高速铁路轨道控制网小区域精度优化研究

高速铁路轨道控制网小区域精度优化研究

Summary：采用文献资料法、最小二乘法和实践法，对CPⅢ控制点进行数理统计和逻辑分析，通过沈大高速CPⅢ控制点精度提升工作实践，总结经验，优化CPⅢ控制点提升方法，得出高速铁路CPⅢ控制点小区域精度提升方法，在沈大高速绝对测量作业时应用到实践操作中，用于保证CPⅢ控制点精度时刻准确有效。基于此，文章对“小区域提升CPⅢ控制点精度”方法进行实践与总结。Keys：高速铁路；绝对测量；全站仪后方交会；全站仪三维坐标测量；最小二乘法一、概述（一）研究背景高速铁路轨道控制网(CPⅢ)是沿铁路线路呈带状布设的平面高程控制网，每约60m布设1对点，通常在线下工程施工完成后施测，主要应用于高铁建设期的底座板放样、轨道板精调、轨排精调、长轨精调等轨道工程建设及运营期轨道维护测量。由于高铁对轨道平顺性有很高的要求，而轨道控制网又是轨道测量工作的控制基准，因此轨道控制网必须具有很高的精度，规范要求相邻点位相对中误差应<1mm[1-2]。新建高速铁路常在轨道工程施工前进行轨道控制网的建网工作，其成果用于无砟轨道底座板放样、轨道板精调、轨排精调等工序；在长轨精调作业前，还需要对轨道控制网进行一遍复测，采用最新成果开展轨道测量，以达到精确控制轨道平顺性的目的。高铁线路交付运营后，由于环境温度变化、结构形变、高速行车、区域沉降等多方面因素的影响，轨道控制网不可避免地会发生点位变化，严重的还会影响使用；另一方面，高铁运营线路执行封闭式管理，上线作业变得比较困难，只能在时间有限的天窗内开展线路维护工作，安全施工及保证第二天的线路正常运营是首要目标，难以经常性地组织开展轨道控制网的全面复测工作。目前轨道控制网全面复测周期不宜超过3年，最长不宜超过5年；且CPⅢ高程网在开通运营2年内应复测1次，复测周期较长，当轨道控制网点位发生形变时不容易及时发现，影响线路维护工作，在一些重点地段甚至会发生轨道控制网完全不能使用的情况。全线轨道控制网的复测，通常做法是先复测线下CPⅠ、线上CPⅡ及加密水准点，然后以线上CPⅡ及加密水准点为基准，复测CPⅢ，从而得到全线的控制网成果。局部复测方法则是仅对个别地段进行测量，通过分析选取稳定的CPⅢ控制点作为起算点，进而解算得到复测区域的CPⅢ控制点成果。（二）研究目的常规复测方法相对CPIII建设阶段是十分有效的，但现有的测量规范及相关资料对运营阶段CPIII复测方面介绍和研究较少，在CPIII复测还有很多亟待解决的技术难题，其主要表现为以下几点：1.列车行车密度大导致维护天窗时间短，可用于CPIII网复测的时间仅仅在夜间有4h左右的维护时间，按照CPIII建设阶段的测量方法存在着工作量大、效率低等问题；2.规范要求对CPIII全网进行复测，工作量巨大，由于天窗时间不足导致整个测量要维持几个月的时间，但实际运营阶段中CPIII网整体稳定性较好，只有个别点位会发生位移，无需全线复测；3.CPIII网是依据CPI和CPII布网，运营期间复测不仅要进行线上复测还要同时进行线下CPI和CPII复测，而由于高速铁路多建于山区很多点位难免发生位移甚至丢失，这无疑增加了测量的难度和工作量，降低了工作效率；4.由于CPIII点需要联测上一级稳定的控制点进行分区分段测量且每天天窗时间有限，所以不可避免的产生了大量的过渡段，这对测量的精度也会产生一定的影响。由于现行复测方法存在上述问题，因此研究一种新型适用于运营阶段的复测方法以提高复测效率、精度是现在高铁发展中需要解决的问题之一。5.高速铁路无砟轨道的平顺性是由CPIII网相邻控制点的相对位置维持的，所以我们可以通过相邻点位间的几何关系来检测CPIII网的稳定性，按照一定的标准通过原测和复测数据对比分析来对CPIII点的稳定性做出判断，基于此提出一种使用全站仪后方交会设站、测量方法来补充此项问题空缺。（三）研究现状中国目前是全世界高速铁路运行速度最高，运营规模最大的国家。建设高速铁路可以很大程度上解决我国人口，货物多造成的交通压力问题。结合我国基本国情并吸收学习国外先进的高速铁测量路技术，经过测量工作人员多年经验积累，总结出了一套适用于我国高速铁路建设维护的测量技术。随着对高速铁路测量技术的不断深入研究和时间，我国于2009年修改、编制了《高速铁路工程测量规范》，以此为今后的高速铁路建设及维护提供技术规范。随着测量科技的发展，测量仪器也在不断更新，以前的光学测量仪器逐渐被先进的电子测量仪器取代。目前采用自动照准全站仪替代以前的经纬仪，甚至还运用了测量机器人进行测量；高程控制测量中电子水准仪也替换了光学水准仪。仪器的更替大大提高了观测效率，还降低了工作难度也满足了高速铁路对精度的高要求。近来，GPS因为其使用方便，测量效率高，观测数据平面精度高的特点，已被高速铁路平面控制网测量采用。另外，全站仪三角高程测量方法也在逐渐替代水准测量，极大提高了高程测量速度。二、高速铁路CPⅢ复测新方法（一）外业观测在沈大高速线选取一段CPⅢ精度达到标准范围内10点以上位置和相邻存在精度不足控制点区段，对其8个点位选中进行全站仪自由边角后方交会设站，利用测量功能对选取的另外两个点进行东北坐标、高程测量，利用此方法进行CPⅢ控制点精度不足地段进行提升。（二）工作准备1.选用高精度的测量仪器CPⅢ控制网复测尽量选用标称精度高的仪器进行，控制网测量可使用瑞士徕卡公司生产的智能型全站仪如LeicaTS16(标称精度:0.5″，0.6mm+1×10-6D)。这些仪器都是经过实践检验的高精度、高稳定性的仪器，能够保证测量数据的精度和可靠性，更好地避免测量中的粗差，保证复测与建网成果的一致性。2.对预埋标具进行细致检查复测前派专人对CPⅡ加密点、二等水准点及CPⅢ点预埋标具进行细致检查，对被破坏的点位应及时在原位置附近恢复，并做好详细记录，保证现场点位的唯一性、完好性，保证测量杆插入后和预埋件能紧密贴合。这是保证CPⅢ控制网复测效率和精度的有效手段之一。3.测量条件CPIII控制网观测数据采集一般在夜间开展。因全站仪采用ATR自动照准、对中受光源干扰较大，应尽量减少光源对观测质量的影响。在无光源的漆黑环境，ATR自动照准精度最高。CPIII控制网观测数据采集不能再空气中有明显灰尘时进行，特别是人能明显感觉到灰尘的存在、呼吸不舒服时，CPIII观测作业宜停止，伺机重新开始作业。在周围应无震动时，宜进行CPIII测量数据采集，特别要避开机械作业、车辆通行等；为减小大气折光差影响的误差，CPIII数据采集观测视线应避开接触网杆、配电箱、台车等，因为观测视线距物体太近，方向观测值会受影响太大。4.注意事项CPIII观测所使用的全站仪需在有效鉴定期内。作业前应按照要求对全站仪补偿器、自动照准和轴系误差等多项内容进行检校，待各项指标稳定后方能进行作业。观测前应将仪器置于空气中15分钟适应温度。并进行温度、气压、相对湿度等气象元素的改正，温度改正精确至0.2℃，气压改正精确至0.5hPa。阳光、大风、强光源都可能影响测量结果，使测站超限，因此宜在夜间无风或微风条件下进行CPIII测量。尽量使用自重较大的三脚架，安置仪器时不宜过高，尽量使视准轴与CPIII棱镜高度一致，以减弱仪器轴系误差对测量产生的影响。5.建立试验段CPⅢ控制网复测工作开始后首先选取3km作为试验段。一方面对参加测量的人员进行培训，使相关人员尽快熟悉和掌握所从事的测量工种与任务；另一方面对测量的数据及时进行平差处理、成果比对，发现并消除复测中存在的问题，排除复测中存在的系统误差。（三）测量标准CPⅢ控制网复测时要严格执行建网时的技术要求甚至要高于建网要求。只有这样才能获取合格的数据，保证测量成果的准确性，通过消除系统误差达到与建网数据的高度符合。在CPⅢ控制网的测量中做到以下几个要点:不要勉强进行测量，数据采集困难时不能保证精度；确保全站仪或水准仪视线不受遮挡；确保棱镜杆或水准杆安装到位；确保全站仪或水准仪稳定；每天测量工作开始前对测量仪器进行必要的检校。（四）施测方法1.施测原理众所周知，全站仪在测量应用过程中会不可避免的存在三轴误差，此时为了缩小测量误差，要将仪器进行对中整平，且需要采用双面观测方式。同理，在高铁CPⅢ测量过程中所采用的双面观测方式也需要多次测量各个控制点，此时势必会影响测量的效率。而如果此时可以采用单面观测的方式，那么可以显著提升测量工作的便利性。鉴于此，有必要对其可行性进行探究。从整体上来看，当前我国所用的现代全站仪大都均包含有三轴补偿功能，有助于在一定程度上减少三个方向上的测量误差，确保测量结果的精确性。而采用单面观测方式的情况下，相应的测角精度更高。而当前高铁CPⅢ角度测量中所采用的全站仪具有目标自动搜索和测量功能，可以满足单面观测使用需求。为了验证单面观测法在高铁CPⅢ快速复测中应用的可行性，可以将CPⅢ观测方向值确定为盘左方向或者盘右方向，之后依次对控制点坐标进行计算，分析相应的精度和平差，然后同双面观测下所得到的平差结果进行对比分析，可以发现二者的测量结果比较接近，这也表明单面观测法在高铁CPⅢ复测中应用具有可行性，可以在确保测量精度的基础上，提升复测操作的效率。2.施测流程主要流程为通过全站仪后方交汇方式进行对CPⅢ控制点精度进行复测工作，方式首先通过选取一段线路存在单点或者部分CPⅢ控制点东北坐标、高程精度不足地段进行复测工作，选取控制点精度合格的点相邻8-10点CPⅢ控制点进行自由边角交汇设站，之后选择测量功能进行相邻CPⅢ控制点精度不足待测点测量东北坐标、高程信息，得出数据与原始数据进行偏差计算，在台账中更新此点位信息。3.观测方式根据《高速铁路工程测量规范(TBl0601—2009)》的要求，CPIII测量采用自由设站后方交会的方法进行，在两对CPIII控制点之间自由设站；每隔120m左右设置自由站，每个CPIII控制点保证至少有三个自由测站的方向和距离观测值。网中每个CPIII控制点至少测量3次，自由测站到最远一个CPIII点的距离不大于180m。观测方式有如下几种：（1）测站间距为120m时，CPⅢ平面控制网测量网形示意图如图1所示。图1测站间距为120m时CPⅢ平面控制网测量网形示意图（2）测站间距为60m时，CPⅢ平面控制网测量网形示意图如图2所示。图2测站间距为60m时CPⅢ平面控制网测量网形示意图（3）采用测站间距120m的标准网形测量过程中如某CPⅢ点由于障碍物被挡，可以考虑采用由测站间距120m转测站间距60m的测量网形，如图3所示。图3测站间距由120m转60m时的平面控制网测量网形示意图（4）在每测回、测站完成后，采用的自动化全站仪会自动进行简单的计算、对比，并提示测站是否超限。表1CPⅢ观测技术要求4.验证方式利用全站仪采用后方交会的方法进行设站，并对精度不足的点复测完成后，需要对其进行验证，选择CPⅢ精度合格至少8-10点位置进行后方交会设站，设站成功后对相邻CPⅢ精度合格的点进行测量作业，对新测结果与建网结果进行对比分析验证，数据结果一致，说明该方法准确可行；但由于目前该方法还未得到相关科学证明、论证，只是通过现场测量的等方式证明其方法可行性，论证单一，现需要相关测量单位对已进行CPⅢ复核的点位进行GPS精准测量，进一步对该方法进行验证，来保证方法的可行性。故需相关测量单位为我段提供CPⅢ控制点精度专业复测帮助。5.新方法优点提供一种存在小区域CPⅢ控制点精度不足地段坐标复核方式，主要讲述通过全站仪后方交汇、三维坐标测量方式进行对CPⅢ控制点精度复核工作；使用此方法提升CPⅢ控制点精度一是可弥补规定GPS复测周期较长的缺陷，二是多组作业可同时进行，三是可实现绝对测量作业中小区域实时提升精度的要求，便捷性较为明显，四是天窗时间利用较为多样性，不同的天窗时间均可使用该方法，五是操作较方便，1-2人均可操作；保证列车在轨道上高速、安全、平稳地行驶，提高作业效率，快速准确地为高速铁路的轨道精调工作提供一个高精度的数据基准，从而保证轨道的高平顺性和列车运行的平稳性、安全性。由于采用了具有自动照准、自动记录、自动计算的全站仪进行观测，所以CPIII测量过程的自动化程度较高，操作相对简便。不仅节省了大量人力，并且避免了人员在操作过程中出现的疏漏，从而提高了数据的可靠性。三、工程应用在高速铁路轨道控制网日常维护当中，采用规定GPS精准复测方式固为重要，其利弊明显，复测周期长，不能及时应用到日常绝对测量工作中遇到的CPⅢ控制点精度不足的问题，不能及时得到解决，现阶段提出的新的高速铁路轨道控制网局部复测技术—自由边角交汇设站测量，可在绝对测量过程中实时遇到问题实时提升解决，方便快捷，准确有效。该方法应实施推广应用。四、结论本文首先阐述了高速铁路无砟轨道控制网常规复测方式及优缺点，然后通过沈大高速线CPIII控制网使用新方法复测进行外业测量研究了CPIII平面、高程的测量方法，仪器设备要求及精度要求等。随后重点研究并实现了CPIII控制网复测新方法的观测方式以及验证方式，最后按照一定的标准用过复测和原测数据对比分析来检测和判断CPIII网的稳定性，这种数据处理方法不需要反复迭代求解坐标值，复测观测时可以不联测上级CPI、CPII控制网，也不需要进