现代测绘技术是高速铁路建设的必要保证
铁四院(The fourth＇s railway desing and survey institute of china )
冯光东 武昌 杨园 邮编：430063
关键字 高速铁路 ( high speed railway ) 测绘(measurement and mapping) 控制网 (control net of measure) 平顺性( Ride comfort) cp0 (control point )cp1 cp2 cp3
纵观我国近三十年来的铁路建设是和现代测绘技术发展密不可分的,没有测绘技术的现代化可以说现今的高铁建设速度至少会慢许多年,建设标准也不可能这么高,因此可以不夸张的讲现代测绘技术是中国高铁建没的关健技术之一，是必要保证。
下面从四个方面进行论述。
1、高速铁路建设应用了什么现代测绘技术
早期的国家铁道部下辖4大综合性设计院和一个专业设计院，分布在兰州(后迁至西安)、成都、天津、武汉和北京，为开展铁路选线1－4设计院均配备有规模在500人上下的工程测量队伍和50-80人规模的航测队伍。北京的铁路专业设计院则专门配备了100人以上规模的航遥处。其人才则主要来源于西南交通大学、武汉测绘学院(后来的武汉大学) 和同济大学。
面向铁路建设之需要,自上世纪90年代中期至今,各设计院大量采用了现代测绘技术和手段,铁路选线及其施工测量成为了国内外先进测绘仪器使用的实验场所,具体表现为:
(1) 航测(aerial photogrammetry )领域为满足建设精度要求高、周期短的需要，不惜斥巨资购买航遙仪器( aerial photogrammetry and Remote sensing machine)
设备，从早期的A10、AG1、AMH模拟测图仪(analog plotter)到后来的BC2、BC3、C120、JX-3等解析测图仪(analytical plotter ) 发展到今天各家均持有海拉瓦（Halava）和解析4(JX-4)等不同系列国内外品牌的全数字测绘仪器和ADS50/60数码航摄仪器、ALS60/80航空机载激光对地扫描仪等;并配备了大量代表世界先进水准的测绘软件。利用这些设备用航片(aerial photo )和卫片(satalite photo )开展不同比例尺(scale )地图测绘。目前各家在用的航测设备原值合计在2亿人民帀左右。
近10年来基于这些航遥设备开展了大面积航测供选线使用, 如:青藏铁路、京沪高铁、京广高铁、哈大高铁、沪宁杭高铁、石太高铁、广深/广珠高铁、甬温福厦高铁、合福铁路、向蒲铁路、沪昆高铁、西郑徐高铁、沪汉渝高铁、成渝贵高铁、西成高铁、兰新高铁、兰渝铁路等等。可以说没有现代航测技术的应用,在这样短短十年要完成这么大选线测绘工作是不可能的。
这些设备和软件使国内铁路设计院已具备了年产20000公里的1/2000选线用地形图测绘之能力。这个数字是很大的，也是有超前的。
今后有关航遥(aerial photogrammetry and Remote sensing)的测绘仪器引进将主要集中围绕在数码成像、激光雷达和数字测图这三部分的技术应用和开发上来展开。由于铁路各设计院已转制改为企业，企业利润是追求目标，所以昂贵的航遥设备在采购时已十分慎,新型的价格低,品质高的该类产品将会受到欢迎。
(2) 工程测量领域和航测领域一样毫不逊色, 上世纪80年代开始引进较为先进的光电测距仪,如DI系列和DM系列配T2、T3等秒级经纬仪(theodolite)开展铁路初测导线和定测放线,为减轻山区铁路水准测量的难度,开始应用光电三角高程 (triangle Altitude)方法替代铁路五等水准测(量Level measurement);进入90年代有8年左右时间使用中档的全站仪(The total station instrument)来改善和提高初测导线及定测放线精度及速度;到90末期则开始用GPS开展平面控制网测量和GPS RTK定测放线的应用研究和偿试。进入2000年后则广泛使用GPS+RTK技术和电子水平仪开展铁路初定测(Railway line measurement)工作和平纵面测量(Horizontal and vertical section measurement),CORSE技术在初测中使用并替代了导线测量，高精度智能化的全站仪-测量机器人大面积则用于精密导线测量和特殊条件下的平面或高程测量。比如:在武广客专(Railway Passenger Dedicated Line)定线期间武汉大学测绘学院和铁四院为解决跨南岭大瑶山的二等水准难题就利用测量机器人(Measuring robot)做三角高程测量替代了铁路二等水准测量,解决了跨大瑶山高程测量的难题并有显著成效。
为开展铁路设计，各设计院采购了大量的地面测量仪器，仅铁四院一家各类在用GPS就超过200台, 测量机器人有近50台，电子水平仪过100台，其它设 计院也不相上下，铁二院因山区作业需要则更多。由此可以看出现代测绘技术和仪器设备是当今高铁建设必不可少的保证。
2、关于高铁精密工程测量控制网的提出和作用
高速铁路的精密工程测量是相对于传统的铁路工程测量而言的，为了保证铁路快速运行时的平顺性和旅客输适度，测量精度较普通铁路产生了重大变化。这个变化和认识的过程经历了长达10年的时间. 在1998年开始进行京沪高铁初/定测时由铁四院提出了京沪高铁测量暂行规定（这个规定的实质是国标平面四等/高程四等的标准），在此标准下国内二、三、四铁路设计院先后开展了隧渝线无咋(Ballastless track)实验段（12公里）、京津城际、高沪高铁和武广客专控制网测量。这个测量标准是否可以保证高铁的顺利建设？在隧渝线无咋实验段尤其是京津城际铺轨时遇到了一些问题并由产生了疑问。
2006年在京津城际铺轨前为确保工程顺利建设，铁三院进行了工程的二等水准测量，随后2007年9月按铁道部在武汉会议时的要求，参考德国专家的咨询建议，由铁四院航察处和铁二院测绘院在武广客专全线1000公里组织实施GPS二等/三等平面控制网和二等水准测量并用于指导设计文件的调整以及后来的铺轨。
这一时期是没有高铁测量规范的，其获得的经验为后来高铁规范编制有重大指导意义。到2008年我们的高铁暂规就出来了，由铁二院卢建康教授、铁三院王长进教授、铁四院冯光东教授和郭良浩教授以及西南交大岑敏仪教授、刘成龙教授会同全路测量专家在系统研究德铁规范后结合京津、武广的精测网建设经验提出了以CP0/CP1/CP2/CP3为平面控制架构,/二等水准/三等水准/精密水准/为高程控制架构的高铁测量体系。今天的高铁建设就有了测量的依据和标准。
由于高铁测量精度与传统的铁路工程测量有许多不同。我们习惯地把它的技术体系称为高速铁路精密工程测量。
众所周知，我国高速铁路运行速度目前按200km/h和300km/h两个标准运行，为了达到在高速行驶条件下，旅客列车的安全性和舒适性，要求铁路必须具有非常高的平顺性和精确的几何线性参数，因而铺轨精度无论平面还是高程在在一定的长度内要在毫米级精度上，因此精测网的建立的作用变得十分重要。对此铁路测量学术界虽有争论但总体趋向一致。争论的焦点有二：一是对是否真能达到毫米级有疑问，二是是否有必要存在争论。德国专家的意见是没有一个高精度的控制网高铁是建不成的，而我个人的意见是不管怎么样，搁置争论按高标准做更可靠。正是基于这一思路国内第一条高铁武广客专精测网建设取得惊人成就，高精度的平面和高程控制网建设完成以及后来由我提出的CP3强制设标方法从根本上保证了铺轨的平顺性。
有关高铁规范对于200km/h以上无砟和有碴铁路轨道平顺度均制定了较高的精度标准。对于无砟轨道，轨道施工完成后基本不再具备调整的可能性，由于施工误差、线路运营以及线下基础沉降所引起的轨道变形只能依靠扣件进行微量的调整。客运专线扣件技术条件中规定扣件的轨距调整量为±10mm，高低调整量在－4＋26mm，因此用于施工误差的调整量非常小，这就要求对施工精度有着较有碴轨道更严格的要求,这些均受到控制精度高低的直接影响。
要实现高铁轨道的高平顺性，除了对线下工程和轨道工程的设计施工等有特殊的要求外，因此也就有必要建立一套与之相适应的精密工程测量体系。德法等早期已建高铁的国家，都建立有一个满足施工、运营维护需要的精密测量控制网。
3.高速铁路测量控制网一般情况
高铁客运专线无咋轨道铁路工程测量的平面、高程控制网、按施测阶段、施测目的及功能不同分为勘测控制网、施工控制网、运营控制网。简称“三网”。
三网中的勘测控制网是最为关键,是施工控制网和运营控制网的基准网,用于确保全线各阶段平面和高程的统一。所以有称之为“三网合一”之说。
勘测控制网依目前规范来讲大家可能已有耳闻,简称为:CP0/CP1/CP2/CP3。
CP0 一般沿规划线路30KM-50KM布设一个，CP0点间距离误差依据铁路速度目标不同按 GPS A/B 等两种平面测量精度设计，点位一般同时引入二等高程。早期京沪高铁按100公里布设,武广没有布设，石武客专按上述标准设。
CPO一般选埋在稳定的地区，在软基地区采用深埋钢管桩，埋深在10 M – 30 M之间。
近几年由于国家加快了GPS B、C级网建设，所以GPS B级点在相互符合性较好时也被引用为CP0。
CP1一般沿线路 4 KM布设一个或一对，称为基础控制点，点位一般同时引入二等/三等 水准高程。距离精度按速度目标值不同有所不同，可参看规范。在大型桥隧两端和隧道洞口、顶会增设CP1。
CP2一般沿线路 600M-800M布设一个，称为线路控制点，点位一般同时引入三等水准高程。距离精度速度目标值不同有所不同，可参看规范。在施工阶段CP2平面和高程需引入隧道和桥面，引入隧道的工作由设计单位执行，而引上桥的工作则一般在CP3的测设时由施工单位负责CP3的测量者来补充完成。
CP3 一般沿线路 60 M布设一对，称为基桩控制点，布设强制对中标，点位引入精密高程,其测量方法目前采用的是前方交会, 精度要求我就不多讲了, 数据的处理铁路四个院和西南交大均编制了相关软件。
施工控制网、运营维护控制网均是在勘测网上发展的，且坐标和高程系统保证统一，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由于均采用坐标定位控制，因此必须保证三网坐标高程的统一，才能使无砟轨道的勘测设计、线下施工、轨道施工及运营维护工作顺利进行。即:施工控制网、运营维护控制网平面测量应以基础平面控制网CPⅠ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。
下面举例说明“三网合一”的重要性
在武广客专建设中，由于原勘测控制网的精度和边长投影变形值不能满足无砟轨道施工测量的要求，后来按《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》的要求建立了CPⅠ、CPⅡ平面控制网和二等水准高程应急网。采用了利用新旧网相结合使用的办法，即对满足精度的旧控制网仍用其施工；对不满足精度要求的旧控制网则采用CPⅠ、CPⅡ平面施工控制网与施工切线联测，分别更改每个曲线的设计进行施工，待线下工程竣工后再统一贯通测量进行铺轨设计的方法。如此最大限度地避免了废弃工程。
在京津城际铁路建设中，由于线下工程施工高程精度与轨道施工高程控制网精度不一致，造成了部分墩台顶部施工报废重新施工。
遂渝线无碴轨道试验段线路长12.5km，最小曲线半径为1600m，勘测设计阶段采用《新建铁路工程测量规范》要求的测量精度施测，即平面坐标系采用1954年北京坐标系3°带投影，边长投影变形值满足达210mm/km，导线测量按《新建铁路工程测量规范》初测导线要求1/6000的测量精度施测，施工时，除全长5km的龙凤隧道按C级GPS测量建立施工控制网外，其余地段采用勘测阶段施测的导线及水准点进行施工测量。铁道部决定在该段进行铺设无碴轨道试验时，线下工程已基本完成，为了保证无碴轨道的铺设安装，在该段线路上采用B级GPS和二等水准进行平面高程控制测量，平面坐标采用工程独立坐标，边长投影变形值满足≤3mm/km，施工单位在无碴轨道施工时，采用新建的B级GPS和二等水准点进行施工。由于勘测阶段平面控制网精度与无碴轨道平面控制网精度和投影尺度不一致，致使按无碴轨道高精度平面控制网测量的线路中线与线下工程中线横向平面位置相差达到50cm。为了不废弃既有工程，施工单位不得不反复调整线路平面设计，最终将曲线偏角变更了17秒，将线路横向平面位置误差调到路基段进行消化，使路基段的线路横向平面位置误差消化量最大达到70～80cm，这样才满足了无碴轨道试验段的铺设条件。由此可见，线下工程施工平面控制网精度与无碴轨道施工平面控制网精度相差太大，会给无碴轨道施工增加很多困难，遂渝线无碴轨道试验段的速度目标值为200km/h，而且线路只有12.5km，有大量的路基段可以消化误差，调整起来比较容易。当速度目标值为300km/h时，线路均为桥隧相连，没有路基段消化误差，误差调整工作更困难。当误差调整消化不了时，就会造成局部工程报废。
4.发展和展望
依据十二五铁路建设规划，未来5年国内铁路建设形势经过短暂的休眠后将逐步回暖，今年计划完成投资7300亿用于支持在建项目的推进。明后两年建设计划投资有增，但随着投资体制的变化，投融资体系的调整，资金落实情况不明朗。但有一条可以明确就是十二五铁路建设规划将继续推进和完成。在此背景下，测绘工作者们围绕建设新形势还有哪些拓展空间呢？个人有几点说法：
(1)到十二五末仅剩三年，国内高铁铁路网将如期建成，200公里及以上时速的高铁通车里程将近20000公里，面向这2万公里的高铁运营维护，维护测量工作将是不间断的。一是定期（2-3年）开展精测绘cp1、cp2、cp3复测。二是年度开展cp3高程复测。三是高铁沉降路段的长年监测及预报。这三项工作任务巨大，给测绘工作者同时带来巨大商机。
(2)目前运营的常规普速铁路有8万公里，为开展路轨养护各铁路局工务部门都在引进大型养护机械。这个机器要求通过利用cp3来反求拔道调整量。为此今后这些既有常规铁路都将面临 cp3建网工作。这给测量者带来巨大商机。这个市场才刚刚开始启动，希望大家能关注。
(3)面向新建铁路和既有铁路的相关铁路测量工作，新技术新产品新手段将能找到各自的位置。比如：常规铁路因安全需要己基本是全封闭全时段在运行，如何在这种情况下开展既有线测量变得十分困难，目前还没有好的办法。还有高铁路基段的沉降监测，目前还是靠人进行定期水准测量进行回归分析和预测，有没有更好的办法研究出新的产品进行自动监测并有突发性预报的能力是篇大文章可写。
作者简介：冯光东 53岁，1982年8月西南交通大学铁路航测专业毕业，教授级高级工程师，首批国家注册测绘师持证人，现任中铁第四勘察设计院副总工程师。曾任铁四院航察处总工程师、处长、工程勘察研究院院长等职务。主持完成国内第一条高速铁路---武广客运专线精测网建设，领导实施了华东中南地区己建成和在建高铁超过8000公里的精测网建设和航测选线测绘工作，是我国知名铁路测量专家之一。
