閉合環(huán)式附合水準(zhǔn)測量在京滬高速鐵路中的應(yīng)用

孟憲綱

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津300180)

一、引 言

高速鐵路是當(dāng)今世界競相發(fā)展的高速運(yùn)輸模式之一，擁有高速鐵路已成為一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力與科技水平的象征。我國在對既有鐵路進(jìn)行技術(shù)改造和提速的同時(shí)，也在加緊高速鐵路技術(shù)的研究，并計(jì)劃修建高速鐵路，京津城際高速鐵路就是中國高速鐵路發(fā)展的成功案例，其多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)在常規(guī)動(dòng)力客車領(lǐng)域達(dá)到世界先進(jìn)水平。與普通鐵路相比，高速鐵路要求軌道的平整性更高，施工方法也有很大差異。提供高精度的高程控制水準(zhǔn)面對其路面施工、路基沉降和運(yùn)行監(jiān)測十分重要[1]。

二、儀器性能試驗(yàn)

為了保證觀測結(jié)果的真實(shí)性和客觀性，施測前按照現(xiàn)行測量規(guī)范和項(xiàng)目委托單位相關(guān)文件規(guī)定，對投入儀器和相關(guān)配件進(jìn)行仔細(xì)檢驗(yàn)校正。主要檢驗(yàn)項(xiàng)目除規(guī)范中限定項(xiàng)目外還有：儀器對振動(dòng)源的響應(yīng)、光線對儀器的影響、視距對讀數(shù)速度和精度的影響，溫度對儀器的影響等。

1．儀器對振動(dòng)源的響應(yīng)

測量規(guī)范中沒有針對該項(xiàng)的明確要求，但是振動(dòng)源在現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境中較為常見，如車輛、風(fēng)以及扶尺員所引起抖動(dòng)等。在進(jìn)行實(shí)地場地測量時(shí)，過往載重車輛較多，鑒于此，對該項(xiàng)目進(jìn)行了檢驗(yàn)。

試驗(yàn)場地選擇在公路旁，視距從5～60 m由近逐遠(yuǎn)，每隔5m設(shè)置測站檢驗(yàn)一次。輕微振動(dòng)時(shí)，條碼尺十字絲微微跳動(dòng)，在5m、10m、15 m時(shí)能順利通過讀數(shù);特大振動(dòng)時(shí)，10 m以下可以通過單次讀數(shù)，一站讀數(shù)偶爾通過，但讀數(shù)可信度低，測段往返閉合差一般超限。輕微振動(dòng)時(shí)，視距在20m以上可以通過讀數(shù)，但讀數(shù)時(shí)間延長;而較大振動(dòng)時(shí)不能通過讀數(shù)[2]。

在有風(fēng)、過橋以及道路車輛較多時(shí)應(yīng)注意振動(dòng)對觀測的影響，可通過縮短視距來解決該問題。

2．光線對儀器的影響

光線對儀器的影響主要表現(xiàn)在讀數(shù)速度和讀數(shù)精度上。在正常條件下進(jìn)行室內(nèi)檢測時(shí)，50m以內(nèi)讀數(shù)時(shí)間隨距離增大而增大，讀數(shù)變化范圍在0．1mm以內(nèi)。光線對儀器的讀數(shù)速度影響很大，一般陰天標(biāo)尺表面亮度均勻，無所謂的“陰陽尺”，讀數(shù)速度和室內(nèi)比較無變化，但當(dāng)云量很大時(shí)，視距大于30m，讀數(shù)速度降低，尤其是在傍晚和早晨剛開測時(shí)，出現(xiàn)“Error 324 Rod not readable”報(bào)錯(cuò)信息或者是讀數(shù)時(shí)間變長，但不影響讀數(shù)精度。

當(dāng)標(biāo)尺表面光線不均或亮度較暗時(shí)，儀器顯示“Error 321 Change in brightness too great”錯(cuò)誤，可以稍微轉(zhuǎn)動(dòng)尺面，同時(shí)保證標(biāo)尺的垂直性，也可以用Led燈管照亮尺面。有時(shí)尺面污濁也會(huì)引起讀數(shù)延遲或報(bào)錯(cuò)現(xiàn)象，要注意保持尺面的清潔，及時(shí)用干凈軟布擦拭尺面。

3．視距對測站高差的影響

試驗(yàn)場地選擇在天氣晴朗時(shí)的單位大院，在水泥墩體上放置尺臺(tái)將條碼式因鋼尺固定在燈桿上，并保持標(biāo)尺垂直性不變，然后在一對標(biāo)尺上每隔5m距離，讀取6站數(shù)據(jù)，每根標(biāo)尺讀數(shù)12次，取其平均值作為該距離下的高差真值。高差與視距關(guān)系見圖1。由圖1可知，在視距小于50m時(shí)，高差變化在0．2mm以內(nèi)，并且變化幅度較穩(wěn)定。

圖1 視距與測量高差變化關(guān)系圖

4．溫度對i角的影響

數(shù)字水準(zhǔn)儀中存在兩種“i角”：一種是視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)軸不平行，其夾角稱為“光學(xué)i角”;另一種是由經(jīng)過物鏡光心的水平入射光線與這條水平光線經(jīng)過補(bǔ)償器到CCD探測器參考點(diǎn)的水平視準(zhǔn)線之間的夾角，稱為“數(shù)字i角”。其中“光學(xué)i角”影響照準(zhǔn)及調(diào)焦，“數(shù)字i角”影響數(shù)字水準(zhǔn)儀的讀數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，“光學(xué)i角”可以通過前、后視距相等的方法削弱其對測量資料的影響，只要視距差累計(jì)不超限即可。盡管DINI12數(shù)字水準(zhǔn)儀“數(shù)字i角”能通過機(jī)器自身模塊改正由其引起的誤差，但在測量過程中外界條件隨時(shí)在變化，“數(shù)字i角”也隨之變化[3]。由歷次儀器檢驗(yàn)資料(DINI12數(shù)字水準(zhǔn)儀)歸納得知：一般情況下，隨著溫度的升高，“i角”朝負(fù)方向變化。因此，施測前要使儀器在空氣中放置20～30min，待儀器材料形變穩(wěn)定后再檢校i角，并且還要對儀器預(yù)熱10次以上。在有太陽光照射的情況下，儀器一定要遮陽，并保證搬站過程中其溫度穩(wěn)定，嚴(yán)禁儀器單側(cè)太陽照射或者受熱不均。

5．其他影響因素

標(biāo)尺的垂直性主要影響到視線高讀數(shù)，當(dāng)標(biāo)尺前后傾斜時(shí)視線高讀數(shù)會(huì)非線性增大，當(dāng)傾斜大于5°時(shí)，儀器會(huì)報(bào)錯(cuò)。標(biāo)尺左右傾斜對視線高讀數(shù)影響與前后傾斜影響類似[4]。因此開測前要檢校一下標(biāo)尺水準(zhǔn)氣泡。檢校方法如下：將儀器調(diào)平，用儀器豎絲符合標(biāo)尺一邊，使其平行或重合，檢查上下氣泡是否居中，如果居中，則將標(biāo)尺旋轉(zhuǎn)90°，儀器豎絲符合標(biāo)尺一邊，使其平行或重合，檢查上下氣泡是否居中，如果居中，則在作業(yè)時(shí)加強(qiáng)扶尺員責(zé)任心，使此項(xiàng)誤差降到最低。

此外，儀器調(diào)焦的不準(zhǔn)確性對讀數(shù)亦有影響，此項(xiàng)誤差因觀測員視力不同而異，在實(shí)際測量中保證同一站不調(diào)焦可以消除該影響。

三、閉合環(huán)式附和水準(zhǔn)測量在京滬高速鐵路中的應(yīng)用

京滬高速鐵路正線全長1318 km，是新建雙線鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，初期運(yùn)營時(shí)速300 km[5]，全線布設(shè)無縫軌道和無碴路基。京滬高速鐵路天津段位于天津西部地區(qū)，路線呈NW-SE走向，沿線地勢以平原和洼地為主，海拔由北向南逐漸下降，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，大部分被新生代沉積物覆蓋，地面沉降較嚴(yán)重。給京滬高速鐵路的建設(shè)造成很大影響，為研究對其影響速率，必須建立一個(gè)穩(wěn)定的高程控制參考系。為此提出采用閉合環(huán)式附合水準(zhǔn)測量對其進(jìn)行高程控制，實(shí)踐證明這一方法能為工程提供穩(wěn)定可靠的高程參考系。

水準(zhǔn)測量任務(wù)是從已知高程的水準(zhǔn)點(diǎn)開始測量其他水準(zhǔn)點(diǎn)或地面點(diǎn)的高程。目前，大多數(shù)的工程施工水準(zhǔn)測量，線性工程多采用附合式水準(zhǔn)路線，小面積范圍的工程多采用閉合式水準(zhǔn)路線。而閉合環(huán)式附合水準(zhǔn)路線是一種由若干閉合水準(zhǔn)路線組成的附合水準(zhǔn)路線，是水準(zhǔn)網(wǎng)的簡單形式，具有獨(dú)立閉合環(huán)檢測和附合水準(zhǔn)路線檢測雙重檢測，對于沉降區(qū)高程控制具有很強(qiáng)的精度控制強(qiáng)度。水準(zhǔn)路線沿鐵路兩側(cè)布設(shè)，水準(zhǔn)路線網(wǎng)圖如圖2所示(鐵路線略去)，這種形式不僅能很好地對預(yù)埋監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行高程傳遞，同時(shí)也能較好地控制測量過程中的人為誤差。

圖2 閉合環(huán)式附合水準(zhǔn)路線圖

依據(jù)測量規(guī)范和該鐵路的水準(zhǔn)測量技術(shù)規(guī)范，對京滬高速鐵路穿過華北北部大面積沉降區(qū)的高程控制測量提出合理的施測方案，有效解決沉降區(qū)施工水準(zhǔn)測量高程參考點(diǎn)的不穩(wěn)定性問題。實(shí)際測量路線與水準(zhǔn)點(diǎn)分布有關(guān)。環(huán)與環(huán)結(jié)點(diǎn)為深50m左右的深埋水準(zhǔn)點(diǎn)，穩(wěn)定性好。實(shí)際測量時(shí)，嚴(yán)格按照測量規(guī)范二等精密水準(zhǔn)測量要求和工程技術(shù)規(guī)定施測。環(huán)長度16．5～51．4 km，亦可以組成一個(gè)409．3 km的大環(huán)。共有131個(gè)測段，每測段長度為0．6～10．3 km 不等，多數(shù)在3～5 km 之間，共施測409．3 km，計(jì)算精度按二等水準(zhǔn)路線要求計(jì)算。

各個(gè)環(huán)長度和環(huán)閉合差見表1(以順時(shí)針方向拼環(huán)，按照《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》(GB/T 12897—2006)中環(huán)閉合差限差計(jì)算表中限差和全中誤差[6])。

表1 環(huán)閉合差和環(huán)限差表

以每個(gè)環(huán)為一條水準(zhǔn)路線計(jì)算每千米水準(zhǔn)測量的偶然中誤差MΔ，并計(jì)算環(huán)的每千米水準(zhǔn)測量的全中誤差MW，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各環(huán)與大環(huán)偶然中誤差計(jì)算表

四、結(jié)束語

閉合式環(huán)式附合水準(zhǔn)路線靠其可靠的圖形強(qiáng)度，對沉降區(qū)垂直形變信息能很好地捕捉，能為工程提供穩(wěn)定可靠的高程參考系，在之后的多條鐵路線中得到很好應(yīng)用。該類型水準(zhǔn)路線布設(shè)形式對于線性工程沉降控制具有很高的精度控制強(qiáng)度，具有廣闊的應(yīng)用空間。

[1]劉旭春．高精度數(shù)字水準(zhǔn)儀在沉降監(jiān)測中的應(yīng)用[J]．測繪通報(bào)，2006(1)：58-61．

[2]陳聚忠，樓關(guān)壽．DINI12電子水準(zhǔn)儀振動(dòng)實(shí)驗(yàn)[J]．國際地震動(dòng)態(tài)，2008(11)：107．

[3]任道勝，陳如麗．?dāng)?shù)字電子水準(zhǔn)儀DiNi10性能實(shí)測分析[J]．地殼形變與地震，1998，118(2)：89-94．

[4]葛計(jì)劃，熊瑛，孫軍，等．?dāng)?shù)字水準(zhǔn)儀DiNi11/12原理及應(yīng)用中應(yīng)注意的問題[J]．防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，11(3)：72-76．

[5]黃澤純，張獻(xiàn)州，汪延彬，等．京滬高速鐵路沉降觀測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)研究[J]．中國鐵路，2009(12)：52-55．

[6]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB/T 12897—2006國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范[S]．北京：[s．n．]，2006．