优秀毕业论文 高速铁路无砟轨道.docx
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优秀毕业论文高速铁路无砟轨道
摘要:
高速铁路无砟轨道要求具有良好的稳定性、连续性和高平顺性,施工中需采用高精度三维控制测量技术。
结合高速铁路测量理论,介绍高速铁路控制网测量技术的特点、技术要求以及测量方法和数据处理以及测量成果的精度分析。
关键词:
高速铁路,无砟轨道,控制网,测量技术,作业方法,精度分析
0引言
高速铁路客运专线无砟轨道是以钢筋混凝土或沥青混凝土整体式道床取代散粒体道砟道床的轨道结构,与有砟轨道相比,无砟轨道主要具有以下特点:
良好的轨道稳定性、连续性和平顺性;良好的结构耐久性和少维修性能;工务养护、维修设施减少;减少客运专线特级道砟的需求;免除高速行车条件下有砟轨道的道砟飞溅;有利于适应地形选线,减少线路的工程投资;可减轻桥梁二期恒载,降低隧道净空;一旦基础变形下沉,修复困难,要求有坚实、稳定的基础。
高速铁路对轨道稳定性、连续性、平顺性要求高,从勘测设计到工程施工、运营维护都必须按照“三网合一”的原则建立一套完整的控制测量系统,才能保证测量控制基准满足高速铁路的精度要求。
无砟轨道施工的主要特点是施工工艺新、技术要求严、科技含量高,而国内引进无砟轨道铺设技术的时间较短,尚未形成成熟的理论和经验,要实现无砟轨道铺设精度满足高平顺性要求,CPⅢ精密控制网测量显得尤为重要。
高速铁路测量采用全新的高精度三维控制技术,应用GPS全球卫星定位系统进行CP0、CPⅠ、CPⅡ控制测量,建立高等级基础控制网和线路控制网,在此基础上应用自由设站边角交会法建立CPⅢ轨道控制网,最终实现三位一体的高精度定位模式。
1概述
由于过去传统的铁路运行速度较低,对轨道平顺性的要求不高,在勘测、施工中没有要求建立一套适应于勘测、施工、运营维护的完整的控制测量系统。
以往的平面控制网测量等级分为一等、二等、三等、四等、五等,坐标系统可以采用国家坐标系,也可以局部假定坐标系。
高速铁路平面测量控制网分为4级:
CP0、CPⅠ、CPⅡ、CPⅢ(CP为controlpoints的缩写),统一采用国家坐标系统,这将更加规范化和系统化。
各级平面控制网的布网要求见表1,其作用为:
1)CP0主要为高速铁路工程勘测、施工和运营维护平面控制测量提供坐标基准;
2)CPⅠ主要是为线路平面控制网(CPⅡ)提供测量平面坐标起闭的基准;
3)CPⅡ主要是线路勘测和线下工程施工阶段的平面控制网,也是轨道控制网(CP
Ⅲ)测量平面坐标起闭的基准;
4)CPⅢ主要是为轨道施工和运营维护提供平面坐标和高程基准。
表1各级平面控制网布网要求
控制网
测量方法
测量等级
点间距
相邻点的相对中误差(mm)
备注
CP0
GPS
--
50km
20
CPⅠ
GPS
二等
≤4km
一对点
10
点间距≥800m
CPⅡ
GPS
三等
600~800m
8
导线
三等
400~800m
8
附合导线网
CPⅢ
自由测站边角交会
--
50~70m
一对点
1
注:
1、CPⅡ采用GPS测量时,CPⅠ可按4km一个点布设;
2、相邻点的相对点位中误差为平面x、y坐标分量中误差。
3、当CPⅡ采用导线测量时,CPⅠ的点间距为4km一对相互通视的点。
1.1各级平面控制网的主要技术要求应符合下列规定:
1.1.1CP0、CPⅠ、CPⅡ控制网GPS测量的精度指标应符合表2的规定:
表2CP0、CPⅠ、CPⅡ控制网GPS测量的精度指标
控制网
基线边方向中误差
最弱边相对中误差
CP0
--
1/2000000
CPⅠ
≤″
1/180000
CPⅡ
≤″
1/100000
1.1.2CPⅡ控制网导线测量的主要技术要求应符合表3的规定:
表3CPⅡ控制网导线测量的主要技术要求
控制网
附合长度(km)
边长
(m)
测距
中误差(mm)
测角
中误差
(″)
相邻点的相对中误差(mm)
导线全长相对闭合差限差
方位角闭合差限差
(″)
导线等级
CPⅡ
≤5
400~800m
5
8
1/55000
±
三等
当同一测区内,导线环(段)数超过20个时,须按式(1.1-1)计算测角中误差:
(1.1-1)
式中fβ——导线环(段)的角度闭合差(″);
N——导线环(段)的测角个数;
N——导线环(段)的个数;
1.1.3CPⅢ平面网的主要技术要求应符合表4的规定:
表4CPⅢ平面网的主要技术要求
控制网名称
测量方法
方向观测中误差
距离观测中误差
相邻点的相对中误差
CPⅢ平面网
自由测站边角交会
±″
±
±
1.2各级平面控制网的平差计算应符合以下规定:
1.2.1CP0控制网应以2000国家大地坐标系作为坐标基准,以IGS参考站
或国家A、B级GPS控制点作为约束点,进行控制网整体三维约束平
差;
1.2.2CPⅠ控制网应附合到CP0上,并采用固定数据平差;
1.2.3CPⅡ控制网应附合到CPⅠ上,并采用固定数据平差;
1.2.4CPⅢ控制网应附合到CPⅠ或CPⅡ上,并采用固定数据平差。
1.3增设或补设控制点可采用同精度扩展的方法测量。
1.4GPS控制测量应符合下列规定:
1.4.1各等级GPS测量控制网的主要技术指标,应符合表5的规定。
表5各等级GPS控制网测量的主要技术要求
等
级
固定误差a
(mm)
比例误差系数b(mm/km)
基线方位角
中误差(″)
约束点间的
边长相对中误差
约束平差后
最弱边边长相对中误差
一等
≤5
≤1
1/500000
1/250000
二等
≤5
≤1
1/250000
1/180000
三等
≤5
≤1
1/180000
1/100000
四等
≤5
≤2
1/100000
1/70000
五等
≤10
≤2
3.0
1/70000
1/40000
注:
当基线长度短于500m时,一、二、三等边长中误差应小于5mm,四等边长中误差应小于7.5mm,五等边长中误差应小于10mm。
1.4.2各等级控制网相邻点间弦长精度应小于按式(1.4-1)计算的标准差。
σ=±
(1.4-1)
式中σ——基线弦长标准差(mm)
a——固定误差(mm)
B——比例误差系数(mm/km)
d——相邻点间距离(km)
1.4.3各等级GPS测量作业的基本技术要求,应符合表6的规定。
表6各等级GPS测量作业的基本技术要求
等级
项目
一等
二等
三等
四等
五等
静
态
测
量
卫星截止高度角(°)
≥15
≥15
≥15
≥15
≥15
同时观测有效卫星数
≥4
≥4
≥4
≥4
≥4
有效时段长度(min)
≥120
≥90
≥60
≥45
≥40
观测时段数
≥2
≥2
1~2
1~2
1
数据采样间隔(s)
10~60
10~60
10~60
10~30
10~30
接收机类型
双频
双频
双频
单/双频
单/双频
PDOP或GDOP
≤6
≤6
≤8
≤10
≤10
快
速
静
态
测
量
卫星截止高度角(°)
--
--
--
≥15
≥15
有效卫星总数
--
--
--
≥5
≥5
观测时间(min)
--
--
--
5~20
5~20
平均重复设站数
--
--
--
≥
≥
数据采样间隔(s)
--
--
--
5~20
5~20
PDOP(GDOP)
--
--
--
≤7(8)
≤7(8)
注:
平均重复设站数≥1.5是指至少有50%的点设站2次。
1.4.4GPS测量除满足以上规定外,其余各项要求应执行现行《铁路工程卫星定位测量规范》(TB10054)的相关规定。
2控制网测量方法及精度分析
框架控制网(CP0)测量
CP0应在线路初测前采用GPS测量方法建立,要求全线一次性布网、测量和整网平差。
CP0控制点应沿线路走向每50km左右布设一个点,在线路起点、终点或与其他线路衔接地段,应至少布设1个CP0控制点。
当沿线国家既有GPS控制点的精度和位置满足CP0控制网要求时,可将其作为高速铁路的CP0控制点。
CP0构网联测时应与IGS参考站或国家A、B级GPS点进行联测。
全线联测的已知站点数不应少于2个,且在网中均匀分布。
每个CP0点与相邻的CP0点的基线连接数不得小于3条;作为已知点的IGS参考站或国家A、B级GPS点与其相邻的CP0点的基线连接数不得小于2条。
CP0观测应使用标称精度不低于5mm±1ppm的双频GPS接收机进行多时段观测,同步观测的GPS接收机不应少于4台。
观测时段分布宜昼夜均匀,夜间观测时段数不应少于1个。
每个观测时段不宜跨越北京时间早8点(世界协调时0点)。
CP0外业观测的各项技术要求应满足下列要求:
卫星截止高度角≥15°、数据采样间隔宜为30s、同时观测有效卫星数≥4颗、有效卫星的最短连续观测时间≥15min、观测时段数≥4和有效时段长度≥300min
CP0基线向量应采用精密星历多基线解算模式进行基线解算,解算结果应包括基线向量的各坐标分量及其协方差阵等平差所需的元素。
基线向量解算引入的起算点坐标位置基准应为国际地球参考框架(ITRF)中的坐标成果,该坐标框架应与采用的精密星历坐标框架保持一致。
CP0起算点选用联测的IGS参考站或国家A、B级GPS点,其点位坐标误差应小于0.1m。
CP0基线解算完成后,应按下列要求进行CP0控制网基线处理结果的质量检核:
①同一基线不同时段的基线向量各分量及边长较差应满足下式(2.1-1)的要求。
dΔX≤
dΔY≤
dΔZ≤
(2.1-1)
dS≤
式中
按下式计算:
n—同一基线重复观测的总时段数;
i—时段号;
Ci—i时段基线的某一坐标分量或边长;
Cm—各时段基线的某一坐标分量或边长加权平均值;
—相应于i时段基线的某一坐标分量或边长的方差。
上式中n为同一基线重复观测的总时段数,i为时段号,Ci为i时段基线的某一坐标分量或边长,Cm为各时段基线的某一坐标分量或边长加权平均值,为相应于i时段基线的某一坐标分量或边长的方差。
2iCσ
②基线向量的独立(异步)闭合环或附合线路的各坐标分量闭合差(Wx、Wy、Wz)应满足下式(2.1-2)的要求:
Wx≤
Wy≤
(2.1-2)
Wz≤
式中:
j—闭合环(线)中第j条基线;
r—闭合环(线)基线数;
—第j条基线C(C=△X,△Y△Z)分量的方差。
环线全长闭合差(W)应满足式(2.1-3)要求:
W≤
(2.1-3)
式中:
Dj—闭合环(线)中第j条基线的方差—协方差阵。
基线质量检核满足要求后进行CP0网的无约束平差和约束平差。
CP0网无约束平差应在WGS-84坐标系中进行,平差后基线向量各分量的改正数绝对值应满足下式(-4)的要求:
VΔX≤3σ、VΔY≤3σ、VΔZ≤3σ(-4)
式中σ为基线弦长标准差,按式σ=±2a+(b.d)计算,计算σ时取a=5mm、b=0.2mm/km,d取各时段基线长度平均值(以km为单位计算)。
×D×10-6。
CP0约束平差后基线向量各分量改正数,与无约束平差同一基线改正数较差的绝对值应满足下式(-5)的要求。
dVΔX≤2σ、dVΔY≤2σ、dVΔZ≤2σ(-5)
CP0无约束平差应输出ITRF或IGS国际地球参考框架下各点的三维坐标、各基线向量平差值、各基线的坐标分量、改正数及其精度。
CP0约束平差应输出2000国家大地坐标系中各点的地心坐标、大地坐标、各基线向量平差值、各基线的坐标分量、改正数及其精度。
要求约束平差后CP0相邻点间的相对点位中误差小于20mm,最弱边的相对中误差小于1/2000000。
控制网(CPI)测量
CPⅠ控制网宜在线路初测阶段建立,特殊情况下也应在定测前完成,全线应一次布网、测量和整网平差。
CPⅠ控制网应沿线路走向布设,CPⅠ点宜布设在距线路中线50~500m范围内不易被施工破坏、稳定可靠、便于测量的地方,点位布设宜兼顾桥梁、隧道及其他大型建筑物布设施工控制网的要求。
路基和桥梁段应每4公里布设一个CPⅠ点,隧道段应在洞口处至少布设一对CPⅠ控制点,点对中CPⅠ点间的距离应为800~1000m左右。
CPⅠ控制网应采用边联结方式构网,形成由三角形或大地四边形组成的带状网,并附合在CP0控制网上。
在线路设计的起点、终点或与其它铁路平面控制网衔接地段,必须有2个及以上的CPⅠ控制点相重合,并在测量成果中反映出其相互关系。
CPⅠ控制网测量应按《高速铁路工程测量规范》中所规定的二等GPS测量精度要求进行施测。
CPⅠ网观测应使用标称精度不低于5mm±1ppm的双频GPS接收机进行多时段观测,同步观测的GPS接收机不应少于4台。
CPⅠ控制网外业测量应满足下列要求:
卫星截止高度角≥15°、同时观测有效卫星数≥4颗、有效时段长度≥90min、观测时段数≥2、数据采样间隔10~60s、PDOP或GDOP≤6。
CPⅠ网外业观测结束后,可采用常用的基线解算软件进行基线解算。
CPⅠ网基线向量解算应符合下列规定:
1)同一时段观测值的数据剔除率宜小于10%;
2)同一基线不同时段重复观测基线较差应满足式(2.2-1)的规定:
≤
(2.2-1)
σ—基线弦长标准差(mm),σ计算时取a=5mm、b=1mm/km。
(d取环平均边
长)
3)由若干条独立基线边组成的独立环或附合路线各坐标分量(Wx、Wy、Wz)及全长Ws闭合差应满足式(2.1-2)的规定:
(2.2-2)
n—闭合环的边数
基线质量检核满足要求后进行CPⅠ网的无约束平差和约束平差。
CPⅠ网无约束平差也应在WGS-84坐标系中进行,平差后基线向量各分量的改正数绝对值也应满足上式()的要求,计算σ时取a=5mm、b=1mm/km。
CPⅠ网无约束平差合格后提供WGS-84坐标系中的空间直角坐标、基线向量及其改正数和精度信息。
CPⅠ网的三维约束平差应在2000国家大地坐标系中进行,起算点应该是所联测CP0点的三维坐标。
三维约束平差后基线向量各分量改正数,与三维无约束平差同一基线改正数较差的绝对值应满足上式()要求,并提供约束平差后相应坐标系的空间直角坐标、基线向量及其改正数和精度信息。
要求约束平差后CPⅠ相邻点间的相对点位中误差小于10mm,最弱边的相对中误差小于1/180000。
CPⅠ控制网的二维平面坐标应该是高速铁路线路工程独立坐标系中的坐标。
高速铁路线路工程独立坐标系采用任意中央子午线和抵偿高程面的高斯分带投影方法建立,各投影带中央子午线和高程面的选择应确保该区域轨道面上投影长度的变形值不大于10mm/km。
根据工程独立坐标系投影带的划分,将CPⅠ控制网在2000国家大地坐标系中的空间直角坐标,分别投影到相应的平面坐标投影带中,得到CPⅠ″。
在实际工程建设中,为使高斯投影和高程归化改正引起的长度变形的综合影响控制在较小的范围内,常用以下的方法建立工程独立坐标系:
1)把中央子午线移到工程建设区域中央,归化高程面提高到该区域的平均高程面上,这样既可使该测区的高程归化改正较小,并使测区中央的投影变形几乎为零。
采用该方法建立的工程独立坐标系,其控制的东西跨度范围与测区的高差起伏有关,高差起伏越小,控制的东西跨度越大;高差起伏越大,控制的东西跨度越小。
2)采用抵偿高程面的方法建立工程独立坐标系,即中央子午线保持不变,选择某一高程面作为归化高程面,使高程归化变形和高斯投影变形相互抵偿,使测区内工程面上的两项投影变形的综合影响满足不大于10mm/km的要求。
由于高速铁路的线路较长,一般采用上述第二种方法建立分带的工程独立坐标系。
控制网(CPII)测量
CPⅡ控制网宜在线路定测阶段建立,全线应一次布网、测量和整网平差。
CPⅡ控制网应沿线路走向布设,CPⅡ点宜布设在距线路中线50~200m范围内不易被施工破坏、稳定可靠、便于测量的地方,路基和桥梁段应每600~800m布设一个CPⅡ点,隧道洞内也应每300~600m布设一对CPⅡ点。
路基和桥梁段的CPⅡ控制网应采用GPS方式测量,隧道洞内的CPⅡ控制网应采用导线环网的方式测量。
采用GPS方式进行CPⅡ控制网测量时,应采用边联结方式构网,形成由三角形或大地四边形组成的带状网,并附合在沿线的CPⅠ控制点上。
在线路设计的起点、终点或与其它铁路平面控制网衔接地段,必须有2个及以上的CPⅡ控制点相重合,并在测量成果中反映出其相互关系。
采用导线环网方式进行CPⅡ控制网测量时,应采用四至六条边的环网方式构网,形成由环网构成的带状网,并附合在洞口的CPⅠ控制点上。
CPⅡ控制网测量应按表2和表3中所规定的三等GPS网或三等导线网测量精度要求进行施测。
CPⅡ网观测也应使用标称精度不低于5mm±1ppm的双频GPS接收机进行多时段观测,同步观测的GPS接收机不应少于4台。
CPⅡ控制网外业测量应满足下列要求:
卫星截止高度角≥15°、同时观测有效卫星数≥4颗、有效时段长度≥60min、观测时段数≥1~2、数据采样间隔10~60s、PDOP或GDOP≤8。
CPⅡ网外业观测结束后,可采用常用的基线解算软件进行基线解算。
CPⅡ网基线向量解算应符合下列规定:
(1)同一时段观测值的数据剔除率宜小于10%;
(2)同一基线不同时段重复观测基线较差应满足式()的规定:
(3)由若干条独立基线边组成的独立环或附合路线各坐标分量(Wx、Wy、Wz)及全长Ws闭合差应满足式()的规定。
基线质量检核满足要求后进行CPⅡ网的无约束平差和约束平差。
CPⅡ网无约束平差也应在WGS-84坐标系中进行,平差后基线向量各分量的改正数绝对值也应满足上式(-4)的要求,计算σ时取a=5mm、b=1mm/km。
CPⅡ网无约束平差合格后提供WGS-84坐标系中的空间直角坐标、基线向量及其改正数和精度信息。
CPⅡ网的三维约束平差应在2000国家大地坐标系中进行,起算点应该是所联测CPⅠ点的三维坐标。
三维约束平差后基线向量各分量改正数,与三维无约束平差同一基线改正数较差的绝对值也应满足上式(-5)要求,并提供约束平差后相应坐标系的空间直角坐标、基线矢量及其改正数和精度信息。
要求约束平差后CPⅡ相邻点间的相对点位中误差小于8mm,最弱边的相对中误差小于1/100000。
CPⅡ控制网的二维平面坐标应该是高速铁路线路工程独立坐标系中的坐标,可将CPⅡ控制网在2000国家大地坐标系中的空间直角坐标,分别投影到相应的平面坐标投影带中,得到CPⅡ″。
隧道洞内CPⅡ控制网应在隧道贯通后采用导线方式测量。
洞内CPⅡ导线测量应根据附合导线长度,按下表7要求进行测量。
当CPⅡ导线环数超过20个时,须按式(2.3-1)计算测角中误差:
(2.3-1)
式中fβ——导线环(段)的角度闭合差(″);
n——导线环(段)的测角个数;
CPⅡ导线成果计算应在方位角闭合差及导线全长相对闭合差满足要求后,以联测的洞口CPⅠ控制点坐标为起算数据,采用严密平差方法进行导线环网的平差计算。
表7符合导线长度规范表
控制网级别
附合长度(km)
测距中误差(mm)
测角中误差
(″)
相邻点位坐标中误差(mm)
导线全长相对闭合
差限差
方位角闭合差限差(″)
对应导线等级
备注
CPⅡ
L≤2
3
1/55000
±
三等
单导线
CPⅡ
2<L≤7
3
1/55000
±
三等
导线环网
CPⅡ
L>7
3
5
1/100000
±
隧道二等
导线环网
2.4轨道控制网(CPIII)测量
高速铁路线上工程施工期间建立的轨道控制网又称为CPⅢ控制网,其主要作用是为无砟轨道板的铺设施工和钢轨的铺设施工提供测量基准,也是高速铁路运营期间检测轨道平顺性的测量基准,因此称之为轨道控制网。
CPⅢ控制网的合理布设及测量时间为线下工程施工结束和沉降评估通过以后,其上一级的测量控制基准是线路两侧的CPⅡ或CPⅠ控制网。
CPⅢ控制网是平面和高程共点的三维控制网,其平面网是一种新型的边角控制网,高程网是采用精密水准仪和水准测量的方法测量的水准网。
CPⅢ控制网是一种新型的施工控制网,是2005年随着我国高速铁路的兴建而从德国引进的一种专为无砟轨道和钢轨施工服务的精密工程测量控制网,其精度要求比较高,平面网要求相邻CPⅢ点间的相对点位中误差应小于±1mm,高程网要求相邻CPⅢ点间的相对高差中误差应小于±0.5mm。
首先研究轨道控制网的平面测量技术,然后再论述高程测量的新技术及数据处理的方法。
1)全新的作业方式
CPIII采用自由测站边角交会这一全新作业方式进行测量,比较普通控制网(有已知边)的测量,CPIII测量没有已知边提供起算数据,它通过作业过程中涵盖CPII或者CPI的自由交会来确定设站坐标,从而解算出各个CPIII的坐标。
其测量距离短,网型繁杂,每个点的测量次数多,工作量十分庞大。
2)精度要求高
为满足列车高速行驶时的安全性和舒适性,要求客运专线铁路必须具有极高的精确性和平顺性,这就要求CPIII的精度必须满足毫米级的要求,以便为调轨及维护工作提供可靠的依据。
在CPIII平面网中,要求方向观测中误差不大于1.8〞,距离观测中误差以及相邻点相对中误差均不大于1.0mm,可重复测量精度不大于3mm。
其中相邻点相对中误差是保证全网高平顺性最关键的精度指标。
因此必须使用具有马达驱动、自动照准和数据自动记录功能的现代化全站仪进行测量,其标称精度不应大于:
1〞,1mm+2ppm。
如莱卡TCA2003,TCA1201,天宝TrimbleS6等。
3)施测难度大,工作量大
CPIII测量对环境要求很高,光线、气压、温度、粉尘、车辆行驶都能对测量产生影响,使测站数据作废,加之网型紧密,测站数多,每个CPIII点(包括已知的CPII或者CPI点)都要至少测量3次,对一条线路来说任务相当繁重。
CPⅢ观测应在气象条件相对比较稳定的天气下进行(温差变化较小、湿度较小,如阴天),夜间观测应避免强热光源对观测的影响。
CPⅢ观测时测程内不能有任何遮挡物,哪怕一根细铁丝也会导致结果错误,场内不得有人体可以感受到的任何震动。
4)自动化程度高、可靠性强
由于采用了具有自动照准、自动记录、自动计算的全站仪进行观测,所以CPIII测量过程的自动化程度较高,操作相对简便。
不仅节省了大量人力,并且避免了人员在操作过程中出现的疏漏,从而提高了数据的可靠性。
从而能够为保证高速铁路的高平顺性提供了可能性,最终能够满足列车高速行驶时的安全性和舒适性。
轨道控制网平面测量技术的实施
1)CPIII测量前的准备工作
针对CPIII控制网高精度、高稳定性的特点,CPⅢ控制网测量必须在线下工程竣工、并通过沉降变形评估后施测。
建网前应对全线的CPⅠ、CPⅡ控制
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