長沙市軌道交通1號線C級GPS網(wǎng)的建設(shè)

匡志威，劉鵬程，周曉衛(wèi)，姜韶

(長沙市勘測設(shè)計研究院，湖南長沙 410007)

1 項(xiàng)目概述

長沙市軌道交通1號線起于汽車北站，沿芙蓉路由北向南，經(jīng)由新河三角洲、五一廣場、侯家塘、鐵道學(xué)院、省政府新址，至終點(diǎn)站萬家麗路站，線路全長23.891 km，設(shè)站20座，其中五一廣場站為1、2號線換乘站;同時，該線路還與規(guī)劃中的1A線交叉于新河三角洲站、與3號線交叉于侯家塘站、與4號線交叉于赤黃路站。該線路呈南北走向，與已開工建設(shè)的軌道交通2號線(東西走向)，形成長沙市軌道交通“十”字核心骨架網(wǎng);項(xiàng)目建成后，能有效緩解長沙市的交通壓力。本項(xiàng)目首級平面控制網(wǎng)按《城市軌道交通工程測量規(guī)范》GB/T 50308－2008、《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》GB/T 18314－2009的要求布設(shè)。本文著重介紹此網(wǎng)的建立。

2 方案設(shè)計

2.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

GPS控制網(wǎng)主要技術(shù)指標(biāo)［1］表1

2.2 設(shè)計原則

(1)沿線路布設(shè)原則:GPS控制網(wǎng)網(wǎng)點(diǎn)要沿線路布設(shè)，呈帶狀分布，每個車站附近盡量設(shè)計一個點(diǎn)，各點(diǎn)要布設(shè)在地鐵施工影響區(qū)域之外;

(2)便于使用原則:GPS控制網(wǎng)是四等精密導(dǎo)線網(wǎng)的起算網(wǎng)，各點(diǎn)要便于四等精密導(dǎo)線網(wǎng)的使用;四等精密導(dǎo)線網(wǎng)施測中，需要設(shè)站的GPS控制網(wǎng)點(diǎn)，必須要有兩個以上的通視方向;

(3)承前續(xù)后原則:為保證各條線路之間的有效銜接，要充分利用已有線路的GPS控制網(wǎng)點(diǎn);同時，在與規(guī)劃線路交叉區(qū)域，布設(shè)的網(wǎng)點(diǎn)要便于后續(xù)規(guī)劃線路的使用;

(4)費(fèi)用最省原則:在保證精度和使用的前提下，盡量減少網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)量;做到疏密結(jié)合，主城區(qū)縮短點(diǎn)間距離，其他區(qū)域可適當(dāng)放大點(diǎn)間距離。

2.3 設(shè)計基準(zhǔn)

GPS控制網(wǎng)采用長沙獨(dú)立坐標(biāo)系;為便于地鐵施工，在目前城市高程投影面及地鐵施工高程投影面上，各平差計算出一套坐標(biāo)成果。

2.4 網(wǎng)形設(shè)計

本項(xiàng)目的GPS控制網(wǎng)共由25點(diǎn)組成，19個為樓頂點(diǎn)，1個為地面埋石點(diǎn)，1個為基巖水準(zhǔn)共用點(diǎn)，利用2號線一期工程GPS控制網(wǎng)點(diǎn)4點(diǎn);起算數(shù)據(jù)采用長株潭GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)的CSKC基站點(diǎn)及2個2 050框架網(wǎng)點(diǎn)，均為B級GPS點(diǎn);圖1為1號線一期工程GPS控制網(wǎng)略圖。

3 施測

3.1 埋石

地面點(diǎn)采用普通地面標(biāo)石，現(xiàn)場挖坑澆注;基巖水準(zhǔn)共用點(diǎn)采用機(jī)鉆方式埋設(shè)至基巖內(nèi) 50 cm(見圖2);樓頂點(diǎn)采用高約1 200 mm的圓柱型鋼標(biāo)或三角型鋼標(biāo)(圖3)，埋設(shè)時充分考慮了穩(wěn)定性、樓頂防水、防雷及鋼標(biāo)防銹等因素的影響。

圖1 1號線一期工程C級GPS網(wǎng)

圖2 基巖點(diǎn)示意圖

圖3 樓頂點(diǎn)示意圖

3.2 外業(yè)觀測

外業(yè)采用2臺Z－X型雙頻接收機(jī)、2臺Javad Maxor型雙頻接收機(jī)、4臺Z－Max型雙頻接收機(jī)，接收機(jī)標(biāo)稱精度均優(yōu)于10 mm+2 ppm;采用連續(xù)觀測方式，每天各測站同步觀測時間不少于6 h，然后切分成兩個同步觀測時間為3 h的同步環(huán)進(jìn)行處理;外業(yè)共觀測5天，形成10個同步觀測環(huán)。由于CSKC基站點(diǎn)能提供全時段采樣率為1 s的觀測數(shù)據(jù)，因此該基站點(diǎn)相當(dāng)于與其他各點(diǎn)均進(jìn)行了全時段的聯(lián)測，有效提高了該網(wǎng)的穩(wěn)定性、可靠性及觀測精度。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 基線解算

基線處理采用Ashtech Solutions 2.60在WGS－84坐標(biāo)系中進(jìn)行處理，項(xiàng)目水平期望精度設(shè)置為0.005 m+1 ppm，垂直期望精度設(shè)置為 0.01 m+1 ppm，置信度采用標(biāo)準(zhǔn)誤差;各同步環(huán)單獨(dú)進(jìn)行處理，剔除誤差較大的基線后共獲取基線236條。

4.2 重復(fù)基線及閉合環(huán)分析

重復(fù)基線較差及閉合環(huán)閉合差是反應(yīng)觀測精度的重要指標(biāo)，通過分析這兩項(xiàng)指標(biāo)，以剔除誤差影響較大的基線。經(jīng)統(tǒng)計，最終參與平差的基線中，共有105條重復(fù)基線，最大較差為10.4 mm，限差為70.3 mm;共統(tǒng)計87個三角閉合環(huán)，最大閉合差為10.3 mm，限差為326.6 mm。圖4為重復(fù)基線較差分布圖，圖5為閉合環(huán)閉合差分布圖。從圖4、圖5可以看出，基線內(nèi)符合精度較高。

4.4 平差計算

平差計算采用Cosa平差軟件進(jìn)行處理。在WGS－84坐標(biāo)系統(tǒng)下，按C級GPS網(wǎng)精度要求，固定CSKC參考站點(diǎn)，進(jìn)行三維網(wǎng)平差;通過分析三維網(wǎng)平差結(jié)果，剔除粗差及誤差較大的基線，并優(yōu)化平差基線網(wǎng)形結(jié)構(gòu)。三維網(wǎng)平差最弱點(diǎn)為暮云，距固定點(diǎn)CSKC最遠(yuǎn)，點(diǎn)位中誤差為4.9 mm;最弱邊為湘江世紀(jì)—金霞小區(qū)，空間距離610.267 m，相對中誤差為1/1 141 000;基線殘差分布圖如圖6。從平差結(jié)果可以看出，外業(yè)觀測及基線處理精度較高，整網(wǎng)內(nèi)符合精度高。

在長沙獨(dú)立坐標(biāo)系下，固定3個B級GPS點(diǎn)(金霞立交、CSKC、暮云)進(jìn)行二維網(wǎng)約束平差;最弱點(diǎn)為橘郡，點(diǎn)位中誤差為1.8 mm;最弱邊為湘江世紀(jì)—金霞小區(qū)，平面距離 603.793 7 m，相對中誤差為1/1 231 000;基線殘差分布圖如圖7。從平差結(jié)果可以看出，本控制網(wǎng)外符合精度高。

圖4 重復(fù)基線較差分布圖

圖5 閉合環(huán)閉合差分布圖

圖6 三維網(wǎng)平差基線殘差分布圖

圖7 二維約束平差基線殘差分布圖

4.5 重合點(diǎn)比較

軌道交通1號線一期工程GPS控制網(wǎng)與軌道交通2號線一期工程GPS控制網(wǎng)共重合4點(diǎn)。從表2的對比數(shù)據(jù)可以看出，重合點(diǎn)較差均優(yōu)于表1中的要求。雖然兩條線路控制網(wǎng)均起算于2 050框架網(wǎng)，但2號線一期工程呈東西走向、1號線一期工程呈南北走向，其控制網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)也分別呈東西、南北走向，因而會對兩次測量結(jié)果有一定影響。

重合點(diǎn)信息表表2

4.6 全站儀檢核測量

在四等精密導(dǎo)線網(wǎng)的觀測中，利用索佳Net05型自動化全站儀(檢測精度:測距 2 mm+2 ppm，測角0.5″)對該網(wǎng)進(jìn)行了檢核測量;距離采用自動測量模式，共測邊7條;角度測量采用自動測量模式和人工測量模式，共測角14個。

邊長測量結(jié)果 表3

角度測量結(jié)果 表4

從表3和表4中的數(shù)據(jù)可以看出，采用GPS測量技術(shù)和全站儀測量技術(shù)，兩者測量的結(jié)果吻合，說明本網(wǎng)測量結(jié)果可靠，測量精度高。

5 結(jié)論及體會

長沙市軌道交通1號線一期工程GPS網(wǎng)網(wǎng)形設(shè)計合理，控制點(diǎn)埋石穩(wěn)定，觀測及平差結(jié)果精度高，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于規(guī)范要求，能滿足軌道交通1號線一期工程各設(shè)施、各階段施工的要求。在本次控制網(wǎng)的施測中，有以下幾點(diǎn)體會:

(1)控制點(diǎn)的埋設(shè)中，相比普通標(biāo)石，強(qiáng)制對中三角/圓柱鋼架，盡管費(fèi)用稍高，但在點(diǎn)位穩(wěn)定性、使用的便捷性方面優(yōu)勢明顯，同時可消除對中誤差;

(2)針對城市繁華地區(qū)交通不便、搬站效率低的特點(diǎn)，采用3.2中的外業(yè)觀測及數(shù)據(jù)處理方式，可兼顧作業(yè)效率、作業(yè)強(qiáng)度及觀測精度;

(3)在三維網(wǎng)平差中，固定一個點(diǎn)進(jìn)行平差，根據(jù)測量平差理論知，點(diǎn)位中誤差與距離成正比，即離固定點(diǎn)越遠(yuǎn)，點(diǎn)位中誤差越大。可根據(jù)這一規(guī)律，對各點(diǎn)點(diǎn)位中誤差進(jìn)行分析，進(jìn)而剔除誤差大的基線，優(yōu)化參與平差的基線網(wǎng);

(4)要充分利用項(xiàng)目附近的GPS衛(wèi)星觀測基站，因?yàn)镚PS衛(wèi)星觀測基站具有高精度三維坐標(biāo)，可作為控制網(wǎng)的高精度起算數(shù)據(jù);另外，GPS衛(wèi)星觀測基站能提供連續(xù)的高精度觀測數(shù)據(jù)，相當(dāng)于與其他各點(diǎn)均進(jìn)行了全時段的聯(lián)測，有效地提高了控制網(wǎng)的穩(wěn)定性、可靠性及觀測精度。

［1］GB/T 50308－2008.城市軌道交通工程測量規(guī)范［S］.

［2］GB/T 18314－2001.全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范［S］.

［3］黃北新，付先國，王林等.合肥軌道交通1號線GPS控制網(wǎng)建立［J］.城市勘測，2010(4).

［4］史秀保，袁崢.寧波軌道交通l號線一期工程GPS控制網(wǎng)建立及精度分析［J］.城市勘測，2009(4).

［5］GPS工程測量網(wǎng)通用平差軟件包(CosaGPS V5.1)使用說明書［R］.2007.