高速铁路测量知识.ppt

高速铁路测量知识,CP测量技术依据,高速铁路工程测量规范（TB10601-2009）；客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南（铁建设2006158号）精密工程测量规范（GB/T15314-94）；国家一、二等水准测量规范（GB12897-2006）；全球定位系统（GPS）铁路测量规程（TB10054-97）；时速200公里及以上铁路工程基桩控制网（CP）测量管理办法（铁建设200880号）关于进一步规范铁路工程测量控制网管理工作的通知（铁建设200920号）关于进一步加强客运专线建设质量管理的指导意见（铁建设2008246号）,200km以上高速铁路多采用无砟轨道,无砟轨道具有稳定性好、维修量少的特点,高铁平面控制测量分级布网原则分四级布设1第一级为基础框架平面控制网CP0，主要为全线（段）的线路平面控制测量提供坐标框架基准。2第二级为基础平面控制网CP，主要为勘测、施工、运营维护提供坐标基准；3第三级为线路控制网CP，主要为勘测和施工提供控制基准；4第四级为基桩控制网CP，主要为铺设无砟轨道和运营维护提供控制基准。,高速铁路控制网初识,高速铁路轨道的高平顺性是如何实现的？,在铁路轨道上高速行车，必须要求轨道具有高度的平顺性，才能保证高速列车行车的安全和平稳。高速铁路轨道的高平顺性，可以通过精测网CPI、CPII、CPIII、轨道的设计参数和轨道几何状态测量仪(轨检小车），通过粗调、精调等施工环节后实现。衡量轨道平顺性的主要指标，是无砟轨道的静态平顺度和轨道中心坐标。这些参数可以用轨检仪和CPIII网检测出来。,高速铁路轨道静态平顺度允许偏差,注：a为轨枕/扣件间距（m）,轨道几何状态测量仪的概念,铁路轨道几何状态测量仪简称轨检仪，也叫轨道检测小车，是一种通过CPIII控制网、智能型全站仪、倾角及轨距传感器、轨道设计参数和专用测量软件,能够自动检测线路中心坐标、轨顶高程和轨距、水平、高低、扭曲和轨向等轨道静态参数，并自动进行记录整理的智能化轻型轨道检测设备。轨检仪是一种全新的铁路测量设备。,全站仪配合轨检小车进行轨道测量,轨检仪的主要性能和测量精度要求,高速铁路工程测量的新概念,铁路工程独立坐标系统-高速铁路工程测量平面坐标系应采用工程独立坐标系统。边长投影在对应的线路轨道设计高程面上，投影长度的变形值不大于10mm/km。三网合一-高速铁路工程测量的平面、高程控制网，按施测阶段、施测目的及功能可分为勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网。为了保证勘测、施工、运营维护各阶段平面和高程测量成果的一致性，应该做到三网合一。也就是各阶段平面控制测量应以基础框架平面控制网（CP0）为起算基准，高程控制测量应以线路水准基点控制网为起算基准。,精测网-包括平面和高程控制网。平面控制网分四级布设，第一级为框架控制网（CP0），第二级为基础控制网（CP），第三级为线路控制网（CP），第四级为轨道控制网（CP）；高程控制网分二级布设，第一级为线路水准基点控制网，第二级为CPIII高程控制网。框架平面控制网CP0-沿线路每50km布置一个CPO点，为GPS三维控制网，作为高速铁路三网合一的平面坐标基准。CPO网最弱边的相对中误差1/1000000，必须采用精密星历进行基线的解算。,基础平面控制网CP-在基础框架平面控制网（CP0）或国家高等级平面控制网的基础上，沿线路走向布设，按GPS静态相对定位原理建立，为线路平面控制网和轨道控制网CP起闭的基准。CPI网点间距为4km，为GPS二等二维网，基线边方向中误差1.3，最弱边相对中误差1/180000。,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测量和轨道控制网CPIII测量提供平面起闭基准。CPII网点间距为400800m，为GPS三等二维网（规范规定也可采用导线方法建网，但我认为必须是符合在CPI上的导线网才行），基线边方向中误差1.7，最弱边相对中误差1/100000。,轨道控制网CP-沿线路布设的三维控制网，平面起闭于基础平面控制网（CP）或线路平面控制网（CP），高程起闭于线路水准基点。一般在线下工程施工完成后施测，为无砟轨道铺设和运营维护提供基准。CPIII网为智能型全站仪自由测站边角交会的三维控制网，其点间距为纵向60m左右一对控制点，点对的横向间距为1020m，CPIII的精度要求很高，要求相邻点位的相对中误差1mm。CPIII的网形、测量方法、控制点数量、控制网的使用和精度要求，06年前在我国都是闻所未闻的。,CP控制网区段-CP控制网独立平差计算的控制网长度。一条高速铁路的CP控制网可分区段进行平差计算。每一CP控制网的区段长度不应短于4km。CP棱镜组件-轨道控制网CPIII控制点精确定位观测的强制对中测量标志，一般由预埋件、高程测量适配器、棱镜连接适配件和反射棱镜组成。CP平面网的纵横向闭合差-CP点间沿线路方向和垂直线路方向的长度闭合差，可用于评定CPIII平面网的外业观测精度、探测CPIII网中观测值的粗差等。,精密水准测量-客运专线铁路无碴轨道工程测量中，用于测量CPIII网高程的等级水准测量，其精度介于二等、三等水准测量之间，高差中数偶然中误差和全中误差分别为2mm/km和4mm/km。自由测站边角交会-在线路中线附近架设全站仪，测量线路两侧多对轨道控制网CPIII点的方向和距离，并联测就近的CPI或CPII，以获取轨道控制网CPIII平面坐标的测量方法。自由设站-在线路中线附近架设全站仪，测量线路两侧多对轨道控制网CPIII点的方向和距离，以确定仪器中心点的平面和高程位置。常用在无砟轨道板和长钢轨的粗调和精调以及配合轨检仪进行轨道检测。,各级控制网GPS设计的主要技术要求,各级控制网导线设计的主要技术要求,各级控制网高程网设计的主要技术要求,CP点埋设,桥梁段,隧道段,CPIII控制网相邻测站形成的横向闭合环,CPIII控制网相隔测站形成的横向闭合环,CPIII控制网相邻测站形成的纵向闭合环,CPIII控制网相隔测站形成的纵向闭合环,高斯投影及其长度变形,高斯投影变形的量值,距离的高程改化及其长度变形,距离高程改化引起的长度变形,目前为达到投影长度变形值不大于10mm/km所存在的问题,1.抵偿面不是轨道面，会造成施工出来的结构物与设计的结构物不完全一致；2.带宽狭小，频繁的换带计算给设计和施工带来不便，也损失精测网CPI的精度；3.里程是平面里程，而不是线路的坡面里程；4.10mm/km是系统误差，用这样的CPI和CPII约束CPIII，将较大地降低CPIII的实际测量精度，同时导致CPIII网的置平平差计算无法实现；5.因此研究小变形、无换带计算、投影面为轨道面的CPI数据处理方法非常有必要。,CPIII平面控制网的测量网形（1）,每个CPIII测量标志点均有三个测站点对其进行方向、斜距和竖直角观测。,CPIII平面控制网的测量网形（2）,测站间距为120m时，CP平面控制网测量网形示意图如下图所示。,CPIII平面控制网的测量网形（3）,测站间距为60m时，CP平面控制网测量网形示意图如下图所示。,CPIII平面控制网的测量网形（4）,采用测站间距120m的标准网形测量过程中如某CP点由于障碍物被挡，可以考虑采用由测站间距120m转测站间距60m的测量网形，如下图所示。,CPIII平面控制网的测量网形（5）,在实际测量过程中，如果CP或者CP点离线路较远，可以在线路外合适位置设置辅助点，在辅助点上架设仪器，观测临近的CP点和CP或者CP点。此时其测量网形示意图如下图所示。,德国CPIII专用测量标志（不包括棱镜的价格为4000元）,连接件,预埋件,棱镜适配器,棱镜,西南交通大学研制的CPIII测量标志（不包括棱镜的每套价格为150元）,保护盖（左）与预埋件（右）,LeicaGRP121棱镜配套使用的棱镜杆,高程杆,西南交通大学CPIII测量标志的使用方法（1）,1：安装筒已经安装到墙面后的实物照片,西南交通大学CPIII测量标志的使用方法（2）,2：棱镜连接杆安装到安装筒后的实物照片,3：完整的CPIII点平面测量标志安装照片,西南交通大学CPIII测量标志的使用方法（3）,5：水准尺在水准测量杆上立尺的实物照片,4：水准测量杆安装到安装筒后的实物照片,CPIII测量的专用棱镜Leica公司的精密棱镜,CPIII平面控制网的特点（1）,控制点数量众多。沿线路方向通常每公里有16对即32个控制点；精度要求高。每个控制点与相邻5个控制点的相对点位中误差均要求小于1mm；控制的范围长。线路有多长，控制网的长度就有多长；是一个平面和高程位置共点的三维控制网。目前CP三维网平面和高程是分开测量后合并形成共点的三维网，但其使用时却是平面和高程同时使用；控制点位置、CP测量标志，较传统控制测量有很大不同。控制点通常设置在接触网杆上（路基部分）、防撞墙上（桥梁部分）和围岩上（隧道部分）CP测量标志通常由永久性的预埋件、平面测量杆、高程测量杆和精密棱镜组成；,CPIII平面控制网的特点（2）,CP平面网是一个边角控制网，但其测量方法较传统边角网测量有很大差异。传统的边角网测量仪器都是架设在控制点上进行观测，距离必须进行往返观测，但CP平面网却采用自由设站进行边角交会测量，而其距离只能进行单程观测；CP控制网测量的仪器均采用高精度和自动化程度高的电子测量仪器。其平面网测量要求全站仪具有电子驱动、目标自动搜索和操作系统功能的测量机器人（如LeicaTCA2003和TCRA1201、TrimbleS6和S8系列全站仪等）；高程测量一律采用电子水准仪（如TrimbleDiNi12、LeicaDNA03等）；测站和测点均强制对中，测点标志要求具有互换性和重复安装性，X、Y、Z三维互换性和重复安装性误差要求小于0.3mm；,CPIII平面控制网的特点（3）,图形规则对称，多余观测数多，可靠性强；是一个标准的带状控制网，其纵向精度高、横向精度略差。控制网的使用较传统方法有很大不同。首先是采用自由测站后方边角交会测量的方式确定测站点的三维坐标，然后用三维极坐标测量的方式进行无砟轨道板和长钢轨的粗调、精调和精测以及轨道的维护管理等。CPIII的三维坐标点，是一个虚拟的控制点，其对应的位置是CPIII目标组件中棱镜的几何中心。水准尺是无法立在CPIII高程所对应的点上进行水准测量。,CPIII测量标志的埋设位置-路基上（1）,CPIII测量标志的埋设位置-桥梁上（2）,CPIII测量标志的埋设位置-隧道中（3）,太中银铁路CPIII0158316测量标志严禁破坏,点号标牌制作点号标志字号应采用统一规格字模，字高为6cm的正楷字体刻绘。点号铭牌白色抹底规格为40cm30cm，红色油漆应注明工程线名简称，CP编号，严禁破坏，每行居中排列，如下图所示。严禁采用手写标识。,CP标识牌,南广铁路CPIII0158316测量标志严禁破坏,南广铁路CPIII0158316测量标志严禁破坏,CP点编号原则里程增大方向轨道左侧的标记点，末位编号为奇数，里程增大方向轨道右侧的标记点，末位编号为偶数。丢失或破坏后补埋点，新点号在原点号末位加“B”以示区别。,点位流水号,CPIII,连续里程,CPIII平面控制网的平差计算方法,1.CPIII平面控制网的自由网平差，观察水平方向和距离观测值改正数、验后单位权中误差的大小，这些指标反映CPIII网实际的测量精度；2.CPIII平面控制网的约束平差，约束点为自由测站联测的CPI或CPII点，这是目前各单位普遍采用的CPIII网平差方法；3.CPIII平面控制网的置平平差，就是把CPIII自由网与联测的CPI、CPII点，在不改变CPIII网尺度的前提下，很好地套合在一起，使自由测站联测的CPI、CPII点，与原CPI、CPII点的残差最小。这是德国的CPIII数据处理方法，在我国不适用，原因是CPI、CPII有长度变形，而CPIII没有，因此无法完全套合。置平实质上是CPI、CPII与CPIII自由网的三参数坐标转换。,什么是轨道精细调整？,轨道精细调整分就位、粗调和精调。也就是首先确定线路中线位置，再进行轨面高程、线间距等粗调，最后进行轨距、轨向、高低、水平（超高）及相关变化率精调。施工单位在无砟轨道混凝土浇筑或乳化沥青水泥砂浆垫层灌注前，复核检查确认轨道几何尺寸，确认无误后方可浇注混凝土或沥青砂浆；长轨铺设后应立即进行轨道几何尺寸测量，按实施方案进行轨道精调。,无砟轨道精调中作业中全站仪后方交会示意图,后方交会注意事项1、两点测边后方交会，一般交会角应控制在30150之间。2、只测角度可能出现危险圆，角度和距离同测不会出现危险圆。3、未知点尽量选在已知三角形内。,边角后方交会后方交会就是仅在待定点P上设站，观测至少两个已知点，得到观测角及距离，从而计算待定点P的坐标。由于这种方法只架设一次仪器，故在工程测量放样中经常用到。已知A（XA，YA）B（XB，YF），P点为未知点，在P点架设全站仪，测得P点至A，B点的距离分别为a，b,角度为，PA与PB两方向的水平夹角为，则由A，B两点的坐标反算可得AB直线坐标方位角为:,角度后方交会待定点P安置经纬仪，观测水平角,检查角危险圆不在一直线上3点A，B，C构成的圆P点位于危险圆上时，无法确定选P点时，应避免使P点位于危险圆上,待定点P坐标式中系数值,高速铁路高程控制网的布设,高速铁路的高程控制测量分为勘测高程控制测量、水准基点高程测量、CP控制点高程测量。各级高程控制测量等级及布点要求应按下表的要求执行。高程控制网级别测量等级点间距勘测高程控制测量二等或四等2km水准基点高程控制测量二等水准测量2km深埋水准高程控制测量二等水准测量20km基岩水准高程控制测量二等水准测量100kmCPIII高程控制测量精密水准测量70m,困难地区二等高程控制网的布设,目前，由于在山区和跨江、河地区二等水准测量困难或根本无法实施，所以高速铁路的高程控制先建立四等的勘测高程控制网，待条件成熟后或线下工程完成后，再施测二等高程控制网。这样做的缺点一是重复测量，二是线下和线上工作的高程基准不一致。通过中铁咨询和西南交大的合作研究，已经掌握在山区和跨江、河地区，采用测量机器人进行二等高程控制测量的核心技术，这样在线路方案稳定后，就可施测线路水准基点高程测量，而不需要先进行勘测高程测量。,CPIII高程控制网的测量网形（1）-矩形法,CP高程网测量方法形成的四边形闭合环（图中空心箭头组成的图形）为规则的矩形，因此简称此方法为矩形法。矩形法CP高程网测量可只进行单程观测。,矩形法CPIII高程网形成的闭合网形情况,矩形法水准测量闭合环的情况如下图所示。其中，箭头方向为高差传递方向。由图可知，每相邻两对CP点均构成独立的矩形闭合环，方便形成闭合差检核，可靠性高。,矩形法CPIII高程网测量方法的优点,1.矩形法CP高程网测量只涉及后视和前视，符合我国传统水准测量习惯，并且有相应的技术规范指导。2.各对CP点均在相邻的两个矩形闭合环中形成高差闭合差检核条件，因此该方法探测粗差的能力强、可靠性高。3.该方法所测的各测段高差均为独立观测值，便于控制网的严密平差计算。4.由于只进行单程测量，跑尺人所走距离较德国中视法大大减少，因此该方法观测效率较德国中视法高。,CPIII高程控制网的测量网形（2）-德国方法,德国中视法CP高程网观测采用往返观测的方式进行，其水准路线如下图所示。,往测返测,德国方法CPIII高程网形成的闭合网形情况,德国中视法往返测高差及其所形成的闭合环情况如下图所示。其中单箭头为往测高差，双箭头为返测高差，箭头方向为高差的传递方向。,德国方法CPIII高程网测量方法的缺点,1.我国的一等到四等水准测量规范，均没有使用中视法高程控制测量的先例。这种方法常用于线路的纵、横断面测量和地形图的碎部测量，属于较低精度的高程测量，因此德国中视法不符合我国传统高程控制测量的习惯，因而也没有相应的规范指导其测量作业。2.德国方法虽然进行了独立的往返观测，但仅在CP点对的一条对角线上形成对向观测，其他CP点间高差却仍是单向高差，这样各CP点间的高差精度显然是不均匀的；而且所形成的闭合环中既有对向观测的高差又有单向观测的高差，这样同一个环中各高差观测值的精度也是不均匀的。,3.中视法测量相当于是一个后视多个前视，如果后视出现问题就会导致多个测段高差也出现问题；此外由于是一后视多前视，这样同一个测站的多个高差观测值就不是独立观测值，而是相关观测值，其权阵应为非对角阵，给其后的网严密平差计算提出了新的要求。4.测量效率低、成本高。,CPIII高程网建网测量的最新方法基于自由测站观测值的CPIII三角高程网,根据CP平面网的基础知识和特点可知，由CP平面网中的测站到目标点的斜距和测站到目标点的竖直角观测值，可以按照三角高程测量的原理，计算出自由测站点到CP目标点的高差，而且各自由测站到各CP点的这些高差可以组成CP三角高程网；也可以由自由测站到各CP点的这些高差，计算相邻CP点间的高差，再组成CP三角高程网，最后进行CPIII三角高程网的平差计算。,CPIII三角高程网的原理,用测站点到各CP点间的高差，进一步计算出相邻两CP点间的高差，然后再组成CP三角高程网。根据一个自由测站的观测值，可计算出的相邻CP点间的三角高差有16个，单个自由测站形成的三角高程网情况见下图所示。,CPIII三角高程网的原理,多个自由测站形成的CP三角高程网图形见下图所示。由于每个CP点都有三个测站对其进行观测，因此用测站点与CP点间的高差，计算得到的相邻两CP点间高差，存在同名高差，即每两个相邻CP点间均有两个或三个高差观测值。,CPIII三角高程网的精度,水准网与三角高程网的平差成果比较统计表,（1）代表水准网平差成果；（2）代表三角高程网一期平差成果；（3）代表三角高程网二期平差成果；,CPIII三角高程网的精度,水准网与三角高程网的验前验后精度统计表,CPIII三角高程网的主要创新点,1.基于CP平面网的自由测站观测值，构建CP三角高程网，是完全是可行的，其平差成果可以取代CP水准网，作为CP高程网的高程成果；2.按照我们建议的CP测量精度指标，进行自由测站的外业测量和CP三角高程网的内业平差计算，其成果精度可以满足CP高程网的要求；3.基于CP平面网自由测站观测值的CP三角高程网，可以不再进行单独的外业测量，又能取代CP水准网，因此减少了CP网水准测量的外业工作，对提高工效、减少CP网建网测量的成本，具有非常重要的意义，经济效益显著；4.利用CP平面网自由测站观测值构建CP三角高程网的技术，在国内外是首创，是一项具有自主知识产权的创新技术，本课题的研究成果具有较大的社会效益；,CPIII平面控制网的测量仪器-带马达驱动、自动目标照准ATR功能和操作系统的智能型全站仪,智能型全站仪的特点-激光对中（1）,智能型全站仪的特点-电子气泡（2）,智能型全站仪的特点-无棱镜测距（3）,智能型全站仪的特点-导向光装置（4）,智能型全站仪的特点-马达驱动自动照准功能（5）,智能型全站仪的特点-锁定跟踪测量Tracking（6）,智能型全站仪的特点-遥控测量（6）,智能型全站仪的特点-遥控测量（6）,智能型全站仪的特点-自动调焦（7）,Topcon公司在其GTS-600系列里推出了自动调焦功能，操作员只需将望远镜上的瞄准镜大致对准棱镜，按下目镜旁边的AF(AutoFocus)键，仪器就会主动寻找目标点并自动调焦到目标棱镜上，省去手工调焦时间，提高作业效率。,智能型全站仪的特点-操作系统（8）,全站仪从本质上来说就是一台带有多种传感器的计算机，具有观测、记录、计算、传输的能力。为了进一步增强全站仪的功能，提高全站仪使用的方便性，新型全站仪中开始嵌入操作系统。目前较多采用的是MS-DOS操作系统，如Topcon、Nikon、Zeiss等全站仪的中高端产品，最新的Topcon-700系列采用了WindowsCE，而Leica的1200系列则采用了Vax嵌入式操作系统。MS-DOS的特点是界面简单，运行速度较快；而WindowsCE是Windows操作系统的简化版，支持真彩色图形显示和多种工业标准配件(如蓝牙设备等)，与通用计算机的兼容性强，易于自行开发适用的机载软件。,CPIII高程控制网的测量仪器-电子水准仪（1）,美国天宝公司的DINI系统电子水准仪,瑞士徕卡公司的DNA系统电子水准仪,CPIII高程控制网的测量仪器-条码水准尺（4）,结束,