高速鐵路精測控制網(wǎng)的布設(shè)和測量

高速鐵路精測控制網(wǎng)的布設(shè)和測量

1、高速鐵路控制網(wǎng)精度控制標(biāo)準(zhǔn)

為保證旅客列車高速運(yùn)行時(shí)的安全性和舒適度，鐵路軌道的平順度是重要指標(biāo)。軌道平順度包含線路方向和縱向方向兩個(gè)分量，線路方向的不平順是指鋼軌頭內(nèi)側(cè)與鋼軌方向垂直的凸凹不平順。高速鐵路平順度要求在線路方向每10米弦實(shí)測正矢與理論正矢之差為2毫米。

線路平順度的要求和控制測量的精度有一定的關(guān)系，對于線路形狀來說，平順度只是一種局部誤差。不能依線路平順度的要求作為控制測量的精度標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)椋巾樁葘€路位置誤差的影響有積累性和擴(kuò)大的趨勢，當(dāng)實(shí)際線路偏離設(shè)計(jì)位置很遠(yuǎn)時(shí)，線路仍舊可以滿足平順度要求。

1.1短波平順度對線路位置的影響

現(xiàn)以直線線路討論，當(dāng)在10米處產(chǎn)生2㎜不平順度時(shí)，線路將出現(xiàn)轉(zhuǎn)折角為（82.5〃），直線B移至B′點(diǎn)。

每個(gè)不平順度具有偶然性，因此，由各段不平順度產(chǎn)生的點(diǎn)位移按偶然誤差計(jì)算，設(shè)AB為150米，則=127㎜。

短波不平順累計(jì)誤差示意圖

1.2、長波平順度對線路位置的影響

長波平順度要求，150米處不大于10㎜，當(dāng)在150米處產(chǎn)生10㎜不平順度時(shí)，線路將出現(xiàn)轉(zhuǎn)折角為（27.5〃）。設(shè)AB為900米，則Mβ=147㎜。

雖然如此，如果僅僅控制軌道的平順度，在達(dá)到要求的情況下，軌道的整體線形總是不能保證。

由上可知，在客運(yùn)專線無砟軌道的施工過程當(dāng)中，僅僅控制軌道的平順度是不夠的，我們還需要建立無砟軌道施工測量控制網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)軌道的總體線形的正確。

1.3CPⅠ和CPⅡ誤差計(jì)算

通過無砟軌道施工中軌道對平順度的相關(guān)要求，我們可以反推出CPⅠ和CPⅡ控制網(wǎng)的相關(guān)精度要求。

CPⅠ和CPⅡ最弱點(diǎn)的橫向中誤差計(jì)算按導(dǎo)線測量方法，計(jì)算最弱點(diǎn)的橫向中誤差公式為：

《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》中要求的各級平面控制網(wǎng)布網(wǎng)要求如下表所示：

控制網(wǎng)級別測量方法測量等級點(diǎn)間距備注

CPⅠGPSB級≥1000m≤4㎞一對點(diǎn)

CPⅡGPSC級800～1000m

導(dǎo)線四等

CPⅢ導(dǎo)線五等150～200m

后方交會50～60m10～20m一對點(diǎn)

對于CPⅡ，取S=800m，則可計(jì)算得MK=3.7㎜；

對于CPⅠ，取S=4000m，則可計(jì)算得MK=11.6㎜。

假定導(dǎo)線縱向誤差等于橫向誤差，則可計(jì)算最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差分別約為5㎜和15㎜。

相鄰兩點(diǎn)的相對中誤差計(jì)算：

《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》中GPS測量的精度要求規(guī)定如下表所示：

控制網(wǎng)級別基線邊方向中誤差最弱邊相對中誤差

CPⅠ≤1.3〃1/170000

CPⅡ≤1.7〃1/100000

CPI相鄰兩點(diǎn)的相對中誤差

邊長：4000000×1/170000=23.5㎜

方向：4000000×1.3〃/206265=25㎜

相鄰兩點(diǎn)的相對點(diǎn)位中誤差為34.3㎜

CPⅡ相鄰兩點(diǎn)的相對中誤差

邊長：800000×1/100000=8㎜

方向：800000×1.7〃/206265=6.6㎜

相鄰兩點(diǎn)的相對點(diǎn)位中誤差為10.4㎜

2、平面控制網(wǎng)

《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》中規(guī)定：

平面控制分三級布設(shè)：

第一級為基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)（CPI），為勘測、施工、運(yùn)營維護(hù)提供坐標(biāo)基準(zhǔn)。

第二級為線路控制網(wǎng)（CPⅡ），為勘測和施工提供控制基準(zhǔn)。

第三級為基樁控制網(wǎng)（CPⅢ），為鋪設(shè)無渣軌道和運(yùn)營維護(hù)提供控制基準(zhǔn)。

2.1、CPI、CPⅡ布測方法

CPI沿線路走向，每4千米一個(gè)或一對點(diǎn)，按鐵路B級GPS測量要求施測?；€邊方向中誤差不大于1.3〃，最弱邊相對中誤差1/170000。

CPⅡ在CPI的基礎(chǔ)上采用GPS測量或?qū)Ь€測量方法施測。點(diǎn)間距離800～1000米。GPS測量按鐵路C級要求施測?；€邊方向中誤差不大于1.7〃，最弱邊相對中誤差1/100000；導(dǎo)線測量等級為四等，測角中誤差2.5〃，相對閉合差1/40000。

2.2、CPⅢ控制點(diǎn)的布測方法

2.2.1、CPⅢ控制點(diǎn)的元器件：

采用工廠精加工元器件（要求采用數(shù)控機(jī)床），用不易生銹及腐蝕的金屬材料制作，CPⅢ控制點(diǎn)標(biāo)志重復(fù)安置精度應(yīng)達(dá)0.3㎜。

PⅢ器件完整示意圖

2.2.2、CPⅢ控制點(diǎn)的布設(shè)

（1）CPⅢ控制點(diǎn)距離布置一般為60m左右，且不應(yīng)大于80m，CPⅢ控制點(diǎn)布設(shè)高度應(yīng)與軌道面高度保持一致的高度間距。

隧道內(nèi)CPⅢ控制點(diǎn)位置示意圖

注：標(biāo)記點(diǎn)設(shè)置在內(nèi)襯上，位距電纜槽邊墻表面約100cm左右。

路基地段CPIII控制點(diǎn)位置示意圖

橋梁上CPIII控制點(diǎn)位置示意圖

2.2.3、CPⅢ控制點(diǎn)的定位精度要求

CPⅢ控制點(diǎn)的定位精度要求表（㎜）

控制點(diǎn)可重復(fù)性測量精度相對點(diǎn)位精度

CPⅢ后方交會測量51

2.2.4、CPⅢ控制點(diǎn)的測量

（1）儀器要求

全站儀必須滿足如下精確度要求：

角度測量精確度：≤1〃

距離測量精確度：1㎜+2ppm

使用帶目標(biāo)自動搜索及測量的自動化全站儀。

每臺儀器應(yīng)至少配13套棱鏡，使用前應(yīng)對棱鏡進(jìn)行檢測。

（2）測量方法

CPⅢ控制網(wǎng)采用自由設(shè)站交會網(wǎng)（《客運(yùn)專線無碴軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》稱為“后方交會網(wǎng)”）的方法測量，自由測站的測量，從每個(gè)自由測站，將以2x3個(gè)CPⅢ-點(diǎn)為測量目標(biāo)，每次測量應(yīng)保證每個(gè)點(diǎn)測量3次，測量方法見下圖。

●測站（自由站點(diǎn)）

○CPⅢ控制點(diǎn)

→向CPⅢ點(diǎn)進(jìn)行的測量（方向、角度和距離）

←→CPⅢ控制點(diǎn)距離為60m左右，且不應(yīng)大于80m，觀測CPⅢ點(diǎn)允許的最遠(yuǎn)的目標(biāo)距離為120m左右，最大不超過180m。

每次測量開始前在全站儀初始行中輸入起始點(diǎn)信息并填寫自由測站記錄表，每一站測量3組完整的測回。

應(yīng)記錄于每個(gè)測站的：T溫度、氣壓以及CPI、CPⅡ-點(diǎn)上的目標(biāo)點(diǎn)的棱鏡高測量，并將溫度、氣壓改正輸入每個(gè)測站上。

對于線路有長短鏈時(shí)，應(yīng)注意區(qū)分重復(fù)里程及標(biāo)記的編號。

（3）水平角測量的精度應(yīng)按如下要求進(jìn)行：

①測量水平方向：3測回；

②測量測站至CPⅢ標(biāo)記點(diǎn)間的距離：3測回。

③方向觀測各項(xiàng)限差根據(jù)《精密工程測量規(guī)范》（GB/T15314-1994）的要求不應(yīng)超過下表的規(guī)定，觀測最后結(jié)果按等權(quán)進(jìn)行測站平差。

經(jīng)緯儀類型電子經(jīng)緯儀兩次讀數(shù)差半測回歸零差一測回內(nèi)2C互差同一方向值各測回互差

DJ050.54124

DJ0715125

DJ116126

注：DJ05為一測回水平方向中誤差不超過±0.5〃的經(jīng)緯儀。

④每個(gè)點(diǎn)應(yīng)觀測3個(gè)全測回。

⑤距離的觀測應(yīng)與水平角觀測同步進(jìn)行，并由全站儀自動進(jìn)行。

(4)平面測量可以根據(jù)測量需要分段測量，其測量范圍內(nèi)的CPⅡ點(diǎn)應(yīng)聯(lián)測。

2.2.5、與上一級CPⅡ控制點(diǎn)聯(lián)測

與上一級CPⅡ控制點(diǎn)聯(lián)測時(shí)應(yīng)保證800—1000米的間隔聯(lián)測一個(gè)。

（1）與上一級CPⅡ控制點(diǎn)聯(lián)測，一般情況下應(yīng)通過2個(gè)或以上線路上的自由測站，見下圖。

聯(lián)測高等級控制點(diǎn)時(shí)，應(yīng)最少觀測3個(gè)完整測回?cái)?shù)據(jù)（其精確度應(yīng)在5毫米誤差以下）。

與CPⅡ控制點(diǎn)聯(lián)測示意圖

●測站（自由站點(diǎn)）

○CPⅢ控制點(diǎn)

→向CPⅢ點(diǎn)進(jìn)行的測量（方向、角度和距離）

（2）為了使相鄰重合區(qū)域能夠滿足CPⅢ網(wǎng)絡(luò)的測量高均勻性和高精確度，每個(gè)重合區(qū)域至少要有3到4對CPⅢ點(diǎn)（約為180米的重合）一起測量，并且考慮平差，每個(gè)區(qū)域不小于4公里為宜。

橋梁、隧道段須與已有的獨(dú)立的隧道施工控制網(wǎng)相連接。通過選取適當(dāng)?shù)腃PⅡ點(diǎn)和CPⅢ特殊網(wǎng)點(diǎn)，來保證形成均勻的過渡段。

（3）CPⅢ控制網(wǎng)應(yīng)與線下工程竣工中線進(jìn)行聯(lián)測。

2.2.6、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在自由設(shè)站CPⅢ測量中，測量時(shí)必須使用與全站儀能自動記錄及計(jì)算的專用數(shù)據(jù)處理軟件，采用軟件必須通過鐵道部相關(guān)部門正式鑒定。

觀測數(shù)據(jù)存儲之前，必須對觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行檢核。包括如下內(nèi)容：

觀測者、記錄者、復(fù)核者簽名；

觀測日期、天氣等氣象要素記錄。

檢核方法可以采用手工或程序檢核。觀測數(shù)據(jù)經(jīng)檢核不滿足要求時(shí)，及時(shí)提出重測，經(jīng)檢核無誤并滿足要求時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，提交給數(shù)據(jù)計(jì)算、平差處理。數(shù)據(jù)計(jì)算、平差處理必須是經(jīng)采用通過鐵道部相關(guān)部門正式鑒定軟件，在計(jì)算報(bào)告中要說明軟件名稱。自由設(shè)站點(diǎn)、CPⅢ點(diǎn)進(jìn)行整體平差。平差計(jì)算時(shí)，要對各項(xiàng)精度作出評定。

3、高程控制網(wǎng)的建立

《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》中規(guī)定：

高程控制測量分為勘測高程控制測量、水準(zhǔn)基點(diǎn)高程控制測量和CPⅢ控制點(diǎn)高程控制測量。

控制網(wǎng)級別測量等級點(diǎn)間距

勘測高程控制測量二等水準(zhǔn)測量≤2000m

四等水準(zhǔn)測量

水準(zhǔn)基點(diǎn)高程控制測量二等水準(zhǔn)測量≤2000m

CPⅢ控制點(diǎn)高程控制測量精密水準(zhǔn)測量≤800m

各等級水準(zhǔn)測量精度

水準(zhǔn)測量等級每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差M△每千米水準(zhǔn)測量全中誤差MW限差

監(jiān)測以測段高差之差往返測不符值附和路線或環(huán)線閉合差左右線路高差不符值

二等水準(zhǔn)≤1.0≤2.0644-

精密水準(zhǔn)≤2.0≤4.012884

三等水準(zhǔn)≤3.0≤6.02012128

注：表中L為往返測段、附和或環(huán)線的水準(zhǔn)路線長度，單位為㎞。

3.1、高程控制測量

勘測高程控制測量、水準(zhǔn)基點(diǎn)高程控制測量依照國家相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行。

CPⅢ控制點(diǎn)高程控制測量又分為兩種：導(dǎo)線網(wǎng)CPⅢ控制點(diǎn)、后方交會網(wǎng)CPⅢ控制點(diǎn)高程控制測量。

CPⅢ控制點(diǎn)高程控制測量采用的水準(zhǔn)等級為精密水準(zhǔn)。

現(xiàn)對后方交會網(wǎng)CPⅢ控制點(diǎn)高程控制測量作詳細(xì)說明。3.1.1、測量方法

每一測段應(yīng)至少與3個(gè)二等水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，形成檢核。聯(lián)測時(shí)，往測時(shí)以軌道一側(cè)的CPⅢ水準(zhǔn)點(diǎn)為主線貫通水準(zhǔn)測量，另一側(cè)的CPⅢ水準(zhǔn)點(diǎn)在進(jìn)行貫通水準(zhǔn)測量擺站時(shí)就近觀測。返測時(shí)以另一側(cè)的CPⅢ水準(zhǔn)點(diǎn)為主線貫通水準(zhǔn)測量，對側(cè)的水準(zhǔn)點(diǎn)在擺站時(shí)就近聯(lián)測。

往測水準(zhǔn)路線示意圖

水準(zhǔn)返測示意圖

3.1.2、CPⅢ高程控制點(diǎn)精度要求

CPⅢ控制點(diǎn)水準(zhǔn)測量應(yīng)按《客運(yùn)專線無碴軌道鐵路工程測量技術(shù)暫行規(guī)定》中的“精密水準(zhǔn)”測量的要求施測。CPⅢ控制點(diǎn)高程測量工作應(yīng)在CPⅢ平面測量完成后進(jìn)行，并起閉于二等水準(zhǔn)基點(diǎn)，且一個(gè)測段聯(lián)測不應(yīng)少于三個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)。

精密水準(zhǔn)測量采用滿足精度要求的水準(zhǔn)儀，配套因瓦尺。使用儀器設(shè)備應(yīng)在鑒定期內(nèi)，有效期最多為一年，每年必須對測量儀器精確度進(jìn)行一次校準(zhǔn)，每天使用該儀器之前，對儀器進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)。

精密水準(zhǔn)測量的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求

等級每千米高差全中誤差（㎜）路線長度（km）

水準(zhǔn)儀等級

水準(zhǔn)尺

觀測次數(shù)往返較差或閉合差（㎜）

與已知點(diǎn)聯(lián)測附合或環(huán)線

精密水準(zhǔn)42DS1因瓦往返往返8

注：①結(jié)點(diǎn)之間或結(jié)點(diǎn)與高級點(diǎn)之間，其路線的長度，不應(yīng)大于表中規(guī)定的0.7倍。

②L為往返測段、附合或環(huán)線的水準(zhǔn)路線長度，單位km。

（2）精密水準(zhǔn)觀測應(yīng)符合以下要求

等級

水準(zhǔn)尺類型

水準(zhǔn)儀等級視距（m）前后視距差（m）測段的前后視距累積差（m）視線高度（m）

精密水準(zhǔn)因瓦DS1≤60≤2.0≤4.0下絲讀數(shù)≥0.3

DS05≤65

注：①L為往返測段、附合或環(huán)線的水準(zhǔn)路線長度，單位km。

②DS05表示每千米水準(zhǔn)測量高差中誤差為±0.5㎜。

（3）測站觀測限差

等級上下絲讀數(shù)平均值與中絲讀數(shù)的差基輔分劃讀數(shù)的差基輔分劃所測高差的差檢測間歇點(diǎn)高差的差

精密1.50.50.71.0

因水準(zhǔn)路線較短，故不設(shè)間歇點(diǎn)。

視距長≤60m；

前后視距差≤1.0m；

前后視距累計(jì)差≤3.0m。

上述觀測限差超限時(shí)，重新觀測。

測站數(shù)為偶數(shù)，一般為6或8個(gè)。由往測轉(zhuǎn)往返測時(shí)，兩支標(biāo)尺應(yīng)互換位置，并應(yīng)重新整置儀器。

3.1.4、CPⅢ控制點(diǎn)高程測量數(shù)據(jù)處理

CPⅢ控制點(diǎn)高程測量應(yīng)嚴(yán)密平差，平差計(jì)算取位下表中精密水準(zhǔn)測量的規(guī)定執(zhí)行。

精密水準(zhǔn)測量計(jì)算取位

等級往（返）測距離總和（km）往（返）測距離中數(shù)（km）各測站高差（㎜）往（返）測高差總和（㎜）往（返）測高差中數(shù)（㎜）高程（㎜）

精密水準(zhǔn)0.010.10.010.010.10.1

4、CPⅢ測量所使用的儀器

4.1

、全站儀

適合于進(jìn)行CPⅢ測量的全站儀有Leica（徠卡）系列的：TCA1201+，TCRP1201+，TCA1800，TCA2003等

TCA2003TCA1800

TCRP1201+TCA1201+

每臺儀器應(yīng)至少配13套棱鏡，使用前應(yīng)對棱鏡進(jìn)行檢測。

注：使用前應(yīng)對配合全站儀使用的所有棱鏡進(jìn)行檢測，所有棱鏡的棱鏡常數(shù)都必須相同。4.2、

水準(zhǔn)儀

在進(jìn)行CPⅢ精密水準(zhǔn)測量時(shí)應(yīng)該使用精密水準(zhǔn)儀，徠卡滿足使用需求的光學(xué)水準(zhǔn)儀是NA2；

NA2精密光學(xué)水準(zhǔn)儀相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

每公里往返測高程精度0.7㎜，0.3㎜(帶測微計(jì)）

放大倍率標(biāo)準(zhǔn)32x，

補(bǔ)償器設(shè)置精度0.3"

補(bǔ)償器工作范圍±30'

工作溫度-20℃到+50℃

貯藏溫度-40℃到+70℃

CPⅢ控制點(diǎn)因?yàn)辄c(diǎn)數(shù)繁多，水準(zhǔn)測量工作量大，故推薦使用精密電子水準(zhǔn)儀。

徠卡DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀憑借其卓越的性能，穩(wěn)定的表現(xiàn)獲得了多家高鐵施工單位的青睞與肯定，在已建成和在建的高速鐵路工程中都有著廣泛的應(yīng)用。

DNA03

5、結(jié)語

徠卡測量儀器因?yàn)槠渥吭降臏y量精度與穩(wěn)定性，獲得了廣大測量人員的充分肯定。在中國高速鐵路的建設(shè)過程中徠卡測量儀器的身影無處不在。

在國內(nèi)已經(jīng)建成的高速鐵路中，徠卡測量儀器有非常成功的應(yīng)用經(jīng)