濱綏鐵路牡綏段擴能改造工程的控制測量技術研究

蘇 濤 牛洪柳

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，中國 天津 300251)

綏芬河口岸是我國對俄羅斯貿易的重要陸路口岸，連接口岸的濱綏鐵路則承擔著中俄國際聯運和中外旅客運輸任務。隨著兩國貿易推進，區域經濟持續增長，貨運壓力隨之加大，既有濱綏鐵路運力不足制約了口岸經濟的發展[1]。因此，對濱綏鐵路牡丹江至綏芬河段的擴能改造，以增強鐵路運輸力來滿足口岸經濟發展對鐵路運輸的要求，是鐵路“十一五”規劃中加大鐵路口岸建設的重要工程。

1 擴能改造工程概況

線路自牡丹江站向東到達綏芬河車站，全長138.823km。通過地區主要為低山丘陵及中低山區兩種地貌。全線共設計隧道17座，根據全線長大隧道分布情況，結合沿線工程地質條件，無砟軌道鋪設區段總長度為26.520km(雙線)，約占線路長度的19.1%，其余地段均采用有砟軌道結構。

1.1 既有資料的利用

線路范圍內主要的既有資料包括：（1）1:50000和1:2000線路平面圖；（2）定測階段GPS點及四等水準點成果；（3）國家A/B級GPS點2個；（4）國家一等水準點6個。

1.2 坐標系統選擇

全線航測、初測階段采用1954年北京坐標系平面坐標，后期階段為了滿足鐵路定測和施工需要，保證控制網及后續放設線路控制樁、施工測量的精度，控制網采用工程獨立坐標系。工程獨立坐標系采用2000國家大地坐標系橢球參數，任意帶高斯投影，依據線路設計方案位置東西方向坐標差值及路肩設計高程計算中央子午線值及投影面高程，滿足測區投影長度變形值不大于1/40000(25mm/km)的要求。根據計算將整個測區建立3個工程獨立坐標系，工程獨立坐標系形式為任意帶高斯正形投影抵償坐標系[2]。高程坐標系統采用1985國家高程基準。

2 控制測量方案

2.1 控制網的布設

2.1.1 平面控制網的布設

平面控制網按分級布網的原則，分三級布設[3,4]。第一級為框架控制網(CP0)，直接利用既有資料中的2個國家A/B級GPS控制點作為全線CPI控制網的坐標起算基準；第二級基礎平面控制網(CPI)，按二等和三等GPS網要求進行施測，采用邊聯接方式構網，形成由三角形或大地四邊形組成的帶狀網；第三級為線路控制網(CPII)，按四等網要求進行施測，并與CPI聯測構成附合網。

控制點布設時應充分考慮即將施工的影響，布設在不易被破壞的范圍內，對高路基、橋梁等段落，盡量考慮將CPI、CPII布設于線路一側，避免因施工后高路基、橋墩等造成點間不通視的現象，以方便施工使用。

2.1.2 高程控制網的布設

為滿足無砟軌道隧道段落施工需要，高程控制網無砟軌道隧道段按國家二等水準測量標準進行施測，起閉于國家一等水準點；有砟軌道段落按國家三等水準測量標準進行施測，起閉于滿足規范要求的二等水準點。

水準路線沿線布設，每10～20km布設1個水準墻標，每2km左右布設1個水準點，在2km以上的隧道進口和出口布設水準點。水準點應選在土質堅實、安全僻靜、觀測方便和利于長期保存的地方。水準路線盡可能聯測地面埋石的CPI和CPII點，以方便施工和監測。

2.2 數據測量

2.2.1 GPS 數據觀測

GPS觀測前，按規范要求進行相關儀器檢校，保持接收機設備工作狀態正常，并根據測前狀況按衛星星歷預報表、GPS接收機數量、交通情況編制觀測計劃，避開衛星分布狀態不好的情況。按設計控制網網形進行觀測，觀測時GPS天線進行統一指北定向。作業中，儀器對中誤差應小于1mm，每個時段觀測前、后各量天線高一次，兩次較差值小于2mm，取均值作為最后成果；觀測時自動記錄點號、天線高，并觀測記錄氣象元素、填寫GPS靜態觀測手簿。

2.2.2 水準數據測量

作業前對所使用的水準儀進行常規檢校，保證所使用的水準儀及水準尺各項性能指標良好。觀測時，奇數站按后－前－前－后的順序進行，偶數站時按前－后－后－前的順序進行。每一測段應為偶數測站。一組往返測量安排在不同的時間段進行；由往測轉向返測時，互換前后尺再進行觀測；晴天觀測時給儀器打傘，避免陽光直射；扶尺時借助尺撐，使標尺上的氣泡居中，標尺垂直。

3 數據處理與精度分析

3.1 平面控制網數據處理與精度分析

3.1.1 控制網基線解算

GPS數據采集完成后,經預處理沒有任何問題后,將原始觀測文件均轉換為RINEX文件，并對點號、天線量高方式、天線高復核后進行基線解算。基線解算采用廣播星歷和商用軟件LGO進行基線解算。GPS觀測值加入Hopfild模型的對流層改正、雙頻改正模型的電離層改正，解算出整周未知數。數據預處理后基線質量不符合要求或環閉合差超限的需要進行補測，直到基線及環閉合差成果均滿足要求。

獨立閉合環檢核時，X，Y、Z 坐標分量閉合差 Wx，Wy，Wz和環線全長閉合差W需分別滿足式（1）和式（2）的要求[5]：

基線觀測值重復邊長度的檢核應滿足式（3）要求：

分別計算三級控制網中獨立基線形成的獨立環閉合差和重復基線邊的長度較差是否滿足相應的限差要求。

3.1.2 平差計算

（1）無約束平差

全部重復基線及獨立環滿足要求后，采用TGPPS軟件進行整網平差計算。首先在WGS84坐標系中進行無約束平差，對單位權中誤差、觀測值改正數進行統計分析，檢查GPS基線向量是否有粗差和明顯的系統誤差，剔除有粗差和明顯的系統誤差后，檢驗基線向量改正數是否滿足（V△X、V△Y、V△Z）≤3σ 的精度要求。 從網平差報告中分析無約束平差基線向量改正數滿足要求才說明基線向量網內符合精度高，質量可靠。

（2）約束平差

提供控制網對應的起算點進行三維約束平差計算。為保證控制網的精度，采用基線對應等級的GPS點進行兼容性分析，推算已知控制點平面坐標，并與原始坐標進行較差分析。

3.1.3 精度分析

CPI（二等）控制網起算點為兩個國家GPS點的坐標成果，采用任意帶高斯正形投影抵償坐標系在軟件上整體平差，重復基線較差最大值為ds=16mm，獨立閉合環閉合差最大值為Wx=13mm，Wy=1mm，Wz=6mm，W=15m，基線向量改正數最大值 VΔX為 10.2mm，VΔY為-12.9mm，VΔZ為12.8mm，相鄰點的相對點位中誤差最大值為3.4mm，基線邊方向中誤差最大值為0.5"，最弱邊邊長相對中誤差為1/394985，以上精度指標均滿足規范要求。

CPI（三等）基線解算、獨立環檢驗合格后，以二等CPI點作為起算點，分四段進行平差計算。CPII（四等）數據以二、三等CPI點作為起算點，分五段進行平差計算，坐標成果保留到0.1mm。統計各段精度指標與限差進行比較，所有精度均滿足相應規范要求[6]。

表1 水準測量閉合精度表

3.2 高程數據解算及精度分析

采用NASEW網平差軟件包對高程測量數據分四段進行嚴密平差計算，由平差分析報告獲取水準測量的精度如表1所示，水準網精度滿足相應要求。

4 結論與建議

既有鐵路擴能改造是增強鐵路運輸力的重要方法，設計的測量方案必須滿足相應的規范要求才能保證鐵路質量。以濱綏鐵路牡綏段的擴能工程為例，有以下結論與建議：

4.1 跨度范圍大、地形復雜的鐵路，要合理設計控制網。

4.2 在施工放樣過程中，如果控制點與放樣點的高差較大，需要對放樣距離進行高程投影反改化，以保證測量精度。

4.3 在成果使用過程中，應注意標段接頭處的線路銜接問題，保證相鄰投影帶重合部分中線放樣位置的一致性與線路順接。

4.4 對于無砟軌道隧道以及長大隧道需要建立隧道工程獨立坐標系，以滿足隧道貫通及后期控制網布設的精度要求。

［1］夏勇,于春英.濱綏鐵路牡綏段擴能改造的思考與分析[J].鐵道運輸與經濟,2011,33(10):14-16.

［2］徐萬鵬.高速鐵路精密測量基準的確定[J].鐵道工程學報,2012(9):7-12，38.

［3］王錫和.高速鐵路精密控制測量技術[J].地理空間信息,2010,8(1):127-130.

［4］安國棟.高速鐵路精密工程測量技術標準的研究與應用[J].鐵道學報,2010,32(2):98-104.

［5］付恒友,楊松林.高速鐵路超長越嶺隧道GPS洞外控制測量方案研究[J].測繪科學,2009,34(05):166-167，228.

［6］TB10105-2009改建鐵路工程測量規范[S].北京:中國鐵道出版社,2009.