蘭新客運(yùn)專線風(fēng)區(qū)CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量方法可行性研究

宋志雄

(烏魯木齊鐵路局，新疆烏魯木齊830011)

蘭新客運(yùn)專線風(fēng)區(qū)CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量方法可行性研究

宋志雄

(烏魯木齊鐵路局，新疆烏魯木齊830011)

蘭新客運(yùn)專線百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)由于常年風(fēng)沙大，氣候條件惡劣，致使CPⅢ網(wǎng)外業(yè)測(cè)量困難，給蘭新客運(yùn)專線無(wú)砟軌道控制網(wǎng)的維護(hù)和復(fù)測(cè)帶來(lái)了極大不便。受國(guó)外軌道基準(zhǔn)網(wǎng)外業(yè)測(cè)量方法的啟發(fā)，本文對(duì)CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量方法的可行性進(jìn)行了研究。通過(guò)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，采用CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量方法能夠滿足蘭新客運(yùn)專線風(fēng)區(qū)CPⅢ網(wǎng)測(cè)量的技術(shù)要求，為蘭新客運(yùn)專線風(fēng)區(qū)CPⅢ網(wǎng)測(cè)量提供了新方法和技術(shù)依據(jù)，可供我國(guó)其他風(fēng)區(qū)CPⅢ網(wǎng)測(cè)量參考。

客運(yùn)專線;風(fēng)區(qū);CPⅢ網(wǎng);半盤(pán)位測(cè)量;精度指標(biāo);可行性分析

1 概述

我國(guó)無(wú)砟軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)一般是在微風(fēng)和天氣良好的條件下進(jìn)行測(cè)量的。蘭新客運(yùn)專線是我國(guó)首條處在大漠風(fēng)區(qū)的高速鐵路，新疆境內(nèi)的百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)，全年有風(fēng)天氣多達(dá)半年以上，致使蘭新客運(yùn)專線運(yùn)營(yíng)期間CPⅢ網(wǎng)外業(yè)測(cè)量困難，而其所占里程是烏魯木齊鐵路局管轄客運(yùn)專線的近1/3，給蘭新客運(yùn)專線運(yùn)營(yíng)期間軌道維護(hù)帶來(lái)了極大不便。

如何在風(fēng)區(qū)天氣條件下開(kāi)展無(wú)砟軌道控制網(wǎng)的維護(hù)和復(fù)測(cè)工作，是需要研究的技術(shù)難題。我國(guó)CPⅢ網(wǎng)外業(yè)數(shù)據(jù)基本上都是在夜間采集的。其原因主要是白天氣象條件不夠穩(wěn)定，測(cè)站或者棱鏡附近有陽(yáng)光或旁折光。這些因素極易導(dǎo)致CPⅢ網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)值中2C互差等限差指標(biāo)超限，須重測(cè)或補(bǔ)測(cè)，因此顯著降低了測(cè)量效率［1］。蘭新客運(yùn)專線常年風(fēng)大的情況同樣也會(huì)導(dǎo)致CPⅢ網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)常超限，或者根本無(wú)法及時(shí)獲得合格的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

在德國(guó)的軌道基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)量方法中，只要求用全站儀進(jìn)行盤(pán)左觀測(cè)即可達(dá)到軌道基準(zhǔn)網(wǎng)平面精度0.2 mm和高程精度0.1 mm的要求［2］。而我國(guó)高速鐵路軌道控制網(wǎng)的測(cè)量，往往通過(guò)全站儀盤(pán)左和盤(pán)右觀測(cè)值取均值的方法來(lái)消除或減弱全站儀系統(tǒng)誤差帶來(lái)的影響，類似于德國(guó)采用的軌道基準(zhǔn)網(wǎng)半盤(pán)位的測(cè)量方法從未被使用過(guò)。

若我國(guó)的高速鐵路軌道控制網(wǎng)在滿足精度要求的前提下，同樣采用半盤(pán)位觀測(cè)方法，則可以避開(kāi)2C互差等限差指標(biāo)的限制，從而針對(duì)蘭新地區(qū)常年風(fēng)沙大、氣候條件惡劣的情況實(shí)現(xiàn)全天候的觀測(cè)并極大地提高工作效率。本文針對(duì)CPⅢ平面網(wǎng)和CPⅢ自由測(cè)站三角高程網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量方法的可行性進(jìn)行理論研究，并通過(guò)分析蘭新客運(yùn)專線既有線一段600 m長(zhǎng)的CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度指標(biāo)，對(duì)CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量方法在蘭新客運(yùn)專線風(fēng)區(qū)應(yīng)用的可行性進(jìn)行研究，供我國(guó)其他地區(qū)高速鐵路軌道控制網(wǎng)測(cè)量參考。

2 CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位外業(yè)觀測(cè)技術(shù)要求

CPⅢ網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)時(shí)，需首先對(duì)全站儀外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行控制。只有符合《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》(TB 10601—2009)要求的外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)才能用來(lái)進(jìn)行精度評(píng)定。CPⅢ網(wǎng)采用全站儀全圓方向觀測(cè)法進(jìn)行觀測(cè)，具有網(wǎng)形規(guī)則對(duì)稱、多余觀測(cè)數(shù)多、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)［3］。根據(jù)TB 10601，CPⅢ平面網(wǎng)和三角高程網(wǎng)全圓方向外業(yè)觀測(cè)技術(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 CPⅢ平面網(wǎng)和三角高程網(wǎng)全圓方向外業(yè)觀測(cè)技術(shù)要求

如果采用CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位觀測(cè)方法，只利用全站儀的盤(pán)左觀測(cè)方式進(jìn)行觀測(cè)，則沒(méi)有不同測(cè)回同一方向2C互差、測(cè)回間距離較差、測(cè)回間豎盤(pán)指標(biāo)差互差、測(cè)回間豎直角互差這4個(gè)限差指標(biāo)的要求。若CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量的觀測(cè)方法能夠滿足CPⅢ網(wǎng)驗(yàn)后精度指標(biāo)，則可在外業(yè)觀測(cè)時(shí)省略對(duì)于上述4個(gè)精度指標(biāo)的控制。CPⅢ平面網(wǎng)和三角高程網(wǎng)半盤(pán)位外業(yè)觀測(cè)的技術(shù)要求見(jiàn)表2。

表2 CPⅢ平面網(wǎng)和三角高程網(wǎng)半盤(pán)位外業(yè)觀測(cè)技術(shù)要求

3 CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位觀測(cè)方法可行性分析

根據(jù)TB 10601:CPⅢ平面網(wǎng)應(yīng)滿足方向測(cè)量中誤差≤1.8″和距離測(cè)量中誤差≤1.0 mm的技術(shù)要求; CPⅢ自由測(cè)站三角高程網(wǎng)應(yīng)滿足高差觀測(cè)值的中誤差≤0.5 mm的技術(shù)要求。

假設(shè)使用標(biāo)稱精度為一測(cè)回方向測(cè)量中誤差1″，測(cè)距固定誤差1 mm，比例誤差1 mm/km的儀器進(jìn)行3次半盤(pán)位觀測(cè)。下文對(duì)最不利觀測(cè)條件下CPⅢ平面網(wǎng)和CPⅢ自由設(shè)站三角高程網(wǎng)的上述精度指標(biāo)進(jìn)行估算，從而對(duì)CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量方法的可行性進(jìn)行分析。

3.1 平面網(wǎng)

根據(jù)誤差傳播定律可得，由全站儀一測(cè)回方向測(cè)量中誤差mL可推知全站儀1次半盤(pán)位方向測(cè)量中誤差m半L為

對(duì)CPⅢ平面網(wǎng)采用半盤(pán)位觀測(cè)方法觀測(cè)3次，所得3次半盤(pán)位方向測(cè)量均值的中誤差為

即

同理，由全站儀1次測(cè)距中誤差mS可推知全站儀3次半盤(pán)位測(cè)距中誤差均值為

即

式中，S為觀測(cè)距離，km。

由CPⅢ網(wǎng)布網(wǎng)形式可知，CPⅢ平面網(wǎng)觀測(cè)，自由測(cè)站點(diǎn)到CPⅢ點(diǎn)的最遠(yuǎn)觀測(cè)距離≤180 m［4］。以極限情況進(jìn)行分析，將S=180 m帶入式(5)，得

3.2 自由測(cè)站三角高程網(wǎng)

CPⅢ自由測(cè)站三角高程網(wǎng)測(cè)量原理如圖1所示。在自由測(cè)站點(diǎn)O處安置儀器，在CPⅢ樁A，B點(diǎn)上安放棱鏡后利用全站儀中間法三角高程測(cè)量原理，分別觀測(cè)O點(diǎn)至A，B點(diǎn)的斜距SA，SB以及豎直角αA，αB。

圖1 CPⅢ自由測(cè)站三角高程網(wǎng)測(cè)量原理

由于CPⅢ點(diǎn)均采用特殊的強(qiáng)制固定裝置，故可認(rèn)為棱鏡中心與CPⅢ樁面的高程相等，即vA=vB。這樣，既保證了目標(biāo)點(diǎn)重復(fù)安裝的精度，又可在進(jìn)行CPⅢ自由測(cè)站三角高程測(cè)量時(shí)避免棱鏡高的測(cè)量，從而避免因測(cè)量棱鏡高帶來(lái)的精度損失［5］。全站儀O點(diǎn)至A，B點(diǎn)的平距分別為DA=SAcosαA，DB= SBcosαB，設(shè)地球曲率半徑為R，大氣折光系數(shù)為kA，kB，則CPⅢ自由測(cè)站三角高程測(cè)量A，B點(diǎn)間的高差為［6］

由于CPⅢ自由測(cè)站三角高程網(wǎng)觀測(cè)的前后距離基本相等且范圍較小，因此由地球曲率和大氣折光對(duì)高差誤差造成的影響可忽略不計(jì)，則式(7)可簡(jiǎn)化為

根據(jù)誤差傳播定律可得A，B點(diǎn)間的高差中誤差mhAB為

式中:mSA，mSB分別為A，B點(diǎn)的距離測(cè)量中誤差;mαA，mαB分別為A，B點(diǎn)豎直線的測(cè)量中誤差。

以極限情況進(jìn)行分析，將SA=SB=180 m，αA=αB=15°帶入式(9)，得

綜上分析，可以認(rèn)為采用方向測(cè)量中誤差≤1″，測(cè)距中誤差≤1 mm+1 mm/km標(biāo)稱精度的全站儀，進(jìn)行CPⅢ平面網(wǎng)和自由測(cè)站三角高程網(wǎng)3次半盤(pán)位測(cè)量，能夠滿足TB 10601的要求，從而在理論上說(shuō)明CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量是可行的。

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)精度分析

采用CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位外業(yè)觀測(cè)方法，在蘭新客運(yùn)專線既有線上對(duì)一段600 m長(zhǎng)的CPⅢ網(wǎng)進(jìn)行了3次半盤(pán)位測(cè)量。外業(yè)測(cè)量過(guò)程中只對(duì)表2中的精度指標(biāo)進(jìn)行控制。將滿足外業(yè)觀測(cè)技術(shù)要求的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作平差計(jì)算，統(tǒng)計(jì)出CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量的精度，從而分析蘭新客運(yùn)專線CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量的可行性。

4.1 CPⅢ網(wǎng)平差計(jì)算精度指標(biāo)

根據(jù)TB 10601，CPⅢ平面網(wǎng)和三角高程網(wǎng)平差后的精度指標(biāo)應(yīng)滿足以下要求:

1)CPⅢ平面自由網(wǎng)平差后，各方向改正數(shù)應(yīng)小于±3″;距離改正數(shù)應(yīng)小于±2 mm。

2)CPⅢ平面網(wǎng)約束平差后，各項(xiàng)精度指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 CPⅢ平面網(wǎng)約束平差后的精度指標(biāo)

3)CPⅢ自由測(cè)站三角高程網(wǎng)平差后，各項(xiàng)精度指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 CPⅢ自由測(cè)站三角高程網(wǎng)平差后的精度指標(biāo)

4.2 CPⅢ半盤(pán)位測(cè)量平面自由網(wǎng)和約束網(wǎng)精度分析

對(duì)蘭新客運(yùn)專線CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量平面網(wǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行自由網(wǎng)平差和約束網(wǎng)平差計(jì)算后，分別統(tǒng)計(jì)方向改正數(shù)和距離改正數(shù)分布的取值區(qū)間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。可知:蘭新客運(yùn)專線CPⅢ平面網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量試驗(yàn)約束網(wǎng)平差方向改正數(shù)有3.3%的超限，超限比例較小且符合偶然誤差的特性;其余指標(biāo)均未超限，說(shuō)明蘭新客運(yùn)專線CPⅢ平面網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量的平差結(jié)果的方向改正數(shù)和距離改正數(shù)基本滿足TB 10601的精度指標(biāo)要求。

4.3 CPⅢ半盤(pán)位測(cè)量自由測(cè)站三角高程網(wǎng)精度分析

對(duì)蘭新客運(yùn)專線CPⅢ半盤(pán)位測(cè)量自由測(cè)站三角高程網(wǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作平差計(jì)算后，分別判斷表4中各精度指標(biāo)是否得到滿足，統(tǒng)計(jì)及判斷結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 CPⅢ半盤(pán)位測(cè)量自由網(wǎng)及約束網(wǎng)平差方向和距離改正數(shù)分布

表6 CPⅢ半盤(pán)位測(cè)量自由測(cè)站三角高程網(wǎng)試驗(yàn)平差計(jì)算精度判斷

由表6可知:蘭新客運(yùn)專線CPⅢ自由測(cè)站三角高程網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量試驗(yàn)高差改正數(shù)有5.0%的超限，超限比例較小且符合偶然誤差的特性;其余精度指標(biāo)均未超限，說(shuō)明蘭新客運(yùn)專線CPⅢ自由測(cè)站三角高程網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量方法基本滿足TB 10601的精度指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

本文對(duì)CPⅢ平面網(wǎng)和自由測(cè)站三角高程網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量方法的可行性進(jìn)行了研究，并通過(guò)在蘭新客運(yùn)專線進(jìn)行CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量試驗(yàn)，得到以下主要結(jié)論:

1)采用CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位的測(cè)量方法，其約束平差后的精度能夠滿足TB 10601對(duì)于CPⅢ平面網(wǎng)及CPⅢ自由測(cè)站三角高程網(wǎng)的技術(shù)要求。

2)采用CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位的觀測(cè)方法進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)時(shí)，可以不考慮不同測(cè)回同一方向2C互差、測(cè)回間距離較差、測(cè)回間豎盤(pán)指標(biāo)差互差、測(cè)回間豎直角互差這4個(gè)限差指標(biāo)的要求，極大地提高了CPⅢ網(wǎng)外業(yè)測(cè)量的工作效率，對(duì)類似蘭新風(fēng)區(qū)這樣氣候條件惡劣的地區(qū)極為有利。

3)在蘭新客運(yùn)專線上進(jìn)行CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量試驗(yàn)時(shí)，雖然CPⅢ平面約束網(wǎng)方向改正數(shù)和CPⅢ自由測(cè)站三角高程網(wǎng)高差改正數(shù)有個(gè)別超限情況出現(xiàn)，但是超限比例較小，均在5%以內(nèi)，符合偶然誤差出現(xiàn)規(guī)律，并且約束平差的精度指標(biāo)均達(dá)到要求，說(shuō)明CPⅢ網(wǎng)半盤(pán)位測(cè)量方法具有可行性。

在蘭新客運(yùn)專線百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)所作試驗(yàn)表明，傳統(tǒng)觀測(cè)方法一個(gè)天窗4 h內(nèi)只能采集300 m的數(shù)據(jù)。而半盤(pán)位測(cè)量方法可采集400～500 m的數(shù)據(jù)，提高效率30%以上，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。

［1］趙夢(mèng)杰，劉成龍，王化光，等．CPⅢ平面網(wǎng)半盤(pán)位觀測(cè)的可行性研究與分析［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2011，28(1):20-24．

［2］周芳洪，劉成龍，李書(shū)亮，等．德國(guó)軌道基準(zhǔn)網(wǎng)平面網(wǎng)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理方法研討［J］．鐵道勘察，2013(4):29-32．

［3］馬洪磊，劉成龍，宋韜，等．自由測(cè)站方法在平面控制網(wǎng)測(cè)量中的應(yīng)用［J］．測(cè)繪工程，2014(5):51-54．

［4］蔡躍輝．CPⅢ平面網(wǎng)半測(cè)回觀測(cè)方法實(shí)驗(yàn)研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2012．

［5］劉成龍，楊友濤，徐小左．高速鐵路CPⅢ交會(huì)網(wǎng)必要測(cè)量精度的仿真計(jì)算［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，43(6):718-723．

［6］王文杰，田麗亞，劉立臣，等．中間法三角高程測(cè)量在高鐵CPⅢ控制網(wǎng)中的應(yīng)用［J］．測(cè)繪地理信息，2014(1):29-32．

Feasibility Research on CPⅢNetwork Half-face Observation Method Used for Lanzhou－Xinjiang Passenger Dedicated Railway Wind Area

SONG Zhixiong
(Urumqi Railway Administration，Urumqi Xinjiang 830011，China)

Heavy wind blows almost all of the year in the Lanzhou－Xinjiang wind area，and the climatic conditions are harsh．So it is difficult for CPⅢnetwork observation in Lanzhou－Xinjiang passenger dedicated railway wind area，which brings lots of inconvenience to the maintenance and retest of ballastless track control network．Drawing on the experience of the observation method of foreign track reference network，the feasibility of CPⅢnetwork halfface observation method was analyzed．T hrough the theoretical analysis and test results analysis，the CPⅢnetwork half-face observation method is able to meet the technical requirements for Lanzhou－Xinjiang passenger dedicated railway wind area，which provides a new CPⅢnetwork observation method and could be used in other wind areas of China．

Passenger dedicated railway;W ind area;CPⅢnetwork;Half-face observation;Precision index; Feasibility research

U216．42+6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．32

1003-1995(2016)12-0121-04

(責(zé)任審編李付軍)

2016-07-03;

2016-08-25

宋志雄(1964—)，男，高級(jí)工程師。