高速铁路测量技术与方法

随着铁路速度的大幅提高,特别是高速铁路的不断涌现,将要求轨道必须具有高平顺性和精确的几何线性参数,因此对铁路进行精密测量将非常重要。本文以精密工程控制测量为基础,阐述了铁路线路精密测量的原理、方法、步骤以及未来发展方向。

关键词:高平顺性几何线性参数精密测量

铁路旅客列车运行速度高,为实现运行条件下旅客列车的安全性和舒适性,要求轨道必须具有高平顺性和精确的几何线性参数,包括轨道内部几何尺寸与外部几何尺寸,如轨距、轨向、高低、水平、扭曲、与设计高程及中线的偏差等,精度要求控制在±1mm～2mm范围内。因此对铁路进行精密测量,并保持高精度是建设铁路的关键技术之一。

1精密测量原理及研究

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,以满足铁路施工控制要求,进而保证铁路的安全平稳运行。根据铁路轨道平顺性精度高的要求,线路必须具备非常准确的几何参数。轨道的几何参数测量包括一定的外部几何尺寸测量和内部几何尺寸测量。轨道的外部几何尺寸是轨道在空间三维坐标系中的坐标

和高程。外部几何尺寸的测量也称之为轨道的绝对定位。内部几何尺寸即轨道自身的几何尺寸,包括轨距、水平以及轨道纵向高低和方向的参数。内部几何尺寸的测量也可以称之为轨道的相对定位。

铁路轨道必须具有精确的几何线形,精度要求控制在±1mm～2mm,测量控制网的精度在满足线下工程施工控制测量要求的同时必须满足轨道铺设的精度要求,使轨道的几何参数与设计的目标位置之间的偏差保持最小。而轨道的铺设施工和线下工程(路基、桥梁、隧道、站台等)施工放样是通过由各级平面高程控制网组成的测量系统来实现的。为了保证轨道与线下工程的空间位置坐标、高程相匹配,须根据铁路勘测、施工、运营维护需要设立精密测量控制网。

2精密测量步骤

采用先进的传感器、专用便携计算机、全站仪和无线通讯,检测高低、轨向、水平、轨距等轨道不平顺参数,精确确定线路轨道的实际位置。

2.1资源配置

(1)人员组织:1人操作轨道检测小车、1人操作全站仪、2人安装和拆卸棱镜。

(2)设备组织:轨道检测小车、全站仪。

2.2工艺流程

(1)工前检查。

检查轨道检测小车的工作状态,松开轨距测量轮,校准超高测量传感器。

(2)精测过程。

①将所有测量控制点数据文件调入备用。

②确定全站仪自由设站点的坐标、方位和全站仪横轴中心的高程。全站仪与轨道检测小车的距离要保持在10m～70m之间,通过前后各4个连续CPIII(CPIII控制网又名基桩控制网,是高速铁路测量最基本的控制网)基标上的棱镜,自动平差、计算确定位置。改变测站位置,必须至少交叉观测后方利用过的4个控制点。为加快进度,宜配备2台同型号的全站仪。

③观测确定轨道检测小车上棱镜的绝对位置(X、Y和Z)。

④轨道检测小车移动到下一个测量位置,全站仪自动照准、测量和记录,确定该点钢轨的精确坐标。

2.3注意事项

(1)为精密测量提供足够的视野。为避免白天外界条件的干扰,轨道检测小车宜晚间作业。

(2)仪器应架设在稳定性高的地点,避免各种振动带来的影响。

(3)尽量避免撞击仪器。

(4)装配系统时,应避免将任何部件(比如瞄准器)放置在要被拧紧的部分之间。

(5)轨距测量轮对轨道内侧约12kg重的压力,放测量轮时一定要小心,将仪器从轨道上搬起时要确保测量轮已脱离轨道。

(6)整个系统重将近35kg,搬动整个仪器至少需要两个人。

(7)轨道检测小车是高精度测量仪器,不能作为运输车作用,不能

够将货物放在检测小车上。

3精密测量时的精度控制

为了保证实际测量作业的精度,必须做好各方面的精度控制。主要包括测量仪器误差的控制、设站精度的控制以及现场的检查控制。

3.1控制仪器误差

选用高精度的全站仪,选用的全站仪测角标称精度≤1°,测距标称精度≤2mm+2ppm。在首次使用前、每次精密测量前以及作业期间一定间隔时间内对全站仪进行校准。需把温度、气压和湿度等气象参数输入全站仪,实现测量中的气象改正。

首次使用前和作业期间间隔两周以内在标定台上对轨距、轨向和高低进行标定。每次测量作业前对水平传感器进行校准,校准后在可在同一点进行正反两次测量,测量值偏差应在0.3mm以内。

3.2控制设站精度

采用6个控制点自由设站,如果现场条件无法满足,至少应选用4个控制点,最少测量一个测回(盘左一遍,盘右一遍)。自由设站后,应观

察测站精度以及所用CPIII控制点位相对精度,如发现某一控制点的精度偏差过大,应查明原因并进行补测。如果发现控制点位发生位移,应剔除该点。

3.3现场检查控制

对棱镜和棱镜连接器进行筛选,选择一组相对精度高的组合。对CPIII控制点进行校核,确保控制点的准确性。全站仪在某一站架设时间过久(一个小时以上)或者外界条件变化较大时,要校核方向偏差。精密测量时,应使用轨检尺对水平传感器进行不定期的比对。测量值偏差超过0.5mm,应该重新标定水平。

4精密测量技术未来发展方向

近年来,精密测量技术发展迅速,成果喜人。随着光机电一体化、系统化的发展,光学测量技术有了迅速发展,相应的测量机产品大量涌现,测量软件的开发也日益受到重视。利用光学原理开发的非接触测量机及各种装置非常多。如索尼精密工程公司的非接触形状测量机YP20/21也是利用半导体激光高速高精密自动聚焦传感器的形状测量机,所有刻度尺均系标准元件,传感器和载物台均由微型计算机控制,具有优异的操作性能和数据处理功能。非接触三坐标测量系统Zip250是一种高刚性、高速、高精密的新型测量机。该机载物台的承载量为25kg,刻度尺的分辨力(X、Y、Z轴)均为0.25μm。机上装配

了带数码法兰盘的CCD摄像机和最新DSP处理器,因此可进行高速图像处理测量,同时也可与接触式测头并用进行相关测量。例如这些测量仪器在线路测量技术,已可进行实时测量与显示。这种精密测量技术应用到铁路上面前景将非常广阔。其精密测量技术未来发展方向:(1)测量精度由微米级向纳米级发展,测量分辨力进一步提高;

(2)由点测量向面测量过渡(即由长度的精密测量扩展至形状的精密测量),提高整体测量精度;(3)随着图像处理等新技术的应用,遥感技术在精密测量工程中将得到推广和普及;(4)随着标准化体制的确立和测量不确定度的数值化,将有效提高测量的可靠性。

5结语

铁路线路测量系统有关技术的研究是在当前我国铁路大提速的背景下展开的,具有极高的社会意义。本文以精密工程控制测量为基础,阐述了铁路线路精密测量的原理和方法,为了达到轨道精密测量的高精度要求,必须从控制网建立到精调作业等做好误差分析以及各个方面的控制措施。

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