運(yùn)營高鐵CPⅡ復(fù)測成果異常分析及修正方法研究

劉錫钖 王 勝 鄭旭東 李浩標(biāo) 陳 錚 張獻(xiàn)州,2

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611756； 2.高速鐵路運(yùn)營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，成都 611756； 3.中國鐵路上海局集團(tuán)集團(tuán)有限公司工務(wù)處，上海 200071)

1 概述

我國大部分高速鐵路已從設(shè)計(jì)施工階段邁入運(yùn)營維護(hù)階段，受列車荷載、環(huán)境變化、周邊施工等多種因素影響，高鐵路基、軌道會發(fā)生不同程度的變形[1]，為保證高鐵的安全平穩(wěn)運(yùn)行，需要開展高鐵精測網(wǎng)復(fù)測工作。

高速鐵路測量平面控制網(wǎng)分三級布設(shè)，根據(jù)高級向低級布網(wǎng)的原則，分別為基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPⅠ)、線路平面控制網(wǎng)(CPⅡ)、軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)。以下主要針對CPⅡ控制網(wǎng)復(fù)測維護(hù)過程中，出現(xiàn)的CPⅡ控制點(diǎn)異常情況展開研究[2]。

線上CPⅡ復(fù)測時(shí)，由于CPⅡ控制網(wǎng)中存在部分不穩(wěn)定、不兼容的CPⅡ點(diǎn)，這些不穩(wěn)定CPⅡ點(diǎn)會降低GNSS網(wǎng)整體精度。根據(jù)(Q/CR-SHT0050—2020)運(yùn)營高速鐵路精密工程測量規(guī)范，CPⅡ復(fù)測應(yīng)采用穩(wěn)定性、兼容性合格的起算點(diǎn)進(jìn)行約束平差[3]。因此，需要準(zhǔn)確找出線上CPⅡ復(fù)測成果中不穩(wěn)定點(diǎn)(即異常點(diǎn)或異常區(qū)段)，并對異常點(diǎn)或異常區(qū)段進(jìn)行修正。

2 CPⅡ異常情況分析與修正方法

在起算點(diǎn)兼容性和穩(wěn)定性分析研究方面，已有許多學(xué)者開展了相關(guān)研究，陳旭升采用單位權(quán)方差檢驗(yàn)法、尺度分析法等分析起算點(diǎn)的兼容性，對于不兼容的起算點(diǎn)，采用同精度內(nèi)插的方式處理，從而保證GNSS控制網(wǎng)成果質(zhì)量的可靠性[4]；傅曉明提出單位權(quán)方差假設(shè)檢驗(yàn)法，通過采用GPS網(wǎng)驗(yàn)后單位權(quán)方差構(gòu)造檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，從而判定起算點(diǎn)兼容性[5]；黃聲享通過原理針對基線向量改正數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性，提出一種檢驗(yàn)、偏峰態(tài)檢驗(yàn)、W檢驗(yàn)等幾種起算點(diǎn)兼容性分析方法[6]。

基于上述方法理論的研究基礎(chǔ)，針對高鐵測量CPⅡ復(fù)測成果異常分析時(shí)，提出一種更具實(shí)用性質(zhì)的CPⅡ復(fù)測成果異常分析與修正方法[7]。具體做法是通過比較本次復(fù)測成果和原測成果做較差，當(dāng)坐標(biāo)較差大于15 mm，或坐標(biāo)較差不大于15 mm但坐標(biāo)較差的相對精度不滿足表1時(shí)，判定為CPⅡ變動異常情況[8]。異常情況通常分為異常區(qū)段和異常點(diǎn)，異常修正前應(yīng)先進(jìn)行二次復(fù)測，確定控制點(diǎn)異常變動原因后，再對線上CPⅡ坐標(biāo)成果進(jìn)行修正[9]。

表1 復(fù)測相臨點(diǎn)間坐標(biāo)差之差的相對精度限差

2.1 異常點(diǎn)發(fā)現(xiàn)

首先需要準(zhǔn)確找出線上CPⅡ復(fù)測成果異常點(diǎn)，比較線上CPⅡ復(fù)測和原測成果坐標(biāo)較差，若較差小于15 mm但大于12 mm，判斷為異常點(diǎn)。

找出異常點(diǎn)后，需要進(jìn)行二次復(fù)測，再次檢核變形情況是否正確，排除因誤差、操作不當(dāng)?shù)仍斐傻腻e(cuò)誤，再通過變形分析對線上CPⅡ點(diǎn)的進(jìn)行坐標(biāo)修正[10]。

2.2 異常點(diǎn)修正

異常點(diǎn)具體修正方法如下。

①選擇線上CPⅡ點(diǎn)、異常區(qū)段相鄰兩側(cè)2個(gè)以上相對穩(wěn)定的線上CPⅡ點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)。

②用穩(wěn)定的線上CPⅡ點(diǎn)作為約束點(diǎn)進(jìn)行GNSS同精度內(nèi)插，計(jì)算得到異常CPⅡ點(diǎn)的GNSS網(wǎng)二次復(fù)核坐標(biāo)。

③用網(wǎng)中相對穩(wěn)定的線上CPⅡ點(diǎn)作為約束點(diǎn)進(jìn)行CPⅢ網(wǎng)的平差，計(jì)算得到異常CPⅡ點(diǎn)的CPⅢ網(wǎng)二次復(fù)核坐標(biāo)。

④選異常CPⅡ點(diǎn)的GNSS網(wǎng)二次復(fù)核坐標(biāo)和CPⅢ網(wǎng)二次復(fù)核坐標(biāo)做較差，如果坐標(biāo)較差大于±8 mm，則對異常CPⅡ點(diǎn)進(jìn)行更新；若坐標(biāo)較差小于±8 mm則不更新，即仍采用原測成果。

2.3 異常區(qū)段發(fā)現(xiàn)

首先準(zhǔn)確找出線上CPⅡ復(fù)測成果異常區(qū)段。若線上CPⅡ復(fù)測與原測成果坐標(biāo)較差中出現(xiàn)連續(xù)3個(gè)或以上同方向較差小于±15 mm且大于±12 mm的區(qū)段，定義為線上CPⅡ異常區(qū)段。

2.4 異常區(qū)段修正

異常區(qū)段修正流程如圖1所示。

圖1 異常點(diǎn)或區(qū)段修正方法

異常區(qū)段具體修正方法如下。

①首先，選取二次復(fù)測組網(wǎng)的控制點(diǎn)，組網(wǎng)選點(diǎn)構(gòu)成如下：異常區(qū)段處聯(lián)測CPⅠ點(diǎn)及相鄰兩側(cè)的CPⅠ點(diǎn)；異常區(qū)段相鄰兩側(cè)2個(gè)以上相對穩(wěn)定(原復(fù)測坐標(biāo)較差不大于10 mm)線上CPⅡ點(diǎn)。

②組網(wǎng)后，進(jìn)行GNSS基線解算，二次復(fù)測方法及等級與CPⅠ網(wǎng)一致，基線解算結(jié)果中的重復(fù)基線較差、環(huán)閉合差及三維無約束平差應(yīng)滿足(TB10601—2009)高速鐵路工程測量規(guī)范中對于CPⅠ基線解算結(jié)果限差要求[11]。

③選擇網(wǎng)中穩(wěn)定的CPⅠ作為約束點(diǎn)進(jìn)行約束平差，得到整體GNSS網(wǎng)二次復(fù)測約束平差成果。

④將相鄰異常區(qū)段線上CPⅡ點(diǎn)的第一、二次復(fù)測成果做較差。

若較差大于10 mm，則視為二次復(fù)測精度不滿足變形分析要求，需再次復(fù)測；若較差不大于10 mm，則對異常區(qū)段中聯(lián)測的CPⅠ做第一、二次復(fù)測成果較差比較。

⑤采用調(diào)整后最新CPⅠ成果重新平差，得到平差后的線上CPⅡ成果，再與原測成果做較差，較差大于15 mm或相鄰點(diǎn)間坐標(biāo)差之差的相對精度超限，則對CPⅡ異常區(qū)段進(jìn)行同精度內(nèi)插更新[12-15]。

3 工程案例

寧杭高鐵線路運(yùn)營長度為273.153 km，全線橋梁比例占74%，路基、隧道比例為26%，運(yùn)營速度為300 km/h，本次實(shí)驗(yàn)選擇寧杭高鐵精測網(wǎng)復(fù)測采用GNSS觀測的CPⅡ網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)，通過實(shí)際工程案例驗(yàn)證異常點(diǎn)、異常區(qū)段分析及修正方法的可行性。

3.1 異常點(diǎn)修正

選取寧杭高鐵KXXX+000-KXXX+728段，選擇與006P01點(diǎn)相鄰兩側(cè)相對穩(wěn)定的線上CPⅡ點(diǎn)組網(wǎng)。對本次復(fù)測與原測CPⅡ成果進(jìn)行比較分析，如表2所示，通過較差分析可知，006P01處原復(fù)測較差的東坐標(biāo)差值達(dá)到14.1 mm，達(dá)到了異常點(diǎn)條件(坐標(biāo)差值小于15 mm但大于12 mm)，故判定006P01為異常點(diǎn)。

表2 006P01異常分析判定

按照修正方法對異常點(diǎn)進(jìn)行修正，選取006P01點(diǎn)前后兩側(cè)相對穩(wěn)定的線上CPⅡ點(diǎn)(001P01、002P01、003P01、004P01、005P01、007P01、009P01、009P02、010P01)進(jìn)行組網(wǎng)，點(diǎn)位組網(wǎng)示意如圖2。

圖2 006P01附近穩(wěn)定CPⅡ點(diǎn)組網(wǎng)

對與以上CPⅡ點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測的所有CPⅢ點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，選定相對穩(wěn)定的線上CPⅡ點(diǎn)作為約束點(diǎn)進(jìn)行GNSS同精度內(nèi)插計(jì)算，可以得到點(diǎn)CPⅡ006P01的二次GNSS復(fù)核坐標(biāo)。

選取相對穩(wěn)定的線上CPⅡ點(diǎn)約束CPⅢ并進(jìn)行網(wǎng)平差計(jì)算，得到CPⅡ點(diǎn)006P01的二次CPⅢ復(fù)核坐標(biāo)。

將CPⅡ點(diǎn)006P01的二次GNSS復(fù)核坐標(biāo)與二次CPⅢ復(fù)核坐標(biāo)進(jìn)行對比，點(diǎn)006P01的東坐標(biāo)差值達(dá)-9.0 mm，達(dá)到異常點(diǎn)更新條件(ΔY差值>±8 mm)，故給予更新。

表3 異常CPⅡ006P01坐標(biāo)較差

3.2 異常區(qū)段修正

寧杭高鐵某段出現(xiàn)3個(gè)異常區(qū)段，分別為035P02、036P01、036P02，對其進(jìn)行異常區(qū)段進(jìn)行變形分析。

選擇與異常區(qū)段線上CPⅡ(035P02、036P01、036P02)聯(lián)測的CPI點(diǎn)(CPⅠ010A)、異常區(qū)段相鄰兩側(cè)的CPⅠ點(diǎn)(CPⅠ009、CPⅠ011D、CPⅠ012)、相鄰兩側(cè)的不少于2個(gè)相對穩(wěn)定的線上CPⅡ點(diǎn)(033P02、035P01、040P01、041P01、042P01)組網(wǎng)進(jìn)行二次復(fù)測，復(fù)測精度與CPⅠ網(wǎng)保持一致。組網(wǎng)如圖3所示。

二次復(fù)測后的重復(fù)基線較差、環(huán)閉合差以及三維無約束平差成果精度均滿足(TB10601—2009)高速鐵路工程測量規(guī)范中對CPⅠ基線解算結(jié)果限差要求。

選擇網(wǎng)中穩(wěn)定的CPⅠ作為約束點(diǎn)進(jìn)行約束平差，得到整體組網(wǎng)GNSS網(wǎng)二次復(fù)測約束平差成果。

圖3 異常區(qū)段組網(wǎng)

將異常區(qū)段相鄰兩側(cè)的線上CPⅡ點(diǎn)的第一、二次復(fù)測成果進(jìn)行比較，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，異常區(qū)段相鄰兩側(cè)的線上CPⅡ重復(fù)測量坐標(biāo)較差不大于10 mm，則對異常區(qū)段處聯(lián)測的CPI第一、二次復(fù)測成果坐標(biāo)較差進(jìn)行比較，如表5所示。

由表5可知，CPI010A的二次復(fù)核坐標(biāo)與第一次復(fù)測坐標(biāo)差值小于±10 mm，根據(jù)(Q/CR-SHT0050—2020)運(yùn)營高速鐵路精密工程測量規(guī)范，對于CPⅠ點(diǎn)CPI010A的坐標(biāo)成果，依然采用第一次復(fù)測更新后的成果。

對更新后的CPⅠ重新平差，得到平差后的線上CPⅡ成果，再比較線上CPⅡ復(fù)測與原測成果坐標(biāo)較差，如表6所示。

表4 線上CPⅡ第一、二次成果較差

表5 聯(lián)測CPⅠ第一、二次成果較差

表6 異常區(qū)段CPⅡ分析

由表6可知，異常區(qū)段線上CPⅡ二次成果與原測成果坐標(biāo)較差≤15 mm且相鄰點(diǎn)間坐標(biāo)差之差的相對精度均未超限，則對異常區(qū)段(035P02、036P01、036P02)不更新。

4 結(jié)語

對運(yùn)營高速鐵路CPⅡ控制網(wǎng)復(fù)測成果異常情況(異常點(diǎn)和異常區(qū)段)展開分析，并研究異常情況的修正方法。研究表明，修正異常區(qū)段和異常點(diǎn)，可最大程度減少外業(yè)觀測錯(cuò)誤對CPⅡ最終成果的影響。另外，檢核聯(lián)測的CPⅠ和CPⅡ第一次復(fù)測成果更新是否正確，可保證后續(xù)高速鐵路軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)復(fù)測成果的準(zhǔn)確性、可靠性和時(shí)效性，從而為軌道維護(hù)提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，保證相對精度滿足軌道維護(hù)要求。