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1、 .铁路曲线要素的测设、计算与精度分析 绪论一、工程测量学概述 工程测量学是研究各种工程在规划设计、施工建设和运营管理阶段进行的各种测量工作的学科。工程测量的特点是应用基本的测量理论、方法、技术及仪器设备，结合具体的工程特点采用具有特殊性的施工测绘方法。它是大地测量学、摄影测量学及普通测量学的理论与方法在工程中的具体应用。 工程建设一般可分为：勘测设计、建设施工、生产运营三个阶段。 勘测设计阶段的测量主要任务是测绘地形图。测绘地形图是在建立测绘控制网的基础上进行大比例尺地面测图或航空摄影测量。 建设施工阶段的 测量主要任务是按照设计要求，在实地准确地标定建筑物或构筑物各部分的平面位置和高程，作
2、为施工与安装的依据（简称为标定）；是在建立工程控制网的基础上，根据工程建设的要求进行的施工测量。生产运营阶段的测量主要任务是竣工验收测量和变形监测等测量工作。工程测量按所服务的工程种类，可分为建筑工程测量、线路工程测量、桥梁与隧道工程测量、矿石工程测量、城市工程测量、水利工程测量等。此外，还将用于大型设备的高精度定位和变形监测称为高精度工程测量；将摄影测量技术应用于工程建设称为工程摄影测量；而将自动化的全站仪或摄影仪在计算机控制下的测量系统称为三维工业测量。测量学是研究地球的形状和大小以及确定地面（包含空中、地表、地下和海底）物体的空间位置，并将这些空间位置信息进行处理、存储、管理、应用的科学
3、。它是测绘学科重要的组成部分，其核心问题是研究如何测定点的空间位置。测量学研究的内容分为测定和测设两部分。测定是指使用测量仪器和工具，通过测量和计算，得到一系列测量数据，或把地球表面的地形按一定比例尺、规定的符合缩小绘制成地形图，供科学研究和工程建设规划设计使用；测设是指把图纸上规划设计好的建筑物、构筑物的位置在地面上标定出来，作为施工的依据。2、 现代测量技术概述 随着现代科学技术的发展和高新技术的应用，传统的测量技术理论、方法、手段逐步或已经被现代测量技术所取代，以全球定位系统（GPS)、遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）为一体的3G技术，使测量学科发生了很大的改变。全球定位系统以快
4、捷、方便、高精度的 地面点定位技术取代了传统的测距、测角的控制测量方法。例如，长达18km的秦岭隧道首次使用GPS定位技术布设了洞外的GPS控制网。遥感技术是在航空摄影测量的基础上，随着空间技术、电子技术和地球科学的发展而发展起来的获取空间信息的一种方法，扩大了获取地面、空间信息的范围，其速度快、信息广。例如，雷达遥感技术首次在世界最高隧道-青藏铁路风火山隧道全面检测，检测结果各项技术指标均符合设计要求 。地理信息系统是由计算机系统、各种地理数据和用户组成，通过计算机对各种地理数据进行统计、分析、合成和管理，生成并输出用户所需要的各种地理信息，其在城市规划管理、交通运输，测绘、环保、农业、制图
5、等领域发挥了重要的作用，并取得了良好的经济效益和社会效益。例如，北京某测绘部门以北京市大比例尺地形图为基础图形数据，在此基础上综合叠加地下及地面的八大类管线（包括上水、污水、电了、通信、燃气、工程管线等）以及测量控制网、规划路线等基础测绘信息，形成一个测绘数据的城市地下管线信息系统，从而实现了对地下管线信息的全面现代化管理。传统的测绘仪器、方法、手段也在发生巨大改变。如全站型电子测速仪、数字水准仪、电子经纬仪等，使测量方法、手段向测量自动化发展，逐步取代了传统测量的三大件：普通经纬仪、水准仪、钢尺。1、 测量误差的概述1-1 圆曲线的测设铁路线路平面曲线分为两种类型：一种是圆曲线，主要用于专用
6、线和行车速度不高的线路上；另一种是带有缓和曲线的圆曲线，铁路干线上均用此种曲线。铁路曲线测设一般分两步进行，先测设曲线主点，然后依据主点详细测设曲线。铁路曲线测设常用的方法有：偏角法、切线支距法和极坐标法。首先介绍圆曲线的测设方法。一、圆曲线要素计算与主点测设为了测设圆曲线的主点，要先计算出圆曲线的要素。（一）圆曲线的主点 图1如图1所示：JD交点，即两直线相交的点；ZY直圆点，按线路前进方向由直线进入圆曲线的分界点；QZ曲中点，为圆曲线的中点；YZ圆直点，按路线前进方向由圆曲线进入直线的分界点。ZY、QZ、YZ三点称为圆曲线的主点。（二）圆曲线要素及其计算在图1中：T切线长，为交点至直圆点或
7、圆直点的长度；L曲线长，即圆曲线的长度（自ZY经QZ至YZ的圆弧长度）；E0外矢距，为JD至QZ的距离。T、L、E0称为圆曲线要素。转向角。沿线路前进方向，下一条直线段向左转则为左；向右转则为右。R圆曲线的半径。、R为计算曲线要素的必要资料，是已知值。可由外业直接测出，亦可由纸上定线求得；R为设计时采用的数据。圆曲线要素的计算公式，由图1得：外线长 T = Rtan曲线长 L = R （1）外矢距 E0= R（sec-1）式中计算L时，以度为单位。在已知、R的条件下，即可按式（1）计算曲线要素。它既可用计算器求得，亦可根据、R由铁路曲线测设用表中查取。（三）圆曲线主点里程计算主点历程计算是根据
8、计算出的曲线要素，由一已知点里程来推算，一般沿里程增加方向由ZYQZYZ进行推算。若已知交点JD的里程，则需先算出ZY或YZ的里程，由此推算其它主点的里程。（四）主点的测设在交点（JD）上安置经纬仪，瞄准直线方向上的一个转点，在视线方向上量取切线长T得ZY点，瞄准直线方向上一个转点，量T得YZ点；将视线转至内角平分线上量取E0，用盘左、盘右分中得QZ点。在ZY、QZ、YZ点均要打方木桩，上钉小钉以示点位。为保证主点的测设精度，以利曲线详细测设，切线长度应往返丈量，其相对较差不大于1/2000时，取其平均位置。二、偏角法测设圆曲线仅将曲线主点测设于地面上，还不能满足设计和施工的需要，为此应在两主
9、点之间加测一些曲线点，这种工作称圆曲线的详细测设。曲线上中桩间距宜为20m；若地形平坦且曲线半径大于800m时，圆曲线内的中桩间距可为40m；且圆曲线的中桩里程宜为20m的整数倍。在地形变化处或按设计需要应另加设桩，则加桩宜设在整米处。偏角法师曲线测设中最常用的方法。偏角法测设曲线的原理1. 测设原理偏角法实质上是一种方向距离交会法。偏角即为弦切角。偏角法测设曲线的原理是：根据偏角和弦长交会出曲线点。如图2，由ZY点拨偏角1方向与量出的弦长c1交于1点；拨偏角2与由1点量出的弦长c2交于2点；同样的方法可测出曲线上其他点。2.弦长计算铁路曲线半径一般很大，20m的圆弧长与相应的弦长相差很小，如
10、R=450m时，弦弧差为2mm，两者的差值在距离丈量的容许误差范围内，因而通常情况下，可将20m的弦长当作弦长看待；只有当R400m时，测设中才考虑弦弧差的影响。3.偏角计算由几何学得知，曲线偏角等于其弦长所对圆心角的一半。图2图2中，ZY1点的曲线长为K，它所对的圆心角为=，则其相应的偏角为 (2)式中，R为曲线半径；K为置镜点至测设点的曲线长。若测设点间曲线长相等，设第1点偏角为1，则各点偏角依次为由于测规规定，圆曲线的中桩里程宜为20m的整倍数，而通常在ZY、QZ、YZ附近的曲线点与主点间的曲线长不足20m，则称其所对应的弦为分弦。分弦所对应的偏角可按式（2）来计算。测设曲线点的偏角，既
11、可以按式（2）用计算器计算，亦可由铁路曲线测设表（以下简称曲线表）第三册第六表查取。三、长弦偏角法测设圆曲线利用光电测距仪配合带有编程功能的计算器来测设曲线，采用长弦偏角法最适宜，如图3。图3知道了曲线点的测设里程，即测设的曲线长Li，即可进行计算。其资料计算公式如下： （2）式中i、ci为测设曲线点i的偏角与弦长。测设时，将测距仪安置于ZY点上，以JD为后视00000方向，照准部旋转i偏角，持镜者沿长弦视线方向移动，司镜人员用测距仪的跟踪测量法跟踪，当显示数字与弦长接近时，反光镜停下，正式测出斜距和竖直角，然后算出水平距离；当平距与弦长相差1m左右时，用2m的钢卷尺直接量距并钉下木板桩，再将
12、反光镜安于木桩上来校核距离，与弦长相差1cm之内即可。长弦偏角法不仅可以跨越地面上的障碍，而且精度高、速度快，是一种能适用于各种地形的测设方法。四、切线支距法测设圆曲线切线支距法，实质为直角坐标法。它是以ZY或YZ为坐标原点；以过ZY（或YZ）的切线为x轴，切线的垂线为y轴。x轴指向JD，y轴指向圆心o，如图4。 曲线点的测设坐标按下式计算：图4 （4）式中，Li为曲线点i至ZY（或YZ）的曲线长。Li一般定为10m、20m、，已知R，即可计算出xi、yi。亦可从曲线表第三册第九表中查取每10m一桩的（Li-xi）及yi的值，如表1。表1 圆曲线切线支距LR=700R=600R=500L-xy
13、L-xyL-xy10203040500.000.000.010.020.040.070.290.641.141.790.000.000.010.030.060.080.330.751.332.080.000.100.020.040.080.100.400.901.602.50测设时从ZY或YZ开始,沿切线方向直接量出xi并钉桩；若yi较小时，可用方向架 直角器在xi点测设曲线点，当yi较大时，应在xi处安置经纬仪来测设。若使用曲线表，则从ZY（或YZ）开始沿切线方向每丈量Li，应退回（Li-xi）钉桩来测设曲线点，如图5. 图5切线支距法简单，各曲线点相互独立，无测量误差累积。但由于安置仪器次
14、数多，速度较慢，同时检核条件较少，故一般适用于半径较大、y值较小的平坦地区曲线测设。1-2 缓和曲线的性质一、缓和曲线的作用当列车以高速由直线进入圆曲线时，就会产生离心力，危及该列车运行安全和影响旅客的舒适。为此要使曲线外轨高些（称超高），使列车产生一个内倾力以抵消离心力的影响，见图6。为了解决超高引起的外轨台阶式升降，需在直线与圆曲线间加入一段曲率半径逐渐变化的过渡曲线，这种曲线称缓和曲线。另外，当列车由直线进入圆曲线时，由于惯性力的作用，使车轮对外轨内侧产生冲击力，为此，加设缓和曲线以减少冲击力。再者，为避免通过曲线时，由于机车车辆转向架的原因，使轮轨产生侧向摩擦，圆曲线部分的轨距应加宽，这也需要在直线和圆曲线之间加设缓和曲线来过渡。二、缓和曲线的性质缓和曲线时直线与圆曲线间的一种过渡曲线。它与直线分界处半径为，与圆曲线相接处半径与圆曲线半径R相等。缓和曲线上任一点的曲率半径与该点到曲线起点的长度成反比，如图6。图6 或 l=C （5）式中，C是一个常数，称缓和曲线半径变更率。当l=l0时，=R，所以Rl0=C （6）式中，l0为缓和曲线总长。l=C是缓和曲线的必要条件，实用中能满
