大国工程测量：京张高速铁路的技术创新与实践
大国工程测量：京张高速铁路的技术创新与实践
京张高铁作为中国高铁技术的标志性工程，不仅是中国第一条采用自主研发的北斗卫星导航系统的智能化高速铁路，也是世界上第一条最高设计时速350km/h的高寒、大风沙高速铁路。从精密控制测量到BIM设计，从轨道高平顺性测量到智能运维，京张高铁在多个方面实现了技术创新和突破，展现了中国高铁从世界先进水平向世界领先水平迈进的实力。
工程概况
北京至张家口高速铁路（简称“京张高铁”，即京包客运专线京张段）是我国“八纵八横”高速铁路主通道中“京兰通道”的重要组成部分，也是2022年北京冬奥会重要交通保障设施；是中国第一条首次采用我国自主研发的北斗卫星导航系统的智能化高速铁路，也是世界上第一条最高设计时速350km/h的高寒、大风沙高速铁路，是中国高铁从世界先进水平向世界领先水平迈进的标志性工程。工程于2016年4月29日开工建设，2019年12月30日通车运营。
北京至张家口铁路位于北京市西北、河北省北部境内，东起北京市，途经北京市海淀区、昌平区和延庆区，由延庆县康庄镇入河北省境内，跨官厅水库，经怀来县、下花园区、宣化区，西迄张家口市，呈东西向沟通两市。
线路自北京北站引出，在学院南路前转入地下，并连续下穿北三环、知春路（地铁10号线）、北四环、成府路、清华东路（上跨地铁15号线），于万泉河以南转出地面，后下穿北五环沿既有京张线增建二线至沙河站，沙河站至昌平站区段增建沙昌三线至昌平站，平面引入既有昌平站后经南口镇东侧以隧道穿越军都山，于新八达岭隧道内设八达岭长城站（地下站），出隧道过康庄进入河北境内，于既有线北侧采用地下隧道形式，出隧道后新设东花园北站，沿京藏高速公路跨官厅水库、大秦铁路、京藏高速公路，与既有线并行，下穿京新高速公路后新设怀来站，出怀来站后一路西行经下花园北、宣化北新设站，终至既有张家口南站，正线全长173.964km。其中桥梁总长65.905km，隧道总长48.780km，桥隧占比65.9%。
设计速度：北京北至清河段120km/h，清河至昌平段200km/h，昌平至下花园北段350km/h（八达岭越岭段250km/h），下花园北至张家口南段250km/h。轨道类型：隧道、八达岭越岭段隧道群、设计时速350公里区段无砟轨道，其余为有砟轨道。
全线共设10个车站，5个为新建车站，5个为改建车站。其中，八达岭长城站设计时将车站与山体融为一体，车站最大埋深102米，地下建筑面积3.98万平方米，建成时是中国国内埋深最大的高速铁路地下车站；旅客进出站提升高度62米，建成时是中国国内旅客提升高度最大的高速铁路地下车站；车站层次多、洞室数量大、洞型复杂、交叉节点密集，建成时是中国国内最复杂的暗挖洞群车站。
解决的关键问题
2.1 精密控制测量
京张高铁最高设计速度为350km/h，要确保轨道具有高平顺性，其施工误差必须控制在毫米级到亚毫米级，另一方面京张高铁建设工期长，从勘测设计、开工建设到交付运营时间跨度长达十年，这就需要做好整个建设期精密控制测量工作。
2.2 全专业BIM设计
铁路工程具有线长、点多、分布广、参与单位多、资源消耗体量大、质量要求高等特点。铁路工程BIM设计涉及专业多、专业接口复杂，由于各专业间BIM资源不能很好地相互利用，铁路工程BIM多以单专业翻模为主，各专业开展BIM正向设计困难。设计人员根据已有二维设计成果创建BIM模型，反向检验设计成果，不能将设计中的“差错漏碰”防范于未然，反而给设计带来了额外的负担。需要开展铁路BIM设计全过程的方法研究，以实现全线全专业BIM协同设计。
三维动画施工交底
2.3 轨道高平顺性精密测量
传统上，无砟轨道精调采用静态轨检小车进行轨道测量工作，其作业模式为全站仪基于CPⅢ控制网整平自由设站，每站观测距离约为70m，轨检小车在每根轨枕处停稳后进行数据采集，然后基于所采集的数据进行精调方案分析。这种轨道测量方法的效率极低，制约了轨道精调的综合工效的提高，存在明显不足。有砟轨道采用轨道动态测量双车系统进行轨道测量，其作业模式为全站仪架设在一辆轨道小车上并进行整平自由设站，每站观测距离约为200m，基于全站仪的跟踪测量模式观测另一辆被推行前进的轨道小车上的棱镜，以此完成每一测站范围内的轨道动态测量，这种作业方法的效率基本能够满足大机捣固作业对数据的需要，但作业环节复杂，操作极为不便。传统方法在轨道绝对测量时，均需要全站仪整平自由设站，这对于经常处于大风天气的京张高铁而言具有很大的实施难度，而且传统无砟轨道测量方法的效率也难以满足京张高铁对轨道精调工期的要求，对于官厅水库钢桁梁特大桥无砟轨道的精调，也需要研究提出具有针对性的调整方法，没有现成的经验可循。为了满足京张高铁高平顺性轨道工程建设，有必要开展针对无砟轨道、有砟轨道、重要工点的轨道测控新技术研究，以满足京张高铁高平顺性轨道工程建设的需要。
移动式三维激光扫描作业
2.4 三维实景数据构建
铁路数字资产管理一直面临资产盘点不清、共享困难、数据不规范等一系列问题，通过与竣工测量相结合的数字资产收集，建设统一的基于空间地理坐标下的数字资产库，对铁路数字资产从建设向运营的转移意义重大。京张高铁要达成这一目标，就需要研究如何通过各种先进的测量手段，真实构建全线隧道内、隧道外三维实景数据。
2.5 高铁智能运维
为确保京张高铁运输安全、高效运行，运营铁路需要对铁路设备进行定期巡检和维修，传统人工方法效率低，并且一些危险区域人员难以到达。同时极端天气条件会对铁路运营产生重大影响，需要做好气象监测和预报工作。随着交通强国建设工程的不断推进，基于铁路安全可靠、高效运营的宗旨，对铁路高品质安全运营提出了更高的要求，迫切需要解决传统运营维护模式中存在的自动化程度低、运维成本高、作业效率低、缺乏对突发性灾害的主动预警等问题。
基于北斗的铁塔监测系统构成图
展望
3.1 精密工程控制测量
京张高铁在施工期开展了北斗地基增强系统建设应用，主要为京张高铁运营提供全天候、高精度实时定位服务，随着北斗地基增强系统建设的研究与推广，与精密工程控制测量、施工测量、变形监测、运维测量等工作深度融合，进而在勘察设计阶段定制适合高铁设计线路的北斗地基增强系统，必将能够进一步服务好铁路全过程测量工作。
3.2 轨道精测精调
为满足轨道高平顺性的要求，京张高铁在轨道精调过程中，采用不整平自由设站的惯性导航轨道几何测量仪进行轨道数据采集，同时研制出了无砟轨道平顺性分析及长轨精调软件，将绝对测量与相对测量数据融合处理，并对官厅水库钢桁梁特大桥无砟轨道精调方法进行了应用研究，为快速、高效解决高速铁路无砟轨道和有砟轨道精调工作提供了方案，具备很强的推广价值。
3.3 铁路数字资产管理
根据“智能京张、数字京张”总体部署，京张高铁开展了铁路全专业全过程BIM设计的方法研究，以Bentley平台系列软件为基础，按照铁路工程设计流程，搭建了基于BIM+GIS的信息化管理平台。同时在工程竣工后通过倾斜摄影测量、移动式三维激光扫描等手段建立了全线隧道内、隧道外三维实景数据，为实现铁路数字资产从建设到运营的统一管理指明了方向。
3.4 智能运维
铁路智能运维系统可以通过视频监控和智能感知技术，及时发现安全隐患并采取措施，降低设备故障和线路问题对运输的影响，提高铁路运输系统的运维效率和质量。随着数字孪生技术的不断发展，各种智能传感器的引入，无人机技术、北斗地基增强系统等高新技术的综合应用，通过智能分析和仿真计算，必将实现铁路基础设施故障报警及灾害预警功能，为数字化运维提供重要技术支撑。