李新增

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300142)

1 軌道基準網(wǎng)的概念

軌道基準網(wǎng)是CRTSⅡ型板精調(diào)的基本控制網(wǎng),其理論值由布板軟件根據(jù)軌道線路設(shè)計計算所得,每個軌道板縫處設(shè)置一個軌道基準點和軌道板定位點。軌道基準點和軌道板定位點分別距線路中線左右兩側(cè)各10 cm,并且采用高程比較低的點作為軌道基準點,以提高測量的精度。

2 軌道基準網(wǎng)測量方法

2.1 平面測量方法

軌道基準點的平面測量是左右線路分別進行測量,在底座板張拉連接并鎖定后,軌道板粗鋪之前進行,采用全站儀自由設(shè)站極坐標法進行觀測,直接測量各點的坐標,外業(yè)采用自動記錄方式。

同一測站CPⅢ點和軌道基準點均采用全站儀盤左進行觀測,進行多個半測回觀測。每個半測回觀測過程如下：①順次觀測所有CPⅢ點(6～8個)；②由遠及近順次觀測軌道基準點(11～13個)；③按照同樣的流程進行下一個半測回測量；④各個半測回結(jié)束時,再順次觀測所有CPⅢ點。軌道基準點觀測不應(yīng)少于3次,CPⅢ點觀測不應(yīng)少于4次。此為一個測站的觀測程序,一個測站結(jié)束后搬至下一站,按同樣的程序進行測量(如圖1所示)。

每站觀測距離約70 m,至少觀測11個軌道基準點,重復(fù)觀測上一測站的CPⅢ點不應(yīng)少于2對,重復(fù)觀測上一測站觀測的軌道基準點3～5個。本站觀測的所有軌道基準點(包含重復(fù)觀測上一站的軌道基準點)都必須位于測站的同一側(cè)。

每站軌道基準點測量時,采用同一組棱鏡三腳座和精密棱鏡。在觀測軌道基準點時,應(yīng)由遠及近完成全部軌道基準點測量。每次安置棱鏡三腳座時,要精確整平棱鏡三腳座,在棱鏡三腳座移動過程中,棱鏡應(yīng)始終面對全站儀。對于CPⅢ棱鏡組件和棱鏡三腳座上棱鏡不一致的,需要檢查儀器中輸入的棱鏡常數(shù)是否正確。

2.2 高程測量方法

高程測量應(yīng)該在軌道板粗鋪之后進行,按照附合水準方法和中視水準測量方法相結(jié)合進行施測,軌道基準點一般作為中視點,除首末CPⅢ點外,其余CPⅢ點作為附合水準線路的轉(zhuǎn)點。左右線路的軌道基準點的高程可同時施測。采用電子水準儀進行往返觀測,起閉于CPⅢ點,附合水準線路長度約300 m為一個測段。在軌道基準點上立尺時,水準尺須使用水準尺適配器；在CPⅢ點立尺時,不使用水準尺適配器,須使用與CPⅢ網(wǎng)測量時一致的水準測量桿。水準尺適配器常數(shù)需準確測定,同時保證水準尺適配器與軌道基準點測釘?shù)钠ヅ?。在同一站?nèi)的所有軌道基準點高程測量時應(yīng)采用同一把水準尺及其配套水準尺適配器。水準尺適配器常數(shù)在外業(yè)是不輸入的,但在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中進行修正。

在兩個CPⅢ點中部安置水準儀,后視一個CPⅢ點(如CPⅢ1),前視另一個CPⅢ點(如CPⅢ2)或軌道基準點,采用中視法測量該區(qū)間所有的軌道基準點(可以包括左右2條線路的軌道基準點),然后搬站至CPⅢ2和CPⅢ3之間,重復(fù)上一個測站過程。相鄰兩站之間不需重疊軌道基準點,但相鄰測段之間應(yīng)重疊3～5個軌道基準點(如圖2所示)。

圖2 軌道基準網(wǎng)高程觀測示意

3 軌道基準網(wǎng)平差精度要求

控制點Y和X坐標偏差：即坐標的參數(shù)轉(zhuǎn)換,用計算出來的轉(zhuǎn)換參數(shù)對CPⅢ點進行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的值和原值的差值不能大于2 mm。如果不能達到要求則需重測,并且需要檢查CPⅢ網(wǎng)的精度,如果CPⅢ網(wǎng)的相對精度達不到要求則需對CPⅢ網(wǎng)進行重測。

相對多次測量坐標平差值Y和X偏差：通過4次CPⅢ和3次CPⅣ測量,并且剔除了粗差后,剩余的觀測值取平均值,然后每個觀測值再和平均值比較,如果其差值大于0.4 mm則需對此觀測值剔除,每個點(包括CPⅢ和CPⅣ)最少需保留兩個觀測值,如果CPⅢ達不到要求,則需對此CPⅢ點進行剔除,每站CPⅢ點最少需要保留4個,并且線路兩側(cè)成對的CPⅢ點不能同時剔除,否則本站重測。

每個CPⅣ點重疊區(qū)內(nèi)的橫向偏差和縱向平差：相鄰兩站間需重疊3～5個CPⅣ點,通過平差后,每個CPⅣ點在線路橫向上分配的誤差不能大于0.3 mm,縱向上分配的誤差不能大于0.4 mm。

4 軌道基準網(wǎng)平差過程

4.1 平面網(wǎng)平差步驟

第一：讀取原始數(shù)據(jù),按照前述的觀測精度,檢查數(shù)據(jù)是否合乎觀測要求,如果不能滿足要求則需重新測量。

第二：數(shù)據(jù)觀測滿足要求后進行參數(shù)轉(zhuǎn)化,把觀測的自由坐標系轉(zhuǎn)化為施工坐標系,一般采用三參數(shù)轉(zhuǎn)換法。

第三：對重疊區(qū)的CPⅣ點進行橫向和縱向限差的檢查,檢查時可以用理論數(shù)據(jù)確定橫向和縱向確定(如圖3所示)。

圖3 平面網(wǎng)平差步驟示意

根據(jù)P1、P2、P3三點的理論坐標分別可以算出P3P2和P1P2兩個方位角

A1=arctan(P2P3)=(Y3-Y2)/(X3-X2)A2=

arctan(P2P1)=(Y1-Y2)/(X1-X2)

則p2點的橫向方向為A=A1+(A2-A1)/2,與其垂直的右向為縱向。

計算重疊區(qū)各點橫向和縱向的偏差：

圖4 重疊區(qū)橫向與縱向偏差計算

如圖4所示,接頭點分別為P1、P2、P3三個點,其中其中P10、P20、P30為理論值,P11、P21、P31為第一站測量值,P12、P22、P32為第二站的測量值。

根據(jù)前面所述的計算方法分別計算P1、P2、P3三點處的橫向和縱向方位角,并根據(jù)計算的值建立坐標系,原點分別為三個點的理論值。以P20為原點,Q為橫向,R為縱向建立線路坐標系。坐標系建立完成之后,把P2點的兩次測量值分別轉(zhuǎn)換到此坐標系下的坐標,則可以求出兩次觀測在橫向和縱向上的差值。

同理計算P1點和P3點在橫向和縱向上的差值。各點的限差要求應(yīng)滿足前面所提到的限差要求。

第四：重疊區(qū)的CPⅣ點橫向和縱向偏差滿足要求后,在線路坐標系下按照余弦定權(quán)的方式進行曲線擬合。

第五：把線路坐標系下的坐標轉(zhuǎn)換成施工坐標系下的坐標,計算完成后輸出成果,用于下序工作。

4.2 高程網(wǎng)平差步驟

高程網(wǎng)平差步驟和平面網(wǎng)基本一致,平差時采用嚴密平差,定權(quán)方式也可以采用余弦定權(quán)方式。

5 軟件測試

5.1 平面測試

根據(jù)上述平差方法,開發(fā)了TSDI_CPIVADJ平差軟件,為了驗證該軟件的可靠性,將京滬高速鐵路長約500 m的軌道基準網(wǎng)平面觀測數(shù)據(jù),共70個CPⅣ點,分別用TSDI_CPIVADJ軟件和德國PVP施工版軟件進行平差,然后將兩軟件的平差成果進行比較。

(1) 坐標變換殘差比較

采用兩種軟件進行坐標轉(zhuǎn)換,其CPⅢ的殘差均一致,說明四參轉(zhuǎn)換的方法是正確的。表1是其中的某一站數(shù)據(jù),采用兩個軟件轉(zhuǎn)換后的殘差,其比較結(jié)果如表1所示。

表1 殘差比較

(2)搭接點相關(guān)量比較

用兩種軟件進行測站間搭界處理后,兩種軟件的線路橫向、縱向坐標差及其加權(quán)值均一樣。以某相鄰兩站的搭接點為例來比較兩軟件,其比較結(jié)果如表2所示。

表2 搭接點相關(guān)量比較

(3)坐標成果比較

將上述70個CPⅣ點的TSDI_CPIVADJ軟件與PVP軟件的平差坐標X、Y分別進行作差比較,其比較結(jié)果如表3所示。

表3 平差坐標X、Y比較

5.2 高程測試

為檢測TSDI_CPIVADJ平差軟件的高程平差成果的可靠性,將京滬高速鐵路長約300 m的軌道基準網(wǎng)高程觀測數(shù)據(jù),共91個CPⅣ點,其中左線45個點,右線46個點。分別用TSDI_CPIVADJ軟件、德國PVP施工版軟件進行平差,然后將兩軟件的平差高程作差比較,其比較結(jié)果如表4所示。

6 結(jié)論

從京滬、石武及津秦等高速鐵路的工程實踐來看,本文所介紹的測量方法高效可靠,依據(jù)本文介紹的平差算法所編制的CPⅣ平差軟件與德國PVP軟件平差成果保持高度一致,軟件使用方便,受到了各施工單位的認可。

[1]中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司. 高速鐵路工程測量規(guī)范[M].北京:中國鐵道出版社, 2010

[2]中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司. 鐵路工程測量規(guī)范[M].北京:中國鐵道出版社,2010

[3]武漢測繪科技大學(xué)測量平差教研室.測量平差基礎(chǔ)[M].北京:測繪出版社,1994