自由設(shè)站邊角交會(huì)法在無砟軌道施工與精調(diào)中的應(yīng)用

郎建平,劉千文

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司,北京 100018)

1 工程概況

武廣客運(yùn)專線是加快我國(guó)鐵路現(xiàn)代化建設(shè)的重點(diǎn)工程,具有線路里程長(zhǎng)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高、投資規(guī)模大等特點(diǎn)。我集團(tuán)公司承擔(dān)施工的武廣客運(yùn)專線 X X T JⅢ標(biāo)一單元工程項(xiàng)目,位于湖南省株洲市、湘潭市、株洲縣和湘潭縣境內(nèi),沿途經(jīng)過十二個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。施工范圍里程為:D K 1 592+585.18～D K 1 656+097.08,正線全長(zhǎng)62.628 k m。該段概略地理坐標(biāo)為:東經(jīng) 112°53′～113°05′、北緯 27°26′～ 27°58′。地區(qū)植被繁茂,交通不便,雨季時(shí)間長(zhǎng),測(cè)量環(huán)境比較惡劣。

普通鐵路常規(guī)的控制測(cè)量基本上是以導(dǎo)線測(cè)量為主,外業(yè)觀測(cè)量小、內(nèi)業(yè)計(jì)算簡(jiǎn)單,網(wǎng)型比較靈活自由,受控制點(diǎn)點(diǎn)間距離長(zhǎng)度影響小。但其精度不能滿足無砟軌道施工和軌道精調(diào)要求。自由設(shè)站邊角交會(huì)對(duì)網(wǎng)形要求比較嚴(yán),控制點(diǎn)間距離必須控制在 60 m左右,最長(zhǎng)不超過 70 m,其測(cè)量方法、觀測(cè)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)、內(nèi)業(yè)計(jì)算等都有新的內(nèi)容。在武廣鐵路客運(yùn)專線無砟軌道施工控制測(cè)量和軌道精調(diào)施工中,運(yùn)用自由設(shè)站邊角交會(huì)法在 CPⅢ網(wǎng)控制測(cè)量中,取得了很好的效果。

2 CPⅡ控制點(diǎn)加密

為確保軌道施工質(zhì)量和控制全線施工線路中線的平順連接,為 CPⅢ控制網(wǎng)提供高精度的位置基準(zhǔn),必須對(duì)設(shè)計(jì)院提供的本標(biāo)段范圍內(nèi)的 CPI、CPⅡ控制點(diǎn)進(jìn)行全面的復(fù)測(cè)。同時(shí),為建立 CPⅢ控制網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)施工測(cè)量的需要,在線路兩側(cè)按每 500 m左右間距加密了一定數(shù)量的 CPⅡ平面控制點(diǎn),相鄰標(biāo)段連接處,在 GPS觀測(cè)時(shí)兩端各延伸 2個(gè) CPI點(diǎn),以保證與相鄰標(biāo)段的平順連接。

CⅡ控制點(diǎn)復(fù)測(cè)與加密采用了 8臺(tái)高精度 GPS接收機(jī)同時(shí)作業(yè)的觀測(cè)模式,以提高 GPS觀測(cè)網(wǎng)形的圖形強(qiáng)度。網(wǎng)形以大地四邊形和中點(diǎn)多邊形為主,各時(shí)段以邊進(jìn)行連接,按線路里程順序把所有的大地四邊形、中點(diǎn)多邊形和各三角形聯(lián)成一個(gè)整體,作為平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)與加密的主網(wǎng)形。外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)均采用瑞士Le ica公司提供的網(wǎng)平差軟件 LGO自動(dòng)地進(jìn)行基線矢量解算,并進(jìn)行基線解算質(zhì)量的分析、同步環(huán)和異步環(huán)的閉合差分析以及重復(fù)邊的基線較差分析,之后將所觀測(cè)的所有合格基線矢量疊加在一起,進(jìn)行 GPS網(wǎng)的整體平差。

經(jīng)過外業(yè)觀測(cè)和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及其分析,其控制點(diǎn)數(shù)量和精度完全滿足 CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量要求。

3 CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量

3.1 CPⅢ控制網(wǎng)的布設(shè)

CPⅢ控制網(wǎng)的固定點(diǎn)沿線路布置在路基兩側(cè)的接觸網(wǎng)基座輔助立柱、橋梁防撞墻、隧道壁上,根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)情況,每隔 50～60 m布置一對(duì)點(diǎn)。在兩對(duì)點(diǎn)之間,相隔 100～120 m布置自由測(cè)站點(diǎn),對(duì)前后各三對(duì)點(diǎn)(共 12個(gè)CPⅢ平面控制點(diǎn))進(jìn)行邊角交會(huì)。這樣,每個(gè) CPⅢ控制點(diǎn)有三個(gè)自由設(shè)站點(diǎn)的交會(huì)方向。CPⅢ平面控制網(wǎng)附合在 CPI、CPⅡ或加密的高級(jí)控制點(diǎn)上,約相隔 500～800 m在自由設(shè)站點(diǎn)上對(duì)附近的高級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行方向、邊長(zhǎng)聯(lián)測(cè),以傳遞坐標(biāo)和控制誤差積累。當(dāng)在自由設(shè)站點(diǎn)上不能直接觀測(cè)高級(jí)控制點(diǎn)時(shí),可設(shè)輔助站點(diǎn);當(dāng)布設(shè)自由設(shè)站點(diǎn)遇到特殊情況時(shí),可隔 60 m加設(shè)一個(gè)測(cè)站點(diǎn),在加站點(diǎn)上仍可觀測(cè)12個(gè)方向。當(dāng)在正常的兩個(gè)自由設(shè)站點(diǎn)之間加設(shè)一個(gè)測(cè)站點(diǎn)時(shí),加站點(diǎn)上可只觀測(cè) 8個(gè)方向。正常的 CPⅢ控制網(wǎng)網(wǎng)形如圖1所示。

圖1 CPⅢ控制網(wǎng)示意

3.2 CPⅢ測(cè)量標(biāo)志設(shè)計(jì)

CPⅢ控制網(wǎng)的相對(duì)精度要求較高,并且邊長(zhǎng)較短,因此,測(cè)量標(biāo)志必須采用強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志。水平角觀測(cè)誤差主要來源于儀器誤差、目標(biāo)偏心誤差和外界條件的影響。按最短邊考慮,由測(cè)量標(biāo)志對(duì)中誤差引起的方向中誤差不大于觀測(cè)方向中誤差的(即2.5/來設(shè)計(jì)對(duì)中精度 mc,則

因此,測(cè)量標(biāo)志強(qiáng)制對(duì)中的誤差一般不應(yīng)大于0.2 mm,最大不超過 0.4 mm。

CPⅢ測(cè)量標(biāo)志聯(lián)結(jié)件采用固定套筒,直桿軸橫插形式(見圖2)。左邊是鑲?cè)雺w的固定套筒,中間是長(zhǎng)軸,右邊是短軸。長(zhǎng)軸用于測(cè)量高程,短軸則用于測(cè)量三維坐標(biāo),即無砟軌道放樣、粗調(diào)和精調(diào)測(cè)量。棱鏡采用原裝徠卡金屬框架棱鏡。

圖2 CPⅢ測(cè)量標(biāo)志聯(lián)結(jié)件

聯(lián)結(jié)件主要零件均采用 1C r 18N i 9不銹鋼的合金材料,具有防銹性能,可減小因溫差變化過大所引起的施工問題,適合用于野外露天作業(yè)。

路基地段的 CPⅢ點(diǎn)在接觸網(wǎng)基礎(chǔ)(出露路肩 0.3 m)上布設(shè)永久輔助立柱,間距約 50 m左右設(shè)置標(biāo)志。立柱采用直徑 20 cm的鋼筋混凝土圓柱,高度 1.2～1.3 m。

在橋、隧邊墻及混凝土柱子上,每隔 60 m左右設(shè)置一對(duì) CPⅢ標(biāo)志套筒,每一對(duì)標(biāo)志允許的最大里程差為 3 m。鉆孔采用直徑 20 cm鉆頭,深 8 cm,鉆孔時(shí)必須保證孔能大致水平。

3.3 CPⅢ控制網(wǎng)觀測(cè)

3.3.1 CPⅢ平面觀測(cè)

CPⅢ自由設(shè)站邊角交會(huì)是在自由設(shè)站點(diǎn)上對(duì) CPⅢ點(diǎn)進(jìn)行方向和邊長(zhǎng)觀測(cè)。觀測(cè)采用帶自動(dòng)照準(zhǔn)功能的全站儀,其測(cè)角標(biāo)稱精度不低于 1″,測(cè)距標(biāo)稱精度不低于 2 mm+2 p p m。按測(cè)角中誤差和測(cè)回?cái)?shù)統(tǒng)計(jì),用全圓方向法觀測(cè) 2個(gè)測(cè)回可達(dá)到 3.5″測(cè)角中誤差的要求。觀測(cè)的技術(shù)要求:半測(cè)回歸零差不大于 6″,一測(cè)回中 2倍照準(zhǔn)差變動(dòng)不大于 9″,同一方向值各測(cè)回較差不大于 6″,同一方向距離值各測(cè)回較差不大于 3 mm。

CPⅢ在一個(gè)測(cè)站上觀測(cè)方向一般為 12個(gè),為減少外界對(duì)觀測(cè)的影響,可進(jìn)行分組觀測(cè)。為減少氣象條件對(duì)觀測(cè)的影響,一般選擇在夜間觀測(cè)比較適宜。

為保證每次測(cè)量時(shí)同一個(gè)點(diǎn)使用同一個(gè)棱鏡,應(yīng)對(duì)測(cè)量需要的 12個(gè)棱鏡進(jìn)行編號(hào) 1～12,并對(duì)每個(gè) CPⅢ點(diǎn)使用的棱鏡號(hào)和連接器進(jìn)行記錄。

在自由站上測(cè)量 CPⅢ同時(shí),應(yīng)將靠近線路的 CPI點(diǎn)及全部 CPⅡ點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè),納入網(wǎng)中。C PⅠ/CPⅡ點(diǎn)應(yīng)至少在三個(gè)自由站上進(jìn)行聯(lián)測(cè),每段 CPⅢ測(cè)量必須起閉與 CPI/CPⅡ,聯(lián)測(cè)長(zhǎng)度應(yīng)控制在150 m之內(nèi)。當(dāng)受觀測(cè)條件限制,只能有一個(gè)自由站點(diǎn)和C PⅠ/CPⅡ通視時(shí),應(yīng)設(shè)置輔助點(diǎn)。

根據(jù)線下構(gòu)筑物施工實(shí)際情況,CPⅢ控制網(wǎng)必須按分段觀測(cè)、分段計(jì)算,分段長(zhǎng)度一般為 4 k m左右。在分段觀測(cè)連接處應(yīng)有三條邊 8個(gè) CPⅢ控制點(diǎn)作為公共點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè),如圖3所示。

3.3.2 CPⅢ高程觀測(cè)

CPⅢ控制網(wǎng)點(diǎn)與點(diǎn)之間的水準(zhǔn)路線,采用如圖4所示的水準(zhǔn)路線形式進(jìn)行觀測(cè),每相鄰的四個(gè) CPⅢ點(diǎn)之間均構(gòu)成一個(gè)閉合環(huán),以保證觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

CPⅢ控制點(diǎn)水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)按精密水準(zhǔn)測(cè)量的要求施測(cè)。CPⅢ控制點(diǎn)高程測(cè)量工作應(yīng)在 CPⅢ平面測(cè)量完成后進(jìn)行,并起閉于二等水準(zhǔn)基點(diǎn),且每一測(cè)段應(yīng)至少與 3個(gè)二等水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè),形成檢核。

圖3 分段觀測(cè)連接處

圖4 CPⅢ高程觀測(cè)線路示意

精密水準(zhǔn)測(cè)量采用滿足精度要求的電子水準(zhǔn)儀(電子水準(zhǔn)儀每千米水準(zhǔn)測(cè)量高差中誤差為 ±0.3 mm),配套因瓦尺。使用儀器設(shè)備應(yīng)在鑒定期內(nèi),有效期為一年。每年必須對(duì)測(cè)量?jī)x器精確度進(jìn)行一次校準(zhǔn),每天使用儀器前,根據(jù)自帶的軟件對(duì)儀器進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)。

4 CPⅢ控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

在自由設(shè)站 CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量中,測(cè)量時(shí)使用與全站儀能自動(dòng)記錄及計(jì)算的專用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄。手工校驗(yàn)的修正參數(shù),必須記錄在案。

CPⅢ控制網(wǎng)的平面數(shù)據(jù)處理采用鐵二院與西南交大聯(lián)合開發(fā)的 CPⅢ數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理,處理結(jié)果不能滿足所要求的精度指標(biāo)時(shí),應(yīng)進(jìn)行返工測(cè)量。各項(xiàng)精度要求如下:

1)約束平差坐標(biāo)及其精度 M X(mm)、M Y(mm)＜1;

2)約束網(wǎng) CPⅢ點(diǎn)間方位角、邊長(zhǎng)及其相對(duì)精度 E(mm)、F(mm)平方和的平方根 ＜1;

3)兩期獨(dú)立測(cè)量成果坐標(biāo)較差 ΔX(mm)、ΔY(mm)均 ＜3 mm。

CPⅢ控制點(diǎn)高程數(shù)據(jù)處理同樣采用鐵二院與西南交大聯(lián)合開發(fā)的專業(yè) CPⅢ數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理,平差時(shí)計(jì)算取位按精密水準(zhǔn)測(cè)量的規(guī)定執(zhí)行。

5 結(jié)語

無砟軌道是鐵路客運(yùn)專線施工的核心,而 CPⅢ控制網(wǎng)是鋪設(shè)無砟軌道和軌道精調(diào)的關(guān)健。CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量必須以 CPI、CPⅡ作為基礎(chǔ),要保證 CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量精度,首先要保證 CPI、CPⅡ控制點(diǎn)的精度。線下施工時(shí) CPI、CPⅡ點(diǎn)點(diǎn)間距過長(zhǎng),且 CPⅡ只需滿足線下施工精度要求。而 CPI一般在 4 k m左右一對(duì),不能滿足 CPⅢ測(cè)量需要,這就需要加密 CPⅡ,同時(shí),對(duì)設(shè)計(jì)院提供的 CPI、CPⅡ進(jìn)行復(fù)測(cè)。CPⅢ控制測(cè)量雖然是以 CPI、CPⅡ?yàn)榛A(chǔ),但 CPⅢ控制點(diǎn)間距離過短,用導(dǎo)線測(cè)量方法無法保證其高精度。我們采用自由設(shè)站邊角交會(huì)測(cè)量方法,解決了 CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量的精度問題,保證了無砟軌道施工精度和軌道的高平順度。

[1]李青岳.工程測(cè)量學(xué)[M].北京:測(cè)繪出版社,1984.