客运专线无砟轨道铁路工程测量技术.ppt
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1、客运专线无砟轨道铁路,工程测量技术,第一章 概述,无碴轨道在铁路线路上的使用,从根本上改善了列车走行的基础条件,实现了旅客列车运行平稳性、安全性、舒适性的要求,并且大大缩短了线路维修时间,降低了维护成本。,一、国内外无碴轨道发展历程,1.国外无碴轨道发展历程,20世纪60年代,世界各国开始研究使用无碴轨道,从室内试验,现场试铺到在高速铁路上的普遍推广,历经40余年,形成了具有各国特色的系列化、标准化产品。,无碴轨道具有的突出优点:,轨道稳定性高,刚度均匀性好,结构耐久性强,维修工作量显著减少,技术相对成熟,由于无碴轨道具有的明显优势,世界各国研究开发了多种结构形式的无碴轨道。如:,日本新干线的
2、板式,德国高速铁路的Rheda型、Bogl型、Zblin型,英国的PACT型、英吉利海峡隧道的弹性支承块(LVT)式,法国的STEDEF型等,高速铁路采用无碴轨道结构形式已被很多国家所接受。其中德国和日本在无碴轨道的研发及应用方面处于领先地位,技术相对更成熟。如下图所示:,日本桥上A型板式轨道,隧道内框架型板式轨道,雷达2000型无碴轨道,博格板式无碴轨道,2.我国无碴轨道的研究与应用,国内对无碴轨道的研究始于20世纪60年代,与国外的研究几乎同时起步。,等整体道床以及框架式沥青道床等多种型式。,初期曾试铺过,支承块式,短木枕式,整体灌注式,正式推广应用的仅有支承块式整体道床,在成昆线、京原线
3、、京通线、南疆线等长度超过1 km的隧道内铺设,总铺设长度约300 km。,在此20多年期间,我国在无碴轨道的结构设计、施工方法、轨道基础的技术要求以及出现基础沉降病害时的整治等方面积累了宝贵的经验,为发展无碴轨道新技术打下了基础。,此外还铺设过由沥青灌注的固化道床,但未正式推广。在京九线九江长江大桥引桥上还铺设过无碴无枕结构,长度约7 km。,20世纪80年代曾试铺过由沥青混凝土铺装层与宽枕组成的沥青混凝土整体道床,全部铺设在大型客站和隧道内,总长约10 km。,1995年我国开始对弹性支承块式无碴轨道进行研究,1996年、1997年先后在陇海线白清隧道和安康线大瓢沟隧道铺设试验段,并在秦岭
4、隧道一线、秦岭隧道二线正式推广使用,一、二线合计无碴轨道长度36.8 km,并先后于2001年、2003年开通运营。,以后又陆续在宁西线(南京-西安)、兰武复线、宜万线、湘渝线等隧道内及城市轨道中得到广泛应用,已经铺设和正在铺设的这种无碴轨道累计近200 km,,下图为弹性支承块式无碴轨道,在秦沈客运专线选定了3座混凝土桥作为无碴轨道的试铺段。其中,见下列各图,沙河特大桥(692m)试铺长枕埋入式无碴轨道;,狗河特大桥(741m)直线和双河特大桥(740m)曲线上试铺板式轨道。,沙河特大桥长枕埋入式无碴轨道,狗河特大桥板式无碴轨道(直线上),双河特大桥板式无碴轨道(曲线上),根据客运专线无砟轨
5、道铁路工程施工质量验收暂行规定客运专线铁路轨道工程施工质量验收暂行标准,无砟轨道铺设精度标准分别见下表。,二、无砟轨道铺设精度要求,客运专线铁路无砟轨道静态平顺度允许偏差(mm),客运专线铁路有砟轨道静态平顺度允许偏差(mm),客运专线铁路无砟轨道轨面高程、轨道中线、线间距允许偏差,客运专线铁路有砟轨道轨面高程、轨道中线、线间距允许偏差,德国高速铁路无砟轨道铺设精度标准(mm),三、客运专线无砟轨道铁路工程测量基本工作流程,客运专线无砟轨道铁路工程测量,勘测设计阶段,施工阶段,运营阶段,勘测设计阶段,控制网设计,初测,定测,平面控制网设计,高程控制网设计,建立基础控制网CPI(B级GPS网),
6、建立二等/四等高程控制网,建立线路控制网CPII(C级GPS网或四等导线),利用初设二等/四等高程控制网,评估,施工阶段,线下工程施工阶段,无砟轨道铺设阶段,竣工阶段,一般地段利用定测平高控制网或根据需要加密施工控制网,建立变形监测网,建立基桩控制网CPIII,建立全线二等水准高程控制网,加密基桩,轨道铺设竣工测量,评估,重点地段建立独立的平高控制网,建立变形监测网,建立维护基桩,变形监测网,评估,验收交接,运营阶段,运营维护工作,构筑物变形监测,第二章 无砟轨道铁路工程控制测量,第一节 无砟轨道铁路工程控制测量特点,一、三网合一的概念,运营维护控制网是在无碴轨道工程竣工后,施工单位交给运营单
7、位,为运营阶段对无碴轨道进行变形监测、运营维护的平面、高程控制网,它包括了基础平面控制网、二等水准网、线路控制网、控制基桩点等。,三网,勘测控制网,施工控制网,运营维护控制网,勘测控制网是指包括基础平面控制网在内,在勘测设计阶段为满足勘测设计和向施工单位交桩而进行的平面、高程测量,它包括了线路控制网。,施工控制网是在基础平面控制网、线路高程控制网的基础上,为满足施工而建立的各级平面、高程控制网。,为保证控制网的测量成果质量满足勘测、施工、运营维护三个阶段测量的要求,适应无砟轨道铁路工程建设和运营管理的需要,三个阶段的平面、高程控制测量必须采用统一的基准,简称“三网合一”。,与有砟轨道相比,无砟
8、轨道的最大特点是工程施工工艺和精度要求高,运营维护技术特殊,周期长(按60 年设计标准)。,坐标高程系统的统一,起算基准的统一,测量精度的协调统一,其内容和要求:,在无砟轨道的勘测设计、线下施工、轨道施工及运营维护的各阶段均采用坐标定位控制,因此必须保证“三网”坐标高程系统的统一,无碴轨道的勘测设计、线下施工、轨道施工及运营维护工作才能顺利进行。,客运专线的“三网”平面测量应以基础平面控制网CP为平面控制基准,高程测量应以二等水准基点为高程控制测量基准。,因此,对于客运专线铁路工程建设和运营管理建立“三网合一”的测量系统不仅保证了无砟轨道施工的精度,而且为运营期间养护维修提供了统一的基准,起着
9、重要的作用。,“三网合一”的重要性在于从控制网的统一开始着手建立铁路无砟轨道测量系统,其意义可以说是划时代的。,二、三网合一的重要性,德国睿铁公司(RailOne)执行副总裁巴哈曼先生曾说过:“要成功地建设无砟轨道,就必须有一套完整、高效且非常精确的测量系统,否则必定失败。”,三、投影变形要求,四、我国客运专线对无砟轨道铺设精度要求,表21 无砟轨道铺设的精度(静态)要求,(2)300m弦长,正矢偏差为10mm,即10mm/300m。,(1)10m弦长,轨向偏差为2mm,高低偏差为2mm,即2mm/10m,见下表,第二节 平面控制网,在测量数据处理时,则希望测量误差对最终的结果影响最小。,一、
10、工程控制网的优化设计,在布设控制网时,希望在现有人力、物力和财力的条件下,使控制网具有较高的精度和可靠性;,在旧有控制网改造时,希望在满足一定要求的前提下,使改造的费用最低;,二、质量标准,优化设计中涉及的质量标准,精度,可靠性,费用,纯量精度标准,准则矩阵标准,内部可靠性,外部可靠性,最大原则,最小原则,纯量精度标准是选择一个描述全网总体精度的某一量作为评定网的精度指标。,纯量精度指标适用于工程控制网。因工程控制网有其特殊要求的一面(如直线隧道贯通的横向精度要求较高),经常只涉及部分点的精度,易于用纯量标准来描述,且在设计中易于达到目标,不必对全网的精度作控制。,准则矩阵是一种全面和精密的精
11、度标准,它可描述网的精度细部,是一个具有理想结构的方差协方差矩阵,有几种结构方法。例如,1972年Grafarend提出了所谓TK结构,它要求点位误差椭圆为圆,且各点一致。1974年Baarda等人提出了一种“混沌”结构,要求点位误差椭圆和相对点位误差椭圆均为圆。,可靠性是衡量网的抗差能力,包括网的内部可靠性和外部可靠性。因为这些都与观测量的多余观测分量有关,,因此目前均采用多余观测分量作为可靠性的度量。,费用标准是建网费用的精度指标,有两种原则,最大原则(费用一定,网的质量最好)最小原则(网的质量标准满足要求,费用最小)。由于建网的费用涉及多种因素,实际情况千变万化,一般难以用一个准确的合乎
12、实际的费用函数来计算建网费用,目前常用观测值权的一个函数来度量。,根据德国慕尼黑国防军事学院天文、物理大地测量教授格伦法伦德(E.Grafarend)博士所建议的分类方法,控制网的优化设计问题通常可分为四类。,三、优化设计分类和解算,控制网的优化设计,零类设计,一类设计,二类设计,三类设计,零类设计也就是基准的选择问题,即平差的参考系选择问题。基准可以认为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。因此,基准的选择可以认为是必要的起始数据的选择,而如何选择这组必要的起始数据才能达到某种目的则是零类设计所要解决的问题。,测量控制网的点位坐标是待估参数。对于测角网,观测量是
13、方向或角度。仅根据方向或角度的观测值不可能确定点的坐标值,亦即不能确定网的位置、方向和大小。因此,需要有一个点的位置(纵、横)、一个方位和一个尺度基准。也可以两个点的纵、横坐标为基准。对于测边网、边角网或导线网,观测量是边长和方向(或角度)。为了确定点的坐标,需要有一个点的位置(纵横坐标)和一个方位基准。一般来说,测角网、测边网、边角网都是二维平面控制网,其基准数为4,而各种三维控制网的基数是7个。,(1)零类设计,控制网的基准设计不仅为网的待定参数提供了起算数据,还对网的精度有很大影响。众所周知,离开始起点愈远,待定点的精度愈低。各种控制网有不同的专门用途和特定的精度要求,在进行网的基准设计
14、时必须分别加以考虑。,参照德国高速铁路采用MKS定义的特殊技术平面坐标系统,把地球表面正形投影到设计和计算平面上,发生的长度变形限定在10mm/km的数量级上。客运专线无砟轨道施工平面控制网的基准应该采用建立独立施工坐标系统的方式,控制网的尺度标准应以线路轨顶标高作为施工投影面,通过采取分带投影或采用特殊技术定义的平面坐标系统,将坐标投影长度变形限定值在现在25mm/km的基础上进一步提高到10mm/km,减小控制网的尺度变形,保证无砟轨道铺设的精度要求。,测量控制网的一类设计是解决网形优化问题,即在客观地形、地物和地质条件下,寻求点位的最优布设与观测值的最佳配赋。控制网网形设计,一般先通过图
15、上规划和野外踏勘得到初始方案,然后运用最优化方法对初始网形加以改进,得出最终布网网形。考虑到客运专线的狭长性质以及其所经过的地形地貌,其平面控制网的基本网形应该是沿着线路的闭合导线形或是大地四边形的带状网。而网形的优化设计所要解决的问题就是布设多少控制点,也就是控制点的数目的优化。点数的多少决定着测区控制点密度,影响到精度、可靠性和使用的方便性,也与测量的成本费用、工作量有直接关系。应该在满足精度、可靠性要求和使用方便的前提下,力求布设最少的控制点。目前 尚难以实现计算机自动选点。较为可行的途径是将设计者的直觉和经验与电子计算机的高速计算和严密判断结合起来。,(2)一类设计,二类设计或控制网观
16、测值最佳权变量问题,是指在图形已经确定的控制网中,寻求观测值的最优权矩阵,并把它变成观测纲要。这里最优的意义是指精度、费用和可靠性标准。测量控制网的观测值,主要有测边和测角两类,它们对控制网精度、可靠性等质量指标有着不同的影响。角度观测值在网中作用主要是对方位(横向)的控制,却有较大的尺度误差(总纵向);测边网的点位误差也是离已知点越远越大,但有较大的方位误差和较小的尺度误差。边长、角度观测值对控制网影响的正交性,使边角网在精度方面优于单纯的测角网或测边网,也为测量控制网的优化设计提供了新的方法。可以借助于改变边角网中测角、测边的数目及其精度来调解待定点点位误差椭圆的形状和大小。,(3)二类设
17、计,三类设计指的是旧有控制网的改造方案设计问题。通常采用增加一定数量的附加观测值来改造旧有网,如测角网中加测一部分边长观测值,以改善旧有网的质量。一般是以改善控制网的精度和灵敏度为目标的优化设计问题。,(4)三类设计,总之网的优化设计一般应满足以下要求:1)精确性网中各元素要达到或高于预定的 精度;2)可靠性网中应具有一定数量的多余观测,构成几何条件,使控制网具有较 高的自检功能,避免粗差出现。3)经济性用最小的时间、人力,能以较少 物力等实现网的精度和可靠性要 求。,四、平面控制网设计技术指标和要求主要是根据,新建铁路工程测量规范,京沪高速铁路测量技术暂行规定,客运专线无砟轨道铁路工程测量暂
18、行规定,无砟轨道设计技术条件,五、高速铁路平面坐标系选取方式,在测区内投影长度的变形值不宜大于10mm/km。根据测区所处地理位置和线路高程情况,可按下列方法选定坐标系统:,高速铁路的平面坐标宜引入1954北京坐标系或1980年国家坐标系或2000年国家大地坐标系。,(3)桥梁控制测量和隧道控制测量,也可采独立坐 标系统,高程投影面可分别采用相应的平均高程 面。,(1)采用全国统一的高斯正投影3带平面坐标系统。,(2)采用投影于测区抵偿高程面的高斯正投影3带 平面直角坐标系统;投影于1985年国家高程基准的任意中央子午线高 斯正投影平面直角坐标系统;投影于测区抵偿高程面的任意中央子午线高斯正
19、投影较窄带宽平面直角坐标系统。,六、无砟轨道平面控制网分级,无砟轨道平面控制网,基础平面控制网,线路平面控制网,基桩控制网,CP,CP,CP,Basic Horizontal Control Points,Route Control Points,Base-piles Control Points,基础平面控制网(CP)沿线路走向布设,按GPS静态相对定位原理建立,为全线(段)各级平面控制测量的基准。,线路平面控制网(CP)在基础平面控制网(CP)上沿线路附近布设,为勘测、施工阶段的线路平面控制和无砟轨道施工阶段基桩控制网起闭的基准。,基桩控制网(CP)沿线路布设的三维控制网,起闭于基础平面控
20、制网(CP)或线路控制网(CP),一般在线下工程施工完成后进行施测,为无砟轨道铺设和运营维护的基准。,当采用边角后方交会法测量时,CP控制网应采用独立自由网平差,然后在CP或CP中置平。,七、各级控制网的相互关系,CP控制网应附合到CP上,采用固定数据平差。,当CP导线测量时,CP控制网应附合到CP或CP上,采用固定数据平差,分段附合或置平时,相邻段应有足够的重叠,重叠长度应不小于1km。,八、国内外无砟轨道测量控制网标准,我国客运专线无砟轨道测量控制网的主要技术指标,注:S为GPS基线长,单位为km;L为水准路线长,单位为km。,德铁RIL883的控制网精度标准,注:表中“-”指没有具体要求
21、的数据。L为相邻两水准点之间的距离,单位为km。,国内外控制网标准对比,综上所述:我国无砟轨道控制网的等级和精度与德铁RIL883标准基本持平或稍高。,CP,PS0,CP,PS1,水准基点,PS3,CP,PS4,第一级平面控制网,第二级平面控制网,第三级平面控制网,高程基础控制网,控制网等级,精度要求,CP,高于,PS1,CP,低于,PS3,水准基点,高于,PS3,高于,PS4,平面,高程,第三节 高程控制网,一、高程控制网的技术指标和要求,高速铁路的高程系统,1985国家高程基准,测量精度,中误差,极限误差,m,2m,路基的工后沉降不应大于15mm,不均匀沉降不应大于20mm/20m;无砟轨
22、道底座浇筑前,底座范围内的桥面标高偏差不应超过0/-30mm。,当个别地段无1985国家高程基准的水准点时,可引用其他高程或以独立高程起算,但在全线高程测量贯通后,应消除断高,换算成1985国家高程基准。有困难时亦应换算成全线统一的高程系统。,新建铁路工程测量规范要求:水准点高程控制测量应与国家水准点或相当等级的水准点联测,并不大于30km联测一次,形成符合水准路线。因此,高程控制网仍采用符合水准路线的方法,以两端的国家水准点作为起算基准。,二、高程控制网的平差基准,高程控制网的基准,秩亏自由网,经典网,高铁采用经典网的形式,精度低,精度高,不符合实际情况,一类设计所要解决的是网形确定的问题,
23、而铁路水准测量多是沿线路布设成符合水准路线,在这种布设方法下,网形的变化对精度的影响不是很大,而主要与水准路线的长度以及测量等级有关,因此,不再对此进行一类设计,而是直接按照新建铁路工程测量规范的要求,将高程控制网布设成沿线路的单一的符合水准路线。水准点设在距线路100m范围内,并设在不易风化的基岩或坚固稳定的建筑物上,或是埋设混凝土水准点。,三、高程控制网形,高速铁路测量不同于一般铁路测量,主要区别在于:除了测量精度提高以外,还对线路的平顺性提出了高要求,对路基、桥涵以及过渡段的沉降观测也有高要求。因此,高程控制网的布设需要满足两个施工要求:,四、高程控制精度,沉降观测要求(主要是路基),轨
24、道平顺性要求,路基的工后沉降不应大于15mm。如果按照国际测量工作者联合会(FIG)第十三届会议(1971)中提出的:“如果观测的目的是为了使变形值不超过某一允许的数值而确保建筑物的安全,则其中误差应小于允许变形值1/10-1/20,因此,变形精度要求为:,1.路基沉降观测点高程中误差的确定,工后沉降测量中误差,1/10,1/20,0.75mm,1.5mm,最后取,2.路基沉降观测的精度要求,3.控制基桩的高程中误差,无砟轨道高程控制的精度主要是:,确保轨道垂向铺设的精度,保证把沿钢轨方向高差控制在限差范围内,如果按照第一种验收标准,即弦长为10m,高低应小于2mm,同一横截面左右轨顶面水平差
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