CPⅢ控制網(wǎng)測量技術(shù)在地鐵軌道施工中的應(yīng)用

馬建新，蔣 政

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300031）

地鐵工程軌道鋪設(shè)工程中，通常采用控制基標(biāo)作為軌道鋪設(shè)基準(zhǔn)，因各控制基標(biāo)之間的相對位移關(guān)系難以形成整體，導(dǎo)致地鐵列車在運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)顛簸、與軌道摩擦噪音大等問題。CPⅢ控制網(wǎng)測量作為新興的測量技術(shù)，具有多測站重復(fù)測量、整網(wǎng)統(tǒng)一平差、CPⅢ控制點(diǎn)間相對精度高等優(yōu)點(diǎn)，被成功應(yīng)用于高鐵軌道施工中[1～3]。鄭州地鐵3號線為鄭州市第一條將CPⅢ控制網(wǎng)測量技術(shù)應(yīng)用于地鐵軌道鋪設(shè)的線路，本文介紹隧道區(qū)間、標(biāo)準(zhǔn)車站CPⅢ控制網(wǎng)，單側(cè)形式CPⅢ控制網(wǎng)等網(wǎng)型優(yōu)化布設(shè)，就進(jìn)一步提高CPⅢ控制網(wǎng)的測量精度提出多種建議。

1 工程概況

鄭州地鐵3號線工程全線共有曲線段122個，最小曲線半徑300 m。CPⅢ控制網(wǎng)布設(shè)分2種：在隧道區(qū)間、標(biāo)準(zhǔn)車站，CPⅢ控制點(diǎn)成對布設(shè)，點(diǎn)對縱向距離30~60 m，布設(shè)于隧道壁兩側(cè)或中隔墻與站臺廊檐上；在個別車站，因站臺板施工影響，站臺一側(cè)無法布設(shè)CPⅢ控制點(diǎn)，點(diǎn)位采用單邊形式布網(wǎng)。工程共布設(shè)CPⅢ控制網(wǎng)58.815 km，點(diǎn)位2 202個。

2 CPⅢ控制網(wǎng)特征分析

2.1 隧道區(qū)間及標(biāo)準(zhǔn)車站CPⅢ控制網(wǎng)布設(shè)及測量

選擇城東路站—未來大道站—鳳臺南路站區(qū)間左線作為研究實(shí)例。見表1。

表1 城東路站—未來大道站—鳳臺南路站區(qū)間左線特征 m

研究范圍內(nèi)共布設(shè)CPⅢ控制點(diǎn)64點(diǎn)，外業(yè)觀測時，每個任意設(shè)站觀測相鄰4對CPⅢ控制點(diǎn)，每對CPⅢ控制點(diǎn)在相鄰3個任意測站均能被觀測且設(shè)站距離最遠(yuǎn)CPⅢ控制點(diǎn)不超過120 m，間距600～800 m聯(lián)測一個高等級控制點(diǎn)。見圖1。

圖1 城東路站—未來大道站鳳臺南路站區(qū)間左線CPⅢ控制點(diǎn)布網(wǎng)及觀測

根據(jù)曲田等[4]及李建章[5]的研究分析，采用差分法三角高程原理可以極大提高CPⅢ控制點(diǎn)的高程測量精度，滿足城市地鐵軌道施工精度要求，CPⅢ控制點(diǎn)高程測量與平面測量同步進(jìn)行，在外業(yè)觀測數(shù)據(jù)檢核合格后對CPⅢ控制網(wǎng)進(jìn)行平差。

城東路站—未來大道站—鳳臺南路站區(qū)間左線任意設(shè)站控制網(wǎng)聯(lián)測最大方向改正數(shù)2.64″，任意設(shè)站與起算點(diǎn)聯(lián)測方向改正數(shù)最大值3.66″；距離改正數(shù)＜2 mm占總數(shù)的99.4%，任意設(shè)站控制網(wǎng)聯(lián)測最大距離改正數(shù)1.87 mm，任意設(shè)站與起算點(diǎn)聯(lián)測距離改正數(shù)2.89 mm；CPⅢ控制點(diǎn)最大點(diǎn)位中誤差2.57 mm，各項(xiàng)測量指標(biāo)均滿足地鐵軌道施工CPⅢ控制點(diǎn)的精度要求[6]。見表2。

表2 城東路站—未來大道站—鳳臺南路站區(qū)間左線CPⅢ控制點(diǎn)平面精度

研究區(qū)域內(nèi)高等級水準(zhǔn)點(diǎn)共組成3個附合水準(zhǔn)線路，水準(zhǔn)線路閉合差均滿足二等水準(zhǔn)精度要求，平差后最弱點(diǎn)位中誤差0.94 mm，最大高差改正數(shù)0.95 mm，CPⅢ控制點(diǎn)高程精度滿足規(guī)范要求[6]。見表3。

表3 城東路站—未來大道站—鳳臺南路站區(qū)間左線CPⅢ控制點(diǎn)高程精度

2.2 單側(cè)形式CPⅢ控制網(wǎng)布設(shè)及測量分析

唐恩奎等[7]對高速鐵路中單側(cè)形式CPⅢ控制網(wǎng)測量的可行性進(jìn)行研究，通過CAD仿真數(shù)據(jù)的計(jì)算及實(shí)測數(shù)據(jù)的平差計(jì)算，驗(yàn)證單側(cè)CPⅢ網(wǎng)平面精度能滿足高速鐵路工程測量規(guī)范的相關(guān)要求。在城市地鐵工程施工中，因地下結(jié)構(gòu)空間狹小，各工種施工沖突，導(dǎo)致常規(guī)CPⅢ控制網(wǎng)點(diǎn)的測設(shè)難以開展。鄭州地鐵3號線未來大道站右線，因站臺板施工影響，站臺板一側(cè)無法布設(shè)CPⅢ控制點(diǎn)，為不耽誤軌道安裝進(jìn)度，對車站內(nèi)CPⅢ控制點(diǎn)采用單側(cè)布網(wǎng)形式，在外業(yè)測量過程中，加密聯(lián)測高等級控制點(diǎn)。見圖2。

圖2 未來大道站右線CPⅢ控制點(diǎn)布設(shè)網(wǎng)型

未來大道站右線任意設(shè)站控制網(wǎng)聯(lián)測最大方向改正數(shù)2.93″，任意設(shè)站與起算點(diǎn)聯(lián)測方向改正數(shù)最大值3.42″；任意設(shè)站控制網(wǎng)聯(lián)測最大距離改正數(shù)1.92 mm，任意設(shè)站與起算點(diǎn)聯(lián)測最大距離改正數(shù)3.57 mm；最大點(diǎn)位中誤差2.77 mm，單側(cè)形式CPⅢ控制網(wǎng)平面點(diǎn)位精度滿足地鐵軌道施工精度要求[6]。見表4。

表4 未來大道站右線CPⅢ控制點(diǎn)平面精度

研究區(qū)域內(nèi)高等級控制點(diǎn)共組成6個附合水準(zhǔn)線路，水準(zhǔn)線路閉合差均滿足二等水準(zhǔn)精度要求，平差后最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差0.90 mm，最大高差改正數(shù)0.92 mm，單側(cè)形式CPⅢ控制點(diǎn)精度滿足規(guī)范要求[6]。見表5。

表5 未來大道站右線CPⅢ控制點(diǎn)高程精度

對比分析，單側(cè)形式CPⅢ控制網(wǎng)測量精度雖能滿足規(guī)范要求，但控制點(diǎn)精度略低于相同測量條件下點(diǎn)對布設(shè)CPⅢ控制網(wǎng)。

3 CPⅢ控制網(wǎng)測量關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 測量標(biāo)志的統(tǒng)一

規(guī)范[6]要求CPⅢ強(qiáng)制對中標(biāo)志和標(biāo)志連接桿的加工誤差≯0.05 mm，控制點(diǎn)標(biāo)志重復(fù)性安裝誤差及互換性安裝誤差平面≯0.4 mm、高程≯0.2 mm。因地鐵工程線路較長，為了節(jié)省軌道安裝工期，往往將線路分為多個標(biāo)段同時鋪軌，施工單位在選擇測量標(biāo)志預(yù)埋件及連接桿時，互不統(tǒng)一；同時由于不同測量標(biāo)志生產(chǎn)廠家因機(jī)床設(shè)備精度不同，導(dǎo)致不同標(biāo)段銜接處CPⅢ控制點(diǎn)測量精度差異。軌道施工完成后，車站內(nèi)部風(fēng)、水、電等工程施工及線路運(yùn)營后的軌道維修施工均需頻繁使用CPⅢ控制點(diǎn)，測量標(biāo)志預(yù)埋件及連接桿誤差為后續(xù)工程施工帶來極大不便。

為克服上述弊端，要求各工序施工過程中均采用同一家生產(chǎn)廠家、同一批機(jī)床生產(chǎn)的測量標(biāo)志，最大限度減少測量誤差。

3.2 測量粗差剔除

在CPⅢ控制網(wǎng)觀測值中往往會出現(xiàn)粗差，對平差結(jié)果影響非常大，在利用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)評估前，可以通過驗(yàn)算附合水準(zhǔn)閉合差的方式進(jìn)行粗差判斷、剔除，也可以通過對閉合圖形進(jìn)行探測找出粗差。

在地鐵工程CPⅢ控制網(wǎng)測量時，每對CPⅢ控制點(diǎn)在相鄰3個任意設(shè)站均被觀測一次，因此可在公共邊上形成多個閉合圖形，通過閉合圖形閉合差可以直接判斷觀測值中是否含有粗差。閉合圖形包含橫向閉合差與縱向閉合差。在橫向點(diǎn)對m、n上可形成閉合圖形minj、mink、mjnk，如果在任意設(shè)站i測量過程中存在粗差，則閉合圖形mijn、mink閉合差超限而mjnk閉合差滿足限差要求，于是便可判定im、in兩觀測值中至少有一個存在粗差；同理，縱向點(diǎn)對也可構(gòu)成閉合圖形，點(diǎn)對m、p與任意設(shè)站i、j、k可構(gòu)成3個閉合圖形imjp、imkp、jmkp，通過驗(yàn)證3個閉合圖形的閉合差，判定任意設(shè)站觀測值中是否含有粗差。見圖3。

圖3 閉合差

通過相鄰任意設(shè)站與CPⅢ控制點(diǎn)判定粗差時，首先應(yīng)根據(jù)測量儀器的精度，設(shè)定每個閉合圖形的限差，每個三角高程觀測值經(jīng)過橫向加縱向3個以上的閉合圖形檢驗(yàn)，即可判斷觀測值是否存在粗差，進(jìn)而剔除粗差。

3.3 單側(cè)形式CPⅢ控制網(wǎng)測量

單側(cè)形式CPⅢ控制網(wǎng)相對于點(diǎn)對布設(shè)CPⅢ控制網(wǎng)平差后CPⅢ控制點(diǎn)精度有所降低，建議應(yīng)縮短CPⅢ控制點(diǎn)縱向距離，在每個任意設(shè)站能同時觀測到縱向6個CPⅢ控制點(diǎn)最佳，當(dāng)任意設(shè)站附近有高等級測量控制點(diǎn)時，可逐站聯(lián)測高等級控制點(diǎn)，以提高CPⅢ控制點(diǎn)精度。

4 結(jié)語

鄭州地鐵3號線布設(shè)的CPⅢ控制點(diǎn)測量精度較高，合格率100%。本文所提出的CPⅢ控制網(wǎng)布設(shè)網(wǎng)型優(yōu)化方法及CPⅢ控制網(wǎng)解算時粗差剔除方法，可廣泛應(yīng)用于地鐵工程軌道鋪設(shè)CPⅢ控制網(wǎng)測量，為地鐵工程全生命周期健康監(jiān)測提供依據(jù)。□■