馬普托輕軌項目工程測量經驗探討

劉政綱, 梁迎春

((湖北省國土測繪院,湖北 武漢 430010)

馬普托輕軌項目工程測量經驗探討

劉政綱, 梁迎春

((湖北省國土測繪院,湖北 武漢 430010)

根據馬普托輕軌項目的工作實例,分析研究工程測量工作流程及方法,并就如何正確地開展國外輕軌工程測量工作進行探討。

UTM投影變形;控制測量;地形測圖

隨著經濟的發展,工作節奏的加快,私家車輛的增多,交通阻塞越來越嚴重。輕軌以其客運量大、準點到達等優點,越來越受到人們的青睞。筆者于2014年參加了莫桑比克首都馬普托輕軌項目控制測量、地形圖測量及定線測量工作。馬普托輕軌項目是為了連接莫桑比克首都馬普托與衛星城市馬托拉市,項目全長16.3 km。本項目建成以后,將大大縮短往來于兩個城市的時間,使兩個城市之間出行更加方便快捷。下面談一下在輕軌項目中遇到的問題及處理方法與同行們交流及共同探索,為其它國外輕軌工程提供參考。

1 工程測量內容與流程

1.1 測量內容及任務

馬普托輕軌項目是1號線Maputo-Matola Gare線的一部分,連接首都馬普托與馬托拉,起終點為Maputo Station-Machava Bunhica,線路長16.36 km,設站6座,馬普托市與馬托拉市各3座,其中2座高架站,4座地面站,平均站間距3.18 km。全線設置車輛基地與控制中心各一座,兩者合設于線路終點站西側的Machava Tsalala車輛段內。

本次測量任務包括兩部分,一是為輕軌設計提供地形圖,進行基礎控制測量、1∶1 000和1∶500帶狀地形圖測繪,主要為勘測設計環節的測量工作;另一部分是依據設計位置的需求,將輕軌設計線路落實到實地,進行中樁放樣及橫斷面測量,主要為施工圖設計的測量工作。

1.2 基本流程

1.2.1 已有資料收集

為了使本項目坐標系統與莫桑比克國家坐標系統保持一致,需要收集莫桑比克已有的測繪資料,作為項目控制測量的起算點,因此本項目到莫桑比克國家測繪局收集了相關控制成果。

1.2.2 技術設計

根據設計的路線方案和相關的測繪技術標準,進行項目測繪技術設計,并交于業主單位進行審核。

1.2.3 項目測繪

根據審核后的技術方案,進行項目的基礎控制測量、地形圖測繪和定線測量工作。

1.2.4 項目技術總結

項目測量完成后,對項目實施過程中對測繪技術設計和技術標準、規范等執行情況進行總結,為業主單位對成果的合理使用提供方便。

2 基礎控制測量

2.1 UTM投影變形

UTM投影變形包括兩個方面:一是地面水平距離投影到橢球面的長度變形;二是橢球面距離投影到UTM投影平面的長度變形。

(1) 觀測邊長D歸化至參考橢球體面上時,其長度會縮短ΔD。設歸化高程為H,地球平均曲率半徑為R,則其近似關系式為:

(2) 橢球體上的邊長S投影到UTM投影平面,其長度將會變形ΔS,設該邊兩端點的平均橫坐標為ym,地球平均曲率半徑為R,則其長度變形近似關系式為:

2.2 平面測量

從莫桑比克國家測繪局收集到的測繪資料顯示,測區周邊莫桑比克國家GPS控制點5006、5008、5009、NH1,平面坐標采用WGS—84橢球,南緯36帶中央子午線為33°,UTM投影(通用橫軸墨卡托投影),中央經線變形比例為0.999 6。

對測區周邊國家GPS控制點5006、5008、5009、NH1進行投影長度變形計算,如表1所示。

表1 0投影面下投影長度變形計算

注:計算變形量時坐標Y的值為減去500 km偏移量以后的值。

通過上表計算結果,測區長度變形值遠>0.5 cm/km,莫桑比克國家控制點的UTM投影統一分度帶平面直角坐標系統不能滿足馬普托輕軌項目大比例尺測圖和施工放樣要求。

為了削弱UTM投影長度變形,在莫桑比克國家坐標系的基礎上建立獨立坐標系,獨立坐標系投影的高程面不再是參考橢球面,而是選擇高程面Hp作為新的高程參考面,用來抵償UTM投影長度變形,在這個高程參考面上,長度變形符合規范要求。

根據上表可知:Hm=(49.151+21.843+22.875+25.851)/4=30 m;Ym=-(53.621+42.387)/2=-48.0 km;平均曲率半徑R按測區取值,通常情況可取R=6 371 km即可。經計算Hp=2 397.5 m,為了測區計算使用方便,Hp取整數2 400 m作為測區的高程抵償面。在高程抵償面為2 400 m的情況下對莫桑比克國家GPS控制點5006、5008、5009、NH1進行投影長度變形計算,如表2所示。

表2 2 400投影面下投影長度變形計算

注:計算變形量時坐標Y的值為減去500 km偏移量以后的值。

通過上表計算結果,獨立坐標系采用 WGS—84橢球,UTM投影標準6°帶,南緯36帶中央子午線為33°,中央經線變形比例為0.999 6,投影高程面為2 400 m,達到了測區投影變形值≤0.5 cm/km要求,滿足大比例尺測圖和施工放樣要求。

沿輕軌設計線埋設一等GPS點10個,二等GPS點34個,共布設44個GPS點。在作業范圍內每隔4 km左右布設一對一等點,一等點對點邊長400 m左右;接下來在一等點之間加密二等點,二等點平均邊長350 m左右。平面控制點距軌道中心線的距離不宜過大,本著利于長久保存、施工方便和處于施工變形影響范圍以外為宜。

一等、二等GPS點觀測采用天寶R8雙頻GPS接收機進行靜態定位測量,采用邊連接方法觀測,使用科傻軟件進行平差計算。對馬普托輕軌項目一等控制點進行投影長度變形計算,如表3所示。

表3 一等控制點投影長度變形計算

注:計算變形量時坐標Y的值為減去500 km偏移量以后的值。

通過上表計算結果,采用2 400 m為投影高程面,測區內一等控制點都達到了投影變形值≤0.5 cm/km要求,滿足大比例尺測圖和施工放樣要求,證明馬普托獨立坐標系選擇合理。

2.3 高程測量

由于莫桑比克國家高程采用GPS靜態觀測,通過EGM2008地球重力場模型計算所得,沒有進行水準測量,所以莫桑比克沒有高等級國家水準點。輕軌項目對高程控制要求等級較高,根據設計要求,馬普托輕軌需要進行二等水準測量。為了與莫桑比克國家高程系統保持一致,本次二等水準以位于測區中部的國家控制點5008為起算點,形成一個水準閉合環,進行整網平差計算。水準網內部達到二等水準精度,外部與莫桑比克國家高程系統保持一致。

輕軌項目二等水準測量成果達到以下精度:

(1) 本項目二等水準由50個測段組成,測段高差精度如表4所示。

表4 測段高差精度

(2) 環線和附合路線閉合差精度情況如表5所示。

表5 閉合差精度

(4) 最弱點GPS08高程中誤差為Mh=±0.70 mm<±20 mm。

輕軌項目二等水準測量成果即達到了規范規定的精度要求,又滿足了設計需要,也為國外工程項目高程測量提供了經驗。在國外進行水準測量時,如遇到沒有高等級水準點時,通過本項目水準測量實例,可以采用如下方法解決:

(1) 如果項目附近高程資料不全、高程資料不能滿足項目水準測量等級要求,可利用搜集來的高程資料中任意一點的高程作為起算點,形成一個閉合水準網。水準網內部精度既達到工程要求,又與當地高程有直接聯系。

(2) 如果項目附近沒有高程資料,可在測區范圍內利用任意一點的GPS高程作為水準高程,以該點為起算點,形成一個閉合水準網。雖然項目高程與當地高程沒有直接關聯,但是水準網內部精度達到工程要求即可。

3 地形圖測繪

由于非洲宗教文化、風俗習慣與國內不同,加之經濟欠發達,在非洲進行地形圖外業測量時,有幾點注意事項與工作經驗總結,與同行們交流及共同探索,以便對非洲有較全面了解,熟悉當地環境,可以使效率提高,起到事半功倍的效果。

(1) 在非洲的居民地測量中,不能按照國內取舍模式進行測量。非洲居民有部分人居住在草房里面,草房就是他們的主要房屋,外業一定要實際采點,內業繪圖時,標注“草”。

(2) 非洲雖然地廣人稀,居民多是獨門獨戶,但是大多數家庭沒有國內那樣磚砌的圍墻,而是在自家院落范圍外種上荊棘,形成天然的圍墻,外業測圖時在荊棘拐角處要實際采點,內業繪圖時用活樹籬笆表示。

(3) 在非洲的獨立地物測量中,對散墳、獨立墳、墳群范圍測量時一定要注意,因為非洲居民比較重視墳地的改遷,一方面協商起來比較麻煩,另一方面改遷費用很高,地方政府寧可線位偏移一點,拆遷房屋,也盡量避免墳地改遷,所以為了避免后期在墳地遷移上發生不必要的麻煩,前期地形圖測量時,盡量避免少測、漏測,力求精度準確。

(4) 在非洲的交通設施測量中,非洲的鐵路和國內不同,國內鐵路軌寬為1.435 m,非洲鐵路軌寬為1.2 m。經過外業實際采點,在內業采用依比例窄軌鐵路繪制成圖。

(5) 非洲基礎設施建設相對落后,等級公路屈指可數,由于年久失修,路面瀝青破損比較嚴重,在內業繪圖時把路面破損比較嚴重的瀝青公路繪制成等級公路。

(6) 非洲公路以土路為主,由于非洲多雨,在雨季時,路面凸凹不平,看起來很不起眼的土路,卻是主要的交通干道。外業測圖時,好多在國內可以繪制成大車路的土路,在非洲內業繪圖時,根據土路實際作用和用途,如果是交通干道,雖然是土路,也要繪制成等外公路。

4 定線測量

4.1 中樁測量

利用設計線位數據,采用GPS RTK方法進行中樁測量:使用GPS RTK測量方法測定中樁的平面和高程位置,在進行GPS RTK采集數據前進行參數配置和測站檢查;測量時流動站—基準站的距離均<3 km,在作業區內,基準站和流動站始終保持同步鎖定5顆以上衛星,求解轉換參數的控制點>4個,并包含整個作業區間。

(1) 由于輕軌設計線位經過居民區,房屋密集,在放樁過程中,根據實地情況進行放樁。直線段中樁間距50 m左右,曲線段中樁間距20 m左右。

(2) 曲線要素樁全部進行了放樣。

(3) 在路線縱向地形變化點處加樁:坡頂、坡底、坎上、坎下、河邊、溝邊等處加樁;在路線與道路邊緣相交處、電力線投影相交處加樁。

4.2 橫斷面測量

橫斷面采用GPS RTK方法測量,在采集數據前進行了參數配置和測站檢查,基準站和流動站始終保持同步鎖定5顆以上衛星,求解轉換參數的控制點>4個,并包含整個作業區間。

GPS RTK測量橫斷面原理:利用設計線位數據,輸入要測量橫斷面的樁號,GPS內部程序是按線位法線方向設計,按照儀器指示把縱偏控制在≤±0.1 m,橫偏即測量點至中樁平距,進行采點測量即可。利用儀器自帶軟件,通過電腦將數據轉換成相對中樁法平距及高程模式數據。

橫斷面采用相對中樁法測量,測量寬度以設計線右側30 m,左側經過左線以外30 m。中樁測量與橫斷面測量樁號均一致,橫斷面取位至0.01 m。橫斷面測量時根據實地的地形、地物的變化進行取點,一般間距不超過10 m。

5 結論

非洲的國家控制點、各種比例尺地形圖等基礎資料大多采用UTM投影方式下計算的成果,與中國國內工程測量采用高斯投影方式下計算的成果存在差別。在非洲進行工程測量時,通常要面臨參考橢球、投影方式、處理投影變形及非洲國家測繪成果不夠完整,在工程項目范圍內缺少高等級的控制點等問題。因此有必要分析研究馬普托輕軌項目,為其它國外項目提供參考與借鑒作用。

本文研究的內容在生產實踐中起到一定的作用,有利于提高工程精度與效率,特別對初次接觸UTM投影和非洲欠發達國家工程測量項目的科技人員,起到一定的作業參考及可行性的依據。

[1] 中華人民共和國建設部.城市軌道交通工程測量規范:GB 50308—2008[S].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[2] 中華人民共和國建設部.城市測量規范:CJJ/T8—2011[S].北京:中國建筑工業出版社,2011.

[3] 熊忠招.淺談UTM投影下獨立坐標系統建立[J].地理空間信息,2010(2):41-43.

[4] 張紅賓,孫繼奎.淺談城市道路建設工程測量工作[J].科技致富向導,2013(11):393.

[5] 袁小勇,陳功,易袆.國際工程中UTM投影變形的應對策——以蘇丹某電廠為例[J].工程勘察,2010(5):74-77.

(責任編輯：陳文寶)

Project Experience Discussion in Measuring of Maputo Light Rail

LIU Zhenggang, LIANG Yingchun

(HubeiInstituteofLandSurveyingandMapping,Wuhan,Hubei430010)

According to the working examples of Maputo light rail project,the authors analyze and study engineering survey work processes and methods,and on how to properly carry out the measurements of overseas light rail project is discussed.

UTM projection distortion; control survey; topographic mapping

2016-08-29;改回日期:2016-10-19

劉政綱(1983-),男,工程師,測繪工程專業,從事測繪工作。E-mail:153089012@qq.com

TB22

A

1671-1211(2016)06-1015-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.042

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161025.1438.006.html 數字出版日期:2016-10-25 14:38