無(wú)砟軌道CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量精度影響因素分析

譙生有，聞道榮

(1.中鐵一局集團(tuán)第五工程有限公司，陜西寶雞721006;2.沈陽(yáng)天寶全測(cè)科技有限公司，遼寧沈陽(yáng)110001)

無(wú)砟軌道CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量精度影響因素分析

譙生有1，聞道榮2

(1.中鐵一局集團(tuán)第五工程有限公司，陜西寶雞721006;2.沈陽(yáng)天寶全測(cè)科技有限公司，遼寧沈陽(yáng)110001)

從已知點(diǎn)兼容性、測(cè)量設(shè)備誤差、距離投影改化等方面分析影響CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量精度的主要因素。通過剔除兼容性差的CPⅡ加密測(cè)量已知點(diǎn)、更換誤差超標(biāo)的棱鏡、測(cè)定并改正全站儀綜合加常數(shù)誤差、對(duì)觀測(cè)邊長(zhǎng)進(jìn)行投影改正，能有效提高無(wú)砟軌道CPⅢ平面控制網(wǎng)平差精度，減少觀測(cè)數(shù)據(jù)的返工重測(cè)次數(shù)，為我國(guó)無(wú)砟軌道CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量技術(shù)的補(bǔ)充和完善提供有益的借鑒。

無(wú)砟軌道;CPⅢ平面控制網(wǎng);測(cè)量精度;影響因素

一、前 言

CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量借鑒了德國(guó)高鐵測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，采用自由測(cè)站邊角交會(huì)法施測(cè)，控制網(wǎng)具有相對(duì)精度高、點(diǎn)位分布密集、測(cè)量工作量大、使用周期長(zhǎng)等特點(diǎn)［1］。目前，國(guó)內(nèi)測(cè)量工作者對(duì)CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量精度的影響因素還缺乏深入的分析。實(shí)際測(cè)量過程中，經(jīng)常遇到平差后方向改正數(shù)、距離改正數(shù)、點(diǎn)位中誤差、相鄰點(diǎn)點(diǎn)位中誤差超限的情況。分析影響CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量精度的主要因素，并提出行之有效的解決方案，是提高CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量精度和效率的關(guān)鍵。

二、CPⅢ平面控制網(wǎng)平差計(jì)算的主要精度要求

1.CPⅢ平面控制網(wǎng)縱橫向閉合差

縱向閉合差是指根據(jù)不同測(cè)站計(jì)算兩同側(cè)縱向相鄰CPⅢ點(diǎn)之間弦線長(zhǎng)度的差值。如圖1所示，由測(cè)站Z1、Z2分別計(jì)算弦線3-5的長(zhǎng)度差以及由測(cè)站Z1、Z3分別計(jì)算弦線6-8的長(zhǎng)度差即為CPⅢ縱向閉合差。橫向閉合差是指根據(jù)不同測(cè)站計(jì)算同一橫斷面左右一對(duì)CPⅢ點(diǎn)之間弦線長(zhǎng)度的差值。如圖2所示，由測(cè)站Z1、Z2分別計(jì)算弦線5-6的長(zhǎng)度差以及由測(cè)站Z1、Z3分別計(jì)算弦線7-8的長(zhǎng)度差即為CPⅢ橫向閉合差。縱橫向弦線長(zhǎng)度可通過解測(cè)站與CPⅢ點(diǎn)組成的三角形(用余弦定理)求得。

圖1 CPⅢ縱向閉合差構(gòu)成示意圖

圖2 CPⅢ橫向閉合差構(gòu)成示意圖

縱向閉合差主要反映不同測(cè)站的測(cè)距誤差，橫向閉合差主要反映不同測(cè)站的測(cè)角誤差。在實(shí)際測(cè)量中，該圖形條件客觀存在，并且是反映CPⅢ平面控制網(wǎng)觀測(cè)值精度和可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)，CPⅢ點(diǎn)的橫向誤差對(duì)軌道平順性的影響尤為重要。

2.自由網(wǎng)平差后應(yīng)滿足的技術(shù)指標(biāo)

CPⅢ平面自由網(wǎng)平差后的主要技術(shù)要求如表1所示。

表1 CPⅢ平面自由網(wǎng)平差后的主要技術(shù)要求［2］

3.約束平差后應(yīng)滿足的技術(shù)指標(biāo)

CPⅢ平面網(wǎng)約束平差后的精度指標(biāo)如表2所示。

表2 CPⅢ平面網(wǎng)約束平差后的精度指標(biāo)［2］

基于軌道高平順性要求，相鄰CPⅢ點(diǎn)之間的點(diǎn)位相對(duì)中誤差不容忽視。在哈大客專、京滬高鐵CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量實(shí)踐中，將自由網(wǎng)平差和約束平差后CPⅢ點(diǎn)之間的相對(duì)中誤差限值設(shè)為±1 mm。

三、加密CPⅡ控制網(wǎng)已知點(diǎn)兼容性影響

CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量前，應(yīng)對(duì)CPⅡ控制點(diǎn)進(jìn)行加密測(cè)量。CPⅡ加密點(diǎn)進(jìn)行整體平差前，應(yīng)先對(duì)原網(wǎng)CPI、CPⅡ點(diǎn)的穩(wěn)定性和兼容性進(jìn)行分析，剔除不滿足精度要求的CPI和CPⅡ已知點(diǎn)，以穩(wěn)定性和兼容性高的CPI和CPⅡ已知點(diǎn)作為起算點(diǎn)，從而避免因CPⅡ已知點(diǎn)兼容性差導(dǎo)致隨后的CPⅢ控制網(wǎng)平差精度指標(biāo)超限。實(shí)踐證明，CPⅡ已知點(diǎn)兼容性對(duì)CPⅢ控制網(wǎng)精度的影響呈系統(tǒng)性，對(duì)CPⅢ控制網(wǎng)約束平差的精度影響至關(guān)重要。

四、測(cè)量設(shè)備誤差的影響

CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量的主要儀器設(shè)備有高精度智能型全站儀及CPⅢ棱鏡組。全站儀綜合加常數(shù)誤差是指全站儀加常數(shù)與測(cè)距使用的棱鏡加常數(shù)誤差疊加后的綜合值，測(cè)距時(shí)往往只考慮全站儀加常數(shù)與棱鏡加常數(shù)，而忽略了全站儀綜合加常數(shù)誤差。若該項(xiàng)誤差不能得到消除，可能造成平差后距離改正數(shù)超限，即使返工重測(cè)也不能使距離改正數(shù)滿足表1和表2的要求。

1.CPⅢ棱鏡誤差影響分析

(1)CPⅢ棱鏡安裝精度要求

CPⅢ棱鏡誤差分重復(fù)性安裝誤差和互換性安裝誤差。重復(fù)性誤差是指同一只CPⅢ棱鏡在同一個(gè)CPⅢ點(diǎn)上重復(fù)安置時(shí)產(chǎn)生的安置誤差;互換性誤差是指不同的CPⅢ棱鏡組件在同一個(gè)CPⅢ點(diǎn)上安置棱鏡時(shí)產(chǎn)生的安置誤差。CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量前，必須對(duì)使用的棱鏡組件逐一檢測(cè)，誤差超標(biāo)的棱鏡應(yīng)予以更換。

表3中，X、Y指棱鏡的平面位置方向，Z指棱鏡的鉛垂線方向。

表3 CPⅢ棱鏡組件安裝精度要求［2］

(2)CPⅢ棱鏡重復(fù)性誤差檢測(cè)

在平坦開闊和周圍無(wú)震動(dòng)干擾的場(chǎng)地，按圖3所示安置全站儀和棱鏡支架。全站儀與棱鏡之間的距離以30 m左右為宜，保持支架不動(dòng)，將各棱鏡反復(fù)安裝4次分別測(cè)量各棱鏡中心在測(cè)站任意坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)(X，Y，Z)，每次讀數(shù)4次取平均值，各次測(cè)量棱鏡中心坐標(biāo)(X，Y，Z)互差應(yīng)小于表3規(guī)定。

圖3 棱鏡誤差檢測(cè)示意圖

(3)CPⅢ棱鏡互換性誤差檢測(cè)

按圖3所示檢測(cè)棱鏡互換性誤差，分別將各棱鏡依次安置在棱鏡支架上，觀測(cè)棱鏡中心的坐標(biāo)(X，Y，Z)，每次讀數(shù)4次取平均值，各棱鏡中心坐標(biāo)(X，Y，Z)互差應(yīng)小于表3規(guī)定。

(4)棱鏡瞄準(zhǔn)誤差影響

CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量時(shí)，棱鏡未瞄準(zhǔn)全站儀是造成縱橫向閉合差超限的主要原因，該誤差不能通過測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的檢核發(fā)現(xiàn)。

2.全站儀綜合加常數(shù)誤差的測(cè)定與修正

(1)檢測(cè)方法及原理

如圖4所示安置全站儀和棱鏡支架，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定I、A、Ⅱ、B 4點(diǎn)，4點(diǎn)位于一條直線，全站儀I和棱鏡支架B之間約30 m為宜，在全站儀中正確設(shè)置棱鏡標(biāo)準(zhǔn)加常數(shù)值，每次測(cè)量時(shí)確保全站儀和A、B安放棱鏡后大致等高，先將全站儀安置在I，在A安放棱鏡測(cè)量S1，再將棱鏡移至B測(cè)量S2，依次測(cè)量完一組棱鏡。然后將全站儀安置在Ⅱ，依次測(cè)量各棱鏡對(duì)應(yīng)的S3、S4，每邊測(cè)量4次讀數(shù)取平均值。

圖4 全站儀綜合加常數(shù)誤差檢測(cè)

(2)全站儀綜合加常數(shù)誤差計(jì)算

假設(shè)綜合加常數(shù)誤差為K，S1、S2、S3、S4理論長(zhǎng)度分別為S1'、S2'、S3'、S4'，由于檢測(cè)邊長(zhǎng)短，比例誤差對(duì)加常數(shù)計(jì)算精度的影響很小，可略去不計(jì)，依據(jù)圖4可得

將式(1)代入式(2)整理后得

由式(3)計(jì)算出的K值單位為mm，取全站儀對(duì)應(yīng)各棱鏡的綜合加常數(shù)誤差平均值作為最終結(jié)果。

(3)對(duì)測(cè)距邊進(jìn)行修正

將棱鏡加常數(shù)誤差輸入全站儀或者對(duì)測(cè)距邊進(jìn)行修正，假定距離觀測(cè)值為S，修正后的距離為S'，則有

五、距離改化影響

鐵路客運(yùn)專線控制網(wǎng)采用任意中央子午線和高程投影面進(jìn)行投影的工程獨(dú)立坐標(biāo)系，CPⅢ平面控制網(wǎng)地面觀測(cè)邊長(zhǎng)應(yīng)歸算到工程獨(dú)立坐標(biāo)系投影面上，文獻(xiàn)［2］沒有明確規(guī)定CPⅢ平面控制網(wǎng)距離改化問題。但是在哈大客專、京滬高鐵CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量過程中，投影變形較大的分帶邊緣，若對(duì)觀測(cè)邊長(zhǎng)不進(jìn)行投影改化，平差后距離改正數(shù)呈現(xiàn)顯著的系統(tǒng)誤差特性，部分邊長(zhǎng)改正數(shù)超限，對(duì)邊長(zhǎng)進(jìn)行投影改化后，無(wú)須返工重測(cè)，平差后的距離改正數(shù)滿足精度要求，驗(yàn)證了距離改化是影響CPⅢ平面控制網(wǎng)精度不可忽略的因素。

六、結(jié) 論

通過對(duì)影響CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量精度的因素進(jìn)行分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)CPⅢ平面控制網(wǎng)縱橫向閉合差、相鄰CPⅢ點(diǎn)點(diǎn)位相對(duì)中誤差是衡量CPⅢ平面控制網(wǎng)不可忽略的要素，CPⅢ平面控制網(wǎng)平差系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)縱橫向閉合差檢驗(yàn)?zāi)K。

2)加密CPⅡ控制網(wǎng)時(shí)應(yīng)對(duì)已知點(diǎn)兼容性進(jìn)行檢驗(yàn)，剔除兼容性差的已知點(diǎn)。

3)CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量前，必須對(duì)使用的棱鏡進(jìn)行重復(fù)性、互換性誤差檢測(cè)。

4)CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量前，應(yīng)對(duì)使用的全站儀和棱鏡組綜合加常數(shù)誤差進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)距離進(jìn)行修正。

5)測(cè)量過程中，棱鏡沒有準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)全站儀是導(dǎo)致CPⅢ平面控制網(wǎng)縱橫向閉合差超限的主要原因。

6)CPⅢ平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理時(shí)，應(yīng)對(duì)距離進(jìn)行投影改正，相關(guān)平差軟件應(yīng)設(shè)置投影改正模塊。

［1］ 譙生有，周建軍，周建東.客運(yùn)專線無(wú)砟軌道CPⅢ精密控制網(wǎng)測(cè)量探討［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(S1): 36-39.

［2］ 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10601—2009高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

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Precision Analysis of Ballastless Track Control Network CPⅢ

QIAO Shengyou，WEN Daorong

0494-0911(2011)12-0047-03

P［258］

B

2011-05-26

譙生有(1975—)，男，甘肅徽縣人，高級(jí)工程師，主要從事鐵路施工測(cè)量技術(shù)的研究與管理。