運營高鐵CPⅡ復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 陳 錚 張獻州,2

(1.西南交通大學地球科學與環境工程學院，成都 611756； 2.高速鐵路運營安全空間信息技術國家地方聯合工程實驗室，成都 611756； 3.中國鐵路上海局集團集團有限公司工務處，上海 200071)

1 概述

我國大部分高速鐵路已從設計施工階段邁入運營維護階段，受列車荷載、環境變化、周邊施工等多種因素影響，高鐵路基、軌道會發生不同程度的變形[1]，為保證高鐵的安全平穩運行，需要開展高鐵精測網復測工作。

高速鐵路測量平面控制網分三級布設，根據高級向低級布網的原則，分別為基礎平面控制網(CPⅠ)、線路平面控制網(CPⅡ)、軌道控制網(CPⅢ)。以下主要針對CPⅡ控制網復測維護過程中，出現的CPⅡ控制點異常情況展開研究[2]。

線上CPⅡ復測時，由于CPⅡ控制網中存在部分不穩定、不兼容的CPⅡ點，這些不穩定CPⅡ點會降低GNSS網整體精度。根據(Q/CR-SHT0050—2020)運營高速鐵路精密工程測量規范，CPⅡ復測應采用穩定性、兼容性合格的起算點進行約束平差[3]。因此，需要準確找出線上CPⅡ復測成果中不穩定點(即異常點或異常區段)，并對異常點或異常區段進行修正。

2 CPⅡ異常情況分析與修正方法

在起算點兼容性和穩定性分析研究方面，已有許多學者開展了相關研究，陳旭升采用單位權方差檢驗法、尺度分析法等分析起算點的兼容性，對于不兼容的起算點，采用同精度內插的方式處理，從而保證GNSS控制網成果質量的可靠性[4]；傅曉明提出單位權方差假設檢驗法，通過采用GPS網驗后單位權方差構造檢驗統計量，從而判定起算點兼容性[5]；黃聲享通過原理針對基線向量改正數的統計特性，提出一種檢驗、偏峰態檢驗、W檢驗等幾種起算點兼容性分析方法[6]。

基于上述方法理論的研究基礎，針對高鐵測量CPⅡ復測成果異常分析時，提出一種更具實用性質的CPⅡ復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測成果和原測成果做較差，當坐標較差大于15 mm，或坐標較差不大于15 mm但坐標較差的相對精度不滿足表1時，判定為CPⅡ變動異常情況[8]。異常情況通常分為異常區段和異常點，異常修正前應先進行二次復測，確定控制點異常變動原因后，再對線上CPⅡ坐標成果進行修正[9]。

表1 復測相臨點間坐標差之差的相對精度限差

2.1 異常點發現

首先需要準確找出線上CPⅡ復測成果異常點，比較線上CPⅡ復測和原測成果坐標較差，若較差小于15 mm但大于12 mm，判斷為異常點。

找出異常點后，需要進行二次復測，再次檢核變形情況是否正確，排除因誤差、操作不當等造成的錯誤，再通過變形分析對線上CPⅡ點的進行坐標修正[10]。

2.2 異常點修正

異常點具體修正方法如下。

①選擇線上CPⅡ點、異常區段相鄰兩側2個以上相對穩定的線上CPⅡ點進行組網。

②用穩定的線上CPⅡ點作為約束點進行GNSS同精度內插，計算得到異常CPⅡ點的GNSS網二次復核坐標。

③用網中相對穩定的線上CPⅡ點作為約束點進行CPⅢ網的平差，計算得到異常CPⅡ點的CPⅢ網二次復核坐標。

④選異常CPⅡ點的GNSS網二次復核坐標和CPⅢ網二次復核坐標做較差，如果坐標較差大于±8 mm，則對異常CPⅡ點進行更新；若坐標較差小于±8 mm則不更新，即仍采用原測成果。

2.3 異常區段發現

首先準確找出線上CPⅡ復測成果異常區段。若線上CPⅡ復測與原測成果坐標較差中出現連續3個或以上同方向較差小于±15 mm且大于±12 mm的區段，定義為線上CPⅡ異常區段。

2.4 異常區段修正

異常區段修正流程如圖1所示。

圖1 異常點或區段修正方法

異常區段具體修正方法如下。

①首先，選取二次復測組網的控制點，組網選點構成如下：異常區段處聯測CPⅠ點及相鄰兩側的CPⅠ點；異常區段相鄰兩側2個以上相對穩定(原復測坐標較差不大于10 mm)線上CPⅡ點。

②組網后，進行GNSS基線解算，二次復測方法及等級與CPⅠ網一致，基線解算結果中的重復基線較差、環閉合差及三維無約束平差應滿足(TB10601—2009)高速鐵路工程測量規范中對于CPⅠ基線解算結果限差要求[11]。

③選擇網中穩定的CPⅠ作為約束點進行約束平差，得到整體GNSS網二次復測約束平差成果。

④將相鄰異常區段線上CPⅡ點的第一、二次復測成果做較差。

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

⑤采用調整后最新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或相鄰點間坐標差之差的相對精度超限，則對CPⅡ異常區段進行同精度內插更新[12-15]。

3 工程案例

寧杭高鐵線路運營長度為273.153 km，全線橋梁比例占74%，路基、隧道比例為26%，運營速度為300 km/h，本次實驗選擇寧杭高鐵精測網復測采用GNSS觀測的CPⅡ網觀測數據，通過實際工程案例驗證異常點、異常區段分析及修正方法的可行性。

3.1 異常點修正

選取寧杭高鐵KXXX+000-KXXX+728段，選擇與006P01點相鄰兩側相對穩定的線上CPⅡ點組網。對本次復測與原測CPⅡ成果進行比較分析，如表2所示，通過較差分析可知，006P01處原復測較差的東坐標差值達到14.1 mm，達到了異常點條件(坐標差值小于15 mm但大于12 mm)，故判定006P01為異常點。

表2 006P01異常分析判定

按照修正方法對異常點進行修正，選取006P01點前后兩側相對穩定的線上CPⅡ點(001P01、002P01、003P01、004P01、005P01、007P01、009P01、009P02、010P01)進行組網，點位組網示意如圖2。

圖2 006P01附近穩定CPⅡ點組網

對與以上CPⅡ點進行聯測的所有CPⅢ點進行組網，選定相對穩定的線上CPⅡ點作為約束點進行GNSS同精度內插計算，可以得到點CPⅡ006P01的二次GNSS復核坐標。

選取相對穩定的線上CPⅡ點約束CPⅢ并進行網平差計算，得到CPⅡ點006P01的二次CPⅢ復核坐標。

將CPⅡ點006P01的二次GNSS復核坐標與二次CPⅢ復核坐標進行對比，點006P01的東坐標差值達-9.0 mm，達到異常點更新條件(ΔY差值>±8 mm)，故給予更新。

表3 異常CPⅡ006P01坐標較差

3.2 異常區段修正

寧杭高鐵某段出現3個異常區段，分別為035P02、036P01、036P02，對其進行異常區段進行變形分析。

選擇與異常區段線上CPⅡ(035P02、036P01、036P02)聯測的CPI點(CPⅠ010A)、異常區段相鄰兩側的CPⅠ點(CPⅠ009、CPⅠ011D、CPⅠ012)、相鄰兩側的不少于2個相對穩定的線上CPⅡ點(033P02、035P01、040P01、041P01、042P01)組網進行二次復測，復測精度與CPⅠ網保持一致。組網如圖3所示。

二次復測后的重復基線較差、環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范中對CPⅠ基線解算結果限差要求。

選擇網中穩定的CPⅠ作為約束點進行約束平差，得到整體組網GNSS網二次復測約束平差成果。

圖3 異常區段組網

將異常區段相鄰兩側的線上CPⅡ點的第一、二次復測成果進行比較，結果如表4所示。

由表4可知，異常區段相鄰兩側的線上CPⅡ重復測量坐標較差不大于10 mm，則對異常區段處聯測的CPI第一、二次復測成果坐標較差進行比較，如表5所示。

由表5可知，CPI010A的二次復核坐標與第一次復測坐標差值小于±10 mm，根據(Q/CR-SHT0050—2020)運營高速鐵路精密工程測量規范，對于CPⅠ點CPI010A的坐標成果，依然采用第一次復測更新后的成果。

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復測與原測成果坐標較差，如表6所示。

表4 線上CPⅡ第一、二次成果較差

表5 聯測CPⅠ第一、二次成果較差

表6 異常區段CPⅡ分析

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

4 結語

對運營高速鐵路CPⅡ控制網復測成果異常情況(異常點和異常區段)展開分析，并研究異常情況的修正方法。研究表明，修正異常區段和異常點，可最大程度減少外業觀測錯誤對CPⅡ最終成果的影響。另外，檢核聯測的CPⅠ和CPⅡ第一次復測成果更新是否正確，可保證后續高速鐵路軌道控制網(CPⅢ)復測成果的準確性、可靠性和時效性，從而為軌道維護提供基準數據，保證相對精度滿足軌道維護要求。