高速铁路精密测量控制技术研究大纲A4纸左侧胶订封皮选.docx
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高速铁路精密测量控制技术研究大纲A4纸左侧胶订封皮选
京沪高速铁路重大科技项目——
高速铁路精密测量控制技术
项目论证报告暨研究大纲
主持单位:
铁道第三勘察设计院集团有限公司
参加单位:
中铁二院,中铁四院,中铁七局,
同济大学,西南交大,郑州欧亚
二○○八年九月·北京
一、项目立项背景及必要性
1.1项目立项背景
目前,日、法、德、意、西班牙、比利时等国家建成投入运营的高速铁路已逾5000km,正在建设及已立项准备修建高速铁路的国家和地区有十几个,长度在5000km以上。
国内开展高速铁路的研究始于上世纪90年代,在高速铁路基础理论、技术标准、结构设计等方面取得了重大进展。
“十一五”期间,我国将大规模建设高速铁路客运专线,并大量采用无砟轨道。
与一般铁路相比,无砟轨道工程在结构上具有良好的连续性、平顺性和稳定性的特点,但需要高精度、高难度的测量工作作保证,高精度的测量已经成为制约高速铁路建设的重要保证和成败的关键因素之一。
高速铁路精密测量控制技术作为高速铁路建设成套技术的一个重要组成部分,在高速铁路建设过程中也越来越显示出其重要性。
在高速铁路建设中,德国、日本等高速铁路大国都有自己的一套适合高速铁路建设的铁路工程测量成套技术体系。
特别是德国,各公司根据不同的无砟轨道结构型式有一套完整的轨道施工测量、轨道静态检测和运营维护测量技术标准。
德国的铁路部门专门在德国境内建立了一套独立的坐标系统用于高速铁路施工,它的内符合精度优于一般国家基础控制网,这都充分显示出德国在建设高速铁路测量体系方面所下的功夫。
京津城际铁路是国内最早开工建设和最早投入运营的第一条城际高速铁路,线路全线120km,全线桥梁占80%以上,大段落铺设无砟轨道。
在2006年京津城际铁路建设初期,铁三院率先提出原定测量测控制网不能满足无砟轨道铺设的需要,应该建设精测网,为此铁三院与铁道部科技司签订了“京津城际精密工程测量方法与标准的研究”的研究课题,取得了多项重要研究成果,确保了京津城际铁路的建设质量和工期要求,为其它在建的高速铁路和客运专线铁路建设起到了一定的示范作用。
但京津城际毕竟只有120km,虽沿线处于不均匀地面沉降地区给铁路建设带来一定的困难,但地形平坦,没有隧道工程,再加上京津城际精测网的分级布设方法与精度指标等方面与我国2006年10月颁布实施的《客运专线铁路无砟轨道测量暂行规定》还有较大差别,许多方面还需要进一步从理论上和实践中进行梳理和总结。
1.2项目立项必要性
以德国高速铁路建设的经验,“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”。
从我国高速铁路建设的实践来看,已建和在建的一些客运专线或多或少存在着因精密工程测量控制技术问题而带来施工的困扰和运营检测的困难。
所以,对高铁建设来说,建立一套精密的测量系统,制定一套行之有效的精密测量控制技术标准体系,是一个十分重要的课题。
我国于2006年10月颁布实施的《客运专线铁路无砟轨道测量暂行规定》,虽然基本解决了客运专线铁路各级平面高程控制测量及线下工程施工测量的问题,但由于缺乏工程实践经验,没有自己的成熟可靠的精密测量控制技术标准体系而参考了德国高铁测量的一些方法,许多地方存在着生搬硬套的问题,没有形成一个适用于我国的完整、高效的测量系统。
现行的规范和测量技术还不能完全适应高速铁路铁路建设的要求。
主要存在以下几个方面的问题:
(1)不同等级的控制网间的测量精度指标的匹配还缺乏理论和验证数据,不够系统和权威,部分精度指标要求显得苛刻,应进行必要的优化。
(2)部分细节性的测量技术没有相关的规定或是可供参考的规范,导致现场测量作业标准不一,难以实行标准化管理。
(3)变形观测技术对指导施工的功能性不强,还不能完全满足铺轨测量时间对沉降观测数据依赖性的要求。
(4)对CP
自由设站边角交会网测量精度标准及如何利用CP
控制网进行轨道施工、如何测量和评定高速铁路无砟轨道平顺性以及运营维护管理等缺乏明确具体的规定。
(5)专业化、系统性的数据处理软件还不够丰富和系统。
综上所述,对我国精密测量控制技术进行系统而完整的研究非常必要,其有助于保证高速铁路测量精度,提高测量效率,提高施工质量,节约施工成本,并具有明显的社会经济效益。
我国高速铁路建设正处于建设高峰时期,高速铁路建设迫切需要开展精密工程控制测量技术的研究,解决高速铁路勘测设计、施工、轨道平顺性测量、运营维护测量等一系列技术问题,建立一套完整、有效的中国高速铁路工程测量技术体系。
二、主要研究内容
2.1平面坐标基准的建立与平面控制网分级布设的原则
(1)高速铁路精密测量控制网基准和施工坐标系统的选择,即坐标系投影基准和投影长度变形值的选择
坐标系选择
研究适合于高速铁路建设的平面坐标系统:
采用二维的北京54/西安80,还是采用三维的WGS84地心坐标系/国家2000大地坐标系。
研究克服投影长度变形值方法
研究投影分带的原则及相邻投影带间线路平顺衔接的方法。
研究消除或减小边长投影变形值的其他投影转换方法。
(2)平面控制网分级布设的原则
平面控制到底分多少级合适;
GPS框架网CP0的必要性和建网精度、布网方法;
CPI和CPII的布网方法及精度要求;
CPIII及铺轨加密基标的布网方法及精度要求。
2.2高程基准的建立与保证不均匀地面沉降地区高程控制网的长期有效性
(1)高程基准建立方法的研究
京沪高速铁路高程基准的建立参照了京津城际铁路的做法,沿线(京徐断)在6个基岩点(北京(京津城际建)、天津(李七庄)、沧州(新建)、德州(新建)、济南和徐州为既有)的基础上,沿线隔8公里左右设置了深度达55m左右的深埋水准点,在此基础上,每2公里左右设普通水准点一个,采用二等水准观测,但这种作业方法工作量很大,对平原地区还好些,对于高山地区,尤其困难,水准路线会因为绕行而很长,为适应高山地区的高等级水准测量的难题,有必要开展“精密光电三角高程和GPS高程测量替代二等水准的可行性研究”。
(2)不均匀地面沉降地区高程控制网的长期有效性的研究
京津城际铁路和京沪高速铁路沿线地质条件非常复杂,存在多个不均匀沉降漏斗区,有些地方地表沉降非常厉害。
为了建立有效的高程基准,已在沧州和国家地震局共建了一座基岩点,在北京南站、天津(京津城际工程建立)和德州新建了基岩点,沿线隔8公里左右设置了深度达55m左右的深埋水准点,经复测发现个别处于沉降漏斗区的深埋水准点并不十分稳定,下沉较为严重,采取何种有效措施快速检测或减少深埋水准点的沉降变化给工程带来的不良影响,保证不均匀地面沉降地区高程控制网的长期有效性,对高铁的建设和运营维护都是一个大问题。
2.3GPS基准网(框架网CP0)的数据处理方法及及精度指标
建立GPS坐标基准控制网(CP0)已成为高速铁路精密控制测量工作中的共识,并在京沪、石武等高速铁路的精密控制测量工作中进行了应用。
CP0涉及长基线的精密解算,其无法用普通的GPS商用解算软件来实现。
目前,国内对CP0的解算均采用GARMITGPS解算软件(美国)或BerneseGPS解算软件(欧洲)。
上述两种GPS解算软件能满足CP0的高精度解算要求,但是软件的界面不友好,解算方法不易掌握,导致使用不便;同时,由于是国外研制的软件,其结果数据的输出以及精度评定的方法,在格式和形式上与我国的国家规范和铁路行业规范不相符合,需要进行二次编辑和加工才能获得符合标准的结果形式。
居于此,开发具有我国自主知识产权、符合我国国标和行业标准的GPS高精度解算软件显得十分必要,其将推动并有利于高速铁路建设的进一步发展。
数据处理过程中参数如何确定,选用何种模型,采用的起算点和平差策略,精度评价指标如何确定,什么样的成果算合格,复测结果如何采用等。
2.4CPI、CPII和CPIII测量理论、数据处理方法和精度指标
测量理论、方法、数学模型和软件开发,精度指标和评估。
什么样的精度指标才算匹配或是最优。
间隔、观测时间、计算方法、精度指标。
2.5无砟轨道铺设测量控制技术
研究I、II型无砟轨道板的铺设控制条件、测量方法、精度指标,制定统一的施工测量流程,并研究设计相关测量控制装备。
2.6轨道精调、检测及评估技术
此工序乃工程成败的关键之一,轨道精调、检测技术、方法和评价指标的合理确定非常重要。
研制出一套功能完备,满足轨道绝对空间位置测量和轨道全几何参数测定的检测装备和检测技术,满足轨道长、短波检测的要求。
2.7一体化自动化测量系统的集成技术
大力开发推广使用自动测量技术,自动记录,智能判断获取数据的质量和精度,自动生成观测记录簿,自动平差计算。
2.8精密工程测量控制网与相关设计专业、施工单位的技术接口
高速铁路的精密工程测量是整个铁路建设系统工程的一部分,与各个相关设计专业(线路、桥梁、路基、站场、隧道、轨道和枢纽站房)和施工单位有着密不可分的关系,既相互依赖,又相互影响。
技术接口非常重要。
2.9精密工程测量控制网建立的时机或阶段
“三网合一”的概念怎么理解,如何实施,是在初测阶段就一次建成精测网,还是先整体设计再分步实施。
确定哪个阶段建什么样的网。
三、关键技术及研究思路
3.1关键技术
(1)GPS基准网(框架网)CP0的数据处理方法及合理评价指标的确定;
(2)CPI、CPII和CPIII的数据处理和评价指标的确定;
(3)保证不均匀地面沉降地区高程控制网的长期有效性;
(4)轨道精调、检测及评估技术;
(5)一体化自动化测量系统的集成技术。
3.2研究思路
(1)调研、分析国内外相关技术的发展状况及现有水平;
(2)与相关设计院、施工单位和大专院校开展联合研究,发挥各自所长,走产、学、研一条龙的路子,确保研究成果及早地转化成生产力;
(3)对课题组成员单位明确任务、责任和期限;
(4)对阶段性开发成果出来一部分,就在项目上开展试验和试生产,成熟一部分就鉴定一部分,并积极推广,不用等整个课题都结题后在推广应用。
四、研究方法
在总结京津城际铁路精测网成功建设的基础上,结合其他客专暴露的问题或遗憾,结合京沪高速铁路建设,认真分析评估GPS基准网(框架网)CP0的布设间距、测量等级、数据处理方法的有效性以及精度指标的合理确定,分析评估平面控制网CPI、CPII和CPIII的分级布设原则、数据处理方法和评价指标的确定,同时通过对基岩点和深埋水准点埋设的必要性、埋设位置和数量进行研究、通过加强对新建基岩点的长期监测,确认其稳定性,通过合理的复测保持深埋水准点的长期有效性,结合已建成京津城际铁路的大量检测,分析评估轨道精调与检测的方法及其有效性。
在目前设计院和施工单位拥有比较多的徕卡和天宝全站仪上开发适合精密导线和CPIII测量的一体化测量机载软件和后处理软件。
五、研究目标、成果形式和技术指标
5.1研究目标
通过本项目研究,较系统地确定高速铁路精密工程测量各不同测量等级的划分及其测量精度指标的合理确定;对长大基线(CP0)数据处理方法原理进行深入研究,研发出具有自主知识产权的软件获得保证不均匀地面沉降地区高程控制网的长期有效性的措施和方法;真正掌握轨道精调、检测及评估技术,进一步优化一体化自动化测量系统,进一步减轻测量工地劳动强度,提高工作效率和质量,研究成果纳入高速铁路测量规范,满足高速铁路勘测设计、施工和运营维护的需求。
5.2成果形式
(1)研究报告;
(2)数据处理模型、方法及相关软件开发;
(3)各种观测、计算成果报告和技术总结报告。
5.3技术指标
(1)在国家专利局成功申请一项以上专利或完成一项软件成果的著作权登记;
(2)研究成果被纳入相关规程规范;
(3)发表学术论文2篇以上;
(4)研究成果整体或部分达到国际先进水平。
六、进度安排
2008年完成项目论证和合同签订,开题报告,和高速铁路进行精密工程测量控制的重要性与必要性论证,开始研究精密工程测量控制网建立的时机或阶段,研究平面坐标基准的建立与平面控制网分级布设的原则,控制点标石埋设及元器件设计,优化GPS基准网(框架网)CP0的数据处理方法,研究CP0评价指标。
2009年研究高程基准的建立的标准与保证不均匀地面沉降地区高程控制网的长期有效性的措施,深入分析CPI、CPII和CPIII的测量理论、数据处理模型的合理性和评价指标,探讨和制定精密工程测量控制网与相关设计专业、施工单位的技术接口,继续完善一体化自动化测量系统和相关软件开发。
2010年深入研究无砟轨道铺设测量控制技术和轨道精调、检测及评估技术,撰写各类技术总结和研究报告,为鉴定做好准备。
七、技术、经济效益和推广应用前景
该研究成果的完成,将在技术上为编制我国高速铁路测量规范提供重要依据和指标,我国目前正处在高速铁路和客运专线建设的高潮期,投资额多达上万亿,精密工程测量市场规模巨大,经济效益和社会效益将非常巨大。
研究成果必将被广泛得到推广使用。
八、项目组织和实施措施
8.1项目参加单位及其分工
本课题牵头单位:
铁道第三勘察设计院集团公司
参加单位:
中铁二院:
参与方案研究及控制网分级试验研究
中铁四院:
三角高程/GPS代替二等水准试验研究
中铁七局:
轨道板铺设与轨道检测评估技术
同济大学:
控制网分级理论及精度指标推导
西南交大:
控制网分级理论及精度指标推导与软件开发
郑州欧亚测量系统有限公司:
轨道板铺设和轨道检测技术
铁道第三勘察设计院集团公司主持课题研究,制定研究方案和大纲、组织试验研究,协调各子课题的研究内容、技术路线和项目进展,确保课题按期保质完成,编制并审核总研究报告。
8.2课题组成员及分工
课题
负责人
性别
年龄
职务职称
研究任务及分工
全时率
(%)
所在单位
王长进
男
44
副总工程师、教高
课题组长、主持本课题研究
30
铁三院
主要研究人员
刘成
男
38
副总工程师、高工
负责高速铁路精密测量控制技术的研究
40
铁三院测绘分院
张冠军
男
34
副总工程师、高工
负责高速铁路精密测量控制技术的研究
15
铁三院测绘分院
全玉山
男
42
教高
参与总体设计、主要研究者
15
铁三院测绘分院
孟宪军
男
37
高工
参与方案设计和试验
15
铁三院测绘分院
卢建康
男
47
总工、教高
参与方案设计和试验
15
中铁二院测绘分院
王国昌
男
44
高工
参与试验验证
15
中铁二院测绘分院
郭良浩
男
45
总工、教高
三角高程代二等水准
15
中铁四院航察处
毛锁明
男
40
总工、高工
轨道板铺设检测评估
15
中铁七局
王建军
男
51
副总工程师、高工
轨道板铺设检测评估
15
中铁七局
沈云中
男
47
教授
控制网分级理论及精度指标推导
15
同济大学
刘成龙
男
45
教授
控制网分级理论及精度指标推导及软件开发
15
西南交大
高山
男
33
副教授
长基线计算理论与软件开发
15
西南交大
陈继华
男
36
博士、副教授
轨道板铺设和轨道检测测量装备
15
郑州欧亚测量系统有限公司
石德斌
男
35
副总工程师、高工
质量与过程控制
15
铁三院测绘分院
孙永利
男
33
工程师
质量与过程控制
20
铁三院测绘分院
刘其振
男
31
工程师
外业检测软件开发
20
铁三院测绘分院
匡团结
男
25
研究生、助工
外业检测软件开发
20
铁三院测绘分院
8.3实施措施
(1)课题组编制合理的项目进展计划,由组长定期进行计划执行情况考核,出现偏差及时纠正;
(2)加强过程控制,在项目开展的不同阶段组织适时开展研讨会、审查会,讨论项目的进展情况及研究成果的正确性,保证如期、高质量完成各项研究工作;
(3)保证科研经费足额到位,并做到专款专用;
(4)充分调动开发人员的积极性,在一些奖励政策上给与适当的倾斜;
(5)加强横向联合,发挥高校、科研机构和仪器生产厂家的优势。
九、经费预算
经费来源预算
经费支出预算
科目
预算数
科目
预算数
部拨款
其他拨款
合计
来源预算合计
640
支出预算合计
400
240
640
一、部科研计划拨款
400
一、人员费
54.5
22
76.5
二、国家其他拨款
二、设备费
20
134
154
三、地方政府拨款
三、材料费
56.5
16.5
73
四、上级单位拨款
四、测试化验
加工费
66
10
76
五、单位自筹款
240
五、燃料动力费
51
7
58
六、银行贷款
六、差旅费
39
22
61
七、其它来源
七、会议费
34.5
9.5
44
八、国际合作
与交流费
5
5
九、出版/文献/信息传播/知识产权事务费
11
7.5
18.5
十、专家咨询费
27
9.5
36.5
十一、管理费
35.5
2
37.5
⑴人员费(54.5万元)
科研及辅助人员补助
⑵专用设备费(20万元)
专用设备为适合野外使用的工控专用笔记本电脑、适合野外使用的专用PDA,高精度传感器,供试验研究使用。
⑶材料费(56.5万元)
含制作强制对中专用钢制三脚架的合金钢材及辅料,制作移动标架和特制棱角框的合金及辅料,制作轨道基准点放样用的迷你棱镜支座合金。
⑷测试及加工费(66万元)
测试及加工费包括各种理论方法研究的试验、计算对比分析与验证、各种测量装备的试制加工测试等。
⑸燃料及动力费(51万元)
租借各种车辆,汽油及过路过桥、煤水电等费用
给参加单位的研究经费(120万)
中铁二院:
30万
中铁四院:
20万
中铁七局:
10万
同济大学:
15万
西南交大:
40万
郑州欧亚测量系统有限公司:
5万
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