韓三琪

(寧波市軌道交通集團有限公司　浙江寧波　315000)

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城市軌道精密三維測控新技術(shù)的研究與應(yīng)用

韓三琪

(寧波市軌道交通集團有限公司浙江寧波315000)

介紹城市軌道交通領(lǐng)域的軌道三維測控新技術(shù)，通過在地下控制測量中研究并應(yīng)用自由測站三維邊角測量新技術(shù)，實現(xiàn)控制點在施工與運營維護中的長久保存和使用，可顯著提高地鐵控制網(wǎng)的精度；在城市軌道交通中提出并應(yīng)用軌道幾何狀態(tài)測量儀進行軌道精密測量，實現(xiàn)城市軌道測量的自動化與程序化，可提高軌道的初始平順性；研究軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)的測量與三維數(shù)據(jù)處理技術(shù)，并研發(fā)出自由測站三維邊角網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集與處理軟件，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理的一體化，能夠有效提高軌道測控的相對和絕對精度以及平順性，具有較好的推廣應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞城市軌道交通；軌道工程；精密測量；三維測控

1　技術(shù)概況

軌道是城市軌道交通行車的基礎(chǔ)，其堅固的穩(wěn)定性和良好的平順性是列車安全舒適運行的保障。我國城市軌道交通線路正線普遍采用無砟軌道(混凝土整體道床)的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)北京、上海和廣州等城市軌道交通多年的運營經(jīng)驗，振動和噪聲問題是伴隨軌道交通運營對周圍環(huán)境產(chǎn)生的不良影響，這與軌道的平順性直接相關(guān)[1-2]。

自20世紀(jì)90年代以來，隨著國內(nèi)軌道交通的迅速發(fā)展，整體道床軌道的施工工藝已形成較為完善的施工作業(yè)體系。然而，其施工測量方案還是基于20世紀(jì)90年代的軌道鋪設(shè)工藝及精度要求，傳統(tǒng)的 城 市 軌道測量與控制方法主要采用小型機械、大量依靠人工，按照“布設(shè)導(dǎo)線、鋪軌基標(biāo)”的原則，由人工手持道尺、弦線等工具進行軌道測量，存在測量精度不高、人工誤差影響因素多、勞動強度大、建設(shè)階段的軌道測量控制基準(zhǔn)在運營階段不可持續(xù)利用、軌道平順度不高、運營后軌道養(yǎng)護維修量較大等問題[3-5]。

目前，全國地鐵測量單位都在積極地探索和引進我國高鐵精密工程測量技術(shù)，已有學(xué)者對高速鐵路中的軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)在城市軌道交通鋪軌階段的應(yīng)用開展了相關(guān)研究。徐永剛研究并闡述了軌道精密測量技術(shù)在寧波市軌道交通建設(shè)中應(yīng)用的可實施性[6]。黨紅玲等介紹了將高鐵精密工程測量中的CPⅢ測量與無砟軌道精調(diào)檢測評估等技術(shù)引入廣州地鐵的建設(shè)與運營中的試驗案例[7]。孟峰等介紹了北京地鐵6號線一期工程軌道鋪設(shè)測量中利用CPⅢ控制網(wǎng)基本方法進行城市軌道交通軌道鋪設(shè)測量試驗的情況[8]。莫中生等介紹了沈陽地鐵采用軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)測量技術(shù)進行地鐵鋪軌的工程實例，并闡述了該技術(shù)與傳統(tǒng)測量方法相比的優(yōu)越性及實施中的注意事項[9]。

筆者以正在運營的寧波軌道交通1號線一期工程為研究背景，介紹如何系統(tǒng)性地通過測量技術(shù)創(chuàng)新、工藝改進及設(shè)備更新，提高城市軌道測量的精度，實現(xiàn)城市軌道三維調(diào)整的設(shè)備化、精細化、信息化，有效提高城市軌道的相對精度、絕對精度以及平順性。

2　城市軌道的精密三維測控技術(shù)

2.1測量體系

軌道精密三維測控技術(shù)的主要內(nèi)容是建立自由測站三維邊角測量網(wǎng)、應(yīng)用軌道幾何狀態(tài)測量儀進行軌道精密測量，從而指導(dǎo)軌道精調(diào)施工、軌道精密驗收檢測等。自由測站三維邊角測量網(wǎng)可為調(diào)線調(diào)坡測量、設(shè)備安裝測量、軌道的鋪設(shè)、軌道的精調(diào)、沉降變形監(jiān)測和運營維護等提供服務(wù)，在軌道工程施工前、施工中以及施工后的各個不同階段提供統(tǒng)一的三維測量控制基準(zhǔn)，并通過研究先進的儀器設(shè)備和技術(shù)手段進行三維的測量與控制，可使軌道的相對精度達到毫米級，實現(xiàn)軌道的高平順性與高穩(wěn)定性。新體系包括了一整套與目前軌道施工工藝配套的測量標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)程，對今后軌道的設(shè)計、施工及運營提出相關(guān)的改進和優(yōu)化建議。

2.2自由測站三維邊角交會測量網(wǎng)

自由測站三維邊角交會測量網(wǎng)，是在城市軌道交通地面控制網(wǎng)(或經(jīng)聯(lián)系測量)、地下施工控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上按分級布設(shè)的原則進行布設(shè)的。通過研發(fā)專用的數(shù)據(jù)采集與處理軟件系統(tǒng)，與智能型全站儀進行控制指令與數(shù)據(jù)的交換，實現(xiàn)了軌道控制網(wǎng)測量數(shù)據(jù)采集過程的自動一體化。通過研發(fā)專用的測量組件，實現(xiàn)了軌道基礎(chǔ)控制點長期穩(wěn)定保存。下面從控制點位布設(shè)、測量組件、測量方法及成果形式方面介紹該網(wǎng)。

2.2.1控制點布設(shè)

控制點按30～60 m的縱向間距，成對布設(shè)于線路兩側(cè)的隧道側(cè)墻、中隔墻或站臺廊檐上，高于軌面0.7～1.2 m。

考慮到隧道空間狹小、設(shè)備管線紛繁復(fù)雜，要滿足長期保存、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高度合適、便于建設(shè)與運營階段測量的要求，在布設(shè)點位前，應(yīng)與線路設(shè)計單位溝通，將控制點與應(yīng)急平臺、消防水管、電纜支架的設(shè)計位置進行綜合設(shè)計；與機電設(shè)備安裝單位進行溝通，在管網(wǎng)布設(shè)時，避開控制點。以圓形隧道為例，控制點布設(shè)位置如圖1所示。

圖1　單圓隧道控制點布置

2.2.2三維測量組件

城市軌道交通專用三維測量組件包括預(yù)埋件、棱鏡桿及精密測量棱鏡，棱鏡桿用于連接精密測量棱鏡與預(yù)埋件，在使用時安裝上棱鏡，再將其安裝在預(yù)埋件中。該組件均由1Cr18Ni9不銹鋼材料制作，標(biāo)志重復(fù)安置精度和互換安裝精度X、Y、Z的3方向分別小于0.4，0.4，0.2 mm。預(yù)埋件直接安放棱鏡，屬于強制對中，消除了棱鏡的對中誤差，也易于控制點的保護，可供建設(shè)和運營長期使用并保存。

2.2.3外業(yè)測量

采用自由測站邊角交會的方法測量，每個自由測站觀測4對控制點，測站間重復(fù)觀測3對控制點，每個控制點有4個自由測站的方向和距離，具體測量方法如圖2所示，平面測量主要技術(shù)要求如表1所示。水平方向采用全圓方向觀測法進行觀測，水平方向觀測應(yīng)滿足表2的要求。

圖2　自由測站三維邊角交會測量網(wǎng)

表1　測量方法與主要技術(shù)要求

表2　水平方向觀測技術(shù)要求

距離觀測采用多測回距離觀測法，應(yīng)滿足表3的要求。邊長觀測應(yīng)實時地在全站儀中輸入溫度和氣壓進行氣象元素改正，溫度讀數(shù)精確至0.2 ℃，氣壓讀數(shù)精確至0.5 hPa。

表3　距離觀測技術(shù)要求

高程采用自由測站三角高程測量方法進行高程測量，與平面測量同時進行。自由測站三角高程進行觀測時，除滿足平面網(wǎng)的外業(yè)觀測要求外，還應(yīng)滿足表4的技術(shù)要求。

表4　高程外業(yè)觀測主要技術(shù)要求

2.2.4與起算點的聯(lián)測

1) 與平面起算點的聯(lián)測。當(dāng)沿線布設(shè)有施工控制網(wǎng)(或貫通導(dǎo)線)時，應(yīng)每隔300 m左右聯(lián)測1個平面施工控制點。同時，應(yīng)聯(lián)測每個車站布設(shè)的地下平面起算點(經(jīng)聯(lián)系測量傳遞的控制點)。與平面起算點聯(lián)測時，應(yīng)至少通過2個或2個以上自由測站進行聯(lián)測，如圖3所示。

圖3　與平面起算點聯(lián)測示意

2) 與高程起算點的聯(lián)測。每隔1 km左右與水準(zhǔn)基點進行高程聯(lián)測。與水準(zhǔn)基點的聯(lián)測采用水準(zhǔn)測量時，應(yīng)按二等水準(zhǔn)測量要求進行往返觀測；與水準(zhǔn)基點的聯(lián)測采用三角高程測量時，應(yīng)在水準(zhǔn)基點上架設(shè)固定高度的棱鏡，并在不同的3個自由測站對其進行觀測。

2.2.5數(shù)據(jù)處理

進行三維數(shù)據(jù)處理時，先采用獨立三維自由網(wǎng)平差，再采用合格的平面、高程起算點進行固定三維約束平差，以下為數(shù)據(jù)處理步驟。

1) 解算三維概略坐標(biāo)。是對所選擇的平差文件進行概略坐標(biāo)的推算，概略坐標(biāo)的正確與否，將直接影響誤差方程開列的正確性。

2) 三維自由網(wǎng)平差。是對所選擇的三維平差文件進行三維自由網(wǎng)平差，以檢查觀測數(shù)據(jù)的內(nèi)符合精度及其與控制點已知坐標(biāo)的兼容性。在自由網(wǎng)平差報告中，驗后單位權(quán)中誤差反映了觀測數(shù)據(jù)的內(nèi)符合精度，尺度K和控制點變換后較差反映了觀測數(shù)據(jù)與控制點已知坐標(biāo)的兼容性。當(dāng)控制點變換后較差較大時，可在控制點坐標(biāo)文件中將較差較大的控制點剔除，重新進行自由網(wǎng)平差。

3) 三維約束平差。是對所選擇的三維平差文件進行三維約束平差，并輸出平差結(jié)果。三維約束平差結(jié)果包括：方向平差結(jié)果、斜距平差結(jié)果、天頂距平差結(jié)果、各測站大氣折光系數(shù)、三維平差坐標(biāo)及其精度、方位角、斜距、天頂距及其相對精度、三維控制網(wǎng)總體信息、方差分量估計結(jié)果。

4) 搭接點平滑處理。是對相鄰區(qū)段的重疊點進行平滑處理，形成全網(wǎng)統(tǒng)一坐標(biāo)。

3　軌道三維精密測量與控制

長軌枕埋入式整體道床主要應(yīng)用于我國軌道交通的一般減振要求地段，是城市軌道交通正線及輔助線一般地段采用的道床結(jié)構(gòu)類型。以長軌枕埋入式整體道床為例，說明軌道三維精密測量與控制的方法，既有軌道施工工藝改進后的工藝流程見圖4。

圖4　軌道三維精密測量與控制施工流程

軌排精調(diào)采用全站儀自由設(shè)站配合軌道幾何狀態(tài)測量儀進行。將自由測站三維邊角交會測量網(wǎng)測量成果坐標(biāo)導(dǎo)入智能型全站儀中，并將線路平面、縱斷面設(shè)計參數(shù)和曲線超高值等錄入軌道幾何狀態(tài)測量儀。

軌道檢測利用自由測站三維邊角交會測量網(wǎng)坐標(biāo)成果進行全站儀自由設(shè)站(后方交會)，確定全站儀的三維坐標(biāo)，然后將軌道幾何狀態(tài)測量儀推動到待檢測部位，通過全站儀觀測軌道幾何狀態(tài)測量儀上的棱鏡，實時顯示當(dāng)前軌道位置與設(shè)計位置的偏差，經(jīng)過人工調(diào)軌，來精確控制軌道的實際位置與理論位置的絕對偏移量，以使軌排達到設(shè)計要求。軌道檢測方法如圖5所示，由軌道幾何狀態(tài)測量儀上配套的電腦實時顯示待檢測位置的設(shè)計與實測的偏差(見圖6)。

軌道精確測量與調(diào)整后，軌道的中心線、軌頂面高程允許偏差及軌道的平順性指標(biāo)均應(yīng)滿足規(guī)范要求，自檢合格并報監(jiān)理工程師驗收后再澆筑道床混凝土。

4　軌道三維精密驗收檢測

軌道結(jié)構(gòu)幾何狀態(tài)的好壞直接影響著軌道行車的安全性、平穩(wěn)性和舒適性。衡量軌道的幾 何 狀 態(tài) 主 要有絕對精度和相對精度兩方面[10-11]。軌道精密測量技術(shù)以自由測站三維邊角交會測量網(wǎng)坐標(biāo)為基準(zhǔn)，通過軌道幾何狀態(tài)測量儀配合智能型全站儀來實現(xiàn)軌道的絕對位置與相對平順性的檢測。檢測原理、方法及工具如表5所示。

圖5　軌道三維精密測量與控制施工

圖6　軌道偏差三維實時顯示

表5　軌道精密三維測控原理、方法及工具

5　結(jié)語

綜上所述，軌道精密三維測控技術(shù)作為現(xiàn)代化城市軌道交通測量的一種新技術(shù)，有效提高了軌道的相對精度、絕對精度以及平順性，實現(xiàn)了軌道測量的三維數(shù)字化，提升了軌道交通測量的自動化、程序化與機械化程度，具有較好的推廣應(yīng)用價值。為使這種技術(shù)具有更廣泛的發(fā)展前景，工程技術(shù)人員應(yīng)充分考慮各方面因素，進一步研究該技術(shù)在城市軌道交通運營階段的沉降監(jiān)測及軌道平順性維護工作，使其貫穿于“設(shè)計—施工—運營”整個階段，并發(fā)揮重要作用。

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(編輯：郝京紅)

Research and Application of New Technology of Track 3D Precision Measurement and Control

Han Sanqi

(Ningbo Rail Transit Group Co., Ltd., Ningbo 315000)

This paper introduces the new technology of track 3D precision measurement and control in urban rail transit. By referring to the research and application of 3D line-angle measurement technique with free-station in underground surveying, the surveying control points can be in good maintenance during construction and operation period to improve the accuracy of the subway control surveying system; the track geometric status measuring instrument can be applied to the track precision measurement in urban railway system to realize automatic and programmed measurement of urban rails and to decrease the track irregularities; the measurement of track basic control surveying network and the 3D data processing technology are researched, and the corresponding software is developed for data collection and processing based on 3D measurement line-angle surveying net with free-station. This technology can effectively improve the relative accuracy, absolute accuracy and track regularities with good application prospect.

urban rail transit; rail engineering; precision measurement; 3D measurement and control

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.01.014

2015-07-29

2015-08-13

韓三琪，男，碩士，高級工程師，從事城市軌道交通測量理論與技術(shù)的研究，hansanqi81@163.com

1672-6073(2016)01-0055-04

U231

A