高速鐵路運(yùn)營(yíng)期線上平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)方法探討

余 鵬

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

隨著高速鐵路運(yùn)營(yíng)線路的增加，線路安全已成為關(guān)注和研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。為保證列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)旅客的安全和舒適，對(duì)線路的平順性提出了極高的要求[1-2]。線路的高平順性是通過(guò)高精度的軌道控制網(wǎng)CPⅢ來(lái)保障的[3-4]，需要定期進(jìn)行必要的復(fù)測(cè)[5]。一般而言，線下平面和高程控制網(wǎng)的復(fù)測(cè)周期為三年，線上控制網(wǎng)復(fù)測(cè)周期為一年[6-7]。

線上精測(cè)網(wǎng)復(fù)測(cè)需在維修天窗時(shí)間內(nèi)作業(yè)。通常天窗時(shí)間不長(zhǎng)于4 h，除去上、下線路所需的時(shí)間，有效的復(fù)測(cè)作業(yè)時(shí)間僅為3.5 h左右。除作業(yè)時(shí)間短以外，線上作業(yè)還易受天氣及其他客觀因素的影響，造成作業(yè)效率低下[7-9]。現(xiàn)行高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范[10]規(guī)定：CPⅢ網(wǎng)需要全線復(fù)測(cè)且必須聯(lián)測(cè)上一級(jí)CPⅡ控制點(diǎn)，常規(guī)方法采用CPⅡ和CPⅢ分開(kāi)測(cè)量的方式，兩個(gè)單獨(dú)作業(yè)工序脫節(jié)嚴(yán)重，顯然不利于作業(yè)時(shí)間有限的運(yùn)營(yíng)期精測(cè)網(wǎng)復(fù)測(cè)；此外，兩級(jí)控制網(wǎng)復(fù)測(cè)均需占用CPⅡ點(diǎn)位，無(wú)法同步施測(cè)，造成天窗時(shí)間利用率低，導(dǎo)致時(shí)間成本增加。

結(jié)合線上平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)的特點(diǎn)，研制出一種新型的GPS天線-棱鏡連接裝置，可解決CPⅡ和CPⅢ同步觀測(cè)的問(wèn)題。該裝置能確保GPS相位中心與棱鏡中心投影位置一致，輕便小巧，易于攜帶，極大地提高了線上測(cè)量作業(yè)效率，可滿足線上精測(cè)網(wǎng)的復(fù)測(cè)要求。

2 線上平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)方法及特點(diǎn)

2.1 CPⅡ復(fù)測(cè)

線路平面控制網(wǎng)(CPⅡ)應(yīng)在定測(cè)階段完成，按照600～800 m間距沿線路布設(shè)。無(wú)砟軌道施工前，為滿足工程需要，需將CPⅡ加密至線上(采用GPS和導(dǎo)線測(cè)量的方法施測(cè))。采用GPS觀測(cè)時(shí)，其主要技術(shù)要求如表1所示。

CPⅡ控制網(wǎng)采用邊聯(lián)結(jié)方式構(gòu)網(wǎng)，形成由三角形或大地四邊形組成的帶狀網(wǎng)。CPⅡ網(wǎng)點(diǎn)埋設(shè)在路肩上并單獨(dú)設(shè)置觀測(cè)樁；橋梁段點(diǎn)位一般布設(shè)在橋梁固定支座上方的防撞墻上(與CPⅢ位置錯(cuò)開(kāi))[8]。復(fù)測(cè)時(shí)主要測(cè)量精度要求與建網(wǎng)時(shí)相同。

坐標(biāo)較差限差指X、Y坐標(biāo)分量較差，表中相鄰點(diǎn)間坐標(biāo)差之差的相對(duì)精度按式(1)計(jì)算。

表1 GPS測(cè)量CPⅡ網(wǎng)主要技術(shù)及精度要求

ΔXij=(Xj-Xi)復(fù)-(Xj-Xi)原

ΔYij=(Yj-Yi)復(fù)-(Yj-Yi)原

其中，S為相鄰點(diǎn)間的二維平面距離；ΔXij、ΔYij為相鄰點(diǎn)i與j間二維坐標(biāo)差之差/m。

線上加密CPⅡ網(wǎng)應(yīng)與基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)CPⅠ聯(lián)測(cè)構(gòu)成附和網(wǎng)，平差計(jì)算起閉于勘測(cè)控制網(wǎng)中的CPⅠ、CPⅡ控制點(diǎn)。采用強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志安裝GPS天線并進(jìn)行測(cè)量。

2.2 CPⅢ復(fù)測(cè)

軌道控制網(wǎng)(CPⅢ網(wǎng))沿線路布設(shè)，按間距50～70 m布設(shè)成點(diǎn)對(duì)形式，在同一里程處，左右側(cè)點(diǎn)位間距一般不應(yīng)大于1 m。CPⅢ點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在穩(wěn)定、可靠、不易破壞且便于測(cè)量的地方，橋梁段一般布置在固定支座上方的防撞墻上，隧道段一般布置在隧道側(cè)壁或擋墻，路基段一般利用電氣化桿基礎(chǔ)埋設(shè)單獨(dú)的觀測(cè)樁。相鄰CPⅢ控制點(diǎn)應(yīng)大致等高(其位置應(yīng)高于設(shè)計(jì)軌面高程約0.3 )。一般在線下工程施工完成、沉降變形穩(wěn)定且通過(guò)評(píng)估后進(jìn)行測(cè)量[6-9]。

CPⅢ網(wǎng)平面測(cè)量采用自由測(cè)站邊角交會(huì)法施測(cè)，應(yīng)附和于CPⅠ、CPⅡ控制點(diǎn)上，每600 m左右應(yīng)聯(lián)測(cè)一個(gè)高等級(jí)控制點(diǎn)。自由測(cè)站的間距一般為120 m，全站儀每測(cè)站觀測(cè)前后方各三對(duì)共12個(gè)CPⅢ點(diǎn)，測(cè)站到CPⅢ點(diǎn)的最遠(yuǎn)觀測(cè)距離應(yīng)小于180 m；每個(gè)CPⅢ點(diǎn)至少有3個(gè)自由測(cè)站的方向和距離觀測(cè)量[10]。120 m設(shè)站觀測(cè)網(wǎng)形見(jiàn)圖1。

圖1 120 m設(shè)站CPⅢ平面測(cè)量網(wǎng)形(單位：m)

2.3 線上平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)特點(diǎn)

運(yùn)營(yíng)期間精測(cè)網(wǎng)復(fù)測(cè)與建網(wǎng)時(shí)采用相同的測(cè)量方法，但與建設(shè)期相比，運(yùn)營(yíng)期精測(cè)網(wǎng)復(fù)測(cè)在測(cè)量作業(yè)時(shí)間、作業(yè)環(huán)境等方面有諸多不同。

(1)作業(yè)時(shí)間短：運(yùn)營(yíng)期測(cè)量作業(yè)時(shí)間較短，僅有夜間4 h的維修天窗時(shí)間，除去上、下線路的時(shí)間，有效的作業(yè)時(shí)間小于3.5 h。

(2)測(cè)量區(qū)段短：根據(jù)工務(wù)部門(mén)防護(hù)工作要求，在天窗點(diǎn)作業(yè)開(kāi)放的測(cè)量區(qū)段一般不大于3 km，且同一區(qū)段上線作業(yè)人數(shù)和設(shè)備也有嚴(yán)格要求。

(3)交叉作業(yè)多：在天窗點(diǎn)內(nèi)，工務(wù)、電務(wù)等各部門(mén)都有各自的生產(chǎn)任務(wù)，設(shè)備檢修、調(diào)試等作業(yè)常與復(fù)測(cè)工作形成交叉作業(yè)。

(4)工序安排難：建設(shè)期精測(cè)網(wǎng)測(cè)量時(shí)間相對(duì)自由，可以根據(jù)施工進(jìn)度和測(cè)量生產(chǎn)能力合理安排作業(yè)時(shí)間，使每一工序分開(kāi)、分步進(jìn)行，不存在相互干擾的情況；運(yùn)營(yíng)期需要在一個(gè)天窗點(diǎn)內(nèi)完成CPⅡ、CPⅢ、高程測(cè)量和沉降監(jiān)測(cè)，對(duì)于生產(chǎn)組織提出了較高的要求。

3 平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)方法優(yōu)化

CPⅡ復(fù)測(cè)和CPⅢ平面測(cè)量時(shí)，都要占用線上加密CPⅡ點(diǎn)位，需要進(jìn)行兩次線上作業(yè)，增加了工務(wù)配合難度，同時(shí)也造成了天窗時(shí)間的浪費(fèi)，致使復(fù)測(cè)效率低下。為解決這一問(wèn)題，研制出一種可以同時(shí)連接GPS天線與棱鏡的新型裝置，如圖2所示。

圖2 GPS天線-棱鏡連接裝置

該裝置設(shè)計(jì)理念及特點(diǎn)如下：

①裝置下部連接精密測(cè)量基座，上部連接GPS天線頭，中部連接桿件與徠卡圓棱鏡連接，連接后棱鏡可在水平方向360°自由轉(zhuǎn)動(dòng)，減小了精密基座轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的誤差。

②各測(cè)量部件連接的部位均采用可插拔設(shè)計(jì)，同時(shí)帶有鎖扣裝置，測(cè)量完成后各部件可拆卸分裝，增加了測(cè)量設(shè)備的便攜性。

③豎直方向上，GPS天線相位中心、棱鏡中心、精密基座中心位于同一投影位置，降低了各測(cè)量部件的偏心互差。

④采用四邊形設(shè)計(jì)，內(nèi)部采用加強(qiáng)筋固定，以避免裝置受擠壓造成變形，進(jìn)而引起偏心誤差增大。

為保證裝置的精度，在實(shí)際使用前，需對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法如下：

①?lài)?yán)格整平精密基座，在裝置上部插入棱鏡，以模擬GPS天線的相位中心；裝置內(nèi)部插入棱鏡，同時(shí)測(cè)量上部棱鏡和下部棱鏡的坐標(biāo)值，計(jì)算上部棱鏡與下部棱鏡的坐標(biāo)差(如圖3)。

圖3 測(cè)試安裝示意

②按常用的距離值30 m、60 m、90 m、120 m、150 m、200 m分組測(cè)量，以驗(yàn)證不同距離下的坐標(biāo)較差。

③每個(gè)距離分別測(cè)量5組數(shù)據(jù)，測(cè)量前，應(yīng)將上、下棱鏡按相反方向各自轉(zhuǎn)動(dòng)90°，直至最后一組測(cè)量回到原位置，以減少精密基座、裝置、棱鏡自由轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)上下棱鏡坐標(biāo)的影響。

測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 GPS天線-棱鏡連接裝置偏心測(cè)試結(jié)果

對(duì)同組上、下棱鏡實(shí)測(cè)坐標(biāo)值求差，結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 同一角度上、下棱鏡坐標(biāo)差統(tǒng)計(jì) mm

由表3可知，在同一距離所測(cè)得坐標(biāo)值，同一角度上下棱鏡坐標(biāo)差值最大為0.4 mm，最小為0 mm。為了檢驗(yàn)相同距離不同方向坐標(biāo)的差異性，對(duì)X、Y坐標(biāo)差值進(jìn)行單因素方差分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4。

表4中，SS代表離均差平方和，組間SS反映各組數(shù)據(jù)的差異性，組內(nèi)SS反映組內(nèi)數(shù)據(jù)的變異情況；df為自由度，MS代表均方，可以代替離均差平方和，以消除各組內(nèi)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不同產(chǎn)生的影響；F是方差分析中用于假設(shè)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量；P-value表示在相應(yīng)F值下的概率值，F(xiàn)-crit表示在相應(yīng)顯著水平下的F的臨界值。可以通過(guò)P-value的大小來(lái)判斷各組組間的差異顯著性。通常情況下，當(dāng)F>F-crit，數(shù)據(jù)差異顯著，結(jié)合P-value值進(jìn)行進(jìn)一步判定，若0.01

由表4可知，在30 m、60 m、90 m、120 m、150 m、200 m的設(shè)站距離下，同一角度坐標(biāo)差方差分析結(jié)果：F

表4 按距離進(jìn)行坐標(biāo)差方差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由以上分析可知，該裝置在不同角度、不同距離測(cè)量時(shí)上下棱鏡坐標(biāo)差最大值僅為0.4 mm，且無(wú)顯著差異，滿足天線對(duì)中誤差小于1 mm的要求。

4 工程實(shí)踐

以某高鐵運(yùn)營(yíng)期數(shù)據(jù)為依托，選取某段線路，采用該裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(見(jiàn)圖4)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。外業(yè)測(cè)量步驟如下：

圖4 GPS天線-棱鏡連接裝置用于外業(yè)數(shù)據(jù)采集

(1)精密基座采用強(qiáng)制對(duì)中方式安裝，并與CPⅡ點(diǎn)位精確整平。

(2)將GPS天線-棱鏡連接裝置安裝于精密基座之上，再安裝GPS天線和棱鏡。

(3)再次檢查水準(zhǔn)氣泡居中情況并進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，GPS測(cè)量和CPⅢ測(cè)量同步進(jìn)行。

(4)CPⅢ平面測(cè)量搬站時(shí)，需將棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)至正對(duì)全站儀方向，該裝置可使棱鏡360°轉(zhuǎn)動(dòng)而不影響精密基座和GPS天線。

線上加密CPⅡ是CPⅢ計(jì)算的基準(zhǔn)，故數(shù)據(jù)采集完成后，需對(duì)CPⅡ復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，該段CPⅡ穩(wěn)定性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5 線上加密CPⅡ復(fù)測(cè)穩(wěn)定性分析

由表5可知，利用該裝置對(duì)線上平面控制網(wǎng)進(jìn)行同步觀測(cè)，對(duì)CPⅡ數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)算，其數(shù)據(jù)精度滿足規(guī)范要求。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該裝置的測(cè)量成果，利用GPS系統(tǒng)自帶的精密基座進(jìn)行測(cè)量，共測(cè)得約11 km的線上CPⅡ平面坐標(biāo)，與新型基座測(cè)得的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)兩種方法所測(cè)成果的差異性，結(jié)果如表6所示。

從表6可知，所測(cè)坐標(biāo)較差最大值為0.8 mm(小于1 mm)，滿足線上CPⅡ復(fù)測(cè)的技術(shù)要求，可作為CPⅢ平面起算數(shù)據(jù)。

對(duì)該段CPⅢ數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)算，平差后精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表7所示。

表6 采用兩種測(cè)量基座坐標(biāo)較差統(tǒng)計(jì)

表7 CPⅢ平面復(fù)測(cè)平差計(jì)算精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

由表7可知，該段CPⅢ平面控制精度滿足規(guī)范要求，利用新型GPS天線-棱鏡連接裝置同步采集的線上加密CPⅡ數(shù)據(jù)滿足后續(xù)CPⅢ計(jì)算的精度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)高速鐵路線上平面控制網(wǎng)特點(diǎn)及技術(shù)要求進(jìn)行了分析，指出傳統(tǒng)的外業(yè)測(cè)量模式在運(yùn)營(yíng)期天窗點(diǎn)內(nèi)存在的測(cè)量時(shí)間短、工作安排難度大等不足。從改變作業(yè)模式的角度出發(fā)，針對(duì)CPⅡ與CPⅢ測(cè)量不同步的問(wèn)題，研制出一種新型的GPS天線-棱鏡連接裝置。該裝置有效地解決了CPⅡ與CPⅢ同步測(cè)量的難題，使線上作業(yè)時(shí)間大大減少，提高了作業(yè)效率。通過(guò)對(duì)CPⅡ與CPⅢ兩級(jí)平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該裝置及測(cè)量模式與傳統(tǒng)分步測(cè)量的數(shù)據(jù)精度相當(dāng)，滿足運(yùn)營(yíng)期線上精測(cè)網(wǎng)復(fù)測(cè)的要求。