高速鐵路CP III測(cè)量若干問題的研究探討

方 操

（上海市巖土工程檢測(cè)中心，上海 200436）

0.引言

高速鐵路的發(fā)展普及對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。近年來，我國高鐵建設(shè)突飛猛進(jìn)，新一代高鐵的通行標(biāo)志著我國鐵路運(yùn)輸業(yè)躋身世界前列[1]。在高鐵快速發(fā)展的同時(shí)，安全問題也應(yīng)受到越來越多的關(guān)注[2]。在高鐵建設(shè)時(shí)，軌道平順性誤差等都必須控制在限差范圍之內(nèi)，要想更好地實(shí)現(xiàn)軌道平順性，就必須在鋪設(shè)軌道時(shí)保證測(cè)量精度。

研究探討精密工程測(cè)量技術(shù)在高鐵建設(shè)特別是軌道控制網(wǎng)測(cè)量階段的關(guān)鍵問題及應(yīng)用，對(duì)于提供科學(xué)合理的測(cè)量方案、為軌道鋪設(shè)等提供精確數(shù)據(jù)保障和高鐵的安全運(yùn)營能夠起到至關(guān)重要的作用。

1.CPIII 測(cè)量誤差來源與控制措施

CPIII控制測(cè)量的誤差來源于多方面，只有分析清楚各類誤差源和處理措施，才能保證所測(cè)得的數(shù)據(jù)更加科學(xué)準(zhǔn)確。

1.1 投影變形誤差

在實(shí)際工程測(cè)量活動(dòng)中所測(cè)得的坐標(biāo)一般為空間地理坐標(biāo)，而工程項(xiàng)目一般利用的是施工區(qū)域的獨(dú)立平面坐標(biāo)。在利用投影方法把空間地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)時(shí)必然產(chǎn)生投影變形，進(jìn)而因?yàn)橥队白冃嗡鶐碜鴺?biāo)等誤差。

高鐵工程測(cè)量平面坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)采用獨(dú)立坐標(biāo)系，以減弱投影變形影響。按照《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》TB10601-2009規(guī)定，在對(duì)應(yīng)的線路軌道設(shè)計(jì)高程面上，坐標(biāo)系統(tǒng)投影變形長(zhǎng)度值不宜大于10mm/km[3]，比一般工程測(cè)量要求更高。在高鐵測(cè)量中通常根據(jù)通過地區(qū)的具體情況和要求，采用建立任意中央子午線、較窄寬度帶的抵償投影面的坐標(biāo)系統(tǒng)。這項(xiàng)流程通常在工程建設(shè)的測(cè)量工作之前進(jìn)行，CPIII控制測(cè)量階段只需按照原來的坐標(biāo)系統(tǒng)及分帶情況測(cè)量即可，一般不加以改變，但需要做一些檢核工作。

1.2 儀器因素引起的誤差

現(xiàn)代測(cè)量工作離不開儀器的輔助，精密工程測(cè)量對(duì)儀器的精度等級(jí)和穩(wěn)定性等要求更高。儀器因素造成的誤差是指儀器在加工和裝配等工藝過程中，不能保障儀器結(jié)構(gòu)能按照理想狀態(tài)滿足各種幾何關(guān)系造成的誤差，比如軸系關(guān)系較差、沒有正確輸入溫度氣壓等、棱鏡常數(shù)不匹配、GPS天線相位中心偏差等情況[4]。

在高鐵CPIII測(cè)量工作中，針對(duì)儀器因素引起的誤差，應(yīng)做好以下處理措施：

（1）在外業(yè)測(cè)量工作開始前，需要對(duì)棱鏡桿和棱鏡組進(jìn)行檢查，誤差不得超過0.3mm，最大誤差不得超過0.5mm；

（2）對(duì)儀器進(jìn)行定期檢校，比如全站儀指標(biāo)差和2C互差值如果超過技術(shù)要求規(guī)定應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)；

（3）進(jìn)行自由設(shè)站測(cè)站設(shè)立之前，應(yīng)量取溫度和氣壓值并輸入全站儀進(jìn)行改正。一般要求溫度和氣壓測(cè)量誤差應(yīng)在0.5℃和50Pa之內(nèi)；

（4）確保棱鏡桿和預(yù)埋件連接緊密套合，同時(shí)保證棱鏡面的朝向盡量不偏離儀器；

（5）遇到橋梁等特殊地段時(shí)，全站儀設(shè)站應(yīng)位于穩(wěn)固位置。在工作中注意觀察氣泡是否偏離中心位置，如偏差過大必須重新架站、對(duì)中整平且重新觀測(cè)該測(cè)站；

（6）對(duì)于架設(shè)在CPII點(diǎn)上的棱鏡基座，要求對(duì)中誤差嚴(yán)格控制在1mm以內(nèi)，不得放寬；

（7）在進(jìn)行高程測(cè)量時(shí)，定期檢查高程桿和水準(zhǔn)尺狀態(tài)，誤差不得超過0.3mm，最大誤差不得超過0.5mm；

（8）定期檢測(cè)水準(zhǔn)儀i角值，如果角值超過規(guī)范要求應(yīng)按操作流程進(jìn)行校準(zhǔn)；

（9）確保CPIII控制點(diǎn)的預(yù)埋件和高程桿連接穩(wěn)固，高程桿安裝到位，在觀測(cè)時(shí)標(biāo)尺員應(yīng)扶直水準(zhǔn)尺。水準(zhǔn)儀氣泡如果偏離過大，應(yīng)排查原因并重新整平儀器重測(cè)該測(cè)站。

1.3 外界環(huán)境因素引起的誤差

在精密工程測(cè)量工作中，外界環(huán)境因素引起的誤差不容忽視。外業(yè)測(cè)量所處的自然環(huán)境如溫度、濕度、風(fēng)力、大氣折光等都會(huì)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)造成影響，而且這種影響會(huì)隨著外界環(huán)境的變化情況而變化。在進(jìn)行CPIII外業(yè)測(cè)量時(shí)，削弱環(huán)境因素誤差的措施主要有以下幾項(xiàng)：

（1）平面控制網(wǎng)觀測(cè)時(shí)間應(yīng)選擇在晚上或陰天進(jìn)行，晚上觀測(cè)時(shí)應(yīng)該注意視線方向避免汽車燈光等強(qiáng)光線直射；

（2）在用全站儀進(jìn)行自由設(shè)站邊角交會(huì)法測(cè)量時(shí)，周圍不能有震動(dòng)源影響，比如大型機(jī)械施工作業(yè)等；

（3）在外業(yè)觀測(cè)過程中實(shí)時(shí)關(guān)注溫度變化情況，注意是否有氣溫突變發(fā)生。如果遇到陽光強(qiáng)烈的情況，應(yīng)采取遮光措施如利用遮光罩或給儀器打傘；

（4）提前溝通排除障礙物等干擾情況，以使測(cè)量順利進(jìn)行；

（5）如遇特殊地段比如曲線、橋梁路基過渡段等，會(huì)出現(xiàn)相鄰目標(biāo)點(diǎn)距離很近的情況，這時(shí)需要人為干預(yù)測(cè)量調(diào)整測(cè)站和目標(biāo)點(diǎn)選擇；

（6）高程測(cè)量觀測(cè)時(shí)間應(yīng)選擇在早上或陽光不強(qiáng)烈的陰天進(jìn)行，應(yīng)選擇不同時(shí)間段分別進(jìn)行各測(cè)段的往返觀測(cè)。

1.4 人為因素引起的誤差

人為因素引起的誤差，是指由于觀測(cè)人員的原因?qū)е聹y(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)際值之間的差值，也是非常重要的誤差來源之一。人為因素造成的誤差有照準(zhǔn)目標(biāo)錯(cuò)誤、輸入測(cè)量信息錯(cuò)誤、棱鏡安裝不到位、標(biāo)尺員扶尺傾斜等。由于作業(yè)人員的視覺鑒別能力有高有低，在操作儀器時(shí)對(duì)中、整平、照準(zhǔn)和讀數(shù)等環(huán)節(jié)都可能造成視覺誤差的產(chǎn)生。

另外，由于不同測(cè)量小組測(cè)量方法不同、測(cè)量人員水平差異等原因也會(huì)造成控制網(wǎng)接邊測(cè)算誤差。有效避免或削弱人為因素誤差需要遵守以下注意事項(xiàng)：

（1）所有作業(yè)人員必須進(jìn)行崗前培訓(xùn)，通過上崗前考試和能力認(rèn)定者方可擔(dān)任相應(yīng)崗位作業(yè)員，堅(jiān)決杜絕無證上崗情況；

（2）作業(yè)人員必須不斷提高自身專業(yè)技術(shù)水平和技能，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)良好的作業(yè)習(xí)慣、職業(yè)道德和認(rèn)真細(xì)心的態(tài)度；

（3）作業(yè)之前嚴(yán)格檢查檢核相關(guān)儀器設(shè)備，并做好相關(guān)記錄備查；

（4）各測(cè)量小組應(yīng)制定統(tǒng)一的測(cè)量方案，使整個(gè)控制網(wǎng)測(cè)量具有整體性；

（5）關(guān)鍵流程環(huán)節(jié)盡量由經(jīng)驗(yàn)豐富的作業(yè)員來完成，并嚴(yán)格遵守國家相關(guān)規(guī)范、技術(shù)設(shè)計(jì)書和作業(yè)指導(dǎo)書等規(guī)定；

（6）通過各種方式做好宣傳工作，做好控制點(diǎn)保護(hù)措施，盡量避免控制點(diǎn)被破壞等情況發(fā)生。

2.高斯投影應(yīng)用

通過GNSS測(cè)量技術(shù)方法測(cè)得的成果為WGS84坐標(biāo)系下成果，而在實(shí)際工程建設(shè)中常采用平面直角坐標(biāo)系，這必然涉及投影問題。高斯投影是鐵路工程測(cè)量中最常使用的投影方式[5]。

按照中央子午線位置和帶寬不同，高斯平面坐標(biāo)系又可分為國家坐標(biāo)系和地方獨(dú)立坐標(biāo)系。國家坐標(biāo)系按照3°分帶或6°分帶把橢球體劃分為標(biāo)準(zhǔn)投影帶。按照國家坐標(biāo)系的標(biāo)準(zhǔn)投影分帶來計(jì)算，國家3°帶投影邊緣長(zhǎng)度變形達(dá)到34cm/km，而我國一般工程測(cè)量規(guī)定高斯投影變形和高程歸化改正和不能超過2.5cm/km，高速鐵路工程測(cè)量要求投影長(zhǎng)度變形甚至要小于1∶100000，所以在很多情況下必須建立獨(dú)立坐標(biāo)系。

高斯投影綜合變形公式如下：

其中，Hm表示兩點(diǎn)間平均大地高；RA表示長(zhǎng)度方向的橢球曲率半徑；R表示平均曲率半徑；y表示橫坐標(biāo)。

所以，在實(shí)際應(yīng)用中要想限制投影長(zhǎng)度變形，就必須通過調(diào)整確定中央子午線位置和測(cè)區(qū)平均高程面來實(shí)現(xiàn)。

2.1 高斯投影建立獨(dú)立坐標(biāo)系的方法

根據(jù)高斯投影長(zhǎng)度變形規(guī)律分析，有三種方法用于建立獨(dú)立坐標(biāo)系。

（1）改變中央子午線，投影高程面不變。只移動(dòng)中央子午線位置，仍然采用原來橢球參數(shù)建立獨(dú)立坐標(biāo)系。通過綜合變形公式，令綜合長(zhǎng)度變形值為0，則可以把公式變形為即可得到中央子午線的移動(dòng)量值。這種操作方法較為簡(jiǎn)便，不用改變?cè)瓉頇E球參數(shù)和考慮改變橢球變化模型計(jì)算，但隨著Hm增大會(huì)造成投影面誤差和投影畸變誤差，可能對(duì)工程建設(shè)造成一定影響。

（2）中央子午線設(shè)在測(cè)區(qū)中央，采用平均高程面為投影面。此方法精度高，可以使綜合變形值為0，但需要對(duì)橢球參數(shù)進(jìn)行重新計(jì)算，操作流程比較復(fù)雜。按照高速鐵路工程測(cè)量投影變形不大于1∶100000的規(guī)定，根據(jù)此方法和綜合投影變形公式可以求解出帶寬邊緣距離中央經(jīng)線不能超過28km，即一個(gè)投影帶可以控制約56km的帶寬區(qū)域。

（3）中央子午線設(shè)在測(cè)區(qū)中央，采用抵償高程面。利用此方法根據(jù)綜合投影變形公式，令y=0、m=1∶100000，可以求解出Hm為63.7m，要將投影高程面設(shè)在測(cè)區(qū)中心以下63.7m處。在滿足以上條件時(shí)，計(jì)算得到y(tǒng)=±40km，所以每個(gè)投影帶可以控制80km的范圍。這種方法角度畸變一般不會(huì)對(duì)工程建設(shè)造成影響，所以在鐵路測(cè)量中應(yīng)用比較廣泛。

2.2 高斯投影在高鐵測(cè)量中的應(yīng)用

在高鐵測(cè)量實(shí)際應(yīng)用中，一般會(huì)根據(jù)工程具體情況把以上三種方法結(jié)合使用。按照高鐵測(cè)量投影誤差不大于1∶100000的要求，在綜合投影變形公式中取m=0，Hm與y的函數(shù)關(guān)系圖像（如圖1所示），兩曲線之間的區(qū)域?yàn)橥队白冃沃禎M足高鐵測(cè)量要求的區(qū)域。

圖1 高斯投影1∶100000范圍圖

根據(jù)圖1可知，在滿足高鐵測(cè)量小于1∶100000投影變形的要求下，一定的投影面對(duì)應(yīng)一定的抵償帶。因此一般選取軌道高程面為投影面，由此可以得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)于主要南北走向且東西走向變化小的鐵路，將中央子午線確定在鐵路走向線中心位置，取測(cè)區(qū)平均高程面作為投影面，可使投影長(zhǎng)度變形最?。?/p>

（2）對(duì)于主要東西走向的鐵路或南北走向但東西變化大的鐵路，需要建立多個(gè)投影帶時(shí)，將中央子午線確定在鐵路走向線中心適當(dāng)位置，選擇適當(dāng)?shù)耐队懊?。保證投影帶之間有重疊，重疊首級(jí)控制點(diǎn)應(yīng)多于兩個(gè)。

3.三角高程測(cè)量應(yīng)用于跨河水準(zhǔn)測(cè)量

高速鐵路建設(shè)有時(shí)需要進(jìn)行跨河水準(zhǔn)測(cè)量，在進(jìn)行跨河水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)又通常會(huì)遇到測(cè)量難度大的情況，比如河流兩岸距離大、測(cè)區(qū)情況復(fù)雜、氣象條件多變等。下面將研究論述利用三角高程測(cè)量技術(shù)方法進(jìn)行跨河跨海測(cè)量的可行性。

3.1 測(cè)量方法

三角高程測(cè)量的精度主要受到儀器測(cè)角、測(cè)距和大氣折光等因素的影響。結(jié)合岸線特點(diǎn)、河流寬度、周圍環(huán)境等，可以布設(shè)為大地四邊形進(jìn)行跨河水準(zhǔn)測(cè)量。選擇陰天等大氣折光穩(wěn)定、折光系數(shù)小的時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)并進(jìn)行氣壓、溫度改正，同時(shí)利用對(duì)向觀測(cè)方法減小球氣差等對(duì)精密三角高程測(cè)量的影響[6]。

3.2 項(xiàng)目實(shí)例

某高鐵測(cè)量項(xiàng)目需要進(jìn)行跨河水準(zhǔn)測(cè)量，要求按二等水準(zhǔn)測(cè)量執(zhí)行。兩岸線之間的聯(lián)測(cè)采用測(cè)角精度為±0.5″、測(cè)距精度為1ppm的徠卡TCA2003測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行測(cè)量。結(jié)合岸線特點(diǎn)、寬度和周圍環(huán)境，選取大地四邊形方法進(jìn)行布設(shè)。按照GB/T12897-2006《國家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》規(guī)定，選擇在兩岸最窄處分別埋設(shè)一對(duì)相距約20m的水準(zhǔn)點(diǎn)（如圖2所示）：

圖2 跨河水準(zhǔn)測(cè)量平面示意圖

野外施測(cè)嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行，距離、垂直角觀測(cè)使用測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)照準(zhǔn)多測(cè)回測(cè)角功能，每站觀測(cè)2組，每組觀測(cè)12個(gè)測(cè)回。其中BSⅡ013至BSⅡ014的距離和BSⅡ011至BSⅡ012的距離均約為20m，各邊的高差由測(cè)量機(jī)器人采用跨河水準(zhǔn)測(cè)量方式測(cè)量。

采用武漢大學(xué)COSAWIN控制網(wǎng)地面數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行計(jì)算，最終使各高差形成的閉合環(huán)差值均滿足規(guī)范要求，限差根據(jù)規(guī)范中公式計(jì)算。閉合差計(jì)算結(jié)果（如表1所示）：

表1 最大閉合環(huán)閉合差統(tǒng)計(jì)表

4.結(jié)束語

隨著時(shí)代發(fā)展和科技的進(jìn)步，高速鐵路的興起和蓬勃發(fā)展鑄就了新的里程碑，而這一切都離不開精密工程測(cè)量技術(shù)的重要服務(wù)作用。在高速鐵路建設(shè)中，CPIII階段的測(cè)量工作尤其重要。本文通過研究探討若干關(guān)鍵技術(shù)問題，總結(jié)了CPIII測(cè)量的誤差來源并給出了科學(xué)有效地解決措施，提出了利用高斯投影針對(duì)不同情況建立獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)的方法，通過具體實(shí)例研究論述了利用三角高程測(cè)量技術(shù)方法進(jìn)行跨河跨海測(cè)量的可行性。本文的研究成果對(duì)于此類項(xiàng)目的開展具有一定的指導(dǎo)和借鑒價(jià)值。