一種精密三角高程上橋測量裝置

譙生有，周建東

（中鐵一局集團第五工程有限公司，陜西寶雞 721006）

一、引 言

在高速鐵路橋梁CPⅢ控制網（軌道控制網）水準測量中，將地面二等水準點高程應用不量棱鏡高和儀器高的三角高程測量方法引測至橋上水準點的過程稱為“高程上橋測量”，測量原理如圖1［1］所示，ΔHBF=v-Δh1+Δh2-v=Δh2-Δh1。CPⅢ控制網水準測量應附合于線路水準基點，按精密水準測量技術要求施測，水準線路附合長度不得大于3 km［2］。由于高速鐵路線路橋梁所占的比重大，橋梁地段每2～3 km就要將地面線路水準點高程引測至橋上CPⅢ控制點，高程上橋測量是高速鐵路CPⅢ控制網測量一個必不可少的測量環節。高程上橋測量通常使用普通對中桿固定高度進行施測，存在諸多缺陷和不足，設計一種結構簡單、兼容性強、操作方便的高程上橋測量裝置很有必要。

圖1 三角高程上橋測量原理

二、常規裝置的缺陷及新裝置的特點

1.常規裝置的缺陷

1）規格不統一，沒有通用性。某一類型的普通對中桿只適合于某一種類型的棱鏡，而其他類型的棱鏡無法使用。

2）固定高度的對中桿必須安置于已知水準點上方能進行上橋測量，若已知水準點與橋上水準點之間的距離超過規范要求，或全站儀與已知水準點之間不能通視，則必須在橋下重新選點埋設過渡水準點，然后將高程從已知水準點引測至過渡水準點上后進行上橋測量，為上橋測量進行選點埋石增加了測量成本，并且會延誤測量工期。

3）固定高度的對中桿要保證固定棱鏡支架高度不變，因此在上橋測量時，橋下水準點觀測完后需將橋下對中桿保持高度不變搬到橋上去觀測，如圖1所示，測量第二測回時，觀測完橋上對中桿后還需要再將對中桿保持高度不變搬到橋下進行觀測。如果兩次測量結果超限，還需要重復以上操作。測量期間，對中桿需要從地面到橋上來回搬動并且保持高度不變，勞動強度大，測量效率低。

4）應用固定高度的對中桿進行高程上橋測量時，前后視不能同時觀測，大氣折光不能有效地削弱和消除。

5）固定高度的對中桿在橋上水準點安置時，遇到有風天氣，對中桿容易被風吹倒，給對中桿上安裝的棱鏡帶來安全隱患。

2.新裝置的特點

為了克服普通對中桿作為高程上橋測量棱鏡支架的不足和缺陷，設計制作了一個精密三角高程上橋測量專用裝置，該裝置具有以下特點:

1）兼容性強，通過棱鏡適配器可方便安裝多種常用CPⅢ測量棱鏡。

2）測量路線選擇靈活，即測即用。

3）在橋下可以兼作臨時水準點，不用為上橋測量專門在橋下埋設過渡水準點，節約測量成本。

4）橋下線路水準點高程可以方便地引測至三角高程上橋測量裝置上的棱鏡中心，再將橋下三角高程上橋測量裝置上棱鏡中心的高程直接傳遞到橋上棱鏡中心，即圖1中的棱鏡高v=0。可以有效利用智能全站儀全程進行前后視同時觀測，有效地削弱了大氣折光對高差測量誤差的影響。

5）以橋上CPⅢ控制點為橋上高程控制點，消除了橋上棱鏡的安全隱患。

6）結構簡單，穩定性好，便于攜帶。

三、精密三角高程上橋測量裝置主要構造

1.裝置構件實物圖

三角高程上橋測量裝置主要由11個構件組成，實物如圖2～圖3所示。

圖2 各構件實物圖

圖3 安裝棱鏡和水準測量連接桿后的實物圖

2.各構件名稱及功能

各構件主要功能見表1。

3.各構件制造工藝要求

1）各構件結合部位及棱鏡適配器采用數控機床進行精加工，加工精度優于0.1 mm。

表1 精密三角高程上橋測量裝置構件功能說明表

2）適配器轉換口為圓筒形不銹鋼材質，上下通透。

3）構件7～10的下端連接桿外徑與構件1的內徑應切合緊密，使連接桿從適配器中能順利插拔并且不會產生晃動。

4）連接圓盤為不銹鋼材質，下方焊接用于固定支腳的套管，套管內車有螺紋。

5）支腳為實心圓鋼，外車螺紋可以通過套管內的螺紋固定起來，支腳下端為圓錐形，支腳固定后，在外側焊接腳踏。

6）構件1和構件4焊接在構件3上，構件4與構件5通過絲口旋緊固定，使用完后，構件5可從構件4中拆卸下來以便搬運。

7）加工附件時，應確保將棱鏡適配器插入轉換口內后，棱鏡中心與水準測量連接桿的球頭中心重合，球棱鏡中心與半球尺墊的球心重合，如圖4～圖5所示。

圖4 插拔式安裝的棱鏡適配器及水準測量連接桿附件安裝示意圖

圖5 球棱鏡適配器及半球尺墊附件安裝示意圖

8）球棱鏡適配器頂部球面的半徑與球棱鏡半徑相同，磁性半球尺墊隨球棱鏡配套購買。

9）水準測量連接桿頂部的球頭為一固定半徑的球體，在機械加工時將其加工為整數厘米的半徑值，以便于將球頂高程改化至球心。

10）支架總重量大于5 kg，可防止測量過程中支架自身重量過輕造成支架回彈。

四、操作要點及實際應用效果

1.高程上橋測量操作要點

架設全站儀，測量前、后視距離，一般前、后視距離不大于100 m，最大不得超過150 m，前、后視距差不應超過5 m［1］，選一大致平坦土質堅實的地方安放三角高程上橋測量裝置，將支架踩實，使之在觀測過程中不發生下沉或上浮。

當測量采用徠卡、Sining小棱鏡時，先將水準測量連接桿插入適配器轉換口，將地面水準點高程按幾何水準測量方法引測至水準測量球頭連接桿頂部的球頭中心。由于水準測量連接桿頂端為固定半徑的球形，因此，即使支架傾斜，也能保證水準測量連接桿球心與棱鏡中心重合。水準測量引測時，測站數應為偶數站，然后取下水準測量球頭連接桿，安裝棱鏡適配器和棱鏡，應用CPⅢ平面控制網數據采集軟件對橋上橋下棱鏡進行自動觀測，按照規范要求測完所有測回的觀測數據。內業計算時，將水準測量球頭連接桿頂部高程減去球頭半徑即可歸化為棱鏡中心高程，應用不量儀器高、棱鏡高三角高程測量原理將地面線路水準點高程引測至橋上 CPⅢ點上［2］。

當測量采用球棱鏡時，先將球棱鏡適配器插入轉換口，在水準尺底部裝上磁性半球尺墊進行高程引測，然后進行上橋測量。由于磁性半球尺墊是外徑相同的球棱鏡球體沿球心切割一半制成，因此引測至磁性半球尺墊中心的高程即為三角高程上橋測量裝置上球棱鏡中心高程。外業觀測與內業計算原理與其他類型棱鏡相同。

2.應用效果

該裝置在哈大高鐵TJ-1標段CPⅢ測量中進行了應用，前后上橋測量共28次，減少埋設臨時水準點28個，節約埋樁費用5.6萬元，節約80個人工日，節約工費1.2萬元，共節約費用6.8萬元，利用CPⅢ數據采集軟件實現了三角高程上橋測量內外業一體化，并且提高了測量精度和效率，取得了良好的應用效果。

五、結束語

精密三角高程上橋測量裝置獲得了國家知識產權局實用新型專利授權，為高程上橋測量提供了一種專用裝備，裝置結構簡單，使用方便，便于拆裝和攜帶，有效地提高了測量精度和測量效率，并通過實際應用取得了良好的社會和經濟效益。

［1］ 譙生有，周建軍，周建東.客運專線無砟軌道CPⅢ精密控制網測量探討［J］.鐵道標準設計，2009（S1）:36-39.

［2］ 中華人民共和國鐵道部.TB 10601—2009高速鐵路工程測量規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［3］ 譙生有，聞道榮.無砟軌道CPⅢ平面控制網測量精度影響因素分析［J］.測繪通報，2011（12）:47-49.

［4］ 周建東，譙生有.高速鐵路施工測量［M］.西安:西安交通大學出版社，2011:102-123.

［5］ 郝亞東，周建鄭，孫請娟，等.高速鐵路無砟軌道CPⅢ控制網測量技術探討［J］.鐵道工程學報，2010，36（11）:38-42.