對鐵路施工期線上GNSS網(wǎng)更新原則的探討

王作鈺

（1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

我國的鐵路工程平面測量系統(tǒng)一般在框架網(wǎng)（CP0）的基礎(chǔ)上分3級布設(shè)，分別為基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)（CPⅠ）、線路平面控制網(wǎng)（CPⅡ）和軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）[1]。CPⅢ控制點布設(shè)于線上，以便軌道施工和精調(diào)，且要求每隔約600 m聯(lián)測一個上級控制點，而線下的CPⅠ、CPⅡ控制點因遮擋很難被全站儀觀測到，因此為滿足CPⅢ的觀測需求，通常在線下工程完工并通過沉降評估后再將CPⅡ控制點加密至線上。一般橋梁、路基段加密CPⅡ采用GNSS觀測，隧道段采用導(dǎo)線或自由測站法觀測。橋梁段加密點左右交替設(shè)置在固定支座上方的防撞墻上，路基段加密點沿線路左右交替布設(shè)在限界內(nèi)便于CPⅢ控制網(wǎng)聯(lián)測的位置，隧道段加密點設(shè)置在電纜槽頂面，這樣既有利于點位的保護(hù)，又便于CPⅢ控制網(wǎng)的聯(lián)測。

根據(jù)TB 10101-2018《鐵路工程測量規(guī)范》[2]的相關(guān)要求，在長鋼軌精調(diào)前，CPⅠ、洞內(nèi)CPⅡ、線上加密CPⅡ、CPⅢ、線路水準(zhǔn)基點和線上加密水準(zhǔn)點應(yīng)復(fù)測一次，線上加密CPⅡ復(fù)測后應(yīng)根據(jù)評判標(biāo)準(zhǔn)確定最終成果，用于長鋼軌精調(diào)。

1 平面控制網(wǎng)復(fù)測評判標(biāo)準(zhǔn)

TB 10101-2018《鐵路工程測量規(guī)范》[2]在原規(guī)范的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修訂，其中平面控制網(wǎng)復(fù)測完善了以下方面：①平面控制網(wǎng)增加了測量等級，并對對應(yīng)等級復(fù)測坐標(biāo)之差設(shè)置了限差要求；②根據(jù)相鄰點的邊長，劃分不同等級平面控制網(wǎng)坐標(biāo)增量之差的相對精度（簡稱相對精度）的限差；③明確了各階段平面控制網(wǎng)復(fù)測成果的采用原則。

線上加密CPⅡ一般采用二維平面坐標(biāo)， GNSS觀測時的評判方法為雙限差法，即根據(jù)兩期絕對坐標(biāo)之差與相對精度進(jìn)行評定[3-4]。具體的限差要求如表1所示[2]。

表1 GNSS平面控制網(wǎng)復(fù)測坐標(biāo)較差限差要求

相對精度的計算公式為：

式中，S為相鄰點原測二維平面距離；ΔXij、ΔYij分別為相鄰點i與j之間原復(fù)測二維坐標(biāo)差之差[5]。

復(fù)測結(jié)果與最近一次成果分析不滿足評判標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)進(jìn)行二次復(fù)測，并查明原因，采用同精度內(nèi)插的方法更新成果[1]。GNSS復(fù)測相鄰點間坐標(biāo)增量之差的相對精度限差如表2所示。

表2 GNSS復(fù)測相鄰點間坐標(biāo)增量之差的相對精度限差

2 案例分析

南通至上海鐵路一期工程（滬通一期）正線長約為137 km，線路起點在寧啟線南通市平東站接軌，向南以橋梁方式跨越長江，經(jīng)蘇州市太倉市站向東，終點引入既有滬寧鐵路安亭站，為國家Ⅰ級客貨共線雙線鐵路。旅客列車設(shè)計行車速度為200 km/h，軌道類型為有砟，本項目無隧道工程。根據(jù)項目的軌道類型以及設(shè)計速度目標(biāo)值，線上加密CPⅡ測量執(zhí)行規(guī)范GNSS平面四等技術(shù)要求。

按照施工進(jìn)度，線上加密CPⅡ于2017年底開始建網(wǎng)，2020年2月底—3月底完成復(fù)測。由于加密CPⅡ布設(shè)于線上，因此點間距易于控制，一般約為600 m。加密CPⅡ以復(fù)測的線下CPⅠ作為起算點，按照評判標(biāo)準(zhǔn)開展分析。本文通過分析滬通一期線上GNSS點復(fù)測情況發(fā)現(xiàn)，以下情況需進(jìn)一步探討成果的采用：

1）案例一：原復(fù)測坐標(biāo)之差超限，而相對精度不超限。觀測數(shù)據(jù)分析如表3所示，可以看出，C點的復(fù)測與建網(wǎng)坐標(biāo)較差超過15 mm的限差要求，而本段控制點的相對精度滿足限差1/40 000的要求。經(jīng)再次復(fù)測確認(rèn)，C點坐標(biāo)需要更新，更新后最終成果與原坐標(biāo)的差值為ΔX=7.4 mm、ΔY=-5.0 mm。擴(kuò)展至無砟軌道，若按該方案更新，更新后該點附近的CPⅢ點將可能跟隨其變化趨勢，這將對無砟軌道施工帶來不利影響。

表3 案例一觀測數(shù)據(jù)的分析

2）案例二：出現(xiàn)連續(xù)超限的情況。觀測數(shù)據(jù)分析如表4所示，可以看出，根據(jù)評判標(biāo)準(zhǔn)，本組數(shù)據(jù)雙限差均存在不滿足限差的情況，此時有兩種更新方案：本段成果全部更新；選擇部分坐標(biāo)差值較小的點作為同精度內(nèi)插的已知點進(jìn)行局部更新。兩種方法均滿足評判標(biāo)準(zhǔn)要求，但最終成果有較大區(qū)別。

表4 案例二觀測數(shù)據(jù)的分析

3）案例三：原復(fù)測坐標(biāo)較差值小，但相對精度超限。觀測數(shù)據(jù)分析如表5所示，本組數(shù)據(jù)在復(fù)測時較常見，滬通線按四等評判標(biāo)準(zhǔn)無需更新，但擴(kuò)展至無砟軌道，復(fù)測坐標(biāo)較差在5 mm以內(nèi)，而相對精度超過三等限差1/60 000的復(fù)測評判標(biāo)準(zhǔn)，成果應(yīng)更新。由于本組數(shù)據(jù)坐標(biāo)較差均較小，因此出現(xiàn)需討論更新A點還是B點的情況。

表5 案例三觀測數(shù)據(jù)的分析

3 線上GNSS網(wǎng)更新原則的優(yōu)化

由上述案例可知，除了施工過程中對點位的破壞、擾動以及加載造成點位的變化外，主要是由GNSS定位誤差導(dǎo)致的成果變化。GNSS的定位誤差主要分為3大類：GNSS信號的自身誤差和人為誤差；信號從衛(wèi)星傳播到用戶接收天線的傳播誤差；接收機(jī)所產(chǎn)生的GNSS信號測量誤差[6]。復(fù)測結(jié)果與最近一次觀測成果較差超限的通過二次復(fù)測進(jìn)行確認(rèn)，可判斷建網(wǎng)成果是否存在較大的誤差。排除建網(wǎng)誤差因素后，加密CPⅡ的更新除評判標(biāo)準(zhǔn)外，還應(yīng)考慮CPⅢ控制網(wǎng)的復(fù)測情況，以保持CPⅢ基準(zhǔn)的統(tǒng)一、減小精調(diào)工作量[7]。線上GNSS網(wǎng)更新原則的優(yōu)化方法為：

1）坐標(biāo)較差小的CPⅡ不更新。若位于本應(yīng)更新的CPⅡ附近的CPⅢ控制點建網(wǎng)與復(fù)測的坐標(biāo)較差與相鄰點坐標(biāo)增量較差不超限，則不應(yīng)因CPⅡ的相對精度超限而進(jìn)行更新。

2）當(dāng)出現(xiàn)案例一類似的情況，則可能是由于復(fù)測與建網(wǎng)的網(wǎng)形不同而導(dǎo)致坐標(biāo)較差呈漸變特征。若CPⅡ采用原成果，CPⅢ控制點建網(wǎng)與復(fù)測的坐標(biāo)較差與相鄰點坐標(biāo)增量較差不超限，則應(yīng)按照CPⅡ復(fù)測原則，在該段中選擇一個穩(wěn)定可靠并滿足約束點間相對精度的CPⅡ作為約束點，從而不更新CPⅡ點成果。

3）經(jīng)現(xiàn)場核實確實存在施工造成的點位變化的，采用GNSS對超限點進(jìn)行更新。若更新后CPⅡ附近的CPⅢ控制點建網(wǎng)與復(fù)測的坐標(biāo)較差仍超限，則可能是由于GNSS系統(tǒng)誤差導(dǎo)致與CPⅢ網(wǎng)的坐標(biāo)變化不完全一致，此時擬采用CPⅢ控制網(wǎng)自由測站數(shù)據(jù)，通過其他CPⅡ以及需要更新CPⅡ點附近的CPⅢ反算該點坐標(biāo)，再利用更新后的CPⅡ進(jìn)行CPⅢ控制網(wǎng)計算。這種情況在無砟軌道施工時表現(xiàn)得更為突出，無砟軌道底座完成后無法調(diào)整，若CPⅡ更新與CPⅢ建網(wǎng)成果不一致，扣件的調(diào)整量不能滿足平順性要求或無余量，均對無砟軌道施工和后期維護(hù)不利。

還有一種特殊的情況，即線上CPⅡ滿足評判標(biāo)準(zhǔn)要求，但CPⅢ控制網(wǎng)復(fù)測與建網(wǎng)出現(xiàn)超限的情況，主要表現(xiàn)為坐標(biāo)較差的變化。分析其原因可能是，CPⅡ點因施工或荷載變化發(fā)生了少量變化，但GNSS復(fù)測表現(xiàn)為無需更新，采用全站儀進(jìn)行CPⅢ復(fù)測時則表現(xiàn)為坐標(biāo)較差超限的情況。這種情況雖然不會帶來較大的影響，但增加了軌道精調(diào)的工作量，因此也建議采用CPⅢ控制網(wǎng)數(shù)據(jù)對CPⅡ進(jìn)行更新。

4 結(jié) 語

線上加密CPⅡ復(fù)測評判標(biāo)準(zhǔn)確定的復(fù)測成果將作為CPⅢ復(fù)測的基準(zhǔn)，直接影響軌道精調(diào)。本文通過對滬通鐵路線上CPⅡ復(fù)測數(shù)據(jù)的分析，對復(fù)測評判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了優(yōu)化，得出應(yīng)根據(jù)不同的軌道類型以及CPⅢ復(fù)測的成果分析來確定線上CPⅡ的成果采用情況的結(jié)論。由于規(guī)范沒有進(jìn)一步說明兩次復(fù)測成果較差在何種情況下應(yīng)更新原測坐標(biāo)成果[8]，因此二次復(fù)測如何判定，數(shù)據(jù)如何使用仍需進(jìn)行理論推導(dǎo)與實踐總結(jié)。隨著北斗技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，可實時提供精測網(wǎng)最精確的觀測成果，線上加密CPⅡ不存在復(fù)測的周期[9]也將成為現(xiàn)實。