導(dǎo)語：黨的十八大以來，我國推動建造了一大批世界第一、中國之最的超級工程和“大國重器”，托舉起億萬人民邁向美好生活的中國夢，驅(qū)動中國巨輪信心滿懷駛向中華民族偉大復(fù)興的勝利彼岸。工程測量在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著不可或缺的關(guān)鍵作用。從我國 17.7 萬公里縱橫交錯的高速公路與4.6 萬公里的高速鐵路，到拔地而起的 3000 多座超高層建筑；從千座以上規(guī)?；趾甑拇笮蜆蛄号c 4.6 萬多個鐵路公路隧道，到 350 萬公里的城市公用管線，無一不是精準(zhǔn)的工程測量數(shù)據(jù)做先導(dǎo)和安全保障，無一不凝聚著工程測量領(lǐng)域廣大測繪科技人員的心血與智慧。為展現(xiàn)工程測量技術(shù)創(chuàng)新以及重大工程應(yīng)用實踐所取得的豐碩成果，工程測量分會組織編寫的《大國工程測量技術(shù)》（第二部）一書于2024年8月出版，現(xiàn)選取其部分代表性項目推出“大國工程測量”專題，以工程案例介紹現(xiàn)代工程測量技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。
大國工程測量—京張高速鐵路
1工程概況
北京至張家口高速鐵路（簡稱“京張高鐵”，即京包客運(yùn)專線京張段）是我國“八縱八橫”高速鐵路主通道中“京蘭通道”的重要組成部分，也是2022年北京冬奧會重要交通保障設(shè)施；是中國第一條首次采用我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的智能化高速鐵路，也是世界上第一條最高設(shè)計時速350km/h的高寒、大風(fēng)沙高速鐵路，是中國高鐵從世界先進(jìn)水平向世界領(lǐng)先水平邁進(jìn)的標(biāo)志性工程。工程于2016年4月29日開工建設(shè)，2019年12月30日通車運(yùn)營。
北京至張家口鐵路位于北京市西北、河北省北部境內(nèi)，東起北京市，途經(jīng)北京市海淀區(qū)、昌平區(qū)和延慶區(qū)，由延慶縣康莊鎮(zhèn)入河北省境內(nèi)，跨官廳水庫，經(jīng)懷來縣、下花園區(qū)、宣化區(qū)，西迄張家口市，呈東西向溝通兩市。
線路自北京北站引出，在學(xué)院南路前轉(zhuǎn)入地下，并連續(xù)下穿北三環(huán)、知春路（地鐵10號線）、北四環(huán)、成府路、清華東路（上跨地鐵15號線），于萬泉河以南轉(zhuǎn)出地面，后下穿北五環(huán)沿既有京張線增建二線至沙河站，沙河站至昌平站區(qū)段增建沙昌三線至昌平站，平面引入既有昌平站后經(jīng)南口鎮(zhèn)東側(cè)以隧道穿越軍都山，于新八達(dá)嶺隧道內(nèi)設(shè)八達(dá)嶺長城站（地下站），出隧道過康莊進(jìn)入河北境內(nèi)，于既有線北側(cè)采用地下隧道形式，出隧道后新設(shè)東花園北站，沿京藏高速公路跨官廳水庫、大秦鐵路、京藏高速公路，與既有線并行，下穿京新高速公路后新設(shè)懷來站，出懷來站后一路西行經(jīng)下花園北、宣化北新設(shè)站，終至既有張家口南站，正線全長173.964km。其中橋梁總長65.905km，隧道總長48.780km，橋隧占比65.9%。
設(shè)計速度：北京北至清河段120km/h，清河至昌平段200km/h，昌平至下花園北段350km/h（八達(dá)嶺越嶺段250km/h），下花園北至張家口南段250km/h。軌道類型：隧道、八達(dá)嶺越嶺段隧道群、設(shè)計時速350公里區(qū)段無砟軌道，其余為有砟軌道。
全線共設(shè)10個車站，5個為新建車站，5個為改建車站。其中，八達(dá)嶺長城站設(shè)計時將車站與山體融為一體，車站最大埋深102米，地下建筑面積3.98萬平方米，建成時是中國國內(nèi)埋深最大的高速鐵路地下車站；旅客進(jìn)出站提升高度62米，建成時是中國國內(nèi)旅客提升高度最大的高速鐵路地下車站；車站層次多、洞室數(shù)量大、洞型復(fù)雜、交叉節(jié)點密集，建成時是中國國內(nèi)最復(fù)雜的暗挖洞群車站。
2 解決的關(guān)鍵問題
2.1 精密控制測量
京張高鐵最高設(shè)計速度為350km/h，要確保軌道具有高平順性，其施工誤差必須控制在毫米級到亞毫米級，另一方面京張高鐵建設(shè)工期長，從勘測設(shè)計、開工建設(shè)到交付運(yùn)營時間跨度長達(dá)十年，這就需要做好整個建設(shè)期精密控制測量工作。
2.2 全專業(yè)BIM設(shè)計
鐵路工程具有線長、點多、分布廣、參與單位多、資源消耗體量大、質(zhì)量要求高等特點。鐵路工程BIM設(shè)計涉及專業(yè)多、專業(yè)接口復(fù)雜，由于各專業(yè)間BIM資源不能很好地相互利用，鐵路工程BIM多以單專業(yè)翻模為主，各專業(yè)開展BIM正向設(shè)計困難。設(shè)計人員根據(jù)已有二維設(shè)計成果創(chuàng)建BIM模型，反向檢驗設(shè)計成果，不能將設(shè)計中的“差錯漏碰”防范于未然，反而給設(shè)計帶來了額外的負(fù)擔(dān)。需要開展鐵路BIM設(shè)計全過程的方法研究，以實現(xiàn)全線全專業(yè)BIM協(xié)同設(shè)計。
三維動畫施工交底
2.3 軌道高平順性精密測量
傳統(tǒng)上，無砟軌道精調(diào)采用靜態(tài)軌檢小車進(jìn)行軌道測量工作，其作業(yè)模式為全站儀基于CPⅢ控制網(wǎng)整平自由設(shè)站，每站觀測距離約為70m，軌檢小車在每根軌枕處停穩(wěn)后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后基于所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行精調(diào)方案分析。這種軌道測量方法的效率極低，制約了軌道精調(diào)的綜合工效的提高，存在明顯不足。有砟軌道采用軌道動態(tài)測量雙車系統(tǒng)進(jìn)行軌道測量，其作業(yè)模式為全站儀架設(shè)在一輛軌道小車上并進(jìn)行整平自由設(shè)站，每站觀測距離約為200m，基于全站儀的跟蹤測量模式觀測另一輛被推行前進(jìn)的軌道小車上的棱鏡，以此完成每一測站范圍內(nèi)的軌道動態(tài)測量，這種作業(yè)方法的效率基本能夠滿足大機(jī)搗固作業(yè)對數(shù)據(jù)的需要，但作業(yè)環(huán)節(jié)復(fù)雜，操作極為不便。傳統(tǒng)方法在軌道絕對測量時，均需要全站儀整平自由設(shè)站，這對于經(jīng)常處于大風(fēng)天氣的京張高鐵而言具有很大的實施難度，而且傳統(tǒng)無砟軌道測量方法的效率也難以滿足京張高鐵對軌道精調(diào)工期的要求，對于官廳水庫鋼桁梁特大橋無砟軌道的精調(diào)，也需要研究提出具有針對性的調(diào)整方法，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可循。為了滿足京張高鐵高平順性軌道工程建設(shè)，有必要開展針對無砟軌道、有砟軌道、重要工點的軌道測控新技術(shù)研究，以滿足京張高鐵高平順性軌道工程建設(shè)的需要。
移動式三維激光掃描作業(yè)
2.4 三維實景數(shù)據(jù)構(gòu)建
鐵路數(shù)字資產(chǎn)管理一直面臨資產(chǎn)盤點不清、共享困難、數(shù)據(jù)不規(guī)范等一系列問題，通過與竣工測量相結(jié)合的數(shù)字資產(chǎn)收集，建設(shè)統(tǒng)一的基于空間地理坐標(biāo)下的數(shù)字資產(chǎn)庫，對鐵路數(shù)字資產(chǎn)從建設(shè)向運(yùn)營的轉(zhuǎn)移意義重大。京張高鐵要達(dá)成這一目標(biāo)，就需要研究如何通過各種先進(jìn)的測量手段，真實構(gòu)建全線隧道內(nèi)、隧道外三維實景數(shù)據(jù)。
2.5 高鐵智能運(yùn)維
為確保京張高鐵運(yùn)輸安全、高效運(yùn)行，運(yùn)營鐵路需要對鐵路設(shè)備進(jìn)行定期巡檢和維修，傳統(tǒng)人工方法效率低，并且一些危險區(qū)域人員難以到達(dá)。同時極端天氣條件會對鐵路運(yùn)營產(chǎn)生重大影響，需要做好氣象監(jiān)測和預(yù)報工作。隨著交通強(qiáng)國建設(shè)工程的不斷推進(jìn)，基于鐵路安全可靠、高效運(yùn)營的宗旨，對鐵路高品質(zhì)安全運(yùn)營提出了更高的要求，迫切需要解決傳統(tǒng)運(yùn)營維護(hù)模式中存在的自動化程度低、運(yùn)維成本高、作業(yè)效率低、缺乏對突發(fā)性災(zāi)害的主動預(yù)警等問題。
基于北斗的鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成圖
3 展望
3.1 精密工程控制測量
京張高鐵在施工期開展了北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用，主要為京張高鐵運(yùn)營提供全天候、高精度實時定位服務(wù)，隨著北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)的研究與推廣，與精密工程控制測量、施工測量、變形監(jiān)測、運(yùn)維測量等工作深度融合，進(jìn)而在勘察設(shè)計階段定制適合高鐵設(shè)計線路的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，必將能夠進(jìn)一步服務(wù)好鐵路全過程測量工作。
3.2 軌道精測精調(diào)
為滿足軌道高平順性的要求，京張高鐵在軌道精調(diào)過程中，采用不整平自由設(shè)站的慣性導(dǎo)航軌道幾何測量儀進(jìn)行軌道數(shù)據(jù)采集，同時研制出了無砟軌道平順性分析及長軌精調(diào)軟件，將絕對測量與相對測量數(shù)據(jù)融合處理，并對官廳水庫鋼桁梁特大橋無砟軌道精調(diào)方法進(jìn)行了應(yīng)用研究，為快速、高效解決高速鐵路無砟軌道和有砟軌道精調(diào)工作提供了方案，具備很強(qiáng)的推廣價值。
3.3 鐵路數(shù)字資產(chǎn)管理
根據(jù)“智能京張、數(shù)字京張”總體部署，京張高鐵開展了鐵路全專業(yè)全過程BIM設(shè)計的方法研究，以Bentley平臺系列軟件為基礎(chǔ)，按照鐵路工程設(shè)計流程，搭建了基于BIM+GIS的信息化管理平臺。同時在工程竣工后通過傾斜攝影測量、移動式三維激光掃描等手段建立了全線隧道內(nèi)、隧道外三維實景數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)鐵路數(shù)字資產(chǎn)從建設(shè)到運(yùn)營的統(tǒng)一管理指明了方向。
3.4 智能運(yùn)維
鐵路智能運(yùn)維系統(tǒng)可以通過視頻監(jiān)控和智能感知技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患并采取措施，降低設(shè)備故障和線路問題對運(yùn)輸?shù)挠绊懀岣哞F路運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)維效率和質(zhì)量。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展，各種智能傳感器的引入，無人機(jī)技術(shù)、北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)等高新技術(shù)的綜合應(yīng)用，通過智能分析和仿真計算，必將實現(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施故障報警及災(zāi)害預(yù)警功能，為數(shù)字化運(yùn)維提供重要技術(shù)支撐。
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