高速鐵路線上加密CPⅡ和CPⅢ網(wǎng)復(fù)測方法優(yōu)化探討

朱郭勤

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

高速鐵路已經(jīng)成為一種快捷、安全、高效和優(yōu)質(zhì)的大眾化出行交通方式[1]，然而隨著我國高鐵運營里程的不斷增多，高速鐵路的運營安全已經(jīng)成為關(guān)注的重點，為保證旅客列車高速運行時的舒適度和安全性，對軌道平順性的要求非常嚴(yán)格，而軌道具有的高平順性是通過高精度的軌道控制網(wǎng)CPⅢ來保障的[2-3]，因此高速鐵路在運營期需要對精測網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測，根據(jù)軌道設(shè)備維修保養(yǎng)周期、測區(qū)地質(zhì)條件以及行車情況，一般線下CPⅠ、線上加密CPⅡ是3年復(fù)測1次，CPⅢ網(wǎng)為1年1次。

高速鐵路運營期間和施工建設(shè)期間相比，運營期所有線上的測量工作只能在夜間的4 h天窗時間內(nèi)進(jìn)行，除作業(yè)時間較短外，線上作業(yè)時還受到天氣、大功率信號機、聲(風(fēng))屏障、通訊塔等設(shè)施的影響，特殊的作業(yè)時間和外部環(huán)境的限制給運營期線上測量造成較大的困難，所以運營期的復(fù)測工作一般效率都比較低[4]。除以上客觀原因以外，還有以下原因?qū)е逻\營期精測網(wǎng)復(fù)測效率低下：一是當(dāng)線上加密CPⅡ和CPⅢ需要同時復(fù)測時，由于這兩種工序都要占用線上加密CPⅡ點位，使得線上加密CPⅡ與CPⅢ復(fù)測不能同步進(jìn)行；二是雖然《高速鐵路工程測量規(guī)范》(TB 10601—2009)上明確可以用CPⅢ三角高程代替CPⅢ水準(zhǔn)環(huán)來對CPⅢ高程進(jìn)行復(fù)測[5]，但是由于全站儀豎直角的精度不太容易控制，容易造成波動，所以這種方法只在局部段落使用過，沒有在整條運營維護(hù)線上大范圍應(yīng)用，如果能夠成功應(yīng)用，將會極大地提高運營期精測網(wǎng)復(fù)測效率。

因此為了滿足高速鐵路運營期線路維護(hù)的需要，結(jié)合運營期精測網(wǎng)復(fù)測的特點，需要探討提高運營期精測網(wǎng)復(fù)測效率，降低成本的方法。

2 運營期精測網(wǎng)復(fù)測的特點

運營期間精測網(wǎng)復(fù)測采用與建網(wǎng)時相同的測量方法進(jìn)行復(fù)測[5]。然而，運營期間精測網(wǎng)復(fù)測在測量作業(yè)時間、作業(yè)環(huán)境與建設(shè)階段相比有較大的不同。

(1)運營期高鐵行車密度大，維修天窗時間較短，僅有4 h的夜間垂直天窗維修時間，期間還要進(jìn)行設(shè)備的動靜態(tài)檢測、修理和維護(hù)，再除去上道和下道的時間，真正有效的作業(yè)時間小于3 h[4]。運營期每個天窗開放的作業(yè)區(qū)段也較短，一般為4 km左右，而且同一區(qū)段上線作業(yè)人數(shù)也有限制，要想在3 h的有效作業(yè)時間內(nèi)完成線上加密CPⅡ測量、CPⅢ平面測量、CPⅢ高程測量非常困難[4]。

(2)建設(shè)階段精測網(wǎng)測量工作時間相對比較自由，可以根據(jù)現(xiàn)場情況和自身的生產(chǎn)安排合理安排作業(yè)時間，每一項工序都分開、分步進(jìn)行實施，不存在相互干擾的情況。

根據(jù)以上分析，要想提高高速鐵路運營期精測網(wǎng)復(fù)測效率，只有在技術(shù)上、作業(yè)模式上尋求突破。

3 運營期精測網(wǎng)復(fù)測優(yōu)化設(shè)計

(1)CPⅡ觀測模式設(shè)計

線上加密CPⅡ觀測技術(shù)要求如表1所示。

表1 CPⅡ測量作業(yè)的技術(shù)要求

線上加密CPⅡ點沿線路走向左右交替補設(shè)，點間距離控制在600～800 m，網(wǎng)形結(jié)構(gòu)采用邊聯(lián)結(jié)方式構(gòu)網(wǎng)，形成由三角形或大地四邊形組成的帶狀網(wǎng)。路基段線上加密CPⅡ網(wǎng)點埋設(shè)在路肩上，橋梁段網(wǎng)點在距線路中心兩側(cè)的防撞墻頂上豎向埋設(shè)[6]。線上加密CPⅡ網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)附合到基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)CPⅠ上，測量平差計算起閉于勘測控制網(wǎng)中的CPⅠ、CPⅡ控制點。

(2)CPⅢ作業(yè)模式

CPⅢ軌道控制網(wǎng)是沿線路布設(shè)的三維控制網(wǎng)，一般在線下工程施工完成、沉降變形評估通過后施測，起閉于基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPⅠ)或線路控制網(wǎng)(CPⅡ)，在高速鐵路整個生命周期都扮演著重要角色，是施工階段無砟軌道鋪設(shè)和運營維護(hù)階段軌道系統(tǒng)靜態(tài)檢查的控制基準(zhǔn)[2-3]。

CPⅢ點沿線路走向成對布設(shè)，前后相鄰兩對點之間距離一般控制在50～70 m，在橋梁和隧道地段每對點布設(shè)在同一里程，里程差要求小于1 m[5-7]。CPⅢ點設(shè)置在穩(wěn)固、可靠、不易破壞和便于測量的地方，并應(yīng)預(yù)防沉降和抗移動[8-9]。相鄰CPⅢ控制點應(yīng)大致等高，其位置應(yīng)高于設(shè)計軌道高程面0.3 m。控制點標(biāo)識清晰、齊全、便于準(zhǔn)確識別。

CPⅢ平面網(wǎng)觀測的自由測站間距一般約為120 m，測站內(nèi)觀測12個CPⅢ點，全站儀前后方各3對CPⅢ點，測站到CPⅢ點的最遠(yuǎn)觀測距離應(yīng)小于180 m[10]；保證每個CPⅢ點至少有3個方向和距離觀測量[11]。如圖1所示。

CPⅢ平面網(wǎng)應(yīng)附合于加密CPⅡ控制點上，每600 m左右應(yīng)聯(lián)測一個加密CPⅡ控制點，采用固定數(shù)據(jù)平差[12-13]。與加密CPⅡ控制點聯(lián)測時，統(tǒng)一采用自由測站法。在加密CPⅡ點上架設(shè)棱鏡時，必須檢查光學(xué)對中器精度、并采用精密支架[14-15]。應(yīng)在至少3個自由測站上觀測加密CPⅡ控制點，其觀測圖形如圖2所示[16-17]。

圖1 測站觀測12個CPⅢ點平面網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)示意(單位：m)

圖2 聯(lián)測CPⅠ、CPⅡ控制點的觀測網(wǎng)(單位：m)

(3)通過以上兩點的分析可知，線上加密CPⅡ和CPⅢ作業(yè)模式都要占用線上加密CPⅡ點位[18-19]，導(dǎo)致線上加密CPⅡ和CPⅢ復(fù)測不能同步進(jìn)行，完成同一個作業(yè)區(qū)段的加密CPⅡ數(shù)據(jù)采集和CPⅢ數(shù)據(jù)采集需要申報兩次天窗，給工務(wù)安全配合造成很大壓力，為解決這一問題，筆者設(shè)計了一種可以連接棱鏡與GPS天線的棱鏡連接卡，如圖3所示。

棱鏡連接卡下端套棱鏡，上端安裝LEICA GPS天線，在CPⅢ作業(yè)時把GPS天線與棱鏡組合到一起，安裝在精密支架上面，精密支架整平之后GPS相位中心與棱鏡中心在平面上的投影一致，使得線上加密CPⅡ和CPⅢ能夠同步進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，提高高速鐵路運營期的天窗利用率，降低生產(chǎn)成本，尤其在橋梁占比大的線路上優(yōu)勢更加明顯。如圖4所示。

圖3 棱鏡連接卡示意

圖4 棱鏡、GPS天線、連接卡組裝實物

棱鏡連接卡具有以下幾個特點：①結(jié)構(gòu)簡單，加工精度高；②體積小，攜帶方便；③可以重復(fù)使用；④制作成本低。

(4)GPS天線相位中心與棱鏡中心同心測試

為了驗證GPS天線相位中心與棱鏡中心在平面上的投影一致性，本文設(shè)計了如下測試方案：用棱鏡代替GPS天線在室外進(jìn)行測試，首先把要測試的套件組裝好并架設(shè)在室外，精密支架精確整平后，分別在30、60、120、200 m距離對上、下兩個棱鏡進(jìn)行測量。測量用的全站儀型號為LEICA TS30(測角精度為0.5″，測距精度為1+1 ppm)，測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析見表2、表3。

表2 棱鏡在不同距離實測坐標(biāo)

全站儀在30 m距離對棱鏡進(jìn)行4組觀測，同一棱鏡X、Y坐標(biāo)互差最大值為-0.3 mm，上、下棱鏡X、Y坐標(biāo)互差最大值為-0.9 mm；在60 m距離進(jìn)行4組觀測，同一棱鏡X、Y坐標(biāo)互差最大值為-0.5 mm，上、下棱鏡X、Y坐標(biāo)互差最大值為-0.9 mm；在120 m距離進(jìn)行4組觀測，同一棱鏡X、Y坐標(biāo)互差最大值為-0.5 mm，上、下棱鏡X、Y坐標(biāo)互差最大值為-0.6 mm；在200 m距離進(jìn)行4組觀測，同一棱鏡X、Y坐標(biāo)互差最大值為-0.5 mm，上、下棱鏡X、Y坐標(biāo)互差最大值為-0.5 mm。通過以上分析可知，棱鏡連接卡的同心精度優(yōu)于1 mm，滿足天線對中誤差不大于1 mm的要求[6]。同心測試?yán)忡R組裝如圖5所示。

表3 棱鏡坐標(biāo)互差最大值統(tǒng)計

圖5 同心測試?yán)忡R組裝

4 精度分析

以杭長客專運營期精測網(wǎng)復(fù)測項目為依托進(jìn)行工程驗證，選取一段線路采用新的數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析如下。

(1)線上加密CPⅡ復(fù)測主要目的是為CPⅢ復(fù)測提供穩(wěn)定的起算基準(zhǔn)，先對線上加密CPⅡ復(fù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

線上加密CPⅡ復(fù)測的主要技術(shù)指標(biāo)要求如表4所示。

表4 CPⅡ網(wǎng)復(fù)測的主要技術(shù)要求

表4中坐標(biāo)較差限差指X、Y坐標(biāo)分量較差，表中相鄰點間坐標(biāo)差之差的相對精度按式(1)計算

(1)

式中，

ΔXij=(Xj-Xi)復(fù)-(Xj-Xi)原

ΔYij=(Yj-Yi)復(fù)-(Yj-Yi)原

其中s——相鄰點間的二維平面距離；

ΔXij、ΔYij——相鄰點i與j間二維坐標(biāo)差之差，m。

所選段落的復(fù)測穩(wěn)定性分析技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計情況如表5所示。

表5 杭長客專線上加密CPⅡ復(fù)測穩(wěn)定性分析

由表5統(tǒng)計數(shù)字可知，線上加密CPⅡ復(fù)測結(jié)果穩(wěn)定性良好，復(fù)測精度滿足表4要求。

(2)試驗段落CPⅢ平差分析

試驗段落加密CPⅡ復(fù)測穩(wěn)定性分析合格后，對試驗段CPⅢ數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，平差后精度指標(biāo)統(tǒng)計情況如表6所示。

表6 CPⅢ平差計算精度指標(biāo)統(tǒng)計

由表6統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析可知，試驗段CPⅢ平差精度指標(biāo)滿足文獻(xiàn)[5]的要求，使用棱鏡連接卡采集加密CPⅡ數(shù)據(jù)解算精度滿足后續(xù)CPⅢ數(shù)據(jù)計算對CPⅡ復(fù)測精度的要求。

杭長客專南昌局管Ⅰ標(biāo)段橋梁、路基占比為96.4%，采用本文的測量方法復(fù)測優(yōu)勢明顯。目前這種棱鏡連接卡已經(jīng)成功應(yīng)用于杭長、蘭新、南廣等高速鐵路，取得了良好經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

本文在充分分析現(xiàn)有加密CPⅡ與CPⅢ復(fù)測方法在高速鐵路運營維護(hù)階段可操作性上存在不足的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前線上加密CPⅡ復(fù)測與CPⅢ復(fù)測不能同步進(jìn)行的現(xiàn)狀，研制了一種新型棱鏡連接卡，設(shè)計實驗方案驗證了GPS天線與棱鏡同心精度優(yōu)于1 mm，并進(jìn)一步在工程實踐中得到驗證。這種連接卡有效解決了線上加密CPⅡ與CPⅢ同步觀測時共用點位的問題，使運營期天窗利用率提高1倍，成本大幅下降。

通過對采用新模式采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，精度與常規(guī)作業(yè)模式采集的數(shù)據(jù)具有同等精度，能夠滿足高速鐵路運營期精測網(wǎng)復(fù)測的要求。

目前這種棱鏡連接卡已經(jīng)成功應(yīng)用在我國幾條高鐵運營線復(fù)測工作中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。本文研制的這種新型的棱鏡連接卡對同行業(yè)具有借鑒意義，可以推廣使用。