無砟軌道CPⅢ平面控制網(wǎng)測量精度影響因素分析

譙生有，聞道榮

(1.中鐵一局集團第五工程有限公司，陜西寶雞721006;2.沈陽天寶全測科技有限公司，遼寧沈陽110001)

無砟軌道CPⅢ平面控制網(wǎng)測量精度影響因素分析

譙生有1，聞道榮2

(1.中鐵一局集團第五工程有限公司，陜西寶雞721006;2.沈陽天寶全測科技有限公司，遼寧沈陽110001)

從已知點兼容性、測量設(shè)備誤差、距離投影改化等方面分析影響CPⅢ平面控制網(wǎng)測量精度的主要因素。通過剔除兼容性差的CPⅡ加密測量已知點、更換誤差超標的棱鏡、測定并改正全站儀綜合加常數(shù)誤差、對觀測邊長進行投影改正，能有效提高無砟軌道CPⅢ平面控制網(wǎng)平差精度，減少觀測數(shù)據(jù)的返工重測次數(shù)，為我國無砟軌道CPⅢ平面控制網(wǎng)測量技術(shù)的補充和完善提供有益的借鑒。

無砟軌道;CPⅢ平面控制網(wǎng);測量精度;影響因素

一、前 言

CPⅢ平面控制網(wǎng)測量借鑒了德國高鐵測量經(jīng)驗，采用自由測站邊角交會法施測，控制網(wǎng)具有相對精度高、點位分布密集、測量工作量大、使用周期長等特點［1］。目前，國內(nèi)測量工作者對CPⅢ平面控制網(wǎng)測量精度的影響因素還缺乏深入的分析。實際測量過程中，經(jīng)常遇到平差后方向改正數(shù)、距離改正數(shù)、點位中誤差、相鄰點點位中誤差超限的情況。分析影響CPⅢ平面控制網(wǎng)測量精度的主要因素，并提出行之有效的解決方案，是提高CPⅢ平面控制網(wǎng)測量精度和效率的關(guān)鍵。

二、CPⅢ平面控制網(wǎng)平差計算的主要精度要求

1.CPⅢ平面控制網(wǎng)縱橫向閉合差

縱向閉合差是指根據(jù)不同測站計算兩同側(cè)縱向相鄰CPⅢ點之間弦線長度的差值。如圖1所示，由測站Z1、Z2分別計算弦線3-5的長度差以及由測站Z1、Z3分別計算弦線6-8的長度差即為CPⅢ縱向閉合差。橫向閉合差是指根據(jù)不同測站計算同一橫斷面左右一對CPⅢ點之間弦線長度的差值。如圖2所示，由測站Z1、Z2分別計算弦線5-6的長度差以及由測站Z1、Z3分別計算弦線7-8的長度差即為CPⅢ橫向閉合差?？v橫向弦線長度可通過解測站與CPⅢ點組成的三角形(用余弦定理)求得。

圖1 CPⅢ縱向閉合差構(gòu)成示意圖

圖2 CPⅢ橫向閉合差構(gòu)成示意圖

縱向閉合差主要反映不同測站的測距誤差，橫向閉合差主要反映不同測站的測角誤差。在實際測量中，該圖形條件客觀存在，并且是反映CPⅢ平面控制網(wǎng)觀測值精度和可靠性的一個重要指標，CPⅢ點的橫向誤差對軌道平順性的影響尤為重要。

2.自由網(wǎng)平差后應(yīng)滿足的技術(shù)指標

CPⅢ平面自由網(wǎng)平差后的主要技術(shù)要求如表1所示。

表1 CPⅢ平面自由網(wǎng)平差后的主要技術(shù)要求［2］

3.約束平差后應(yīng)滿足的技術(shù)指標

CPⅢ平面網(wǎng)約束平差后的精度指標如表2所示。

表2 CPⅢ平面網(wǎng)約束平差后的精度指標［2］

基于軌道高平順性要求，相鄰CPⅢ點之間的點位相對中誤差不容忽視。在哈大客專、京滬高鐵CPⅢ平面控制網(wǎng)測量實踐中，將自由網(wǎng)平差和約束平差后CPⅢ點之間的相對中誤差限值設(shè)為±1 mm。

三、加密CPⅡ控制網(wǎng)已知點兼容性影響

CPⅢ控制網(wǎng)測量前，應(yīng)對CPⅡ控制點進行加密測量。CPⅡ加密點進行整體平差前，應(yīng)先對原網(wǎng)CPI、CPⅡ點的穩(wěn)定性和兼容性進行分析，剔除不滿足精度要求的CPI和CPⅡ已知點，以穩(wěn)定性和兼容性高的CPI和CPⅡ已知點作為起算點，從而避免因CPⅡ已知點兼容性差導(dǎo)致隨后的CPⅢ控制網(wǎng)平差精度指標超限。實踐證明，CPⅡ已知點兼容性對CPⅢ控制網(wǎng)精度的影響呈系統(tǒng)性，對CPⅢ控制網(wǎng)約束平差的精度影響至關(guān)重要。

四、測量設(shè)備誤差的影響

CPⅢ平面控制網(wǎng)測量的主要儀器設(shè)備有高精度智能型全站儀及CPⅢ棱鏡組。全站儀綜合加常數(shù)誤差是指全站儀加常數(shù)與測距使用的棱鏡加常數(shù)誤差疊加后的綜合值，測距時往往只考慮全站儀加常數(shù)與棱鏡加常數(shù)，而忽略了全站儀綜合加常數(shù)誤差。若該項誤差不能得到消除，可能造成平差后距離改正數(shù)超限，即使返工重測也不能使距離改正數(shù)滿足表1和表2的要求。

1.CPⅢ棱鏡誤差影響分析

(1)CPⅢ棱鏡安裝精度要求

CPⅢ棱鏡誤差分重復(fù)性安裝誤差和互換性安裝誤差。重復(fù)性誤差是指同一只CPⅢ棱鏡在同一個CPⅢ點上重復(fù)安置時產(chǎn)生的安置誤差;互換性誤差是指不同的CPⅢ棱鏡組件在同一個CPⅢ點上安置棱鏡時產(chǎn)生的安置誤差。CPⅢ平面控制網(wǎng)測量前，必須對使用的棱鏡組件逐一檢測，誤差超標的棱鏡應(yīng)予以更換。

表3中，X、Y指棱鏡的平面位置方向，Z指棱鏡的鉛垂線方向。

表3 CPⅢ棱鏡組件安裝精度要求［2］

(2)CPⅢ棱鏡重復(fù)性誤差檢測

在平坦開闊和周圍無震動干擾的場地，按圖3所示安置全站儀和棱鏡支架。全站儀與棱鏡之間的距離以30 m左右為宜，保持支架不動，將各棱鏡反復(fù)安裝4次分別測量各棱鏡中心在測站任意坐標系內(nèi)的坐標(X，Y，Z)，每次讀數(shù)4次取平均值，各次測量棱鏡中心坐標(X，Y，Z)互差應(yīng)小于表3規(guī)定。

圖3 棱鏡誤差檢測示意圖

(3)CPⅢ棱鏡互換性誤差檢測

按圖3所示檢測棱鏡互換性誤差，分別將各棱鏡依次安置在棱鏡支架上，觀測棱鏡中心的坐標(X，Y，Z)，每次讀數(shù)4次取平均值，各棱鏡中心坐標(X，Y，Z)互差應(yīng)小于表3規(guī)定。

(4)棱鏡瞄準誤差影響

CPⅢ平面控制網(wǎng)測量時，棱鏡未瞄準全站儀是造成縱橫向閉合差超限的主要原因，該誤差不能通過測站觀測數(shù)據(jù)的檢核發(fā)現(xiàn)。

2.全站儀綜合加常數(shù)誤差的測定與修正

(1)檢測方法及原理

如圖4所示安置全站儀和棱鏡支架，現(xiàn)場標定I、A、Ⅱ、B 4點，4點位于一條直線，全站儀I和棱鏡支架B之間約30 m為宜，在全站儀中正確設(shè)置棱鏡標準加常數(shù)值，每次測量時確保全站儀和A、B安放棱鏡后大致等高，先將全站儀安置在I，在A安放棱鏡測量S1，再將棱鏡移至B測量S2，依次測量完一組棱鏡。然后將全站儀安置在Ⅱ，依次測量各棱鏡對應(yīng)的S3、S4，每邊測量4次讀數(shù)取平均值。

圖4 全站儀綜合加常數(shù)誤差檢測

(2)全站儀綜合加常數(shù)誤差計算

假設(shè)綜合加常數(shù)誤差為K，S1、S2、S3、S4理論長度分別為S1'、S2'、S3'、S4'，由于檢測邊長短，比例誤差對加常數(shù)計算精度的影響很小，可略去不計，依據(jù)圖4可得

將式(1)代入式(2)整理后得

由式(3)計算出的K值單位為mm，取全站儀對應(yīng)各棱鏡的綜合加常數(shù)誤差平均值作為最終結(jié)果。

(3)對測距邊進行修正

將棱鏡加常數(shù)誤差輸入全站儀或者對測距邊進行修正，假定距離觀測值為S，修正后的距離為S'，則有

五、距離改化影響

鐵路客運專線控制網(wǎng)采用任意中央子午線和高程投影面進行投影的工程獨立坐標系，CPⅢ平面控制網(wǎng)地面觀測邊長應(yīng)歸算到工程獨立坐標系投影面上，文獻［2］沒有明確規(guī)定CPⅢ平面控制網(wǎng)距離改化問題。但是在哈大客專、京滬高鐵CPⅢ平面控制網(wǎng)測量過程中，投影變形較大的分帶邊緣，若對觀測邊長不進行投影改化，平差后距離改正數(shù)呈現(xiàn)顯著的系統(tǒng)誤差特性，部分邊長改正數(shù)超限，對邊長進行投影改化后，無須返工重測，平差后的距離改正數(shù)滿足精度要求，驗證了距離改化是影響CPⅢ平面控制網(wǎng)精度不可忽略的因素。

六、結(jié) 論

通過對影響CPⅢ平面控制網(wǎng)測量精度的因素進行分析，得出以下幾點結(jié)論:

1)CPⅢ平面控制網(wǎng)縱橫向閉合差、相鄰CPⅢ點點位相對中誤差是衡量CPⅢ平面控制網(wǎng)不可忽略的要素，CPⅢ平面控制網(wǎng)平差系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計縱橫向閉合差檢驗?zāi)K。

2)加密CPⅡ控制網(wǎng)時應(yīng)對已知點兼容性進行檢驗，剔除兼容性差的已知點。

3)CPⅢ平面控制網(wǎng)測量前，必須對使用的棱鏡進行重復(fù)性、互換性誤差檢測。

4)CPⅢ平面控制網(wǎng)測量前，應(yīng)對使用的全站儀和棱鏡組綜合加常數(shù)誤差進行檢測，并對距離進行修正。

5)測量過程中，棱鏡沒有準確瞄準全站儀是導(dǎo)致CPⅢ平面控制網(wǎng)縱橫向閉合差超限的主要原因。

6)CPⅢ平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理時，應(yīng)對距離進行投影改正，相關(guān)平差軟件應(yīng)設(shè)置投影改正模塊。

［1］ 譙生有，周建軍，周建東.客運專線無砟軌道CPⅢ精密控制網(wǎng)測量探討［J］.鐵道標準設(shè)計，2009(S1): 36-39.

［2］ 中華人民共和國鐵道部.TB 10601—2009高速鐵路工程測量規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［3］ 王國昌，徐小左，劉成龍.高速鐵路CPⅢ平面網(wǎng)的閉合差研究及其應(yīng)用［J］.鐵道學(xué)報，2009，31(5):78-83.

［4］ 周建東，譙生有.高速鐵路施工測量［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2011:102-123.

［5］ 朱穎.客運專線無砟軌道鐵路工程測量技術(shù)［M］.北京:中國鐵道出版社，2009:99-100.

［6］ 冷道遠.高速鐵路無砟軌道CPⅢ控制網(wǎng)測量技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2009，29(2):239-242，251.

［7］ 郝亞東，周建鄭，孫清娟，等.高速鐵路無砟軌道CPⅢ控制網(wǎng)測量［J］.鐵道工程學(xué)報，2010，36(11):38-42.

Precision Analysis of Ballastless Track Control Network CPⅢ

QIAO Shengyou，WEN Daorong

0494-0911(2011)12-0047-03

P［258］

B

2011-05-26

譙生有(1975—)，男，甘肅徽縣人，高級工程師，主要從事鐵路施工測量技術(shù)的研究與管理。