高标准客运专线的精密控制测量框架

高标准客运专线的精密控制测量框架

1本公司的基础测量技术北京至天津的客运专线是中国第一个建成并开通的标准高速铁路客运专线。全长约116公里，设计速度350公里。该专线采用了当今世界上最先进的德国博格板(CRTSⅡ型板)无碴轨道技术。该技术对基础测量的要求很高,即铺设后每2块相邻博格板水平方向和竖直方向的相对精度分别为1mm及0.5mm。为了达到铺设精度的要求,博格公司提出了线路施工所用控制网的技术指标如表1。为了与已有测量和设计成果的衔接,本专线精密控制测量框架采用了勘测设计阶段的测量系统,即:高程采用1985年国家高程系统,平面坐标采用WGS-84椭球,投影面高程为0.000m,高斯投影中央子午线经度为116°45′00″,全线为一个带,带宽约1°。经计算:线路长约95km时,投影变形小于1/10万;20km时,变形为1/10万—1/6万,当变形大于1/10万时,放样距离时应施加距离改正。2工程控制网的配置2.1等水准测量验证结合京津铁路工程的实际和京、津地区地面沉降较大且不均匀并无规律可循的特点,本工程高程控制点按基岩点、深埋水准点和加密水准点3种类型,且在线路施工的影响范围之外布设。根据沿线地质条件,基岩点埋设深度一般为300—400m,深埋水准点埋设深度一般为30—50m,密埋水准点埋设深度一般为3—5m。为了确保轨道铺设,基础网的加密水准点高程要求达到2mm/km的精度。根据文献中二等水准测量观测中误差的限差要求,附合于深埋水准点上的加密水准路线,其最弱点中误差应为:mb=m2√L(1)mb=m2L√(1)式中:m——水准测量每公里高差观测中误差;L——附合水准路线长度。若深埋水准点间的路线长度为5—6km,则由(1)式可得加密水准最弱点的精度为±0.84—±0.92mm。因此,以4—5km的间距布设深埋水准点,其间布设加密水准点,并以国家二等水准测量的精度要求施测,便能确保加密最弱点的精度优于2mm。深埋水准点的高程按一等水准测量的要求施测,并附合于基岩水准点。根据文献中一等水准测量观测中误差的限差要求,每公里高差观测的中误差为±0.45mm。若基岩点之间的水准路线长度为25—35km,则由(1)式可求得其最弱点的精度为±1.01—±1.23mm;因此,每隔30km埋设一个基岩点,一等水准路线的长度一般不会超过35km,就能确保最弱点精度优于2mm。由于基岩点与深埋水准点的造价高,根据前面的精度分析每30km设置一个基岩点、5km设置一个深埋水准点是比较适宜的。按此埋设规则,全线应布设基岩点5座,深埋水准点25个。线路导线网点间距为180—200m,其高程的精度是1mm,点位应均匀分布在线路中线左右40—60m处,按国家二等水准测量的要求进行。2.2ps网及线路导线布置平面控制网按首级GPS网(见图1)、次级GPS基础网、GPS加密网和精密导线网的形式布设。首级GPS网、次级GPS基础网点分别与水准基岩点、深埋点的埋设共同考虑,设计基岩点和深埋水准点时,应在其上建成观测墩,并建立强制归心标志。首级、次级GPS网构成三角形和四边形独立闭合环,以保证控制网的可靠性,其起始点为北京丰西01号、天津北站02号基点。GPS加密网点间距为1.5—2km,约100个,沿线布设时以便于加密布线路导线和施工需要为原则,并尽量使点间通视(邻点保证通视率不小于2/3),困难地段需增加方向辅助点。首级、次级、加密GPS网的技术要求分别以文献中的B、C、D级网的技术指标为参考;同时,根据工程实际需要,各级GPS网的平面坐标点位精度应优于1cm。线路导线在加密GPS网的基础上布设,其平均边长为180—200m,点数约500个,点位布设以便于施工需要为原则,技术要求参考执行文献、的相关技术标准,各导线点都采用强制对中观测墩,其埋设标准与加密GPS点相同。根据导线最弱点精度应小于5mm的工程需要,导线的测角中误差应为2″,测距相对误差为1/10万。3工程控制网的测量和数据处理3.1每公里水准测量误差限差根据前面分析,深埋、浅埋水准点分别按文献中的一等、二等水准测量的精度要求观测,水准路线主要指标:一等各测段往返测高差较差的限差为±1.8√Lmm(L±1.8L√mm(L——测段长度,km),每公里水准测量的偶然中误差限差为±0.45mm;二等相应为±3.0√L±3.0L√mm和±0.75mm。数据处理按严密间接平差法,计算各水准点的高程、精度及相邻水准点的精度等。3.2观测时间及加标技术要求GPS控制网采用LEICA1230双频GPS接收机或相同精度指标的GPS接收机观测,采用广播星历,由商用软件解算的GPS基线向量,其标称精度为5mm+1ppm。若采用精密星历和精密基线解算软件,只要有充足的观测时间,可将30km基线的相对精度提高到0.1ppmm。首级GPS平面控制网共有5点,点位与基岩水准点重合,间距约30km;次级GPS网共布设25点,点位与深埋水准点重合,间距为4—5km。其施测技术要求参见文献及表2等。从表2看出,首级网的观测时间正好是一昼夜,其观测时间明显超过B级网的要求,以便求得高精度的基线向量,确保首级网的最弱点误差小于1cm。在30个首级、次级GPS网点的基础上布设加密GPS网,点间距约2km,约100个点,均成对布设,并采用8台精度为5mm+1ppm的双频GPS接收机进行同步观测,采样间隔为15s,卫星截止高度角为15°,观测PDOP<6,观测时段均为3h。3.3gps网络的数据处理3.3.1基线解算、gps网基本功能在进行外业GPS测量过程中,对当天的观测数据进行初处理,以及时发现问题,确保观测数据的质量。数据的初处理主要是用广播星历和商用软件解算当天观测的基线,用于解算基线的起算点在WGS-84坐标系中的绝对坐标精度不低于3m,可通过单点定位得到。首级、次级GPS网数据基线解算,以ITRF2000框架中的北京丰西01号、天津北站02号基点的坐标为起算数据,采用IGS精密星历,使用Gamit精密基线解算软件进行计算。基线观测值应进行异步独立环闭合差检核,其外业预处理结果应满足以下各式要求。wx≤3√nσ‚wy≤3√nσ‚wz≤3√nσ‚w≤3√nσ(2)式中:w——w≤3√w2x+w2y+w2z;σ——σ=5mm+1ppm×S,S为基线的长度;n——闭合环边数。复测基线的长度较差ΔS,应满足ΔS≤2√2σ。加密GPS网基线解算采用广播星历为起算数据,以GPS随机的SKI2.3软件解算。采用首级或次级GPS网中某个GPS点的WGS-84坐标为起算坐标进行基线解算。基线观测值异步独立环闭合差的要求为:wx≤2√nσ‚wy≤2√nσ‚wz≤2√nσ式中各符号的意义同(2)式。3.3.2gps网络的平均差计数据后处理采用同济大学测量系的TGPPSWin32软件进行平差计算。(1)偏差检测和粗差检验首级GPS控制网必须进行无约束平差,选取北京丰西01号、天津北站02号基点中的一点作为起算数据进行无约束平差,求出各GPS点在ITRF2000框架下的地心坐标、大地坐标和各基线的改正数、基线向量平差值及各基线的地心坐标分量、大地坐标分量以及各种精度信息,并做方差分量因子估值σ2检验,根据残差值进行粗差检验,并将粗差剔除后重新计算。(2)基地网络的可扩充性首级GPS网的约束平差以北京丰西01号、天津北站02号基点为起算点,次级GPS网以首级GPS网点为起算数据,求得各点在ITRF框架下的坐标和线路坐标。要求平差后各点的绝对、相邻点相对精度均优于1cm。对验后单位权方差因子σ2进行检验,若存在转换参数需做显著性检验,根据观测值残差分析起算数据是否存在问题及粗差剔除。3.4测距误差的影响线路导线施测采用TCA2003全站仪,其测角、测距精度分别为0.5″、1mm+1ppmS(S为导线边长)。根据该型号仪器指标,应用文献中的相关公式计算导线(L=2km、n=9)最弱点的横、纵向中误差分别为±4.8mm、±1.8mm,完全能够满足要求。当测距相对误差为1/10万时,纵向误差为±3.6mm。若估算起始边的方位角误差为mα=±1.4″,则由该误差引起的横向误差为±4.8mm,则最弱点的中误差为±7.7mm,满足小于10mm的要求。而其相邻点误差约为±3.5mm,满足小于±5mm的要求。采用TCA2003或相同级别的高精度全站仪观测,水平角观测4—5个测回,边长往返观测各3个测回,即可满足导线要求。4轨道控制网络的测量4.1测距精度测定轨道设标网点一般是固定在铁路两侧的接触网支柱、边墙、挡土墙等上面,约每60m设一对点,且关于线路对称,相邻点位平面精度1mm,高程精度0.5mm。轨道设标网的平面坐标采用伺服型全站仪(测角精度≤±1″,测距精度≤2mm+2ppm×S)按自由设站和后方交会方法测定。在每个自由测站,以2×3对设标点为测量目标,2测回观测,每次测量应保证每个点被测量3次,技术要求见表3。在观测时,应注意与靠近线路的GPS点、导线点联测,并且联测点应为2—3个测站共用,联测长度应控制在150m之内,见图2。当受观测条件限制,仅有一个自由站点和GPS点、线路导线点通视时,应设置辅助点。轨道设标网的高程测定采用高精度电子水准仪,测量精度±1mm,读数至0.1mm。方法为:每一测段应至少与3个二等水准点联测,往测时以轨道一侧的设标网点为主线,另一侧的设标网点就近测站观测;返测时以另一侧的设标网点为主线,对侧的水准点在摆站时就近观测。4.2测距、高程和高程轨道基准网点在每2个博格板接缝处布设,主要用于精调博格板。一般是在承载层施工完成后,根据预先设计的坐标粗放到实地,待轨道板铺设完成后,再予精确测定实际位置,待平差后,使相邻点位相对平面精度至0.2mm,高程精度至0.1mm。这种精度主要依赖全站仪极高的测角精度来实现,因此,使用全能全站仪,测角精度应高于1″,测距精度应不低于2mm+2ppm,处理米制数值(距离,高度,坐标)时,应精确到0.1mm,为保证高程精度,观测时镜站必须采用强制对中底座装置。测量方法仍采用自由设站的方式,方法与设标点类似。仪器架设尽量靠近待定点的连线上,以轨道设标点作为后视起算数据,每组观测10—16块板,每组中至少有5个重合点,观测不少于3个测回,如遇特大桥梁时,略做调整,