淺論成渝客運(yùn)專線CPⅠ平面復(fù)測(cè)技術(shù)

程躍勝

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司,天津 30022)

1 工程概況

新建成都至重慶鐵路客運(yùn)專線工程CYSG-4標(biāo)段四分部起于雙石一號(hào)隧道，止于永川渝昆高速2號(hào)雙線特大橋末端,起訖里程為DK229+302.81～DK240+170.56,正線長(zhǎng)10.88 km。該標(biāo)段范圍內(nèi)平面控制點(diǎn)有7個(gè)CPⅠ點(diǎn)，平面控制網(wǎng)仍采用勘測(cè)階段定義的工程獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng),即工程橢球上的高斯平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)。工程橢球構(gòu)建采用改變WGS-84橢球參數(shù)的方法,即橢球長(zhǎng)半軸直接加投影面大地高,并保持扁率和定向不變。成渝客運(yùn)專線本標(biāo)段內(nèi)投影高程面大地高為280 m,高斯投影中央子午線為106°,東坐標(biāo)和北坐標(biāo)的加常數(shù)分別為500 km和0 km。

2 平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)技術(shù)方案

成渝客運(yùn)專線CYSG-4標(biāo)段CPⅠ控制網(wǎng)平面復(fù)測(cè)采取GPS靜態(tài)測(cè)量方法。本次平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)采用了標(biāo)稱精度為±(5+1×10-6D) mm的美國(guó)Trimble公司的雙頻測(cè)量型GPS接收機(jī),其中2臺(tái)型號(hào)為5700、5臺(tái)型號(hào)為R6。為使本次復(fù)測(cè)的控制網(wǎng)成果與原建網(wǎng)的控制網(wǎng)成果,在精度上具有可比性,根據(jù)參考文獻(xiàn)[1,2]中平面控制測(cè)量等級(jí)規(guī)定和本項(xiàng)目實(shí)際情況,基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPⅠ)復(fù)測(cè)采用高鐵二等GPS控制網(wǎng)精度要求。為與相鄰標(biāo)段銜接,需聯(lián)測(cè)相鄰標(biāo)段兩個(gè)CPⅠ平面控制點(diǎn)。

CPⅠGPS測(cè)量控制網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo),應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 二等GPS控制網(wǎng)測(cè)量的主要技術(shù)要求

注：當(dāng)基線長(zhǎng)度短于500 m時(shí),二、三等邊長(zhǎng)中誤差應(yīng)小于5 mm。

CPⅠGPS測(cè)量作業(yè)的基本技術(shù)要求,應(yīng)符合表2的規(guī)定。

3 復(fù)測(cè)實(shí)施

復(fù)測(cè)前首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查,檢查標(biāo)石的完好性,對(duì)丟失和破損較嚴(yán)重的標(biāo)石按原控制點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)。采用的儀器設(shè)備等級(jí)、計(jì)算軟件精度不低于原測(cè),觀測(cè)方法要求、精度指標(biāo)、網(wǎng)形結(jié)構(gòu)與原測(cè)相同。成渝客運(yùn)專線CYSG-4標(biāo)段范圍內(nèi)地勢(shì)崎嶇,山坡較多,點(diǎn)間交通多不便,必須制定嚴(yán)格的作業(yè)計(jì)劃,分配好作業(yè)時(shí)間,精心組織。由于線路較長(zhǎng)而曲折,工期緊,任務(wù)重,首級(jí)施工控制網(wǎng)CPⅠ復(fù)測(cè)難度較大。

表2 各等級(jí)GPS測(cè)量作業(yè)的基本技術(shù)要求

3.1 基線組網(wǎng)

依據(jù)相關(guān)網(wǎng)形和連接數(shù)的規(guī)范要求,對(duì)平面控制網(wǎng)進(jìn)行基線組網(wǎng),優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)方案,在外業(yè)觀測(cè)和內(nèi)業(yè)基線數(shù)據(jù)處理過程中,嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)優(yōu)化方案執(zhí)行。

平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)與勘測(cè)設(shè)計(jì)單位構(gòu)網(wǎng)原則相同,采用邊聯(lián)式構(gòu)網(wǎng),以大地四邊形和三角形為基本圖形,組成帶狀網(wǎng)。按照布網(wǎng)方案要求,每條邊觀測(cè)兩個(gè)時(shí)段,CPⅠ每個(gè)時(shí)段觀測(cè)時(shí)間不少于90 min。

為保證線路上所有控制點(diǎn)成果具有較高的可靠性和盡量保證點(diǎn)位精度的均勻性,CPⅠ平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)采用7臺(tái)GPS接收機(jī)同時(shí)作業(yè)的觀測(cè)模式,以此提高GPS觀測(cè)網(wǎng)形的圖形強(qiáng)度。GPS網(wǎng)各時(shí)段全部以邊連接方式構(gòu)網(wǎng),形成由大地四邊形和三角形組成的帶狀網(wǎng)。本次CPⅠ平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)的GPS網(wǎng)網(wǎng)形如圖1所示。

圖1 CPⅠ控制網(wǎng)復(fù)測(cè)平面組網(wǎng)示意

3.2 復(fù)測(cè)主要注意事項(xiàng)

(1)遵循基線組網(wǎng)設(shè)計(jì)所確定的作業(yè)模式,并在接收機(jī)或控制器上配置相同的外業(yè)觀測(cè)參數(shù)。

(2)檢查GPS電池容量是否滿足作業(yè)要求,接收機(jī)的電源電纜、天線電纜等連接是否正確,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備是否滿足存儲(chǔ)空間。

(3)檢查確認(rèn)天線安置基座對(duì)中器是否合格。如天線有指北定向標(biāo)志,則應(yīng)借助指北針或羅盤保持接收機(jī)天線指北標(biāo)志指向正北方向。

(4)雷雨季節(jié)架設(shè)天線時(shí),注意防雷擊。雷雨過境時(shí),立即停止觀測(cè),并卸下天線。

(5)觀測(cè)組嚴(yán)格遵守調(diào)度命令,按規(guī)定時(shí)間同步觀測(cè),不得擅自更改觀測(cè)計(jì)劃。

(6)觀測(cè)時(shí),天線整平對(duì)中誤差不大于1 mm,每時(shí)段觀測(cè)前后各量取天線高一次,兩次互差小于2 mm,并取平均值作為最后結(jié)果。

(7)接收機(jī)開始記錄數(shù)據(jù)后,將測(cè)站名、測(cè)站號(hào)、時(shí)段號(hào)、天線高等信息完整地記錄于觀測(cè)手簿。

(8)1個(gè)時(shí)段觀測(cè)過程中嚴(yán)禁進(jìn)行以下操作：關(guān)閉接收機(jī)重新啟動(dòng)、進(jìn)行自測(cè)試、改變接收設(shè)備預(yù)置參數(shù)、改變天線位置、按關(guān)閉和刪除文件功能鍵等。

(9)嚴(yán)禁在天線附近使用無線電通訊設(shè)備。使用對(duì)講機(jī)、電話等應(yīng)距天線10 m以上,車載電臺(tái)應(yīng)距天線50 m以上。

(10)每天完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理人員采用LGO6.0商用軟件進(jìn)行基線檢查,如果發(fā)現(xiàn)有不能通過基線檢查的數(shù)據(jù),先進(jìn)行分析處理,兩次分析處理還不能通過的基線數(shù)據(jù),第二天應(yīng)組小網(wǎng)重新補(bǔ)測(cè)。

4 GPS數(shù)據(jù)處理及復(fù)測(cè)成果分析

GPS平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采用武漢大學(xué)研究開發(fā)的COSAGPS軟件進(jìn)行平差處理。首先采用LGO6.0軟件統(tǒng)一進(jìn)行基線解算和輸出基線向量文件,然后引入2～3個(gè)聯(lián)測(cè)的高等級(jí)控制點(diǎn)WGS-84空間直角坐標(biāo)作為基準(zhǔn),進(jìn)行CPⅠ的空間三維無約束平差,得到平差后CPⅠ、WGS-84三維空間直角坐標(biāo),并檢查GPS基線向量網(wǎng)本身內(nèi)符合精度,判定基線改正數(shù)是否符合規(guī)范要求。最后以點(diǎn)位穩(wěn)定、設(shè)計(jì)坐標(biāo)成果可靠的CPⅠ點(diǎn)為強(qiáng)制約束控制點(diǎn),進(jìn)行CPⅠ三維約束平差,以獲取CPⅠ最終復(fù)測(cè)平面坐標(biāo)及相應(yīng)的二維約束平差精度信息。

4.1 CPⅠ數(shù)據(jù)處理及精度分析

(1)CPⅠ基線解算及精度分析

①基線向量異步環(huán)閉合差[3]

由若干條獨(dú)立基線邊組成的獨(dú)立環(huán)或附合路線各坐標(biāo)分量(Wx、Wy、Wz)及全長(zhǎng)WS閉合差滿足下式規(guī)定：

從所統(tǒng)計(jì)的此項(xiàng)檢核的詳細(xì)數(shù)據(jù)可以看出：CPⅠ控制網(wǎng)42條基線組成的15個(gè)三角形閉合環(huán),其X、Y、Z方向和全長(zhǎng)的絕對(duì)閉合差和相對(duì)閉合差均小于高鐵二等GPS控制網(wǎng)的限差要求。

②重復(fù)基線較差

綜合CPⅠ的異步環(huán)基線閉合差檢驗(yàn)以及重復(fù)基線較差檢驗(yàn)的結(jié)果,可知：本標(biāo)段此次復(fù)測(cè)的CPⅠ基線解算正確,結(jié)果可靠,可進(jìn)行后續(xù)基線網(wǎng)平差計(jì)算。

(2)CPⅠ平差及精度分析

首先對(duì)本次復(fù)測(cè)的GPS網(wǎng)在WGS-84坐標(biāo)系中進(jìn)行三維無約束平差,并對(duì)平差結(jié)果進(jìn)行分析,判斷觀測(cè)值中是否存在異常觀測(cè)值,點(diǎn)位誤差大小及其均勻性是否合適。從平差結(jié)果來分析,未發(fā)現(xiàn)粗差觀測(cè)值,三維基線向量改正數(shù)較小且服從正態(tài)分布,邊長(zhǎng)中誤差分布正常,最弱邊相對(duì)中誤差為1/830 000，最弱點(diǎn)中誤差為±0.22 cm。表明復(fù)測(cè)網(wǎng)達(dá)到了較高的內(nèi)符合精度,可供后續(xù)約束平差使用[4]。

將本次復(fù)測(cè)范圍兩端的兩個(gè)CPⅠ控制點(diǎn)CPⅠ121和CPⅠ127作為約束點(diǎn)進(jìn)行平差,計(jì)算CPⅠ控制點(diǎn)的WGS-84三維空間直角坐標(biāo)值。根據(jù)獨(dú)立坐標(biāo)系投影帶的劃分,將CPⅠ控制網(wǎng)的空間直角坐標(biāo)分別投影到相應(yīng)的平面坐標(biāo)投影帶中,計(jì)算CPⅠ控制點(diǎn)的工程獨(dú)立坐標(biāo)。

(3)CPⅠ控制網(wǎng)復(fù)測(cè)成果分析及結(jié)論

①CPⅠ控制點(diǎn)坐標(biāo)比較

三維約束聯(lián)測(cè)相鄰標(biāo)段CPⅠ點(diǎn),投影得到相應(yīng)的平面坐標(biāo)投影帶中,計(jì)算CPⅠ控制點(diǎn)的工程獨(dú)立坐標(biāo),與設(shè)計(jì)院坐標(biāo)比較結(jié)果可見：在可比較的7個(gè)CPⅠ點(diǎn)中,X方向差值的絕對(duì)值平均值為3.6 mm,Y方向差值的絕對(duì)值平均值為2.3 mm；X方向最大差值為12.0 mm,Y方向最大差值為-9.2 mm,均小于復(fù)測(cè)允許的±20 mm限差要求。從差值的符號(hào)來看,坐標(biāo)差值無明顯系統(tǒng)性。

②相鄰點(diǎn)間坐標(biāo)差之差的相對(duì)精度

按照規(guī)范,需進(jìn)行相鄰點(diǎn)間坐標(biāo)差之差的相對(duì)精度。因基線邊較多,只選擇相鄰點(diǎn)構(gòu)成基線邊,利用原設(shè)計(jì)院提供的坐標(biāo)和本次復(fù)測(cè)平差計(jì)算的坐標(biāo),按下式求出相鄰點(diǎn)間坐標(biāo)差之差的相對(duì)精度

ΔYij=(Yj-Yi)復(fù)-(Yj-Yi)原；

ΔZij=(Zj-Zi)復(fù)-(Zj-Zi)原；

S——相鄰點(diǎn)間的二維平面距離或三維空間距離；

ΔXij、ΔYij——相鄰點(diǎn)i與j之間二維坐標(biāo)差之差/m；

ΔZij——相鄰點(diǎn)i與j間Z方向坐標(biāo)差之差/m,當(dāng)只統(tǒng)計(jì)二維坐標(biāo)差之差的相對(duì)精度時(shí)該值為零。

從統(tǒng)計(jì)的相鄰點(diǎn)間坐標(biāo)差之差的相對(duì)精度可以看出,可比較的6條相鄰點(diǎn)間坐標(biāo)差之差的相對(duì)精度中,CPⅠ125-1～CPⅠ126-1相對(duì)精度為1/47 045,不符合要求。主要原因?yàn)閮牲c(diǎn)距離較近只有672 m,同時(shí)CPⅠ126-1X方向坐標(biāo)較差較大為12.0 mm,CPⅠ125-1Y方向坐標(biāo)較差較大為9.2 mm,造成CPⅠ125-1～CPⅠ126-1相對(duì)精度較低。其他相鄰點(diǎn)間坐標(biāo)差之差的相對(duì)精度均滿足1/130 000的要求。

5 結(jié)論及建議

成渝客運(yùn)專線CYSG-4標(biāo)段CPⅠ控制網(wǎng)復(fù)測(cè)精度分別達(dá)到高鐵GPS二等,復(fù)測(cè)CP平面點(diǎn)位精度滿足相關(guān)規(guī)范的要求。復(fù)測(cè)CPⅠ坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)差值在規(guī)范規(guī)定的許可范圍內(nèi),點(diǎn)位穩(wěn)定可靠,可采用設(shè)計(jì)單位提交的成果進(jìn)行控制網(wǎng)加密及施工放樣定位。

CPⅠ控制網(wǎng)復(fù)測(cè)屬于精密工程測(cè)量,是高速鐵路(客運(yùn)專線)施工測(cè)量重要組成部分。施工期間應(yīng)對(duì)CPⅠ控制點(diǎn)進(jìn)行定期或不定期檢測(cè)(每半年1次復(fù)測(cè),每3月1次檢測(cè)),同時(shí),工程建設(shè)對(duì)點(diǎn)位標(biāo)識(shí)的破壞隨著施工的進(jìn)展越發(fā)明顯,要重視和加強(qiáng)點(diǎn)位標(biāo)識(shí)的日常性維護(hù),對(duì)破壞的點(diǎn)位標(biāo)識(shí)要及時(shí)恢復(fù),以確保測(cè)量精度和工程建設(shè)質(zhì)量。

表2 CPⅠ控制網(wǎng)復(fù)測(cè)GPS重復(fù)基線較差統(tǒng)計(jì)

[1]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)GB/T 18314—2009 全球定位系統(tǒng)(GPS)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009

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