宋 帆

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600)

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高速鐵路銜接測量問題探討

宋 帆

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600)

新建高速鐵路與既有高速鐵路銜接需根據(jù)平面坐標系統(tǒng)采用的參考橢球確定坐標轉(zhuǎn)換方式。參考橢球相同時，新建控制網(wǎng)加入既有控制網(wǎng)的國家約束點及CP0點，進行約束平差計算，然后進行各項坐標轉(zhuǎn)換。參考橢球不同時，新建控制網(wǎng)需聯(lián)測既有控制網(wǎng)的CPⅠ、CPⅡ控制點，進行約束平差計算。兩個系統(tǒng)參考橢球、中央子午面及投影面均不相同時，首先計算出兩個坐標系統(tǒng)共用控制點的坐標，在施工坐標系下計算公共點的邊長及角度，進行距離及角度的比較，若精度符合要求，即可以公共控制點為基準，進行正線、聯(lián)絡(luò)線、支線的銜接，進而對里程進行推算。

高速鐵路 銜接 測量 控制網(wǎng)

新建高速鐵路兩端需要連接到高速鐵路主骨架網(wǎng)上。為了保證高速鐵路線路平面及高程順接，需要做好新建鐵路與既有高速鐵路的銜接測量工作。

各高速鐵路建立測量控制網(wǎng)時間不同，采用的參考橢球不一致，計算采用的約束點不同，測量控制網(wǎng)未進行統(tǒng)一規(guī)劃，測量控制點分布不均勻，測量控制網(wǎng)存在超短邊、超長邊情況，測量控制網(wǎng)精度不均勻，這些不利因素給測量控制網(wǎng)之間的銜接帶來一定的難度。經(jīng)過多條高速鐵路測量工作實踐，總結(jié)出高鐵銜接測量的方法，提出了測量中應(yīng)注意的問題，可為以后高速鐵路測量工作提供借鑒。

1 高速鐵路銜接的測量工作

新建鐵路兩端需要與既有線路平面及高程順接，這就需要建立高等級測量控制網(wǎng)[1]。建立測量控制網(wǎng)，對既有高鐵控制網(wǎng)進行聯(lián)測，開展測量、計算、坐標轉(zhuǎn)換工作，給設(shè)計提供準確的測量資料。

1.1 高速鐵路銜接的相關(guān)測量工作內(nèi)容

建立GPS平面控制網(wǎng)[2]；建立高程控制網(wǎng)；既有高鐵平面及高程控制網(wǎng)的聯(lián)測、資料分析利用；既有鐵路正線及車站的測量；新建鐵路正線、連接線、疏解線的測量；其中，控制網(wǎng)的建網(wǎng)及聯(lián)測既有控制網(wǎng)是鐵路銜接測量的核心工作，也是測量工作的難點。

1.2 高速鐵路測量控制網(wǎng)的建立

(1)投影長度變形的計算

高速鐵路坐標系統(tǒng)的選擇應(yīng)以投影長度變形不大于10 mm/km為原則[3]。 實測距離首先歸算到參考橢球面上，再由參考橢球面上的邊長歸算到高斯投影面上，地面距離經(jīng)過兩次改正。高斯投影面上的長度與地面長度之差稱之為長度綜合變形[4]，為便于計算，其長度相對變形簡易計算公式為

式中：s為歸算邊的長度；hm為歸算邊高出參考橢球面的平均大地高程；R為歸算邊所在方向參考橢球法截弧的曲率半徑；ym為歸算邊兩端點橫坐標的平均值。

由上式可知，長度綜合變形與測區(qū)所處投影帶的位置和測區(qū)平均高程有關(guān)，可通過選擇合適的中央子午線和高程面，把測區(qū)長度綜合變形限制在一定范圍內(nèi)[5]，以滿足工程測量的要求。

(2)鐵路坐標系統(tǒng)的確定

鐵路工程呈帶狀布設(shè)，沿線路設(shè)置有橋梁、隧道、路基等工程，鐵路線路一般與公路、鐵路、市政工程立體交叉，鐵路線路兩端與既有鐵路連接[6]。

鐵路工程采用坐標測量定位方法進行施工測量，工程測量要求由坐標反算的長度與地面測量值盡量一致，高速鐵路工程測量要求投影長度變形值不宜大于10 mm/km。

根據(jù)新建鐵路線路平面位置、線路高程、橋梁工程、隧道工程、站場樞紐工程、既有鐵路工程等情況，測量人員沿鐵路線路采集適當(dāng)數(shù)量的平面及高程點，計算不同投影面上線路各位置的長度投影變形值。依據(jù)長度變形限值標準，將鐵路線路劃分為不同的坐標分帶區(qū)域。坐標分帶分界線應(yīng)設(shè)置在便于施工的位置，一般設(shè)置在路基地段，坐標分帶分界線不應(yīng)設(shè)置在橋梁、隧道、車站及曲線上。鐵路工程平面坐標系統(tǒng)一般采用國家坐標系統(tǒng)或工程獨立坐標系統(tǒng)，橋梁、隧道可以采用工程獨立坐標系統(tǒng)[7]。

(3)測量控制網(wǎng)的建立

高速鐵路需要建立測量控制網(wǎng)，首先建立框架網(wǎng)CP0，然后分三級建立基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)CPⅠ、線路控制網(wǎng)CPⅡ及軌道控制網(wǎng)CPⅢ；CPⅠ按照點對布設(shè)(二等網(wǎng))，點對間距不大于4 km；CPⅡ按照單點布設(shè)(三等網(wǎng))，點間距離600～800 m；CPⅢ按照點對布設(shè)，點對間距50～70 m。采用靜態(tài)GPS測量、全站儀測量的方式采集測量數(shù)據(jù)。對觀測數(shù)據(jù)進行同步環(huán)、異步環(huán)、重復(fù)基線計算檢核。采用GPS快速精密星歷，用精密解算軟件計算框架網(wǎng)[8]。以CP0為控制點進行約束平差，計算CPⅠ和CPⅡ點成果。

1.3 高速鐵路控制網(wǎng)的銜接測量

“四縱四橫”高速鐵路相繼建成，各線路均建立框架控制網(wǎng)CP0，測量控制網(wǎng)采用了不同的參考橢球。參考橢球主要有WGS84橢球、2000國家系統(tǒng)參考橢球及其他參考橢球，測量控制網(wǎng)以2000國家GPS控制點為控制點進行約束，各線路控制網(wǎng)相對精度較高，滿足高鐵工程施工要求[9]。

各高速鐵路建立測量控制網(wǎng)時間不同，建網(wǎng)采用的參考橢球不一致，計算采用的約束點不同，測量控制網(wǎng)未進行統(tǒng)一規(guī)劃，測量控制點分布不均勻，測量控制網(wǎng)存在超短邊、超長邊，測量控制網(wǎng)精度不均勻，特別是在高速鐵路的兩端，因約束點位置的不同，其線路兩端測量點點位誤差較大。不同高速鐵路之間難以銜接，給施工及其后期運營維護帶來很大的不便。

為了與既有高鐵控制網(wǎng)銜接，新建高鐵建立測量控制網(wǎng)時，首先建立框架網(wǎng)CP0，將鄰近高鐵建網(wǎng)時采用的國家控制點一并納入，在線路兩端連接相鄰鐵路的多個CP0控制點。CPⅠ和CPⅡ建網(wǎng)時，對于相鄰鐵路的CPⅠ和CPⅡ控制點，按照同等級同方法進行聯(lián)測[10]并測量軌道中心坐標進行檢查。

若相鄰鐵路測量控制網(wǎng)采用的參考橢球相同，框架網(wǎng)CP0加入鄰近線路采用的國家約束點及相鄰的CP0點，進行約束平差計算，若控制點兼容性良好，各項測量限差滿足要求，測量精度滿足規(guī)范，則說明相鄰鐵路的控制網(wǎng)精度高，銜接良好。對相鄰鐵路的控制點進行坐標轉(zhuǎn)換，完成鐵路線路連接工作。

若相鄰鐵路測量控制網(wǎng)采用的參考橢球相同，但控制點不兼容，或者采用的參考橢球不相同，說明兩個測量控制網(wǎng)系統(tǒng)不一致，新建鐵路應(yīng)單獨建立CP0、CPⅠ、CPⅡ控制網(wǎng)，聯(lián)測鄰近線路采用的國家約束點及鄰近的CP0、CPⅠ、CPⅡ控制點，計算相鄰控制網(wǎng)公共邊的長度及其方位角并進行檢查比較。若距離及角度精度滿足要求，說明兩個控制網(wǎng)相對精度高，可以分別控制設(shè)計線路。利用相鄰鐵路測量控制網(wǎng)公共點，采用平面七參數(shù)轉(zhuǎn)換的方式，進行控制點坐標轉(zhuǎn)換，用于相鄰鐵路線路連接設(shè)計。

2 實例

2.1 參考橢球相同情況下測量銜接

在建合肥至安慶段城際鐵路(簡稱合安城際)引入安慶站，速度目標值為350 km/h。新建安慶至九江鐵路(簡稱安九鐵路)自安慶西站引出，經(jīng)九江引入廬山站，線路正線長約171 km，速度目標值為350 km/h。從安慶站引出安慶支線，并設(shè)置聯(lián)絡(luò)線使合安線與安慶支線連接。

在安慶站，合安城際平面采用2000國家坐標系統(tǒng)，中央子午線為117°；安九鐵路平面坐標系統(tǒng)采用2000國家坐標系參考橢球，中央子午線為117°，投影面大地高為35 m。安九鐵路建網(wǎng)時，聯(lián)測合安城際CP0、CPⅠ控制點，進行基線計算，完成WGS84無約束平差。以國家B級GPS點為控制點進行約束平差計算，測量精度滿足規(guī)范要求，其初算成果與合安城際成果轉(zhuǎn)換至2000國家坐標系進行比較(如表1)，坐標較差小于2 cm，說明兩個控制網(wǎng)精度滿足要求，可以順接。

兩條鐵路坐標系統(tǒng)采用橢球一致，測量約束控制點均為國家B級GPS點。加入合安線采用的國家B級GPS點及CP0點，經(jīng)約束平差計算，控制網(wǎng)精度滿足規(guī)范要求。兩條鐵路線控制網(wǎng)銜接良好，參考橢球相同，系統(tǒng)之間可進行坐標轉(zhuǎn)換。

安九鐵路線路設(shè)計時，需要確定接線邊位置，選取安慶站的兩條邊，每邊上取兩個點，計算四個里程點(DK156+200、DK156+600、DK163+300、DK163+500)的平面坐標。以此四個點為基準，進行正線、聯(lián)絡(luò)線、支線的線路銜接，對里程進行推算。合安線正在施工，用兩條線的控制點分別放設(shè)安慶至九江鐵路中線，其點位偏差在允許范圍內(nèi)，效果良好。

表1 合安城際與安九鐵路坐標比較

2.2 參考橢球不相同情況下測量銜接

在建瑞九城際鐵路自瑞昌市經(jīng)廬山站接入九江站，速度目標值為200 km/h。安九鐵路正線雙線沿瑞九鐵路雙線兩側(cè)引入，引入后自安九鐵路正線雙線分別設(shè)計渡線與瑞九鐵路正線雙線銜接，安九鐵路速度目標值為350 km/h。

在廬山站，瑞九城際鐵路平面坐標系統(tǒng)采用WGS84參考橢球，中央子午線115°45′，投影面大地高50 m；安九鐵路平面坐標系統(tǒng)采用2000國家坐標系參考橢球，中央子午線為116°，投影面大地高為50 m。

安九鐵路建網(wǎng)時，聯(lián)測瑞九城際廬山站附近的CPⅠ、CPⅡ控制點，以國家點進行約束，經(jīng)平差計算，測量精度滿足規(guī)范要求。兩條鐵路控制網(wǎng)坐標系統(tǒng)采用不同橢球，在施工坐標系統(tǒng)下，計算公共點的邊長及角度。比較后可以看出，距離相對精度高，控制點組成的角度一致，說明兩個控制網(wǎng)相對精度較高，可以進行順接(如表2)。

表2 安九鐵路與瑞九鐵路控制點 距離及角度比較

線路設(shè)計中，以兩條鐵路控制網(wǎng)的公共點為基準，計算轉(zhuǎn)換參數(shù)，進行坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換，完成正線、聯(lián)絡(luò)線、支線的線路銜接，推算線路里程。

用兩條鐵路線的控制點分別放設(shè)安九鐵路中線，其點位偏差在允許范圍內(nèi)，效果良好。

3 結(jié)束語

高速鐵路設(shè)計時，新建鐵路需要與兩端既有高速鐵路進行銜接，聯(lián)測既有高速鐵路控制網(wǎng)，計算公共點的坐標，根據(jù)平面坐標系統(tǒng)采用的參考橢球是否相同，確定坐標轉(zhuǎn)換的方式，進行鐵路正線、聯(lián)絡(luò)線、支線的線路銜接，對里程進行推算。

相鄰鐵路控制網(wǎng)坐標系統(tǒng)采用相同參考橢球時，新建控制網(wǎng)加入既有高鐵控制網(wǎng)采用的國家約束點及相鄰的CP0點，進行約束平差計算，在各項限差滿足要求后，計算工程坐標系控制點坐標，系統(tǒng)之間進行坐標轉(zhuǎn)換計算，用于線路連接。

相鄰鐵路控制網(wǎng)坐標系統(tǒng)采用不同參考橢球時，新建控制網(wǎng)聯(lián)測既有高鐵CPⅠ、CPⅡ控制點，進行約束平差計算，在各項限差滿足要求后，計算工程坐標系控制點坐標。

兩個系統(tǒng)參考橢球、中央子午線及投影面均不相同時，先確定兩條鐵路公共測量控制點，計算出不同坐標系統(tǒng)中共用控制點的坐標，在施工坐標系統(tǒng)下計算公共點的邊長及角度，比較長度相對精度，檢查角度較差，若距離相對精度高，控制點組成的角度一致，說明兩個控制網(wǎng)相對精度較高，可以進行銜接。以公共控制點為基準，進行正線、聯(lián)絡(luò)線、支線的線路銜接，對里程進行推算。

[1] 黨亞民，成英燕，薛樹強.大地坐標系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京:測繪出版社，2010

[2] GB/ T18314—2001全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范[S]

[3] TB 10601—2009高速鐵路工程測量規(guī)范[S]

[4] 劉基余，李征航，等.全球定位系統(tǒng)原理及其應(yīng)用[M].北京:測繪出版社，1993

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[6] GB50090—2006鐵路線路設(shè)計規(guī)范[S]

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[8] 李征航，張小紅.衛(wèi)星導(dǎo)航定位新技術(shù)及高精度數(shù)據(jù)處理方法[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2009

[9] 周東衛(wèi).高速鐵路CP0框架控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理模式與方法研究[J].鐵道標準設(shè)計，2015(3):11-16

[10]武瑞宏.高速鐵路精密控制測量網(wǎng)有關(guān)問題的探討[J].鐵道勘察，2008(5):1-3

Discussion about the Measrement of the High Speed Railway’s Connection

SONG Fan

2016-08-16

宋 帆(1970—)，男，1993年畢業(yè)于西安礦業(yè)學(xué)院工程測量專業(yè)，高級工程師。

1672-7479(2016)06-0010-03

U212.24

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