精密工程测量论文

精密工程测量在高速铁路工程中的应用

1 概述

1.1 精密工程测量的含义和目的

工程测量中一个重要的分支是精密工程测量，精密工程测量是指绝对测量精

度达到毫米或亚毫米级、相对精度达到10−6，以先进的测量方法、仪器和设备，在特殊条件下进行的测量工作。它在大型工程、特种工程和高新技术规程等精密工程建设中应用广泛。

高速铁路建设过程中精密工程测量要根据工程的实际情况，合理设计各级平

面高程控制网，从而在根本上提高高速铁路建设的工程质量，保证铁路安全和快捷地行驶。由于高速铁路建设要求较为严格，因此，在进行精密工程测量时，首先根据工程的实际情况，严格按照设计要求对线路进行施工；其次，测量精度要控制在毫米级范围内，以此来确保高铁在行进过程中的安全性和舒适性。

1.2 精密工程测量的种类

精密工程测量分为很多种，例如按照工程对测量精度需求的不同可以分为：

普通精密工程测量和特种精密工程测量。精密工程测量包括各种大型特种工程测量，变形观测、三维工业测量，大型设备的安装、监测和质量控制测量、在军事领域的应用等。

1.3 精密工程测量在高速铁路中测量的内容

就我国目前高速铁路建设的现状来看，无论是铁路勘测的设计、施工，还是

最后的验收和维护，都离不开精密工程的测量。可以说，该项工作贯穿于高速铁路建设的整个过程中，对工程的建设具有重要意义。其测量的内容也包括了多个方面，比如说对高速铁路平面高程控制的测量、对轨道施工的测量以及对铁路运行维护的测量等。其中施工阶段的测量工作责任主体均在施工单位，监理单位负责监督检查，对一些与线路密切相关的施工控制测量工作，如线下工程结构变形监测和CPⅢ轨道控制网测量工作，一般均由建设单位委托第三方专业测量单位进行咨询评估及第三方检测，确保高铁建设工程中的重要环节和重点部位满足合同和验收要求。从设计单位和施工单位方面具体来讲，

设计单位：负责全线 CP0、CPⅠ、CPⅡ平面控制网及线路水准基点高程控制

网的首次建网测量 (含隧道贯通后的洞内 CPⅡ导线网) 、CPⅢ建网前的全线精测网全面复测以及竣工验收前的精测网全面复测。另外，设计单位还可根据建设单位的委托对施工阶段精密测量各环节进行技术指导、咨询评估及第三方检测。

施工单位：负责精测网的定期及不定期复测，施工单位进场接桩后的首次复

测、施工过程中精测网 (含隧道贯通后的洞内 CPⅡ导线网) 及施工加密导线点的半年期复测和不定期复测；线上、线下加密测量控制网的建网与定期复测; 隧道工程洞外独立控制网建网与复测以及洞内施工导线测量；结构变形监测网建网、复测及构筑物结构变形监测；CPⅢ轨道控制网建网与复测；无砟轨道精调测量及其平顺性检测；钢轨铺设后的长轨精调测量及其平顺性检测；轨道竣工测量。

1.4 精密工程测量特点

精密工程测量的特点主要表现在三个方面:一是在工程精度的选择上，一定要

根据工程的需求来进行。而且由于作业环境的特殊性，对测量的精度有了更高的要求；二是精密工程测量对仪器以及设备也有很高的要求，甚至在一些特殊的情况下，还需要对数据进行处理；三是在布设控制网的整个过程中，同普通工程测量相比，精密工程测量很是不同，它只选择一个控制点以及一个参考方向，这样

2 可以最大程度的保障精密工程测量工作的测量精度。 1.5 精密工程测量在高速铁路中的特点 （1）高速铁路各级平面高程控制网精度能够满足多方面的勘测要求。我国高速铁路精密工程测量技术是随着我国社会经济发展不断完善起来的，在过去的时间里，国家相关部门对于铁路建设并没有提出较高的要求，无论是对轨道的线型还是轨道的平顺度。此外，由于当时科学技术和管理水平较落后，对于工程测量的勘测和施工等工作，相关部门并没有建立一套科学完善体系，工作中所采取的测量方法也不科学，从而导致轨道的几何参数与设计参数往往相差较远，对于轨道的整体质量造成了巨大影响。当前高速铁路精密工程测量，主要是根据轨道设计的线型采取科学合理的技术进行施工放样，在对轨道进行运行维护的时候，也应该根据上级单位下发的轨道线型采取合理的措施。由此可见，高速铁路精密工程测量如果想要将其作用在铁路建设中充分发挥出来，不但要满足线下工程施工、轨道施工定位，而且还要满足轨道的运行维护要求。 （2）高速铁路精密测量控制网按分级布网的原则布设。就我国目前高速铁路精密测量控制网的整体布设来看，主要可以分为三个层次，即基础平面控制网、线路平面控制网和轨道控制网，每一层次都有其各自的功能。其中，基础平面控制网主要负责为轨道施工的勘测、施工以及运营维护等提供坐标基准。线路平面控制网主要为勘测和施工提供控制基准，而轨道控制网则主要是为轨道铺设和后期的运营提供控制基准。对于这三个层次的布设，工作人员必须要按照分级布网的原则来进行设置，以此来确保其功能能够充分发挥出来。 （3）高速铁路工程测量平面坐标系统应采用边长投影变形值≤10mm/km的工程独立坐标系。近几年来，国家相关部门对于高速铁路工程施工质量的要求越来越高，对工程勘测数值与实际数值之间存在的偏差要求也越来越高。从理论上来说，边长投影变形的数值越小，对轨道平顺度的提升就越有利。目前，我国京津城际高速铁路工程测量中，平面坐标系统投影变形值按1/100000控制，并且取得了良好的效果，可见，高速铁路工程测量平面坐标系统应采用边长投影变形值≤10mm/km的工程独立坐标系也是高速铁路工程测量的一个主要特点。 （4）高速铁路精密工程测量“三网合一”的测量体系高速铁路工程测量的平面、高程控制网，按施测阶段、施测目的及功能不同分为了勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网。我们把高速铁路工程测量这三个阶段的控制网，简称“三网”。其中，勘测控制网包括：CPI 控制网、 CPII控制网、二等水准基点控制网。施工控制网包括：CPI 控制网、CPⅡ控制网、水准基点控制网、CPII控制网。运营维护控制网包括：CPⅡ控制网、水准基点控制网、CPⅢ控制网、加密维护基标。高速铁路精密工程测量所采用的体系就是将以上三个阶段的控制网合为一体，从而更好得实现铁路的精密工程测量工作。 精密工程测量精度指标

高速铁路精密工程测量技术标准核心是研究确定平面和高程控制网的精度要求,以满足高速铁路施工控制要求，进而保证高速铁路的安全平稳运行。根据高速铁路轨道平顺性精度高的要求，结合我国高速铁路工程建设实际,研究确定平面及高程控制的相关精度指标，成为解决高速铁路建设的关键问题之一。

2.1 平面控制测量基准

基准的选择,即平差的参考系选择，就是给控制网的平差提供一组必要的起始

数据，以便求得平差问题的唯一解。基准包括平面坐标系统和平面起算数据的确定，如何选择起始数据才能满足高速铁路控制测量的要求，是平面控制测量基准

3 研究所要解决的问题。考虑到高速铁路对工程测量精度指标的严格要求，因此需要保障实际施工中基本尺度的统一性（主要是指现场测定数据与坐标反算边长数值的一致性）。当中，需要注意以下两个方面的问题： （1） 高斯投影边长变形指标 高斯投影边长变形指标以地球曲面的椭圆形态为依据，在曲面几何图形投影至平面的过程当中，产生变形是在所难免的。在测量学研究视角下，高斯投影边长变形指标的计算方式为： ［测量边中点与中央子午线间隔距离(单位: km) /2*地球曲率半径(单位: km )］*测量边长( m) （2） 高程投影边长变形指标 在将高程投影面作为参考椭圆体面的状态下，参考椭圆体面所接收到的地面测量边长投影也同样会产生一定的变形，这即所谓的高程投影边长变形。该指标的计算方式为： ［测量边平均高程(单位: m) －投影面高程(单位: m)］/地球曲率半径 (单位: km) 由于过大的边长投影变形数值会对高速铁路施工及后期运行产生不良的影响，因此在工程测量中，必须针对边长投影变形构建独立的坐标系统。结合上述指标的计算方式，为充分保障高速铁路工程建设的相关要求，就需要按照如下指标加以控制：边长投影变形值≤10mm/km。 2.2 高程控制测量基准 现阶段，全国性统一采纳的高程基准为1985 国家高程基准。考虑到高速铁路在线路长度、线路跨越管线等方面的特殊性，也为了保障高速铁路自身与周边相关交叉建筑物在高程关系上测量的准确与可靠，高程控制测量基准指标同样需要以1985 年国家高程基准为准。对于个别无 1985 国家高程基准水准点的施工区域，可采取独立高程进行计算。但需要注意的是：在高速铁路全线高程测量贯通后，需要及时进行消除断高处理，并对独立高程进行计算与转换。 高速铁路建设中精密工程测量管理关键控制环节及对策

在高速铁路建设过程中，作为铁路建设基础性工作的精测网测量中的 CP0、CPⅠ、CPⅡ平面控制网及线路水准基点高程控制网测量由铁路设计单位完成，铁路设计单位均具有测绘甲级资质，具有良好的质量控制体系，测量成果质量有保证；相比勘察设计阶段的测量工作，施工阶段的测量和监测工作内容多，工作繁杂，持续的时间长，而施工单位一般测量资质等级较低，加之部分施工单位为路外单位，人员及技术能力不足，很多测量和监测工作均低价委外，过程监控不严格或难以监控，从而使得测量及监测质量难以保证，其后果小则造成工期拖延或者埋下隐患，大则直接造成工程浪费或返工，最终对建设工期、质量和投资等造成影响。因此，加强建设阶段测量和监测工作管理，特别是重点测量工序的质量管控是保证工程顺利建设的基础。高速铁路建设中精密工程测量管理关键控制环节有精测网复测与加密测量、隧道工程洞外洞内测量、线下工程结构变形测量、CPⅢ轨道控制网测量、无砟轨道施工测量、长轨精调测量。

3.1 精测网复测与加密测量

(1) 抓好组织结构建设，对全线精测网复测与加密测量工作按照组织统一、标准统

一、措施统一的原则进行集中管理和控制，并跟踪至全线建成通车；委托专业测量单位对精测网复测与加密测量工作进行咨询评估，编制全线精测网复测与加密测量管理办法、评估细则及技术方案；对测量全过程进行咨询指导，解决测量过程中的疑难问题，独立对测量成果进行验算评估，编制评估验收报告作为下一工序开展的依据文件。

(2) 咨询评估单位应加强施工单位人员技术能力的培训、技术交底和指导，并做好精密测量实施方案、控制点布网埋石、外业测量数据质量、平差计算数据处理、测量成果精度及可靠性、资料完整性等关键环节的咨询评估验收工作，保证全过程的咨询质量和评估验收结论的正确可靠。

(3) 委托专业的精测网复测与加密测量单位：精测网复测与加密测量主体责任在施工单位，如施工单位不具备测量资质及能力，应选择有资质有经验的测量单位来保证工期和质量。建设单位可要求施工单位委托专业测量单位完成本标段的精测网复测与加密测量工作，或通过要求各标段委托一部分给专业测量单位，其余部分由专业测量单位对各标段进行技术指导和数据处理，来加强精测网复测与加密测量工作，确保精测网复测与加密测量质量达到规范的要求。

3.2 隧道工程洞外洞内测量

(1) 抓好组织结构建设，委托专业测量单位对隧道工程洞外洞内测量工作进行咨询评估，编制全线隧道测量管理办法、洞外洞内控制测量评估细则及技术方案；对隧道测量的洞外控制测量、洞外控制复测、贯通误差预计和洞内测量设计、洞内施工控制测量、贯通误差的测定与调整等环节进行咨询指导，解决测量过程中的疑难问题，独立对测量成果进行验算评估，编制评估验收报告作为下一工序开展的依据文件。

(2) 充分发挥监理单位在隧道施工测量过程中的监督管理职能，要求监理单位配备足够的专业监理人员，加强现场隧道施工测量的监控力度，对隧道测量的前期准备、测量作业、后期检测以及竣工验收等一系列工作进行全面、详细、合理、有序的监督管理。首先是对隧道测量前期准备工作进行监督和控制，保证测量各个方面准备就绪；其次是监督施工单位测量人员分配的合理性，要求施工单位执行隧道测量责任制，将每个阶段隧道测量责任划分到相应的测量人员身上；再次是要求监理单位加强现场旁站和监督检查，对隧道测量各环节进行质量监督和控制，严格要求施工人员精准测量，将测量误差减低到最小；最后是对隧道测量工作进行抽检，及时发现测量中的大误差和粗差，及时进行纠正。

(3) 隧道工程洞外控制测量工作需要以保证贯通为原则建立隧道洞外独立控制网，同时还需根据隧道贯通长度进行控制网优化设计并预计贯通误差，通过将线路中线定测控制桩、隧道进出口及辅助坑洞纳入到隧道洞外独立控制网中，使进出口控制点、辅助坑洞控制点基准统一。隧道洞外独立控制网设计、测量专业性较强，建设单位可要求施工单位委托专业测量单位完成本标段隧道洞外控制测量工作，确保隧道施工测量基准统一，进洞联系测量误差最小，从而为隧道准确贯通奠定良好的基础。

(4) 隧道洞内施工导线测量主要是为隧道贯通服务的，其测量方法、精度除了要满足正确贯通外，还要兼顾到与隧道贯通后统一布设的洞内 CPⅡ贯通导线控制网测量方法、精度的协调，既保证隧道的准确贯通，又保证与洞内 CPⅡ控制网和二等水准控制网的一致性，避免洞内施工控制网因施测精度低、可靠性差，使得测量成果与洞内 CPⅡ控制网和二等水准控制网测量成果差异大，导致按洞内施工控制网划定的构筑物限界不满足设计条件而造成返工。因此，为了确保隧道洞内施工导线测量精度和可靠性满足要求，建设单位可委托专业的第三方检测单位对隧道洞内施工导线测量进行平行检测，平行检测量应达到测量总量的20%，对施工过程中的测量问题及时发现及时分析处理，保证隧道准确贯通并满足设计条件。

3.3 线下工程结构变形测量

(1) 抓好组织结构建设，委托专业的结构变形监测咨询评估单位，制定结构

变形观测评估细则及其结构变形观测管理办法，做好各施工单位测量人员、设备到位的监督和审查工作。

3.4 (2) 咨询评估单位应加强施工单位人员技术能力的培训和技术交底，并加强过程巡视及检查，加强重点工序、重点地段的咨询力度，确保全过程咨询的质量。 (3) 充分发挥监理单位在结构变形观测过程中的监督管理职能，要求监理单位加强现场旁站和平行观测，平行观测应针对重点地段和不良地质地段实施。平行观测的数量要求一般地段为施工单位总测数的10%，地质复杂、结构变形变化大以及过渡段为施工单位总测数的20%。 (4) 评估单位按照建设单位的安排，进行现场巡检工作，将现场巡检和内业检查的结果提交给建设单位，作为建设单位考核的主要依据。同时在巡检过程中针对重点地段和不良地质地段应进行一定比例的抽检测量工作，以检核施工单位结构变形观测数据的真实性和可靠性。 (5) 委托专业的第三方检测单位进行平行检测：除了加强监理在现场旁站和监督检查及平行检测外，建设单位还可通过委托第三方检测单位对一些重点地段和不良地质地段进行平行检测，平行检测量应达到在施无砟轨道测量总量的20%，对施工过程中的测量问题和数据伪造、篡改问题及时发现及时处理，避免施工单位得出错误的无砟轨道铺设时机。 (6) 重点控制工程、重点地段和不良地质地段的结构变形监测等对铁路工程质量影响较大的重要测量环节，可通过委托专业测量单位进行结构变形监测，确保结构变形监测数据真实可靠，真正反映构筑物的结构变形变化情况，准确掌握无砟轨道铺轨时机，为确保无砟轨道施工质量奠定良好的基础。 (7) 不同构筑物的结构变形观测频次和观测周期应按照高速铁路相关规定严格执行 (不得随意压缩) ，特殊工程构筑物及特殊环境应研究制定特别的观测方案及处理方法，建设单位应组织专家组对评估单位编制的《区段工程综合结构变形评估报告》进行评审，确认满足无砟轨道铺设条件。 (8) 无砟轨道铺设后至正式工程验收前 (观测应持续到工程验收交由运营管理部门继续观测) ，施工单位仍要按照有关规定，做好结构变形观测相关工作，包括资料整理及移交等相关工作，不得破坏结构变形测量标志，若发现破坏应及时改移。建设单位、监理单位和咨询评估单位应加强对施工单位测量标志保护的指导和管理工作。 CPⅢ轨道控制网测量

(1) 抓好组织结构建设，委托专业的测量单位对CPⅢ测量工作进行咨询评估，编制全线CPⅢ测量管理办法、CPⅢ咨询评估细则及技术方案; 统一全线的 CPⅢ标志、平差软件、测设方法、衔接方法，对 CPⅢ测量人员进行培训考核；对测量过程进行检查和指导，解决 CPⅢ测量过程中的疑难问题，独立对测量成果进行验算评估，编制评估验收报告作为无砟轨道开工的依据文件。

(2) 施工单位按照建设单位和咨询评估单位的安排，做好CPⅢ控制网测量前期准备工作是非常重要的。CPⅢ控制网测量前期准备检核工作主要包括: 线下工程构筑物结构变形测量稳定；线下CPⅠ、CPⅡ测量控制网的稳定性复核；线上 CPⅡ加密控制点及高程加密点测量；长大桥梁、隧道工程平面线位复测。

(3) 严格CPⅢ测量申请、报批、审批管理程序：切实实行“线下工程结构变形评估通过后→进行CPⅢ测量→CPⅢ测量评估通过后→报建设单位审批→审批通过后办理无砟轨道施工开工报告”的工作程序，堵住无砟轨道道床板施工未批先做的漏洞。严禁施工单位将未经监理审核、未通过评估的测量数据用于施工作业中，避免无砟轨道施做错误造成返工。

(4) 严格规范相邻线路、相邻建设单位管段、相邻标段以及相邻工区分界地

3.5

3.6 段的 CPⅢ控制网的搭接测量方法及测量成果的交接手续，并将分界地段无砟轨道施工作为薄弱环节进行重点控制，严格要求无砟轨道先施工单位预留300m 与后施工单位进行统一施工顺接。 (5) 评估单位应对 CPⅢ测量的布网、埋标、观测、计算和评估全过程提供强有力的技术指导 (包括制定CPⅢ复测成果合理的更新方法) ，监理单位负责现场旁站和监理，评估单位应会同监理单位对施工单位线上 CPⅡ加密点和 CPⅢ点的布设位置进行核实 ( 特殊工程结构还需设计单位参与和配合) ，确保点位布设位置稳定、抗沉降和防移动，为轨道工程提供稳定可靠的控制基准，从而提高轨道工程的建设质量。 (6) 轨道铺设后至正式工程验收前，施工单位仍要按照有关规定，充分做好 CPⅢ点位的保护工作 (特别是路基地段的辅助立柱容易遭接触网立柱吊装施工碰撞) ，不得破坏测量标志，若发现破坏应及时进行恢复，必要时进行复测。建设单位、监理单位和评估单位应加强对施工单位测量标志保护的管理工作。 (7) 长大混凝土连续梁及特殊桥梁结构地段的 CPⅢ测量及轨道工程施工应作为工程建设的专项进行管理，制定专门的观测方案及处理方法，建立 CPⅢ测量、轨道测量及轨道施工台账，确保无砟轨道施工过程始终处于可控状态。 无砟轨道施工测量 (1) 加强现场监理的作用：监理单位配备足够的专业监理人员，加强现场无砟轨道施工测量及精调测量的监控力度，充分发挥监理咨询单位在无砟轨道施工测量过程中的监督管理职能，要求监理单位加强现场旁站和监督检查，并在混凝土浇筑前后进行平行检测，检测量应达到在施无砟轨道测量总量的10%。 (2) 委托专业的第三方检测单位进行平行检测: 除了加强监理在现场旁站和监督检查及平行检测外，建设单位还可通过委托第三方检测单位在混凝土浇筑前后进行平行检测，平行检测的地段主要选择在标段分界处、工区分界处、大跨连续梁、特殊构筑物等容易产生问题的地段，平行检测量应达到在施无砟轨道测量总量的20%，对施工过程中的测量问题及时发现及时处理，避免施工单位发现问题存在侥幸心里隐瞒不报造成隐患或导致总工期的延误。 (3) 委托专业的无砟轨道施工测量单位: 无砟轨道施工测量主体责任在施工单位，如施工单位不具备测量资质及能力，应选择有资质有经验的测量单位来保证工期和质量。建设单位可要求施工单位委托专业测量单位完成本标段无砟轨道粗精调测量工作，或通过要求各标段委托一部分给专业测量单位，其余部分由专业测量单位对各标段进行技术指导和数据处理，来加强无砟轨道施工测量工作，确保无砟轨道施工质量达到验标的要求。 (4) 混凝土浇筑前的轨排精调测量和混凝土浇筑后的轨道复测是检验轨道施工偏差是否满足验收要求的重要环节，要求施工单位应做好上述两项工作，并将无砟轨道施工采用的线形参数、混凝土浇筑前后每根轨枕的平面和高程偏差信息、轨距和超高及其相关几何参数信息、全站仪自由设站精度以及相邻测站轨枕搭接精度等信息进行妥善保存，上交第三方检测单位或监理单位进行检查，若发现轨道平顺度超出轨距调整块的可调范围应及时通知建设单位和施工单位进行处理，无法调整时应及时将无砟轨道拆除重做。 长轨精调测量

(1) 铁路局尽早介入: 铁路局作为铁路接收单位应尽早介入长轨精调工作，一方面检查全线的无砟轨道是否有质量问题，尽早发现尽早处理; 一方面对施工单位的长轨精调工作给予指导和技术支持，并明确相关验收要求。

4 (2) 委托专业的第三方检测单位进行抽检: 除铁路局尽早介入外，建设单位还可通过委托第三方检测单位在钢轨铺设扣件锁定后对各标段的轨道状态进行抽检，抽检地段主要选择在标段分界处、工区分界处、大跨连续梁、不良地质地段、重点控制性工程、特殊构筑物、CPⅢ网分段处等容易产生问题的地段，各标段抽检量应达到其总量的20%，以发现轨道中线平面和高程位置与设计中线的偏差程度以及更换扣件后能否满足平顺性的要求，对施工过程中出现的更换扣件仍无法满足平顺性的地段及时发现及时处理，避免施工单位发现问题存在侥幸心里隐瞒不报造成隐患或导致总工期的延误。 (3) 委托专业的长轨精调测量单位: 长轨精调测量主体责任在施工单位，如施工单位不具备测量资质及能力，应选择有资质有经验的测量单位来保证工期和质量。建设单位可要求施工单位委托专业测量单位完成本标段的长轨精调测量工作，或通过各标段委托一部分给专业测量单位，其余部分由专业测量单位对各标段进行模拟调整和工务精调技术指导，来加强长轨精调测量工作，确保轨道状态质量满足静态和动态验收的平顺性要求。 应用实践与主要结论

高速铁路精密工程测量技术的研究，为建立我国高速铁路精密工程测量技术体系奠定基础，同时为我国高速铁路的大规模建设及时提供测量技术标准。

已有线路的实践证明，高速铁路精密工程测量标准及其技术体系经受住了勘察、设计、施工到运营考验，验证了高速铁路精密工程测量技术标准的科学性、先进性、适用性和可靠性。随着我国高速铁路的相继竣工及投入运营,如何利用已有的平面、高程控制网快速完成高速铁路运营养护维修测量，以及测量控制网自身的维护等问题需要进一步深入研究。