铁道第三勘察设计院副总工程师/全国工程勘察大师  王长进

 

　　大家下午好。

 

　　今天很高兴在这里跟大家分享高速铁路精密测量技术。高铁是个系统工程，缺了哪一部分都不能正常运行。前几天李克强总理到泰国和澳大利亚也都积极推广我们中国的高铁技术，中国高铁技术应该说既安全，造价又合理。精密测量技术在高铁建设里面也是关键技术之一，可能在座的各位有些人不是特别了解，我今天在这里给大家推广一下我们高铁的精密测量技术到底是干什么的。

 

　　我给大家汇报三个方面，第一个方面是高铁需要精密工程测量技术，另外是精密工程测量技术有哪些内容，第三部分我们怎么样开展精密工程测量工作。

 

　　先介绍第一部分，大家知道一个高铁的显著特点就是速度快，而且对舒适度和安全都有很好的要求。一系列要求就对轨道的几何尺寸、轨道的几何状态有一个比较高的要求，它的行为的变化也很小，设计的符合程度，就是我们建造要和设计的程度更加接近。轨距允许的偏差都非常小，都是1到2毫米，这么一个高精度的要求，需要测控技术来进行把握。其中一部分，我们是倒着推的，既然要求轨道形态是毫米级甚至亚毫米级，对我们测量的技术就提出了一个很高的要求，我们是倒着推，从最初的根本的需要，一直推广到全线的工程，测量控制网要分级布设，从最底层一级或者最接近我们轨道几何状态检测需要的这一级控制昂，我们叫它CP Ⅲ，这一级的精度是60米长的，50米到60米长的点对的测量的精度要求，相对精度平面1个毫米，高层0。5毫米。再往上推动，一级一级放大，放大到前线，甚至上千公里。大家知道地球是圆的，它不是一个平面，我们把误差要一点点分配，倒着推控制网的设计，这里面能体现出来它是精密的。是我们打破了以往普速铁路时代测量和施工的系统，以前在普速铁路阶段也有精密工程测量，但是在整个铁路建设过程当中，它占的比例是极小的，对高速铁路建设以后，因为我们的施工方法已经从传统的相对测量转变到以坐标方式进行施工和测设的时候，我们对测量的精度要求就越来越高了。

 

　　另外长大铁路是一个长大的工程。既然地球是圆的，我们要把它分段，铁路建设过程当中也不可能上千一次就把它建成，要分段，分很多施工的标段，是一点一点建设程度的。这样施工组织也要求我们的测量控制以及工区之间的搭接要有公共的坐标点位，这些基准点的精度要求也是非常高的，这一系列要求都要求我们测量测控技术要很高。我们使用的技术也这么几种，给大家简单介绍一下，一个是对于长大的控制来讲，我们使用卫星测量技术，GPS大家听得很多了，我们现在还有北斗和格洛纳斯，统称GNSS，就是卫星定位测量技术。高程控制我们是用水准测量技术，要把测量的精度如果提高到二等以上的话，工作量也是非常极大的，现在好在技术和设备、软件都已经有了一个相当的层次，现在做二等水准已经不成问题。高铁建成以后在正运营阶段也不利不开测控技术。大家晚上车要停了，实际上我们的工人，维修的队伍、检测的队伍是不能休息的，夜间作业，要进行检查线路的状态，要维护维修保养等等一系列的工作。右边的图片背景都是黑的，无论春夏秋冬都要有人去检测。高铁的重要性还有一点大家知道我们没有设计肯定不能施工，但是设计怎么来，你没有测绘技术，根本不可能有正确的设计，即使有了正确的设计，你没有高精度的测量做保证，也不能把图纸变成现实，就是在施工建造过程当中，也离不开我们测绘技术，当然在运营阶段也离不开。精密测量技术已经成为高铁建设成败的关键技术之一，无论是中国人还是外国人，现在很多领导都已经非常重视我们铁路里面的精密测量技术。

 

　　第二部分，精密测量技术都有哪些内容。第一个最重要的就是坐标系统的设计，就是我刚才说的，地球是圆的，我们设计施工的时候都是需要平面的坐标。这个坐标系统的设计是非常重要的，我们发卫星要用测控技术，我们建高铁也需要有一个测控技术。我们国家2008年发布了CTCS 2000地心坐标系，美国发布了以前就有的WGS 84，他是1984年发布的WGS 84全球坐标系，以前我们只能用他的，现在我们用CPCS2000，在没有CPCS2000之前，我们建立了自己的框架基准，最早建设京沪高铁的时候，我们建自己的框架基准叫CP0，坐标系统的设计，我们要把圆的变成平面的时候，地球除了这么一个，它又不是一个完全圆的东西，地表还有高高低低。就是说它变成一张平面的话是很困难，它会有变形，变形允许多大呢，在普速铁路阶段，如果按照咱们国家的坐标体系，五四坐标系统，在边缘可能达到0。3米，我们现在高铁是需要每公里的变形允许多少呢，长度变形10个毫米以内，从0。3毫米变到10个毫米，这是一个飞跃，所以在精密工程测量建设开始的时候，第一件事要做的是坐标系统的事。高铁的精密工程测量控制网是怎么划分的呢，它分平面控制网和高程控制网两个部分，平面控制网就是我们从首级控制网，我们叫CP0，大约是50到100公里，需要有一个点。这种点肯定是使用卫星定位测量技术进行测量，它的相对精度大约200万分之一，绝对精度2个厘米，50到100公里，这个点没得变化，无论你测几次，不能超过2公分。然后再下一级，我们的CP1大约4公里，一点或者一对。这4公里也要达到18万分之一的精度。4公里再下一级我们是600到800米，我们叫CP2，线路控制基准。在这个基础上，再加密的话就可以用于施工放样，工作接点。对于线上测量，对于轨道板的安装，轨道的精调，需要更精密的控制点，一个毫米精度的，这叫CP3的，它的点间距大约是50到70米这样一个，分这么一个控制网，分级布网，逐级控制，越往后越接近施工轨道精调那一块，它的相对精度越高。

 

　　在施工过程当中，我们有一系列测量，包括中线的放样，桥墩的放样，包括路基的监测，一直到轨道板的铺设，轨道的精调等一系列施工测量。在运营期间，我们的运营监测也是少不了的，无论是轨道的几何状态还是沉降的变化都要进行检测。因为这个地球无时无刻不在变化。地下水开采、地震也有可能影响我们地表的形态。所以我们这个轨道的安全与否，舒适度与否，能否达到安全，到底什么程度，需不需要维修，需要进行监测。

 

　　如何开展精密工程测量工作，我简单介绍一下，这个坐标系统的设计，刚才说是个圆的反而不太像了，通过这个图更容易看一下。我们把地球划分成橘子瓣，让它变形更小一点，在精度上，它是长度上不变的，角度不变，长度可以变形，离开中央子午线越远的地方变形越大。我们这个坐标系的设计就是让它在最边缘的地方每公里长度变形不能超过10个毫米，角度变形是没有的。地图上来讲，我们一般做地图有一个参考，但是因为我们地球表面有山有水，高高低低，我们怎么把这个投影面选的合适，不能根据国家制标准图的那个来做，我们要根据我们的铁路设计的位置，我们铁路轨道的标高，大概在什么位置，我们投影面应该选择什么位置，这样有一个什么好处呢，就是我们在实际施工过程当中，我们说测得的距离跟理论上拿坐标算的距离应该是一样的，如果变形大的话就不一样了。我们要求他这个变化不能超过10个毫米的。

 

　　建立平面控制网，我们的框架控制网CP0，下一级我们是叫基础平面控制网CPⅠ ，大约4公里间距。线路控制网叫CPⅡ，600到800米，轨道控制网CP Ⅲ，50到70米。使用的技术，前面CP 0、CP Ⅰ、CP Ⅱ都允许使用卫星定位测量技术来进行测量，点面精度最高可以达到8个毫米。我们对于轨道控制测量的时候，因为相对精度要求很高，卫星测量技术达不到1个毫米，我们只能有测量机器人。我们中国精密工程测量标准是有的，CP0，20个毫米的精度，CP Ⅰ10个毫米，CP Ⅱ8个毫米，CP Ⅲ1个毫米，是这么一个精度要求。

 

　　对于CP0这一级的，长大基线的，长距离的，50到100公里间距的，测量的时候必须用精密的，就是卫星轨道的几何参数要很准确的。这个就需要7天以后或者使用超长基线解算软件。对于CPⅠ 、CP Ⅱ几公里这样的短边，我们就可以使用双频软件。CP Ⅲ这种测量方式以前德国有，中国没有，自打中国建了高铁，这种方式传过来了，对我们是一大启发，但是我们软件没买，软件都是自己开发的。现在在中国已经开发出了各种各样的算法的软件，已经非常多了。

 

　　我们铁路系统可以说是中国最早推广CGCS2000的用户之一，在工程上，国家发布了，在2008年7月发布了国家大的坐标系以后，建议大家采用的时候，我们第一时间就用了，因为它的精度要比原来好得多。CP Ⅲ是怎么回事呢，测量机器人一次要在线上观测12个点，它的重复观测量很大，必须使用自动化的设备和技术，否则无法进行，它的可靠度是很高的。测量的标准，这绝对是中国自主研发的东西，没有采用一台外国的，使用方便，廉价。原来进口的一套，大约七千块，我们现在几百块。现在因为修建了高铁，国家的基岩点不足，被迫工程上每隔一定的距离，最长一百公里，你得建一座基岩点，基岩点造价比较高，但是它的好处是因为它达到基岩上，它比较稳固，除了采用基岩点的技术以外，我们每隔10公里左右，会在地面上埋设类似于桥墩桩长那样的深埋水准点，大约50米左右。左边这个带房子的是基岩点，基岩点基本上都是很贵重，固定设施之一，都是有房子保护的。线路上真正用到的，施工用到的是2公里左右有一个点BM点。这是CP Ⅲ的测量方式，这是中国自己创造的。除了这个以外，轨道板安装的时候要精调。轨道板的铺设，因为轨道板像Ⅱ型板都是经过精密机床打磨的，你打磨的那个都是零点几个毫米的精度，那你怎么把它放在地上，放在地上以后，怎么把它进行衔接，这个测量精度也是压毫米级的，所以要进行轨道的精调测量。轨道板放好了，放上轨道以后，还要进行轨道的精调，轨道精调以后，满足我最开始的那个片子，就是一两个毫米的精度要求的时候，才可以进行跑车试验，联调联试，我们静态验收才算完活。除了轨道精调以外，板子在板厂里面做的时候肯定还需要有一系列的测量，在运营阶段，我们除了采用全站仪、数字水准仪进行监测以外，我们对于大范围区域的监测也是使用卫星，我们叫INSAR，来检测铁路沿线区域地面沉降变化的情况，来找出重点的沉降变化区段，来使用传统的精密水准测量，或者是传感器测量，来检查差异沉降的程度，比如桥墩的差异沉降的程度，大到一定程度，必须进行调整，如果不进行调整，轨道板会断列，会有裂缝，轨道会发生不平顺，就需要进行调整了。对于有些地段差异沉降比较大，而且不太容易人工检测的地方，需要使用自动化的监测仪器。

 

　　运营监测，就是要反映我们铁路沿线的沉降的变化情况。京津城际的，看着沉降很大，但是不要害怕，因为它距离比较长，它的差异沉降是我们最关心的，差异沉降需要进行维护和调整。InSar也是一个新的技术，真正用在工程上，特别是对于工程达到毫米级差异沉降监测并不多，这个是已经做完的一个关于在京沪高铁建设区间的一个InSar的课题研究，做得还不错，我们刚刚获得了全国的优秀测绘工程的白金奖。还有一个课题正在监测，是构筑物的，就是我们高铁本身构筑物的使用毫米级的精度来进行监测的一个课题。这个课题只是达到公分级的，就是10毫米左右的，通过对它的研究，一个很大的范围，找出沉降漏斗，这种InSar技术和我们水准测量技术和GPS的监测技术，它的趋势上是符合的，但是它的精度是在细密级的，我们如果对高铁本身，就是构筑物的，钢筋混泥土构筑物，这样一个大范围的监测，我们需要使用更高分辨率的卫星影响来进行高精度的沉淀检测，那个是毫米级的，现在课题正在进行当中。轨道板需要打磨，从模板的制作，以及板的检测，打磨以后的成果，一直到板存放以后的轨道板的变形情况，一系列的东西都需要也测量做技术保障。除此之外，我们精密测量在运行维护期间也需要进行精密测量技术，到底测多少次，一天测一次还是一年测一次，需要有一个合理的周期，这个周期的确定也是根据实际现场的变形情况来确定的。一般来讲，平面位置的变化是不太容易变的，比如京沪高铁，我们是2003年建立CP0的点，一直到现在还在用，坐标没有变化，不会超过2个公分，除非埋在地表的点被破坏了，或者是在地里面可能因为浇水、车轧，可能会有变化，其他的兼顾楼顶上的点，一般不会有大的变化。但是高程的变化是非常多的，比如京津沿线，严重的地下水的开采，经常影响地表的沉降，有的时候沉降还比较大。沉降监测周期是不同的，一个是线路所处的位置不同，比如我们需要一年测一次。可以对于武清或者亦庄这一段，那不行了，可能三个月做一次，甚至有的地方某一个局部的话，因为我们需要维修，一个月可能就需要做一次，变化周期是这样的。

 

　　谢谢。