運(yùn)營(yíng)普速鐵路測(cè)量快速建網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用

楊立光

1.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

截至2021年底，我國(guó)運(yùn)營(yíng)普速鐵路已達(dá)11萬(wàn)km。《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》提出：深化基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)行系統(tǒng)提質(zhì)改造關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，提高全生命周期服役性能和運(yùn)營(yíng)品質(zhì)。普速鐵路高質(zhì)量服役的前提是軌道的高平順性，而高平順性離不開(kāi)高精度的測(cè)量基準(zhǔn)。我國(guó)大部分普速鐵路建設(shè)年代較早，由于設(shè)計(jì)運(yùn)行速度低，測(cè)量基準(zhǔn)僅需滿足線下工程的施工要求即可。傳統(tǒng)的鐵路工程以線路中線控制樁作為鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)和施工的坐標(biāo)基準(zhǔn)［1］。普速鐵路經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)維護(hù)，中線樁、外移樁破壞嚴(yán)重，基準(zhǔn)不復(fù)存在。許多線路上存在夾直線不足、曲線侵岔、限界不足等問(wèn)題，亟待解決。

2021年中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司工電部發(fā)布〔2021〕4號(hào)《運(yùn)營(yíng)普速鐵路軌道精測(cè)精搗指導(dǎo)意見(jiàn)》和〔2021〕62號(hào)《關(guān)于進(jìn)一步規(guī)范運(yùn)營(yíng)普速鐵路控制網(wǎng)建設(shè)管理的意見(jiàn)》。〔2021〕4號(hào)文中明確了運(yùn)營(yíng)普速鐵路控制網(wǎng)建設(shè)原則：控制網(wǎng)應(yīng)堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)、適用、高效的原則，綜合考慮線路速度等級(jí)、地理環(huán)境等因素合理確定。〔2021〕62號(hào)文中進(jìn)一步明確了控制網(wǎng)的坐標(biāo)系統(tǒng)、布設(shè)方案、硬件技術(shù)要求、測(cè)量等級(jí)、數(shù)據(jù)處理、成果使用、檢查與維護(hù)等細(xì)節(jié)，同時(shí)對(duì)相關(guān)單位的職責(zé)進(jìn)行了劃分。

上述兩個(gè)文件發(fā)布已達(dá)一年，但各鐵路局在執(zhí)行過(guò)程中，仍存在數(shù)據(jù)處理方法及精度缺乏統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題。本文依托各鐵路局近期開(kāi)展的控制網(wǎng)建設(shè)工作，對(duì)運(yùn)營(yíng)普速鐵路測(cè)量快速建網(wǎng)技術(shù)的適用性、作業(yè)方法及精度指標(biāo)進(jìn)行分析，論證該技術(shù)的可行性和必要性。

1 運(yùn)營(yíng)普速鐵路測(cè)量快速建網(wǎng)技術(shù)

控制網(wǎng)主要為線路運(yùn)營(yíng)維護(hù)測(cè)量作業(yè)提供統(tǒng)一基準(zhǔn)，包含平面、高程兩部分［2］。控制網(wǎng)分為北斗基準(zhǔn)站網(wǎng)和固定樁控制網(wǎng)。

北斗基準(zhǔn)站布設(shè)間距為15～20 km，優(yōu)先布設(shè)在車間或工區(qū)院內(nèi)的建筑物樓頂，設(shè)置強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩。北斗基準(zhǔn)站與線路間距不宜小于10 m，距電磁干擾區(qū)、易產(chǎn)生多路徑效應(yīng)的地物不宜小于200 m。北斗基準(zhǔn)站網(wǎng)原則上一次布網(wǎng)，統(tǒng)一測(cè)量，整體平差。

由于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）測(cè)量高程擬合的方法在特定條件下可以替代三、四等水準(zhǔn)測(cè)量［3］，所以基準(zhǔn)站網(wǎng)高程測(cè)量可采用衛(wèi)星測(cè)高+似大地水準(zhǔn)面模型改正技術(shù)，有效避免傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量的缺點(diǎn)［4-5］。

固定樁控制網(wǎng)布設(shè)形式根據(jù)線路環(huán)境，在隧道、車站道岔區(qū)、無(wú)砟道床過(guò)渡段、無(wú)衛(wèi)星信號(hào)區(qū)段進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。固定樁通過(guò)抱箍或預(yù)埋件按50～120 m間距布設(shè)在線路兩側(cè)既有設(shè)施上［6］。固定樁控制網(wǎng)分區(qū)段測(cè)設(shè)，計(jì)算時(shí)以聯(lián)測(cè)的北斗基準(zhǔn)站作為約束點(diǎn)進(jìn)行平差。

2 測(cè)量方法及精度評(píng)定

為了滿足軌道運(yùn)營(yíng)維護(hù)的實(shí)際需求，運(yùn)營(yíng)普速鐵路控制網(wǎng)為三維控制網(wǎng)，其平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000），高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。控制網(wǎng)的測(cè)量及精度評(píng)定均需滿足TB 10101—2018《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中相關(guān)要求。

2.1 平面控制測(cè)量方法及精度評(píng)定

平面控制測(cè)量采用GNSS測(cè)量技術(shù)。北斗基準(zhǔn)站網(wǎng)按二等衛(wèi)星定位測(cè)量控制網(wǎng)的技術(shù)要求施測(cè)，應(yīng)起閉于國(guó)家或省級(jí)高等級(jí)控制點(diǎn)，或鄰近高速鐵路的CP0、CPⅠ控制點(diǎn)。固定樁控制網(wǎng)按四等衛(wèi)星定位測(cè)量控制網(wǎng)的技術(shù)要求施測(cè)，固定樁控制網(wǎng)與前后相鄰北斗基準(zhǔn)站進(jìn)行聯(lián)測(cè)，聯(lián)測(cè)總數(shù)不宜少于3個(gè)。GNSS測(cè)量的基本技術(shù)要求見(jiàn)表1。其中：d為基線長(zhǎng)度，km。各等級(jí)控制網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 GNSS測(cè)量的基本技術(shù)要求

表2 各等級(jí)控制網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo)

各等級(jí)控制網(wǎng)相鄰點(diǎn)間基線長(zhǎng)度中誤差σ計(jì)算公式為

式中：a為固定誤差，mm；b為比例誤差系數(shù)，mm/km；d為相鄰點(diǎn)間基線長(zhǎng)度，km。

基線解算及網(wǎng)平差應(yīng)按TB 10101—2018中的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢核處理。基線質(zhì)量檢驗(yàn)限差要求：對(duì)于閉合環(huán)（附合路線），x坐標(biāo)、y坐標(biāo)、z坐標(biāo)分量閉合差以及環(huán)線全長(zhǎng)閉合差均小于等于。其中，n為獨(dú)立環(huán)基線數(shù)。重復(fù)觀測(cè)基線長(zhǎng)度較差小于等于。

對(duì)基線質(zhì)量限差檢驗(yàn)合格后，輸出三維基線向量及其方差、協(xié)方差陣［7］。以一個(gè)點(diǎn)的CGCS2000三維坐標(biāo)為起算數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維無(wú)約束平差。無(wú)約束平差后基線向量3個(gè)分量改正數(shù)的絕對(duì)值VΔx、VΔy、VΔz均應(yīng)小于等于3σ。

計(jì)算σ時(shí)a、b應(yīng)符合表2中相應(yīng)等級(jí)的規(guī)定，d取各時(shí)段相鄰點(diǎn)間基線長(zhǎng)度的平均值。

三維無(wú)約束平差后，對(duì)平面控制網(wǎng)進(jìn)行三維約束平差或二維約束平差。約束平差后最弱邊邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差、基線方位角中誤差應(yīng)符合表2中的規(guī)定。

2.2 高程控制測(cè)量方法及精度評(píng)定

高程控制測(cè)量采用衛(wèi)星測(cè)高+似大地水準(zhǔn)面模型改正技術(shù)。北斗基準(zhǔn)站高程測(cè)量時(shí)應(yīng)聯(lián)測(cè)既有高程控制點(diǎn)。北斗基準(zhǔn)站高程成果應(yīng)統(tǒng)一換算至1985國(guó)家高程基準(zhǔn)中。

為了驗(yàn)證北斗基準(zhǔn)站高程成果能達(dá)到三等水準(zhǔn)測(cè)量精度，沿線路每2 km布設(shè)1個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)，與北斗基準(zhǔn)站構(gòu)成附合水準(zhǔn)路線，并聯(lián)測(cè)國(guó)家一、二等水準(zhǔn)點(diǎn)或鄰近高速鐵路的線下高程控制點(diǎn)，聯(lián)測(cè)高程控制點(diǎn)數(shù)量不少于3個(gè)。獲得各相鄰北斗基準(zhǔn)站間的高差并計(jì)算出各北斗基準(zhǔn)站的高程。三等水準(zhǔn)測(cè)量主要技術(shù)要求見(jiàn)表3。水準(zhǔn)測(cè)量限差要求見(jiàn)表4。

表3 三等水準(zhǔn)測(cè)量主要技術(shù)要求

每千米高差偶然中誤差MΔ和每千米高差全中誤差MW的計(jì)算式分別為式中：Δ為測(cè)段往返高差不符值，mm；L為附合水準(zhǔn)路線長(zhǎng)或環(huán)線長(zhǎng)，km；m為測(cè)段數(shù)；W為附合水準(zhǔn)路線或環(huán)線閉合差，mm；N為水準(zhǔn)路線環(huán)數(shù)；［］表示總和。

表4 水準(zhǔn)測(cè)量限差要求 mm

3 實(shí)測(cè)驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證運(yùn)營(yíng)普速鐵路快速建網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用效果，在襄渝鐵路K0—K122區(qū)段開(kāi)展快速建網(wǎng)試驗(yàn)，布設(shè)11個(gè)北斗基準(zhǔn)站進(jìn)行組網(wǎng)，在每個(gè)車站道岔區(qū)、部分長(zhǎng)大隧道布設(shè)固定樁控制網(wǎng)。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)控制網(wǎng)的各項(xiàng)精度指標(biāo)，分析采用運(yùn)營(yíng)普速鐵路測(cè)量快速建網(wǎng)技術(shù)后各項(xiàng)精度指標(biāo)能否滿足現(xiàn)行規(guī)范TB 10101—2018要求。

3.1 北斗基準(zhǔn)站網(wǎng)精度

3.1.1 平面測(cè)量精度

11個(gè)北斗基準(zhǔn)站位置如圖1所示。按照快速建網(wǎng)技術(shù)要求測(cè)設(shè)，通過(guò)聯(lián)測(cè)國(guó)家級(jí)大地測(cè)量控制點(diǎn)獲得兩端站點(diǎn)（HBMP和HBHG）坐標(biāo)。

圖1 襄渝鐵路沿線北斗基準(zhǔn)站位置示意

由于各北斗基準(zhǔn)站均位于車間和工區(qū)建筑物樓頂，天空視野開(kāi)闊，而且所用接收機(jī)和天線等級(jí)較高，觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，因此長(zhǎng)基線解算時(shí)衛(wèi)星信號(hào)調(diào)整的工作量很小，解算結(jié)果質(zhì)量良好。基線解算完成后，對(duì)重復(fù)基線長(zhǎng)度較差和獨(dú)立環(huán)閉合差進(jìn)行校核。重復(fù)基線長(zhǎng)度較差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖2。可知：55條重復(fù)基線長(zhǎng)度較差最大值為4.034 mm，遠(yuǎn)小于限差±409.513 mm，滿足規(guī)范要求。

北斗基準(zhǔn)站網(wǎng)共有獨(dú)立環(huán)45個(gè)，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)45個(gè)閉合環(huán)閉合差中最大值為35.97 mm。其中x、y、z分量閉合差分別為14.1、27.3、18.7 mm，在限差（±281.4 mm）范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求。三維基線向量檢查合格，可進(jìn)行二維約束平差。

圖2 不同時(shí)段重復(fù)基線長(zhǎng)度較差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

二維約束平差時(shí)使用HBMP和HBHG兩座北斗基準(zhǔn)站作為約束點(diǎn)，約束點(diǎn)間的邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差滿足規(guī)范中1/250 000的起算精度要求。北斗基準(zhǔn)站網(wǎng)約束平差后精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。可知：約束平差后最弱邊邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差滿足不大于1/180 000的規(guī)范要求，基線方位角中誤差滿足不大于1.3″的規(guī)范要求。

表5 北斗基準(zhǔn)站網(wǎng)約束平差后精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.1.2 高程測(cè)量精度

1）衛(wèi)星測(cè)高+似大地水準(zhǔn)面模型改正

采用地球重力場(chǎng)模型2008（空間分辨率為5'）和2019（空間分辨率為2'）［8］。根據(jù)布魯斯公式，地球表面任意一點(diǎn)P的高程異常值ζp可利用重力場(chǎng)模型及衛(wèi)星測(cè)高計(jì)算獲得。

根據(jù)地球重力場(chǎng)模型，獲取格網(wǎng)點(diǎn)Q11(x1，y1)、Q21(x2，y1)、Q12(x1，y2)、Q22(x2，y2)的坐標(biāo)信息及重力值γQ11、γQ21、γQ12、γQ22。根據(jù)P點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)位置，采用線形內(nèi)插 的 方 式 得 到 格 網(wǎng) 點(diǎn)T1、T2的 重 力γT1、γT2，如 圖3所示。

圖3 線性內(nèi)插值示意

γT1、γT2的內(nèi)插公式為

格網(wǎng)內(nèi)待定點(diǎn)P(x，y)的重力γP可通過(guò)雙線性內(nèi)插［9］獲得。內(nèi)插計(jì)算式為

P點(diǎn)高程異常值ζp的計(jì)算式［10］為

式中：ζ0為高程異常零階項(xiàng)；G為引力常數(shù)；M為地球質(zhì)量；ρ、φ、λ分別為計(jì)算點(diǎn)的地心向徑、地心緯度和地心經(jīng)度；γ為計(jì)算點(diǎn)的重力；N為模型的最大階數(shù)；R為參考橢球長(zhǎng)半徑；均為完全規(guī)格化的n階m次擾動(dòng)位系數(shù)；Pˉnm(cosφ)為完全規(guī)格化的n階m次締合勒讓德函數(shù)。

依據(jù)高程=大地高（衛(wèi)星測(cè)高獲得）-高程異常值，可得北斗基準(zhǔn)站的高程。

2）高程精度對(duì)比分析

通過(guò)衛(wèi)星測(cè)高+似大地水準(zhǔn)面模型改正技術(shù)獲取11個(gè)北斗基準(zhǔn)站的高程后，檢驗(yàn)其精度。在襄渝鐵路K0—K122區(qū)段沿線布設(shè)95個(gè)水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)，按三等水準(zhǔn)測(cè)量的要求施測(cè)，聯(lián)測(cè)武漢—十堰高速鐵路的二等水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)5個(gè)，構(gòu)成4條附合水準(zhǔn)路線。通過(guò)嚴(yán)密平差解算求得11個(gè)北斗基準(zhǔn)站的高程。相鄰北斗基準(zhǔn)站間實(shí)測(cè)高差與擬合計(jì)算值對(duì)比見(jiàn)表6。可知：各相鄰北斗基準(zhǔn)站間高差較差均在限差范圍內(nèi)，滿足三等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求。

表6 相鄰北斗基準(zhǔn)站間實(shí)測(cè)高差與擬合計(jì)算值對(duì)比

3.2 固定樁控制網(wǎng)精度

3.2.1 平面測(cè)量精度

在襄渝鐵路白浪站岔區(qū)布設(shè)有固定樁控制點(diǎn)BL01—BL12。采用衛(wèi)星定位的方式觀測(cè)，按四等GNSS測(cè)量精度指標(biāo)要求執(zhí)行。固定樁控制點(diǎn)與鄰近的白浪、十堰和武當(dāng)山三處北斗基準(zhǔn)站聯(lián)測(cè)。

固定樁控制點(diǎn)布設(shè)于線路兩側(cè)的既有接觸網(wǎng)立柱上，天空視野受到部分遮擋，觀測(cè)信號(hào)干擾因素較多，基線解算時(shí)衛(wèi)星信號(hào)調(diào)整工作量較大。

固定樁控制網(wǎng)的基線解算精度按長(zhǎng)度分三類統(tǒng)計(jì)，分別為各固定樁控制點(diǎn)之間短基線、固定樁控制點(diǎn)與北斗基準(zhǔn)站之間中長(zhǎng)基線、北斗基準(zhǔn)站間長(zhǎng)基線。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)短基線邊長(zhǎng)中誤差平均值為5.0 mm，小于四等GNSS測(cè)量7.5 mm的限差。中長(zhǎng)基線邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差平均值分別為1/949 606.9和1/4 399 111.4，均小于1/100 000的限差。基線精度高，可以進(jìn)行三維無(wú)約束平差。

三維無(wú)約束平差合格后，進(jìn)行二維約束平差得到各固定樁控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)。固定樁控制網(wǎng)二維約束平差后精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表7。可知：各項(xiàng)精度指標(biāo)均小于限差，滿足規(guī)范要求。

表7 固定樁控制網(wǎng)二維約束平差后精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2.2 高程測(cè)量精度

固定樁控制點(diǎn)高程采用四等水準(zhǔn)測(cè)量方式獲得，固定樁控制點(diǎn)與線下北斗基準(zhǔn)站構(gòu)成閉合水準(zhǔn)路線。以北斗基準(zhǔn)站高程作為約束數(shù)據(jù)，進(jìn)行整網(wǎng)嚴(yán)密平差求得各固定樁控制點(diǎn)高程。

白浪站岔區(qū)固定樁控制點(diǎn)高程測(cè)量閉合差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表8。可知：閉合差在限差范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

表8 白浪站岔區(qū)固定樁控制點(diǎn)高程測(cè)量閉合差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)論

1）運(yùn)營(yíng)普速鐵路控制網(wǎng)中的北斗基準(zhǔn)站平面測(cè)量精度滿足二等GNSS測(cè)量精度要求；采用衛(wèi)星測(cè)高+似大地水準(zhǔn)面模型改正技術(shù)獲得北斗基準(zhǔn)站高程，高差較差滿足三等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求。北斗基準(zhǔn)站控制網(wǎng)可以作為普速線路首級(jí)控制網(wǎng)使用。采用該測(cè)量體系可大大減少控制網(wǎng)布設(shè)外業(yè)線下水準(zhǔn)測(cè)量工作量。

2）站區(qū)固定樁控制網(wǎng)平面測(cè)量采用四等GNSS測(cè)量方式，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全站儀邊角觀測(cè)方法，解決了站區(qū)遮擋、行車等影響因素，提高了作業(yè)效率。各項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足四等GNSS測(cè)量要求。站區(qū)固定樁可以作為普速鐵路站區(qū)的維護(hù)基準(zhǔn)。

3）運(yùn)營(yíng)普速鐵路控制網(wǎng)采用整體布設(shè)、局部加密的原則，在車站沿線整體布設(shè)北斗基準(zhǔn)站，只在車站、隧道等區(qū)域局部布設(shè)固定樁控制網(wǎng)。整體布設(shè)控制點(diǎn)數(shù)量少，減少外業(yè)工作量，經(jīng)濟(jì)適用。