高速鐵路線上加密CPⅡ和CPⅢ網復測方法優化探討

朱郭勤

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

高速鐵路已經成為一種快捷、安全、高效和優質的大眾化出行交通方式[1]，然而隨著我國高鐵運營里程的不斷增多，高速鐵路的運營安全已經成為關注的重點，為保證旅客列車高速運行時的舒適度和安全性，對軌道平順性的要求非常嚴格，而軌道具有的高平順性是通過高精度的軌道控制網CPⅢ來保障的[2-3]，因此高速鐵路在運營期需要對精測網進行復測，根據軌道設備維修保養周期、測區地質條件以及行車情況，一般線下CPⅠ、線上加密CPⅡ是3年復測1次，CPⅢ網為1年1次。

高速鐵路運營期間和施工建設期間相比，運營期所有線上的測量工作只能在夜間的4 h天窗時間內進行，除作業時間較短外，線上作業時還受到天氣、大功率信號機、聲(風)屏障、通訊塔等設施的影響，特殊的作業時間和外部環境的限制給運營期線上測量造成較大的困難，所以運營期的復測工作一般效率都比較低[4]。除以上客觀原因以外，還有以下原因導致運營期精測網復測效率低下：一是當線上加密CPⅡ和CPⅢ需要同時復測時，由于這兩種工序都要占用線上加密CPⅡ點位，使得線上加密CPⅡ與CPⅢ復測不能同步進行；二是雖然《高速鐵路工程測量規范》(TB 10601—2009)上明確可以用CPⅢ三角高程代替CPⅢ水準環來對CPⅢ高程進行復測[5]，但是由于全站儀豎直角的精度不太容易控制，容易造成波動，所以這種方法只在局部段落使用過，沒有在整條運營維護線上大范圍應用，如果能夠成功應用，將會極大地提高運營期精測網復測效率。

因此為了滿足高速鐵路運營期線路維護的需要，結合運營期精測網復測的特點，需要探討提高運營期精測網復測效率，降低成本的方法。

2 運營期精測網復測的特點

運營期間精測網復測采用與建網時相同的測量方法進行復測[5]。然而，運營期間精測網復測在測量作業時間、作業環境與建設階段相比有較大的不同。

(1)運營期高鐵行車密度大，維修天窗時間較短，僅有4 h的夜間垂直天窗維修時間，期間還要進行設備的動靜態檢測、修理和維護，再除去上道和下道的時間，真正有效的作業時間小于3 h[4]。運營期每個天窗開放的作業區段也較短，一般為4 km左右，而且同一區段上線作業人數也有限制，要想在3 h的有效作業時間內完成線上加密CPⅡ測量、CPⅢ平面測量、CPⅢ高程測量非常困難[4]。

(2)建設階段精測網測量工作時間相對比較自由，可以根據現場情況和自身的生產安排合理安排作業時間，每一項工序都分開、分步進行實施，不存在相互干擾的情況。

根據以上分析，要想提高高速鐵路運營期精測網復測效率，只有在技術上、作業模式上尋求突破。

3 運營期精測網復測優化設計

(1)CPⅡ觀測模式設計

線上加密CPⅡ觀測技術要求如表1所示。

表1 CPⅡ測量作業的技術要求

線上加密CPⅡ點沿線路走向左右交替補設，點間距離控制在600～800 m，網形結構采用邊聯結方式構網，形成由三角形或大地四邊形組成的帶狀網。路基段線上加密CPⅡ網點埋設在路肩上，橋梁段網點在距線路中心兩側的防撞墻頂上豎向埋設[6]。線上加密CPⅡ網坐標系統附合到基礎平面控制網CPⅠ上，測量平差計算起閉于勘測控制網中的CPⅠ、CPⅡ控制點。

(2)CPⅢ作業模式

CPⅢ軌道控制網是沿線路布設的三維控制網，一般在線下工程施工完成、沉降變形評估通過后施測，起閉于基礎平面控制網(CPⅠ)或線路控制網(CPⅡ)，在高速鐵路整個生命周期都扮演著重要角色，是施工階段無砟軌道鋪設和運營維護階段軌道系統靜態檢查的控制基準[2-3]。

CPⅢ點沿線路走向成對布設，前后相鄰兩對點之間距離一般控制在50～70 m，在橋梁和隧道地段每對點布設在同一里程，里程差要求小于1 m[5-7]。CPⅢ點設置在穩固、可靠、不易破壞和便于測量的地方，并應預防沉降和抗移動[8-9]。相鄰CPⅢ控制點應大致等高，其位置應高于設計軌道高程面0.3 m。控制點標識清晰、齊全、便于準確識別。

CPⅢ平面網觀測的自由測站間距一般約為120 m，測站內觀測12個CPⅢ點，全站儀前后方各3對CPⅢ點，測站到CPⅢ點的最遠觀測距離應小于180 m[10]；保證每個CPⅢ點至少有3個方向和距離觀測量[11]。如圖1所示。

CPⅢ平面網應附合于加密CPⅡ控制點上，每600 m左右應聯測一個加密CPⅡ控制點，采用固定數據平差[12-13]。與加密CPⅡ控制點聯測時，統一采用自由測站法。在加密CPⅡ點上架設棱鏡時，必須檢查光學對中器精度、并采用精密支架[14-15]。應在至少3個自由測站上觀測加密CPⅡ控制點，其觀測圖形如圖2所示[16-17]。

圖1 測站觀測12個CPⅢ點平面網構網示意(單位：m)

圖2 聯測CPⅠ、CPⅡ控制點的觀測網(單位：m)

(3)通過以上兩點的分析可知，線上加密CPⅡ和CPⅢ作業模式都要占用線上加密CPⅡ點位[18-19]，導致線上加密CPⅡ和CPⅢ復測不能同步進行，完成同一個作業區段的加密CPⅡ數據采集和CPⅢ數據采集需要申報兩次天窗，給工務安全配合造成很大壓力，為解決這一問題，筆者設計了一種可以連接棱鏡與GPS天線的棱鏡連接卡，如圖3所示。

棱鏡連接卡下端套棱鏡，上端安裝LEICA GPS天線，在CPⅢ作業時把GPS天線與棱鏡組合到一起，安裝在精密支架上面，精密支架整平之后GPS相位中心與棱鏡中心在平面上的投影一致，使得線上加密CPⅡ和CPⅢ能夠同步進行外業數據采集，提高高速鐵路運營期的天窗利用率，降低生產成本，尤其在橋梁占比大的線路上優勢更加明顯。如圖4所示。

圖3 棱鏡連接卡示意

圖4 棱鏡、GPS天線、連接卡組裝實物

棱鏡連接卡具有以下幾個特點：①結構簡單，加工精度高；②體積小，攜帶方便；③可以重復使用；④制作成本低。

(4)GPS天線相位中心與棱鏡中心同心測試

為了驗證GPS天線相位中心與棱鏡中心在平面上的投影一致性，本文設計了如下測試方案：用棱鏡代替GPS天線在室外進行測試，首先把要測試的套件組裝好并架設在室外，精密支架精確整平后，分別在30、60、120、200 m距離對上、下兩個棱鏡進行測量。測量用的全站儀型號為LEICA TS30(測角精度為0.5″，測距精度為1+1 ppm)，測量數據統計分析見表2、表3。

表2 棱鏡在不同距離實測坐標

全站儀在30 m距離對棱鏡進行4組觀測，同一棱鏡X、Y坐標互差最大值為-0.3 mm，上、下棱鏡X、Y坐標互差最大值為-0.9 mm；在60 m距離進行4組觀測，同一棱鏡X、Y坐標互差最大值為-0.5 mm，上、下棱鏡X、Y坐標互差最大值為-0.9 mm；在120 m距離進行4組觀測，同一棱鏡X、Y坐標互差最大值為-0.5 mm，上、下棱鏡X、Y坐標互差最大值為-0.6 mm；在200 m距離進行4組觀測，同一棱鏡X、Y坐標互差最大值為-0.5 mm，上、下棱鏡X、Y坐標互差最大值為-0.5 mm。通過以上分析可知，棱鏡連接卡的同心精度優于1 mm，滿足天線對中誤差不大于1 mm的要求[6]。同心測試棱鏡組裝如圖5所示。

表3 棱鏡坐標互差最大值統計

圖5 同心測試棱鏡組裝

4 精度分析

以杭長客專運營期精測網復測項目為依托進行工程驗證，選取一段線路采用新的數據采集方式進行數據采集，并對采集的數據進行計算分析如下。

(1)線上加密CPⅡ復測主要目的是為CPⅢ復測提供穩定的起算基準，先對線上加密CPⅡ復測數據進行穩定性分析。

線上加密CPⅡ復測的主要技術指標要求如表4所示。

表4 CPⅡ網復測的主要技術要求

表4中坐標較差限差指X、Y坐標分量較差，表中相鄰點間坐標差之差的相對精度按式(1)計算

(1)

式中，

ΔXij=(Xj-Xi)復-(Xj-Xi)原

ΔYij=(Yj-Yi)復-(Yj-Yi)原

其中s——相鄰點間的二維平面距離；

ΔXij、ΔYij——相鄰點i與j間二維坐標差之差，m。

所選段落的復測穩定性分析技術指標統計情況如表5所示。

表5 杭長客專線上加密CPⅡ復測穩定性分析

由表5統計數字可知，線上加密CPⅡ復測結果穩定性良好，復測精度滿足表4要求。

(2)試驗段落CPⅢ平差分析

試驗段落加密CPⅡ復測穩定性分析合格后，對試驗段CPⅢ數據進行計算分析，平差后精度指標統計情況如表6所示。

表6 CPⅢ平差計算精度指標統計

由表6統計數據分析可知，試驗段CPⅢ平差精度指標滿足文獻[5]的要求，使用棱鏡連接卡采集加密CPⅡ數據解算精度滿足后續CPⅢ數據計算對CPⅡ復測精度的要求。

杭長客專南昌局管Ⅰ標段橋梁、路基占比為96.4%，采用本文的測量方法復測優勢明顯。目前這種棱鏡連接卡已經成功應用于杭長、蘭新、南廣等高速鐵路，取得了良好經濟效益。

5 結語

本文在充分分析現有加密CPⅡ與CPⅢ復測方法在高速鐵路運營維護階段可操作性上存在不足的基礎上，結合目前線上加密CPⅡ復測與CPⅢ復測不能同步進行的現狀，研制了一種新型棱鏡連接卡，設計實驗方案驗證了GPS天線與棱鏡同心精度優于1 mm，并進一步在工程實踐中得到驗證。這種連接卡有效解決了線上加密CPⅡ與CPⅢ同步觀測時共用點位的問題，使運營期天窗利用率提高1倍，成本大幅下降。

通過對采用新模式采集的數據進行分析，精度與常規作業模式采集的數據具有同等精度，能夠滿足高速鐵路運營期精測網復測的要求。

目前這種棱鏡連接卡已經成功應用在我國幾條高鐵運營線復測工作中，取得了良好的經濟效益。本文研制的這種新型的棱鏡連接卡對同行業具有借鑒意義，可以推廣使用。