成都市地鐵一號線控制網(wǎng)的布設(shè)

成都市地鐵一號線控制網(wǎng)的布設(shè)

[摘要]本文介紹了成都市地鐵一號線平面及高程控制網(wǎng)布設(shè)的過程,通過對精度指標(biāo)的分析,總結(jié)了地鐵控制網(wǎng)區(qū)別于城市傳統(tǒng)控制網(wǎng)的特點。

[關(guān)鍵詞]地鐵;ＧＰＳ;精密導(dǎo)線;精密水準(zhǔn)

成都市地鐵工程是根據(jù)城市總體規(guī)劃擬建的重大建設(shè)項目,工程投資大,建設(shè)周期長,對社會和經(jīng)濟發(fā)展都具有深遠(yuǎn)的影響。作為工程的前期準(zhǔn)備,2001年11月成都市勘察測繪研究院承擔(dān)了成都地鐵一號線工程平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)的布設(shè)任務(wù),并于2002年1月布設(shè)完成,2004年11月對該網(wǎng)進行了復(fù)測。控制網(wǎng)成果精度優(yōu)良,能夠滿足地鐵測量規(guī)范的要求。本文通過該工程,就地鐵控制網(wǎng)的特點與業(yè)內(nèi)同行進行交流探討,現(xiàn)將控制網(wǎng)布設(shè)的情況介紹如下。

1工程概況

成都地鐵一號線工程規(guī)劃設(shè)計線路呈“?！毙?沿南北方向貫穿市區(qū),全線長約25ｋｍ,沿線設(shè)有10余個車站。測區(qū)大部分為繁華地段,車輛眾多,行人擁擠,沿線高層建筑物林立,大功率信號源密布,使平面控制網(wǎng)選點和觀測極為困難。

控制網(wǎng)的布設(shè)按照《地下鐵道、輕軌交通工程測量規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)的相關(guān)規(guī)定進行,網(wǎng)形沿地鐵走向呈帶狀分布。平面控制網(wǎng)分兩級布設(shè),首級為ＧＰＳ控制網(wǎng),二級為精密導(dǎo)線網(wǎng)。高程控制網(wǎng)為精密水準(zhǔn)網(wǎng)。

2控制網(wǎng)精度指標(biāo)

《規(guī)范》總則中規(guī)定,地鐵橫向貫通中誤差應(yīng)在±50ｍｍ之內(nèi),高程貫通中誤差應(yīng)在±25ｍｍ之內(nèi)。分配到地面控制測量的橫向中誤差為±25ｍｍ,地面高程控制測量的中誤差為±16ｍｍ。在此基礎(chǔ)上《規(guī)范》制定了平面及水準(zhǔn)控制網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo),作為本工程控制網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的依據(jù)。

3首級ＧＰＳ控制網(wǎng)

布網(wǎng)方案

平面控制網(wǎng)采用成都市坐標(biāo)系統(tǒng),投影面采用城市平均高程面,選擇原城市坐標(biāo)系統(tǒng)也便于地鐵成果與已有的城市勘測資料銜接。根據(jù)甲方要求,并結(jié)合本工程具體情況,地鐵一號線首級ＧＰＳ控制網(wǎng)在每個地鐵車站附近布設(shè)了至少1個ＧＰＳ點,每個ＧＰＳ點至少有2個通視方向,地鐵線路交叉地段至少布設(shè)一對ＧＰＳ點。同時,在測區(qū)范圍內(nèi)及周邊區(qū)域選擇了9個滿足ＧＰＳ觀測條件的原城市高等級控制點,作為起算數(shù)據(jù)選擇的依據(jù)或作為重合點。全網(wǎng)共由51點組成,其中新選點42個,共觀測93條基線。網(wǎng)中最短邊長:327ｍ(不作為精密導(dǎo)線起算邊),最長邊長:25617ｍ,平均邊長2285ｍ?？刂凭W(wǎng)圖見圖1。

觀測及基線數(shù)據(jù)處理

ＧＰＳ測量選用4臺Ｔｒｉｍｂｌｅ5700雙頻接收機進行觀測,同步觀測時間不小于60分鐘,對控制網(wǎng)中的長邊基線大地四邊形觀測時間為360分鐘?；€解算完成后經(jīng)同步環(huán)、異步環(huán)的檢驗,成果精度優(yōu)良。檢驗結(jié)果見表1。

平差計算

ＷＧＳ—84坐標(biāo)系中的無約束平差

在ＷＧＳ—84坐標(biāo)系中的無約束平差后,其相對精度最弱值為1/220871(ｍ),最強值達到了1/4446382(ｍ),無約束平差的精度統(tǒng)計見表2。

成都坐標(biāo)系中的約束平差

根據(jù)《規(guī)范》要求,地鐵控制網(wǎng)應(yīng)按獨立網(wǎng)的原則進行布設(shè),ＧＰＳ控制網(wǎng)與原控制點坐標(biāo)較差50ｍｍ。本控制網(wǎng)中聯(lián)測的9個原城市高等級控制點,由于布網(wǎng)時間不同、觀測手段限制等歷史原因,其精度不可能全部達到地鐵規(guī)范要求。因此約束平差時,需要對聯(lián)測的已知點進行精度檢驗和篩選,使作為約束條件的已知點既能最大限度保證地鐵控制網(wǎng)與原城市坐標(biāo)系統(tǒng)的兼容,又不會破壞ＧＰＳ網(wǎng)本身的精度。通過數(shù)據(jù)分析并結(jié)合建設(shè)單位專家組意見,決定固定一個基準(zhǔn)點和一個基準(zhǔn)方位作為約束條件進行平差。

起算點及起算方位選擇遵循以下原則:

(1)對所有聯(lián)測點坐標(biāo)進行精度分析:分別以各聯(lián)測點為位置基準(zhǔn)進行無約束平差,分析其它聯(lián)測點的平差坐標(biāo)值與已知值的較差。

(2)利用坐標(biāo)較差和與基準(zhǔn)點的距離,計算方位變化和尺度變化。可認(rèn)為方位變化和尺度變化較小的聯(lián)測點與基準(zhǔn)點精度較一致。

(3)選取精度較一致的點,按不同組合(一個基準(zhǔn)點和一個方位)進行無約束平差,分析平差結(jié)果的單位權(quán)中誤差。選取單位權(quán)中誤差較小一組來進行最后成果輸出。

經(jīng)過以上過程篩選,以最后選定的起算點和方位角進行最終解算,約束平差后成果精度統(tǒng)計見表3、表4。

其中點位中誤差最大為±ｍｍ;最小為±ｍｍ;平均值為±ｍｍ,均小于《規(guī)范》要求的±12ｍｍ。

其中,相對中誤差最弱為1/221007(ｍ);最強為1/6093959(ｍ),平均為1/1255285,均小于《規(guī)范》要求的1/90000。

由于使用起算數(shù)據(jù)較少,而需要兼顧的因素又較多,故已知點篩選過程嚴(yán)格而繁瑣,對平差后的基線又用全站儀進行了反復(fù)檢核,以確保成果的正確。

4精密導(dǎo)線網(wǎng)

精密導(dǎo)線網(wǎng)沿地鐵一號線走向布設(shè),導(dǎo)線點起閉于首級ＧＰＳ控制點,采用附合導(dǎo)線或多結(jié)點導(dǎo)線網(wǎng)。為了便于定測和施工測量,精密導(dǎo)線點盡量設(shè)在地面,每個車站附近至少有3個精密導(dǎo)線點。精密導(dǎo)線網(wǎng)共由92點組成,網(wǎng)中新選導(dǎo)線點72點,最短邊ｍ,最長邊ｍ,平均邊長ｍ。使用Ⅰ級全站儀ＬｅｉｃａＴＣ1800按照四等導(dǎo)線技術(shù)要求進行觀測,嚴(yán)密平差后精度統(tǒng)計見表5。

實際工作中,曾發(fā)生過導(dǎo)線超限的情況,經(jīng)用另一套Ｌｅｉｃａ1800對超限線路所有測站水平角進行重測,其觀測較差最大值為±″,證明水平角觀測不存在粗差。經(jīng)過分析我們認(rèn)為,地鐵《規(guī)范》中的精密導(dǎo)線總長度約3～5ｋｍ、平均邊長350ｍ,遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)四等導(dǎo)線長度10ｋｍ、平均邊長ｋｍ的規(guī)格,長度的縮短使達到同樣相對精度的難度增大;本工程由于現(xiàn)場條件限制邊長則更短,一些地段相鄰邊長相差較大,且在鬧市區(qū)觀測條件極為困難,容易引起誤差超限。后又在該線路上另埋設(shè)兩個臨時點以增加圖形強度,重新觀測平差后,測角中誤差降低為″,最終滿足了《規(guī)范》的要求。就本工程而言,《規(guī)范》規(guī)定的精度指標(biāo)顯得比較苛刻,經(jīng)推算將測角中誤差放寬至″、測距相對中誤差放寬至1/50000,即能滿足導(dǎo)線相鄰點相對中誤差±8ｍｍ、地面控制測量橫向中誤差±25ｍｍ的要求。

5精密水準(zhǔn)網(wǎng)

布網(wǎng)方案

精密水準(zhǔn)網(wǎng)采用成都市原有高程系統(tǒng)。每個車站及車輛段布設(shè)了2個以上水準(zhǔn)點,共埋設(shè)24個深埋標(biāo)石和22個墻標(biāo),另將沿線可利用的14個城市二等水準(zhǔn)點和所有的地面精密導(dǎo)線點均納入水準(zhǔn)觀測線路。為了提高圖形強度,確保相鄰車站高程的相對精度,設(shè)計了較多的閉合環(huán)線,共計形成水準(zhǔn)環(huán)17個,線路長度約110ｋｍ。

觀測及平差計算

精密水準(zhǔn)網(wǎng)的觀測使用ＤＳ05級儀器ＺｅｉｓｓＮｉ004,按二等水準(zhǔn)測量技術(shù)要求進行,經(jīng)檢核各項觀測精度指標(biāo)均優(yōu)于地鐵《規(guī)范》要求。為了保證整個水準(zhǔn)網(wǎng)精度不受起始數(shù)據(jù)誤差影響,本網(wǎng)按獨立網(wǎng)進行平差計算,沿線已有的二等水準(zhǔn)點高程值作為本次成果的檢測值。嚴(yán)密平差后精度統(tǒng)計見表6。

6控制網(wǎng)的復(fù)測

2001年控制網(wǎng)布設(shè)完成后,通過了專家的評審驗收,并向建設(shè)單位提交了成果。2004年,地鐵一號線工程開始局部啟動,為保證施工順利進行,我院按照原布網(wǎng)的精度要求對該控制網(wǎng)進行了復(fù)測。由于距首次布網(wǎng)已近3年,期間成都市諸多市政建設(shè)項目大規(guī)模實施,不可避免地對沿線原控制點造成一定程度的影響,其中地面埋石點破壞較多。在復(fù)測中,對控制網(wǎng)中局部被破壞的點位進行了重新補埋,對尚存的控制點進行了校核。復(fù)測的網(wǎng)形和線路及施測過程與2001年基本相同,復(fù)測后新成果與原成果較差統(tǒng)計見表7。

通過復(fù)測成果與原成果的比較,證明原成果精度是可靠的。由于ＧＰＳ控制點大多布設(shè)于不易破壞的房頂,雖歷經(jīng)3年,平面控制網(wǎng)未發(fā)生明顯變形。埋設(shè)于地面的精密水準(zhǔn)點由于各種因素影響,高程有正常的微小沉降。最后以復(fù)測的新成果提交建設(shè)單位作為施工控制依據(jù)。

7經(jīng)驗及體會

(1)地鐵控制網(wǎng)是針對特殊工程的專用獨立控制網(wǎng),精度要求高于同等級的城市控制網(wǎng)。布點時應(yīng)認(rèn)真了解建設(shè)單位需求,須綜合考慮線路走向、站點分布、控制點密度、長期保存性等因素,精心設(shè)計。

(2)地鐵首級ＧＰＳ網(wǎng)的規(guī)格,大致相當(dāng)于傳統(tǒng)控制網(wǎng)中的四等網(wǎng),但精度指標(biāo)卻高于傳統(tǒng)的三等網(wǎng)。盡管精度指標(biāo)提高了一個等級,采用ＧＰＳ觀測還是比較容易滿足要求的。約束平差時應(yīng)注意慎重選擇起算數(shù)據(jù),既要防止ＧＰＳ網(wǎng)變形,又應(yīng)保證與原系統(tǒng)兼容。

(3)地鐵精密導(dǎo)線精度指標(biāo)大致相當(dāng)于傳統(tǒng)四等導(dǎo)線的要求,但邊長卻遠(yuǎn)小于后者。地鐵線路大多經(jīng)過繁華鬧市區(qū),選點限制條件多,觀測條件也較差,要取得符合《規(guī)范》要求的精度是不容易的。

(4)地鐵精密水準(zhǔn)網(wǎng)精度介于二、三等水準(zhǔn)測量之間,因此只要嚴(yán)格按照二等水準(zhǔn)觀測的技術(shù)要求作業(yè),平差后的精度比較容易滿足《規(guī)范》要求。

(5)由于地鐵建設(shè)周期較長,需要定期對控制網(wǎng)復(fù)測。布網(wǎng)選點時應(yīng)充分考慮點位的長久保存,