量隊、業(yè)主專業(yè)測量隊、業(yè)主代表四方進將岔前點和岔后點或?qū)⒉硇狞c也設置為控制基標，那么120m線路內(nèi)會多兩個或一個控制基標，導致兩兩控制基標間距離太短。從測量技術(shù)角度分析，短邊對測角精度的影響較大，這不利于道岔在120m線路范圍內(nèi)的直順。反之，將道岔基標作為加密基標測設，即可用間距為120m的兩個控制基標進行測設；這不但滿足道岔定位的精度，也滿足道岔與線路的直順。（2）規(guī)范中，明確“道岔鋪軌基標測設方法，可按鋪軌基標坐標直接測設，也可先測定岔心和直股與曲股線路方向，然后利用道岔線路中線點測設基標”；同時規(guī)范明確了“利用線路中線點測設道岔鋪軌基標時，其測定限差應滿足的要求”。由此，可以看出：道岔鋪軌基標的測設方法有兩種，前者“按坐標直接測設”，即按加密基標測設；后者“根據(jù)岔心和直股與曲股線路方向測設”，即將岔前點和岔后點或?qū)⒉硇狞c當作道岔的“軸線點”，然后控制道岔其他基標的測設，但也未明確“軸線點”一定是“控制基標”。2.3鋪軌基標測設的內(nèi)外業(yè)工作2.3.1內(nèi)業(yè)計算對于高精度的鋪軌基標測設來說，其精度除了受到所選放樣方法和已知點精度影響外，還與鋪軌基標坐標、高程的計算精確程度有很大關(guān)系。坐標計算通常是在局部坐標系下通過截取坐標級數(shù)展開式的有限項求得，這不可避免地影響坐標的精確程度。鋪軌基標測設數(shù)量大、精度高、報檢資料多、時間緊，故鋪軌基標坐標及高程計算是測量內(nèi)業(yè)的重點工作。為滿足實際生產(chǎn)需要，廣州地鐵項目部已完成《鋪軌基標測量內(nèi)業(yè)軟件》的開發(fā)；該軟件采用統(tǒng)一坐標系下不受線性限制的復合辛普森公式作為計算鋪軌基標坐標的數(shù)學模型，在設有豎曲線地段采用不受坡度和半徑大小影響的嚴密公式作為計算豎曲線高程的數(shù)學模型；并融數(shù)據(jù)計算、報表生成、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)管理于一體，輕松實現(xiàn)測量內(nèi)業(yè)工作程序化操作。其計算結(jié)果以Exlce表格形式保存，并自動生成符合業(yè)主要求的報表，直接打印即可提交資料；其計算數(shù)據(jù)還可通過數(shù)據(jù)線或數(shù)據(jù)卡批量輸入全站儀，外業(yè)即可利用儀器存儲的數(shù)據(jù)進行作業(yè)，避免大量數(shù)據(jù)手工輸入帶來的人為錯誤，大大提高外業(yè)效率。2.3.2鋪軌基標測設的基本原則由于軌道專業(yè)施工時，車站控制點一般從地面直接投測，精度比較高，加之車站線路一般為直線，線路與站臺間距限差要求很嚴，不宜在車站進行線路調(diào)整。因此在基標測設中，堅持“車站不動，調(diào)整區(qū)間”的原則，以“兩站一區(qū)間”為鋪軌單位，進行鋪軌基標測設。2.3.3控制基標的測設由于城市軌道交通是以車站和區(qū)間分段施工，所以測量控制基標也是分段分批測放的。鋪軌控制基標的測設是以“兩站一區(qū)間”為測設單位，主要采用全站儀坐標放樣法?？刂苹鶚说臏y設精度直接影響加密基標的測設精度，故放樣控制基標應注意：每放樣一個控制基標，必須進行方向歸零檢核，歸零誤差應在限差之內(nèi)，否則重新放樣。鋪軌控制基標的測設包括三個步驟:初步測設：根據(jù)鋪軌基標坐標資料，采用全站儀坐標放樣法測設至地面，并初步固定。串線測量：控制基標埋設完成后，應對“測設單位”的控制基標進行串線測量，主要檢測控制基標間角度、邊長、高差等幾何關(guān)系是否滿足規(guī)范要求。當控制基標間幾何關(guān)系超限，并與線路存在較大偏差時應進行調(diào)線測量。歸化改正：調(diào)線前，先計算控制基標間夾角實測值與理論值較差△α，根據(jù)△α和控制基標間距計算出控制基標在垂直于線路方向的改正值△s，然后在現(xiàn)場對△s較差超過規(guī)范時所涉及的控制基標進行歸化改正。歸化改正時要照顧到相鄰基標改正值的相互影響，往往僅改正一個點就可使相鄰點幾何關(guān)系滿足要求。鋪軌控制基標的高程則利用施工控制水準點測定，其觀測方法和限差按二等水準測量的主要技術(shù)要求施測?！窘?jīng)驗交流】由于一條線路將埋設大量的鋪軌基標，因此測設鋪軌基標時必須采用分段控制，中間加密的方法，即先測設控制基標，然后在控制基標間測設加密基標。這樣每一個鋪軌基標的精度才能達到規(guī)范要求。由此，我們可以看出：軌道工程測量精度最高、難度最大的工作就是控制基標的測設，而控制基標的測設關(guān)鍵是歸化改正?？刂苹鶚恕皻w化改正”往往需反復進行多次，如若控制基標高程及其之間的角度與邊長不能滿足限差要求時，則重新進行“歸化改正”，直至滿足要求為止。通常，初次進入城市軌道施工的單位，都會出現(xiàn)因測量技術(shù)無法快速解決控制基標精度而導致軌道鋪設嚴重窩工的情況，比如：廣州地鐵二號線時，我們項目部在公-紀區(qū)間因控制基標測設未能按時測量合格，導致該區(qū)間鋪軌受影響；廣州地鐵三號線時，中鐵一局客-大區(qū)間控制基標歸化改正15天未達到規(guī)范要求的精度，導致嚴重窩工。通常我們采用的歸化改正方法有兩種：（1）坐標法：根據(jù)調(diào)線測量平差結(jié)果，計算各控制基標改正數(shù)，分別改正。（2）角度距離法：根據(jù)控制基標串測導線的角度、距離偏差，沿線路垂直方向調(diào)整控制基標點位，使相鄰控制基標的夾角滿足限差要求。通過廣州城市軌道交通四號線的實踐、分析和總結(jié)，我們對以上兩種歸化改正方法進行闡述。A、坐標法：坐標法能嚴格將點位改正到理論位置，該法利用控制基標“雙重屬性”的特性進行強制性歸化改正?？刂苹鶚耸鞘紫仁恰皽y設點”，通過內(nèi)業(yè)設計和計算可獲得“設計坐標”；其次是“導線點”，控制基標初步測設后，對“測設單位”的控制基標進行串線測量，記錄控制基標間角度、邊長，使其與施工控制點聯(lián)測形成附合導線，通過嚴密平差計算可獲得控制基標“實測坐標”。（1）普通坐標法：無需歸化改正計算模型，只需簡單利用控制基標“實測坐標”與“設計坐標”差值（Vx，Vy）進行點位改正，屬于強制性歸化改正。但這種方法，實地操作相當困難，僅僅是停留在理論上，一般不被采用。（2）圖形坐標法：無需歸化改正計算模型，只需簡單利用控制基標“實測坐標”與“設計坐標”的比例圖形進行點位改正，屬于強制性歸化改正。該方法簡單易懂，但實地操作不方便，建議實踐經(jīng)驗不足的測量工作者采用。圖中Pj-1、Pj、Pj+1是實測點位，P是設計點位。先畫PjP，使其圖紙比例尺是1：1，并將其延長至圖紙邊緣。然后以較小的比例尺畫出Pj-->Pj-1和Pj-->Pj+1的方向線。再畫指北線N供防止錯誤用。帶著這些圖紙去現(xiàn)場。借助小針將圖紙的Pj點放在實地的控制基標點上，旋轉(zhuǎn)圖紙以兩條方向線定向圖紙。然后沿PjP方向用鋼板尺丈量距離，得P的點位。我認為如果細心操作歸化的精度可接近0.5mm。此方法得到北京城建勘測設計研究院的教授級高工秦長利和上海同濟大學測量教授陳龍飛的認同。（3）改進型坐標法：回歸控制基標點位與線路中線關(guān)系，尋求簡潔計算方法，獲取點位縱橫向改正值（VL，VD）。該方法使現(xiàn)場歸化改正形象直觀，簡單易行，在工程中得到普遍應用。通過設計圖提供的線路中線要素資料，根據(jù)施工要求設計控制基標里程和邊距，即可計算出控制基標的設計坐標，這是內(nèi)業(yè)計算的一部分工作（已實現(xiàn)計算程序化），可稱之為“坐標正算”；反之，根據(jù)控制基標“實測坐標”也可反算出該坐標相對于線路中線的里程和邊距，可稱之為“坐標反算”。將控制基標“實測坐標”轉(zhuǎn)換為以“里程和邊距”的表現(xiàn)形式，就很容易計算設計邊距與實測邊距的差值、設計里程與實測理論的差值，這些差值即時控制基標歸化改正的數(shù)據(jù)。實際作業(yè)中，合理忽略里程偏差，重點考慮邊距（橫向）偏差，因為點位橫向誤差才是影響控制基標間角度圓順的主要因素。此方法得到北京城建勘測設計研究院的教授級高工秦長利和上海同濟大學測量教授陳龍飛的認同。B、角度距離法：先計算控制基標間夾角實測值與理論值較差△α，根據(jù)△α和控制基標間距計算出控制基標在垂直于線路方向的改正值△s，然后在現(xiàn)場對△s較差超過規(guī)范時所涉及的控制基標進行歸化改正。角度距離法在滿足施工需要的前提下，合理忽略距離偏差，重點考慮角度偏差，計算、操作相對簡單，在工程中得到普遍應用。但通常進行角度距離法歸化改正時，人為判斷和選取需改正的點位，憑借經(jīng)驗試探該點橫向改正值。由于在串測的導線上，一點的橫向改正會引起相鄰兩點間夾角的變化，因此須反復試探調(diào)整各點改正值，才能滿足調(diào)線和歸化改正要求。此方法既無固定規(guī)律又不嚴密，效率又低，實踐經(jīng)驗不足的測量工作者很難掌握。這種方法是有經(jīng)驗的現(xiàn)場測量人員最擅長、也必須掌握的方法。我們也稱之為“手工改正法”。秦長利，北京城建勘測設計研究院的教授級高工，主要從事地鐵工程測量工作和研究，國家強制性標準《地下鐵道、輕軌交通工程測量規(guī)范》主要編寫人。他曾發(fā)表《地鐵控制基標歸化改正原理及編程實現(xiàn)》一文。文章以角度距離法為出發(fā)點，總結(jié)點位橫向改正值與角度改正數(shù)的變動規(guī)律，建立較合理的數(shù)學模型，尋求簡潔實用的計算方法，實現(xiàn)歸化改正點位自動選取與對應改正值的自動計算。這才是真正意義上的“角度距離法”。在城市軌道交通四號線中，測量隊也曾借助數(shù)學軟件Mtlab、Exlce、人工分步計算實現(xiàn)了此程序模型，實踐表明該歸化改正原理模型的理論計算精度相當高，是目前國內(nèi)同類數(shù)學模型的最優(yōu)計算方法，很值得我們學習、分析和借鑒，但完全實現(xiàn)程序化的難度很大（公司欠缺熟練編程人員）。2.3.4加密基標的測設加密基標的測設方法采用全站儀坐標放樣法，其測設依據(jù)為已經(jīng)精確測設的控制基標。以控制基標間的方向，按加密基標的里程，在控制基標間測設加密基標。加密基標的高程依據(jù)控制基標高程用精密水準儀測定。2.3.5道岔基標的測設道岔基標的測設方法同加密基標。岔區(qū)基標一般測設在道岔直股一側(cè)，但各種類型道岔的基標位置各異，而且它的位置