一種改進的端頭設站三角高程上橋測量方法

楊雪峰，劉成龍，王利朋

(西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 610031)

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一種改進的端頭設站三角高程上橋測量方法

楊雪峰，劉成龍，王利朋

(西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 610031)

摘要：針對高鐵橋梁距離地面較高，CPIII高程網(wǎng)的起閉水準基點需要聯(lián)測上橋的實際問題，首先介紹《高速鐵路工程測量規(guī)范》中傳統(tǒng)的中間設站光電測距三角高程測量方法，并指出該方法在工程實踐中存在不足之處，然后提出一種改進的端頭設站光電測距三角高程上橋測量方法，最后通過理論與試驗驗證，證明該方法是可行的，并且能夠顯著提高外業(yè)作業(yè)效率，可以為改進中間設站光電測距三角高程測量方法以及完善《高速鐵路工程測量規(guī)范》提供參考。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；軌道控制網(wǎng)；三角高程；設站；精度

1概述

2008年8月1日，我國第一條具有世界一流水平、最高運營時速達350 km的高速鐵路京津城際鐵路正式通車運營[1]；2010年9月28日，滬杭客運專線以416.6 km/h的試運行速度創(chuàng)造歷史，令世界震驚[2]；2個月后的12月3日，新一代高速動車組“CRH380A”在京滬高鐵跑出486.1 km/h的速度，我國高鐵再次刷新世界鐵路運營試驗的最高速度[2]。目前，我國正在《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》目標指引下，掀起世界高速鐵路大發(fā)展的新篇章[3]。

無砟軌道具有整體性強、穩(wěn)定性好以及維修量少的特點[4]，能夠保證列車在軌道上以高速運行時仍可以保持良好的平順性。同時，由于無砟軌道鋪設工藝復雜，施工精度要求控制在毫米級范圍內(nèi)，一旦建成后將很難進行調(diào)整，因此，高精度的測量保障顯得尤為重要。軌道控制網(wǎng)(CPIII)是其中的關(guān)鍵，它是沿線路布設且平面和高程共點的三維控制網(wǎng)，CPIII平面網(wǎng)起閉于基礎平面控制網(wǎng)(CPI)或線路平面控制網(wǎng)(CPII)，CPIII高程網(wǎng)起閉于線路水準基點，軌道控制網(wǎng)一般在線下工程施工完成后進行施測，是軌道鋪設和運營維護的基準[5]。現(xiàn)今為了減少對鐵路沿線的干擾，高速鐵路多以架橋為主，但CPIII高程網(wǎng)起閉的水準基點卻在橋下線路兩側(cè)，需要將線下水準基點的高程傳遞到橋上。

針對高程聯(lián)測上橋的問題，本文首先介紹《高速鐵路工程測量規(guī)范》中傳統(tǒng)的中間設站光電測距三角高程測量方法[6]，并指出該方法在工程實踐中所遇到的實際問題，針對實際問題，提出一種改進的端頭設站光電測距三角高程上橋測量方法，通過理論與試驗驗證，證明該方法是可行的，并且能夠顯著提高外業(yè)作業(yè)效率，可為改進中間設站的光電測距三角高程測量方法以及完善《高速鐵路工程測量規(guī)范》提供參考。

2改進的端頭設站光電測距三角高程上橋測量方法

2.1三角高程測量原理

如圖1所示，從A點觀測B點，A′為儀器中心，B′為棱鏡中心，觀測豎直角為αAB，斜距為SAB，儀器高AA′為iA，棱鏡高BB′為νB，γAB為在A點觀測時的垂直折光角，

H′H=D2/2R.

H′H為地球曲率對高差的影響，D為AB間的水平距離，R為地球的曲率半徑，則B點到A點的高差為[7-8]

(1)

圖1　三角高程測量原理示意圖

其中，除由全站儀測量斜距SAB及豎直角αAB外，還需要精確的量測儀器高和棱鏡高，而在三角高程作業(yè)中要將儀器高和棱鏡高精確量測到誤差不超過0.5 mm是極其困難的。因此，需采用中間設站的光電測距三角高程測量方法，使得在一個測段的三角高程高差測量中各測站的儀器高和棱鏡高能夠相互抵消，可以實現(xiàn)三角高程測量的高精度作業(yè)。

2.2傳統(tǒng)的中間設站光電測距三角高程測量方法

在量測儀器高且棱鏡高設為相等的前提下，使用中間設站三角高程測量方法求出點A和點B的高差，如圖2所示。

圖2　不量測儀器高和棱鏡高的中間設站三角高程測量原理

分別得出I點到A點和B點的高差hIA，hIB：

(2)

(3)

若要得到點A到點B的高差，則

(4)

考慮到儀器高iI不變，且νA=νB，γa≈γb，Sacosαa≈Sbcosαb(I點到A點和B點的平距近似相等)，把式(2)、式(3)代入式(4)得

(5)

通過式(5)可算出AB兩點的高差，理論上是可行的，但是在實際的操作中存在以下幾個問題：

1)《高速鐵路工程測量規(guī)范》中要求I點到B點的豎直角不宜過大，為此需要拉長I點到B點的距離，要求I點到A點的距離相應地拉長，而高速鐵路沿線路兩側(cè)適宜這樣的環(huán)境太少，線路兩側(cè)無論是征地距離或植被均嚴重影響了線下水準基點高程的聯(lián)測上橋；

2)儀器在I點測量A點和B點時的垂直折光角γa，γb近似相等，且近似效果與測量方向有關(guān)，測量方向不一樣，光線影響就不一樣，近似相等的程度就不一樣；

3)《高速鐵路工程測量規(guī)范》中要求前后視必須是同一個棱鏡且觀測時棱鏡高度不變，而對于現(xiàn)場(特別是運營后的鐵路現(xiàn)場)而言，沒有上橋便道，同一個棱鏡在橋上橋下反復拆卸、安裝不便，增加測量難度，而且無法使用智能型全站儀進行全自動測量，大大降低測量效率，同時時間的跨度過大導致垂直折光角一直在變化，這也增加了測量誤差。

針對以上三個問題，本文提出了一種改進的端頭設站三角高程上橋測量方法。

2.3改進的端頭設站光電測距三角高程上橋測量方法

如圖3所示為改進的三角高程上橋測量方法，其改進的地方有以下幾方面：

圖3　改進的三角高程上橋測量原理

1)把中間設站變?yōu)槎祟^設站，即把B點水準聯(lián)測到橋下某個固定位置處，這樣I點到A點和B點的平距是相等的，按式(5)仍然可以計算出AB間的高差，此次改動可降低上橋測量過程中對場地的要求；

2)在A，B兩處均使用精密加工可整平的定長棱鏡組件(如圖4所示，5號點為A點或者B點，1

號點所示盤面具有整平氣泡)，則A，B兩處的棱鏡高度相等νA=νB=L1+L2，這樣既解決了棱鏡組反復上下橋的問題，也可以使用全自動外業(yè)采集軟件進行自動測量，大大提高測量效率，節(jié)約測量時間，保證測量A點和B點時垂直折光角γa≈γb的精度。

圖4　改進的可整平定長棱鏡組件

3試驗驗證

為驗證改進的端頭設站光電測距三角高程上橋測量方法的可行性及其精度，特在某客運專線上橋測量中進行試驗。選擇兩個上橋位置，且均為距離路基段較近的地方，這樣便于進行水準測量驗證，實驗中采取三種測量方法，傳統(tǒng)的中間設站光電測距三角高程測量方法，改進的端頭設站光電測距三角高程測量方法和二等水準測量，三角高程測量外業(yè)技術(shù)指標按照規(guī)范進行，其外業(yè)觀測技術(shù)要求如表1所示。

經(jīng)過三種方法的高差測量后，其測量結(jié)果以及耗時統(tǒng)計如表2所示。

表1　中間設站三角高程測量外業(yè)觀測技術(shù)要求[6]

表2　三種方法測量高差與耗時統(tǒng)計表

從表2可以看出，采用三種方法均可以進行高程上橋測量，即均可得到橋下高程點與橋上高程點之間的高差，上橋位置1三種方法的最大差異為0.71 mm，上橋位置2三種方法的最大差異為0.76 mm，說明改進的端頭設站光電測距三角高程測量方法是可行的。

從表2的上橋位置耗時來看，改進的端頭設站光電測距三角高程測量方法的上橋效率明顯高于其他方法，因為該方法采用了一對可整平的定長棱鏡組件，這樣就可以利用智能型全站儀進行全自動外業(yè)數(shù)據(jù)采集，因此耗時最短；而二等水準測量需要繞行，同時需要進行往返測量，所以耗時最長；傳統(tǒng)的中間設站光電測距三角高程測量方法需要將棱鏡組件在橋上橋下之間反復拆卸、安裝，耗時較長，雖然總耗時比二等水準短，但是長于改進的端頭設站光電測距三角高程測量方法。

從整體試驗結(jié)果來看，將改進的端頭設站光電測距三角高程測量方法應用于高速鐵路高程上橋測量是可行的，由于該方法采用了可整平的定長棱鏡組件，因此可以進行全自動外業(yè)數(shù)據(jù)采集，為外業(yè)測量限差的實時控制提供可能，同時很大程度上提高外業(yè)作業(yè)效率。

4結(jié)束語

針對《高速鐵路工程測量規(guī)范》中間設站光電測距三角高程測量方法所存在的一些不足之處，本文介紹傳統(tǒng)的方法，在傳統(tǒng)方法的基礎上進行改進，并從理論和試驗兩方面驗證改進的端頭設站光電測距三角高程測量方法是可行的，其特點主要有幾方面：

1)采用端頭設站光電測距三角高程測量方法可以一定程度上解決線路沿線的場地局限所引起的施測困難問題；

2)采用端頭設站光電測距三角高程測量方法可以進一步減少γa，γb近似相等所導致的精度損失，減小二者近似相等所帶來的誤差；

3)在該方法的施測過程中引入了一對可整平的定長棱鏡組件，解決采用同一棱鏡組件需要反復上下橋的問題，而且便于引入全自動采集軟件，為外業(yè)測量限差的實時控制提供條件，同時降低作業(yè)人員的勞動強度，提高工程實踐的作業(yè)效率。

綜上所述，采用改進的端頭設站光電測距三角高程測量方法不管是在理論上還是在工程實踐中均是可行的，并且能夠顯著提高作業(yè)效率，可以為改進中間設站的光電測距三角高程測量方法以及完善《高速鐵路工程測量規(guī)范》提供參考。

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[責任編輯：李銘娜]

An improved rigonometric leveling method to bridges by setting spot at the ends

YANG Xuefeng,LIU Chenglong，WANG Lipeng

(School of Geosciences and Environmental Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Abstract：In consideration of the longer distance from ground to the bridge of high-speed railway,the standard of CPIII elevation network should be connected with leveling standard points.First,the traditional method in specifications is introduced for survey engineering of high speed railway,which named a method of trigonometric leveling setting spot in the middle.Then,the shortcomings of the method in engineering practice are pointed out and put forward an improved rigonometric leveling method to the bridge by setting spot at the ends.Finally,it is proved the new method is practicable of both theory and experiment,and it can enhance the work efficiency obviously.The new method can be beneficial to the modification of traditional method and specifications for survey engineering of high speed railway.

Key words：high-speed railway;track control network;trigonometric leveling;setting spot;accuracy

中圖分類號：P224

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)03-0017-04

作者簡介：楊雪峰(1983-)，男，講師，碩士.

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(SWJTU12BR014/SWJTU12ZT07)；國家自然科學基金資助項目(51178404)；“2011計劃”軌道交通安全協(xié)同創(chuàng)新中心經(jīng)費資助項目

收稿日期：2014-12-17