孟 峰，馬全明，陳大勇，李 響，高 超

（1.北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101；2.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100037）

一、引 言

CPⅢ控制網(wǎng)是高速鐵路建設(shè)過(guò)程中所布設(shè)的第三級(jí)測(cè)量控制網(wǎng)，一般在線下工程施工完成后施測(cè)，主要為無(wú)砟軌道鋪設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供控制基準(zhǔn)［1］。采用自由設(shè)站、邊角交會(huì)網(wǎng)的測(cè)量方法，改變了傳統(tǒng)控制網(wǎng)測(cè)量需要提供起始邊的作業(yè)模式［2］。CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量通過(guò)相鄰測(cè)站重疊觀測(cè)多個(gè)CPⅢ點(diǎn)，以獲得測(cè)站和CPⅢ點(diǎn)間的強(qiáng)相關(guān)性，并在每個(gè)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行多目標(biāo)多測(cè)回測(cè)量，以減小觀測(cè)誤差，從而實(shí)現(xiàn)CPⅢ控制點(diǎn)間較高的相對(duì)精度［3］。同時(shí)，由于采用了具有自動(dòng)照準(zhǔn)、自動(dòng)記錄、自動(dòng)計(jì)算的全站儀進(jìn)行觀測(cè)，CPⅢ測(cè)量自動(dòng)化程度較高，操作也相對(duì)簡(jiǎn)便。CPⅢ測(cè)量技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)高鐵領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

當(dāng)前，我國(guó)城市軌道交通處在一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。為了提高城市軌道交通鋪軌精度，保證軌道平順性和列車運(yùn)行的穩(wěn)定性，開(kāi)展CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量技術(shù)在城市軌道交通測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用和研究，將高速鐵路軌道精密測(cè)量技術(shù)服務(wù)于城市軌道交通工程建設(shè)，具有積極的意義。

本文介紹了在北京地鐵6號(hào)線一期工程白石橋南站至車公莊西站區(qū)間軌道鋪設(shè)測(cè)量中，利用CPⅢ控制網(wǎng)基本方法進(jìn)行城市軌道交通軌道鋪設(shè)測(cè)量試驗(yàn)的情況，探討了城市軌道交通隧道內(nèi)CPⅢ控制點(diǎn)位置確定、控制網(wǎng)布設(shè)、外業(yè)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理程序和方法，并通過(guò)對(duì)4種試驗(yàn)應(yīng)用方法的分析和對(duì)比，提出了一種適用于城市軌道交通的CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量方法，供測(cè)量工作者參考。

二、工程概況

本次測(cè)量試驗(yàn)段為北京地鐵6號(hào)線一期工程白石橋南站至車公莊西站區(qū)間右線。該區(qū)間里程為K4+470～K5+070，線路長(zhǎng)約600 m，包含2段曲線。第1段曲線半徑為2000 m、長(zhǎng)約109.4 m；第2段曲線半徑為2500 m、長(zhǎng)約108 m，上述兩曲線分別位于線路兩端。在該區(qū)間中間還設(shè)置有一組人防隔斷門(mén)，里程為K4+605。

該試驗(yàn)區(qū)間采用暗挖法施工，為馬蹄形斷面結(jié)構(gòu)形式，區(qū)間已經(jīng)貫通，二襯施工和人防隔斷門(mén)安裝均已完畢，其中軌道已經(jīng)鋪設(shè)至人防隔斷門(mén)前20 m處。隧道內(nèi)已完成了設(shè)備安裝一米線的測(cè)設(shè)，但隧道內(nèi)的設(shè)備安裝還未進(jìn)行。

隧道貫通后，對(duì)該區(qū)間進(jìn)行了貫通測(cè)量，貫通測(cè)量所使用的起始點(diǎn)為由聯(lián)系測(cè)量測(cè)設(shè)的隧道內(nèi)控制點(diǎn)。本次CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量所使用起算點(diǎn)為貫通測(cè)量平差后控制點(diǎn)，經(jīng)檢核，起始點(diǎn)之間的幾何關(guān)系良好，點(diǎn)位穩(wěn)固可靠。

三、CPⅢ控制網(wǎng)布設(shè)

1.CPⅢ控制點(diǎn)位置的確定

地鐵隧道相比高鐵，隧道的半徑較小，所留限界較小，而兩側(cè)隧道墻壁上各種管線、電纜、信號(hào)燈及相應(yīng)的支架等設(shè)備較多?？紤]點(diǎn)位的設(shè)置與保護(hù)、不與后續(xù)設(shè)備安裝相沖突、易于觀測(cè)、視線不被其他設(shè)備阻擋，本次CPⅢ點(diǎn)位選擇在設(shè)備安裝線一米線以上60 cm處，點(diǎn)位距離軌面1.6 m，距離隧道底部2.25 m（如圖1所示）。

圖1 CPⅢ點(diǎn)位埋設(shè)位置示意圖

2.CPⅢ控制點(diǎn)間距的確定

由于隧道內(nèi)光線較暗，灰塵較大，各種設(shè)備較多，相應(yīng)的測(cè)量通視條件也較差，為了保證觀測(cè)精度，將CPⅢ控制點(diǎn)間距縮小，直線段為50 m，曲線段為40 m。

為了減少人防隔斷門(mén)對(duì)測(cè)量通視影響，在隔斷門(mén)兩側(cè)25 m處對(duì)稱布設(shè)一對(duì)CPⅢ控制點(diǎn)。同時(shí)，為了驗(yàn)證已知點(diǎn)之間的相對(duì)關(guān)系，將隧道內(nèi)布設(shè)的線路中線點(diǎn)與自由設(shè)站點(diǎn)重合，即在線路中線點(diǎn)兩側(cè)對(duì)稱布設(shè)CPⅢ控制點(diǎn)。全網(wǎng)共布設(shè)13對(duì)CPⅢ控制點(diǎn)。

3.CPⅢ控制點(diǎn)標(biāo)志及埋設(shè)

CPⅢ控制點(diǎn)采用不銹鋼強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志，埋設(shè)于隧道兩側(cè)的墻壁上，由預(yù)埋件和連接桿兩部分組成（如圖2所示）。其中，基座部分為長(zhǎng)60 mm、內(nèi)徑14 mm、外徑20 mm的套筒，加工誤差小于0.05 mm；連接桿下部分與套筒相配合，上部分與Leica棱鏡相配合，間隙均小于0.2 mm。

圖2 CPⅢ控制點(diǎn)預(yù)埋件和連接桿示意圖

四、CPⅢ控制網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)的技術(shù)方法

由于CPⅢ控制點(diǎn)一般布設(shè)于線路中線點(diǎn)兩側(cè)，當(dāng)自由設(shè)站點(diǎn)位于中線點(diǎn)附近時(shí)，將兩者重合，同時(shí)將相鄰已知點(diǎn)當(dāng)做前后視點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，以便檢驗(yàn)CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量精度。本次CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量，自由設(shè)站共重合4個(gè)已知平面點(diǎn)。

1.平面測(cè)量的技術(shù)方法

1）采用自由測(cè)站邊角交會(huì)法測(cè)量。每個(gè)自由測(cè)站設(shè)站觀測(cè)時(shí)，以前后各2對(duì)CPⅢ點(diǎn)為觀測(cè)目標(biāo)，每個(gè)CPⅢ點(diǎn)至少?gòu)?個(gè)測(cè)站上分別聯(lián)測(cè)，區(qū)間共設(shè)站14次。圖3為隧道內(nèi)某測(cè)站CPⅢ控制網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)示意圖。

圖3 隧道內(nèi)CPⅢ控制網(wǎng)觀測(cè)示意圖

2）每天觀測(cè)前均對(duì)儀器進(jìn)行常規(guī)的電子檢校，包括儀器內(nèi)存、電源、溫度計(jì)、氣壓計(jì)等是否滿足要求。

3）觀測(cè)前先將儀器在外擱置5 min左右，使之與周圍環(huán)境溫度一致，并隨時(shí)注意溫度、氣壓等氣象條件的變化，保證儀器氣象參數(shù)及時(shí)更新。同時(shí)，還需現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各觀測(cè)點(diǎn)號(hào)進(jìn)行核實(shí)，保證現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)號(hào)與儀器記錄點(diǎn)號(hào)一致，以便發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤及時(shí)修改，并認(rèn)真做好觀測(cè)日志。

4）觀測(cè)前將CPⅢ控制點(diǎn)標(biāo)志的基座頂帽取下，插入連接桿，連接桿上端插棱鏡。保證連接桿和基座連接正確，中間無(wú)縫隙，棱鏡和連接桿連接正確。

5）觀測(cè)時(shí)，CPⅢ網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)精度指標(biāo)按照全站儀機(jī)載程序進(jìn)行觀測(cè)控制，每一測(cè)站觀測(cè)完成后，均進(jìn)行精度檢核，對(duì)于超限情況當(dāng)場(chǎng)進(jìn)行重測(cè)。

6）當(dāng)天外業(yè)結(jié)束后，及時(shí)將數(shù)據(jù)整理備份，并按照要求的CPⅢ數(shù)據(jù)格式連同觀測(cè)日志一并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

2.高程測(cè)量的技術(shù)方法

由于CPⅢ控制點(diǎn)位于兩側(cè)隧道壁上，距離軌道面有1.6 m，距離隧道底部2.25 m，采用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量方法，儀器必須架設(shè)足夠的高度。由于點(diǎn)位上方有電纜、各種管線等設(shè)備，水準(zhǔn)尺立放比較困難。同時(shí)由于隧道的通視條件較差，無(wú)論采用光學(xué)水準(zhǔn)儀或電子水準(zhǔn)儀，讀數(shù)、記錄均受到一定的影響，效率不高。本次CPⅢ控制點(diǎn)高程測(cè)量采用自由設(shè)站三角高程測(cè)量與CPⅢ平面控制測(cè)量一起進(jìn)行。

大量的研究和成功經(jīng)驗(yàn)證明，只要滿足一定的前提條件，三角高程測(cè)量可以達(dá)到一、二等高程測(cè)量的精度［4］。本次平面網(wǎng)測(cè)量時(shí)，通過(guò)全站儀讀取視線高，同步測(cè)量所有CPⅢ點(diǎn)的高程，免去了量取儀器高和棱鏡高過(guò)程，減少了工作流程中的各種誤差，提高了測(cè)量精度和測(cè)量效率。在進(jìn)行高程測(cè)量時(shí)，對(duì)隧道內(nèi)的已有高程點(diǎn)（共7個(gè)，間距在100 m左右）進(jìn)行了聯(lián)測(cè)，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)的平差處理和檢核。

五、CPⅢ網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

1.測(cè)站平差

將儀器記錄的外業(yè)觀測(cè)文件導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中，由CPⅢ測(cè)站平差軟件進(jìn)行測(cè)站數(shù)據(jù)的檢核（如圖4所示）。通過(guò)測(cè)站平差軟件對(duì)外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)的測(cè)回?cái)?shù)、歸零限差、2C互差、方向互差等參數(shù)進(jìn)行檢核。經(jīng)檢核，此次試驗(yàn)測(cè)量的全部測(cè)站數(shù)據(jù)均能夠滿足限差要求。

圖4 軟件測(cè)站平差界面

2.平面測(cè)量平差

此次測(cè)量試驗(yàn)，平面測(cè)量數(shù)據(jù)處理采用了4種方法進(jìn)行比對(duì)計(jì)算。

（1）固定兩端2個(gè)已知點(diǎn)的CPⅢ控制網(wǎng)平差

去除YX1、YX、YH1、YHZ 4個(gè)已知點(diǎn)設(shè)站時(shí)的前后重合已知點(diǎn)的觀測(cè)量（即中間各站前后的觀測(cè)量方向?yàn)?個(gè)），固定兩端的YX2點(diǎn)和Y1 2個(gè)已知點(diǎn)，進(jìn)行自由網(wǎng)平差和約束網(wǎng)平差，平差計(jì)算的網(wǎng)形如圖5所示。

（2）固定3個(gè)已知點(diǎn)的CPⅢ控制網(wǎng)平差

除固定兩端的YX2、Y1外，將中間點(diǎn)YX點(diǎn)也固定，進(jìn)行自由網(wǎng)平差和約束網(wǎng)平差，平差計(jì)算的網(wǎng)形如圖6所示。

（3）附有主導(dǎo)線的CPⅢ控制網(wǎng)平差

將已知點(diǎn)設(shè)站的前后視觀測(cè)量（即主導(dǎo)線）一起納入CPⅢ控制網(wǎng)進(jìn)行平差，固定兩端的YX2、Y1和中間點(diǎn)YX，進(jìn)行自由網(wǎng)平差和約束網(wǎng)平差，平差計(jì)算的網(wǎng)形如圖7所示。

（4）地鐵CPⅢ控制網(wǎng)平差

去除中間自由設(shè)站點(diǎn)（650、750、840、925測(cè)站）觀測(cè)數(shù)據(jù)，固定兩端的YX2、Y1和中間點(diǎn)YX，進(jìn)行自由網(wǎng)平差和約束網(wǎng)平差，平差計(jì)算的網(wǎng)形如圖8所示。

圖5 固定兩端2個(gè)點(diǎn)的CPⅢ控制網(wǎng)平差

圖6 固定3個(gè)點(diǎn)的CPⅢ控制網(wǎng)平差

圖7 附有主導(dǎo)線的CPⅢ控制網(wǎng)平差

圖8 地鐵CPⅢ控制網(wǎng)平差

通過(guò)平差計(jì)算，4種平差方法觀測(cè)值的方向、距離改正數(shù)比較結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1比較結(jié)果可知，自由網(wǎng)平差和約束網(wǎng)平差的最大方向改正數(shù)和最大距離改正數(shù)均能滿足滿足城市軌道交通測(cè)量規(guī)范要求。由平差文件得知，距離改正數(shù)較大的邊都是與已知點(diǎn)相關(guān)的邊，由于隧道內(nèi)平面控制點(diǎn)的點(diǎn)位相對(duì)誤差較大，造成CPⅢ控制網(wǎng)的最大距離改正數(shù)較大。4種方法平差后，最大點(diǎn)位中誤差為1.04 mm，最大相對(duì)點(diǎn)位中誤差為1.29 mm，均滿足規(guī)范要求（見(jiàn)表2）。

表2 4種平差方法點(diǎn)位誤差比較表 mm

相比固定兩個(gè)已知點(diǎn)的CPⅢ控制網(wǎng)平差方法（第1種方法），固定3個(gè)已知點(diǎn)（第2、3、4種方法）進(jìn)行平差，最大方向改正數(shù)均有效減少。考慮隧道內(nèi)控制點(diǎn)精度比高鐵CPⅡ或CPⅠ控制點(diǎn)要低，聯(lián)測(cè)已知點(diǎn)應(yīng)多于兩個(gè)。一方面可以相互檢核隧道內(nèi)控制點(diǎn)之間的相對(duì)關(guān)系，判定已知點(diǎn)的穩(wěn)定性；另一方面還可以通過(guò)反算已知點(diǎn)，檢測(cè)CPⅢ控制網(wǎng)的精度。

基于以上分析，第4種測(cè)量方法（地鐵CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量方法）較之傳統(tǒng)高速鐵路CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量，觀測(cè)量少且重合隧道內(nèi)中線點(diǎn)，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

3.高程測(cè)量平差

首先檢核相鄰測(cè)站測(cè)得同名點(diǎn)的高差數(shù)據(jù)是否符合規(guī)范要求，然后將CPⅢ控制點(diǎn)與已知水準(zhǔn)點(diǎn)高差數(shù)據(jù)導(dǎo)入到清華山維平差軟件，進(jìn)行距離加權(quán)平差處理。通過(guò)計(jì)算得知，所有CPⅢ控制點(diǎn)相鄰測(cè)站測(cè)得同名點(diǎn)的高差數(shù)據(jù)均小于2 mm，水準(zhǔn)點(diǎn)之間的最大閉合差為3 mm。平差后最大高程中誤差為0.6 mm，最大高差中誤差為0.6 mm，均滿足城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范要求。

六、結(jié)論及建議

1）經(jīng)鋪軌單位利用軌檢小車驗(yàn)證，本次城市軌道交通CPⅢ控制網(wǎng)精度與可靠性較高，無(wú)論平面精度還是高程精度，均能滿足鋪軌的要求。

2）本次測(cè)量試驗(yàn)驗(yàn)證了CPⅢ控制網(wǎng)在地鐵隧道進(jìn)行軌道鋪設(shè)應(yīng)用技術(shù)路線的可行性。本次CPⅢ控制網(wǎng)只是驗(yàn)證了在直線段和大半徑的曲線段、測(cè)量觀測(cè)條件和隧道內(nèi)環(huán)境條件相對(duì)較好的情況下測(cè)設(shè)CPⅢ控制網(wǎng)技術(shù)路線的可行性；而在小半徑的曲線段、道岔區(qū)、站臺(tái)及搭接部位等條件下，還需要進(jìn)一步試驗(yàn)和驗(yàn)證。

3）由于隧道內(nèi)設(shè)備較多，CPⅢ控制點(diǎn)位置選取要充分考慮設(shè)備的安裝。同時(shí)，由于隧道內(nèi)通視環(huán)境較差，應(yīng)盡量縮短CPⅢ控制點(diǎn)間距，以30～60 m（曲線稍短）為宜，布網(wǎng)時(shí)充分考慮區(qū)間設(shè)備（人防門(mén)等）對(duì)通視的影響。

4）為了提高地鐵CPⅢ控制網(wǎng)觀測(cè)效率，建議平面和高程同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，自由設(shè)站點(diǎn)盡量與隧道內(nèi)的已知點(diǎn)相重合。

5）由于隧道內(nèi)觀測(cè)條件較差，需要嚴(yán)格遵守觀測(cè)技術(shù)要求，及時(shí)檢核數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量。由于隧道內(nèi)控制點(diǎn)與高鐵CPⅡ或CPⅠ控制點(diǎn)相比精度低一些，所以內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理要充分考慮已知點(diǎn)的相關(guān)性和穩(wěn)定性。

［1］ TB10601—2009高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范［S］.北京:［s.n.］，2009.

［2］ 謝輝，汪君.高速鐵路無(wú)砟軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）平面測(cè)量技術(shù)［J］.科技信息，2011（3）:50-50.

［3］ 張緒豐.CPⅢ平面網(wǎng)外業(yè)測(cè)量若干技術(shù)問(wèn)題的探討及其軟件的研制［D］.成都:西南交通大學(xué)，2008.

［4］ 付建斌，劉成龍，盧建康，等.基于自由測(cè)站的高速鐵路CPⅢ高程控制網(wǎng)建網(wǎng)方法研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2010（11）:32-37.