自由設站邊角交會法在無砟軌道施工與精調中的應用

郎建平,劉千文

(中鐵十六局集團有限公司,北京 100018)

1 工程概況

武廣客運專線是加快我國鐵路現代化建設的重點工程,具有線路里程長、技術標準高、投資規模大等特點。我集團公司承擔施工的武廣客運專線 X X T JⅢ標一單元工程項目,位于湖南省株洲市、湘潭市、株洲縣和湘潭縣境內,沿途經過十二個鄉鎮。施工范圍里程為:D K 1 592+585.18～D K 1 656+097.08,正線全長62.628 k m。該段概略地理坐標為:東經 112°53′～113°05′、北緯 27°26′～ 27°58′。地區植被繁茂,交通不便,雨季時間長,測量環境比較惡劣。

普通鐵路常規的控制測量基本上是以導線測量為主,外業觀測量小、內業計算簡單,網型比較靈活自由,受控制點點間距離長度影響小。但其精度不能滿足無砟軌道施工和軌道精調要求。自由設站邊角交會對網形要求比較嚴,控制點間距離必須控制在 60 m左右,最長不超過 70 m,其測量方法、觀測數據的檢驗、內業計算等都有新的內容。在武廣鐵路客運專線無砟軌道施工控制測量和軌道精調施工中,運用自由設站邊角交會法在 CPⅢ網控制測量中,取得了很好的效果。

2 CPⅡ控制點加密

為確保軌道施工質量和控制全線施工線路中線的平順連接,為 CPⅢ控制網提供高精度的位置基準,必須對設計院提供的本標段范圍內的 CPI、CPⅡ控制點進行全面的復測。同時,為建立 CPⅢ控制網和現場施工測量的需要,在線路兩側按每 500 m左右間距加密了一定數量的 CPⅡ平面控制點,相鄰標段連接處,在 GPS觀測時兩端各延伸 2個 CPI點,以保證與相鄰標段的平順連接。

CⅡ控制點復測與加密采用了 8臺高精度 GPS接收機同時作業的觀測模式,以提高 GPS觀測網形的圖形強度。網形以大地四邊形和中點多邊形為主,各時段以邊進行連接,按線路里程順序把所有的大地四邊形、中點多邊形和各三角形聯成一個整體,作為平面控制網復測與加密的主網形。外業觀測數據均采用瑞士Le ica公司提供的網平差軟件 LGO自動地進行基線矢量解算,并進行基線解算質量的分析、同步環和異步環的閉合差分析以及重復邊的基線較差分析,之后將所觀測的所有合格基線矢量疊加在一起,進行 GPS網的整體平差。

經過外業觀測和內業數據處理及其分析,其控制點數量和精度完全滿足 CPⅢ控制網測量要求。

3 CPⅢ控制網測量

3.1 CPⅢ控制網的布設

CPⅢ控制網的固定點沿線路布置在路基兩側的接觸網基座輔助立柱、橋梁防撞墻、隧道壁上,根據建筑物的結構情況,每隔 50～60 m布置一對點。在兩對點之間,相隔 100～120 m布置自由測站點,對前后各三對點(共 12個CPⅢ平面控制點)進行邊角交會。這樣,每個 CPⅢ控制點有三個自由設站點的交會方向。CPⅢ平面控制網附合在 CPI、CPⅡ或加密的高級控制點上,約相隔 500～800 m在自由設站點上對附近的高級控制點進行方向、邊長聯測,以傳遞坐標和控制誤差積累。當在自由設站點上不能直接觀測高級控制點時,可設輔助站點;當布設自由設站點遇到特殊情況時,可隔 60 m加設一個測站點,在加站點上仍可觀測12個方向。當在正常的兩個自由設站點之間加設一個測站點時,加站點上可只觀測 8個方向。正常的 CPⅢ控制網網形如圖1所示。

圖1 CPⅢ控制網示意

3.2 CPⅢ測量標志設計

CPⅢ控制網的相對精度要求較高,并且邊長較短,因此,測量標志必須采用強制對中標志。水平角觀測誤差主要來源于儀器誤差、目標偏心誤差和外界條件的影響。按最短邊考慮,由測量標志對中誤差引起的方向中誤差不大于觀測方向中誤差的(即2.5/來設計對中精度 mc,則

因此,測量標志強制對中的誤差一般不應大于0.2 mm,最大不超過 0.4 mm。

CPⅢ測量標志聯結件采用固定套筒,直桿軸橫插形式(見圖2)。左邊是鑲入墻體的固定套筒,中間是長軸,右邊是短軸。長軸用于測量高程,短軸則用于測量三維坐標,即無砟軌道放樣、粗調和精調測量。棱鏡采用原裝徠卡金屬框架棱鏡。

圖2 CPⅢ測量標志聯結件

聯結件主要零件均采用 1C r 18N i 9不銹鋼的合金材料,具有防銹性能,可減小因溫差變化過大所引起的施工問題,適合用于野外露天作業。

路基地段的 CPⅢ點在接觸網基礎(出露路肩 0.3 m)上布設永久輔助立柱,間距約 50 m左右設置標志。立柱采用直徑 20 cm的鋼筋混凝土圓柱,高度 1.2～1.3 m。

在橋、隧邊墻及混凝土柱子上,每隔 60 m左右設置一對 CPⅢ標志套筒,每一對標志允許的最大里程差為 3 m。鉆孔采用直徑 20 cm鉆頭,深 8 cm,鉆孔時必須保證孔能大致水平。

3.3 CPⅢ控制網觀測

3.3.1 CPⅢ平面觀測

CPⅢ自由設站邊角交會是在自由設站點上對 CPⅢ點進行方向和邊長觀測。觀測采用帶自動照準功能的全站儀,其測角標稱精度不低于 1″,測距標稱精度不低于 2 mm+2 p p m。按測角中誤差和測回數統計,用全圓方向法觀測 2個測回可達到 3.5″測角中誤差的要求。觀測的技術要求:半測回歸零差不大于 6″,一測回中 2倍照準差變動不大于 9″,同一方向值各測回較差不大于 6″,同一方向距離值各測回較差不大于 3 mm。

CPⅢ在一個測站上觀測方向一般為 12個,為減少外界對觀測的影響,可進行分組觀測。為減少氣象條件對觀測的影響,一般選擇在夜間觀測比較適宜。

為保證每次測量時同一個點使用同一個棱鏡,應對測量需要的 12個棱鏡進行編號 1～12,并對每個 CPⅢ點使用的棱鏡號和連接器進行記錄。

在自由站上測量 CPⅢ同時,應將靠近線路的 CPI點及全部 CPⅡ點進行聯測,納入網中。C PⅠ/CPⅡ點應至少在三個自由站上進行聯測,每段 CPⅢ測量必須起閉與 CPI/CPⅡ,聯測長度應控制在150 m之內。當受觀測條件限制,只能有一個自由站點和C PⅠ/CPⅡ通視時,應設置輔助點。

根據線下構筑物施工實際情況,CPⅢ控制網必須按分段觀測、分段計算,分段長度一般為 4 k m左右。在分段觀測連接處應有三條邊 8個 CPⅢ控制點作為公共點進行觀測,如圖3所示。

3.3.2 CPⅢ高程觀測

CPⅢ控制網點與點之間的水準路線,采用如圖4所示的水準路線形式進行觀測,每相鄰的四個 CPⅢ點之間均構成一個閉合環,以保證觀測數據質量。

CPⅢ控制點水準測量應按精密水準測量的要求施測。CPⅢ控制點高程測量工作應在 CPⅢ平面測量完成后進行,并起閉于二等水準基點,且每一測段應至少與 3個二等水準點進行聯測,形成檢核。

圖3 分段觀測連接處

圖4 CPⅢ高程觀測線路示意

精密水準測量采用滿足精度要求的電子水準儀(電子水準儀每千米水準測量高差中誤差為 ±0.3 mm),配套因瓦尺。使用儀器設備應在鑒定期內,有效期為一年。每年必須對測量儀器精確度進行一次校準,每天使用儀器前,根據自帶的軟件對儀器進行檢驗和校準。

4 CPⅢ控制網數據處理

在自由設站 CPⅢ控制網測量中,測量時使用與全站儀能自動記錄及計算的專用數據處理軟件進行觀測數據記錄。手工校驗的修正參數,必須記錄在案。

CPⅢ控制網的平面數據處理采用鐵二院與西南交大聯合開發的 CPⅢ數據處理軟件進行處理,處理結果不能滿足所要求的精度指標時,應進行返工測量。各項精度要求如下:

1)約束平差坐標及其精度 M X(mm)、M Y(mm)＜1;

2)約束網 CPⅢ點間方位角、邊長及其相對精度 E(mm)、F(mm)平方和的平方根 ＜1;

3)兩期獨立測量成果坐標較差 ΔX(mm)、ΔY(mm)均 ＜3 mm。

CPⅢ控制點高程數據處理同樣采用鐵二院與西南交大聯合開發的專業 CPⅢ數據處理軟件進行處理,平差時計算取位按精密水準測量的規定執行。

5 結語

無砟軌道是鐵路客運專線施工的核心,而 CPⅢ控制網是鋪設無砟軌道和軌道精調的關健。CPⅢ控制網測量必須以 CPI、CPⅡ作為基礎,要保證 CPⅢ控制網測量精度,首先要保證 CPI、CPⅡ控制點的精度。線下施工時 CPI、CPⅡ點點間距過長,且 CPⅡ只需滿足線下施工精度要求。而 CPI一般在 4 k m左右一對,不能滿足 CPⅢ測量需要,這就需要加密 CPⅡ,同時,對設計院提供的 CPI、CPⅡ進行復測。CPⅢ控制測量雖然是以 CPI、CPⅡ為基礎,但 CPⅢ控制點間距離過短,用導線測量方法無法保證其高精度。我們采用自由設站邊角交會測量方法,解決了 CPⅢ控制網測量的精度問題,保證了無砟軌道施工精度和軌道的高平順度。

[1]李青岳.工程測量學[M].北京:測繪出版社,1984.