有砟軌道線路精測網(wǎng)控制法誤差研究

劉嬌嬌

摘要：線路維護(hù)過程中，會產(chǎn)生精測網(wǎng)控制誤差和弦測誤差。在弦測法的研究中，分別提出了三點(diǎn)弦測法和四點(diǎn)弦測法。鐵路精測網(wǎng)是保證鐵路線路施工、軌道養(yǎng)護(hù)維修的重要基礎(chǔ)，采用精測網(wǎng)進(jìn)行線路線形控制，是以線路的平面、高程坐標(biāo)為基準(zhǔn)，使線路實(shí)際線形與設(shè)計(jì)線形之間的偏差值達(dá)到最小。精測網(wǎng)是線路施工的基礎(chǔ)，也是線路養(yǎng)護(hù)維修的重要保障。我國鐵路工程精密測量控制體系包括平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)，軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）在軌道的養(yǎng)護(hù)維修中發(fā)揮重要作用，是軌道測量、養(yǎng)護(hù)維修的基礎(chǔ)，根據(jù)軌道控制網(wǎng)確定自由設(shè)站點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而對線路進(jìn)行觀測得到不平順值。在測站坐標(biāo)計(jì)算時(shí)，通常采用三維測量方法，平差過程會產(chǎn)生一定的誤差。另外，線路基礎(chǔ)變化會導(dǎo)致CPⅢ點(diǎn)位發(fā)生偏移，進(jìn)而導(dǎo)致線路測量結(jié)果發(fā)生變化，帶來線形控制誤差。

關(guān)鍵詞：有砟軌道;線形控制;精測網(wǎng);誤差;

引言

近年來，隨著高鐵的快速發(fā)展，投入運(yùn)營的高鐵線路越來越多，由于200～250km/h的高鐵線路多以有砟軌道為主，因此重視研究、探索解決有砟軌道病害特別是長波不平順病害在維護(hù)中存在的運(yùn)用管理薄弱、作業(yè)精度不高、生產(chǎn)組織不合理、作業(yè)質(zhì)量跟蹤監(jiān)控不嚴(yán)等問題，對于提高有砟軌道養(yǎng)修管理水平，確保高鐵設(shè)備運(yùn)營安全，具有重要意義。

1精測網(wǎng)的運(yùn)用概況

現(xiàn)有的高速鐵路均建立統(tǒng)一的精測網(wǎng)，是用于勘察設(shè)計(jì)、工程施工和運(yùn)營維護(hù)統(tǒng)一的測量基準(zhǔn)。

工程測量平面控制網(wǎng)在框架平面控制網(wǎng)上（CP0）的基礎(chǔ)上分三級布設(shè)，第一級為測量柵欄外部高程即基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)（CPⅠ），第二級為曲線特征點(diǎn)測量即線路平面控制網(wǎng)（CPⅡ），第三級為線路平縱斷面測量即軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）。高程測量控制網(wǎng)分兩級布設(shè)，第一級為基巖點(diǎn)、深埋水準(zhǔn)點(diǎn)和普通水準(zhǔn)點(diǎn)也就是線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)，第二級為軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）。CPⅢ平面網(wǎng)是一個立體三維網(wǎng)絡(luò)平面線形圖，其測量方法較傳統(tǒng)抄平測量更加立體客觀準(zhǔn)確。它采用自由測站邊角交會法測量，即每站重復(fù)測量三個點(diǎn)，其距離只能進(jìn)行單程觀測。控制網(wǎng)的使用較傳統(tǒng)方法有很大不同，首先是按照平面CPⅢ和柵欄外高程CPⅠ及曲線特征點(diǎn)CPⅡ構(gòu)筑網(wǎng)絡(luò)圖，通過推進(jìn)四維小車構(gòu)筑線型，采用自由測站后方變長交會測量方法確定測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后用三維極坐標(biāo)測量的方法進(jìn)行軌道的精調(diào)、精測、工程施工以及運(yùn)營維護(hù)管理等。

2誤差產(chǎn)生原因分析

精測網(wǎng)的CPⅢ點(diǎn)，自由設(shè)站示意圖如下圖所示，其中y軸為線路縱向，x軸為橫向。點(diǎn)Q1為自由設(shè)站點(diǎn)，點(diǎn)P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7，P8為8個已知坐標(biāo)的CPⅢ點(diǎn)，其中P1，P2，P3，P4距離自由設(shè)站點(diǎn)Q1較近，P5，P6，P7，P8距離較遠(yuǎn)。y軸方向上兩點(diǎn)間隔60m左右，x軸方向上兩點(diǎn)間隔10m左右。P1，P2，P3，P4與Q1距離相近，均為30m左右;P5，P6，P7，P8在觀測過程中，從測站Q1對多個CPⅢ點(diǎn)進(jìn)行觀測，得到多個觀測值。由于機(jī)械誤差、環(huán)境變化等因素，導(dǎo)致解算的測站坐標(biāo)結(jié)果會有所偏差，因此需要對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平差。平差過程中，無法直接判斷各個觀測值的權(quán)重，對觀測值進(jìn)行定權(quán)時(shí)，當(dāng)檢驗(yàn)值未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)需繼續(xù)平差;當(dāng)檢驗(yàn)值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則認(rèn)為定權(quán)結(jié)束。因此，精測網(wǎng)控制線形時(shí)，三維平差誤差是一個重要的誤差來源。當(dāng)線路基礎(chǔ)發(fā)生變化時(shí)，CPⅢ點(diǎn)也會隨之發(fā)生一定的偏移。《高速鐵路工程測量規(guī)范》（TB10601-2009）中規(guī)定：CPⅢ點(diǎn)復(fù)測坐標(biāo)與原測坐標(biāo)增量較差≤±2mm時(shí)，沿用原測量成果。即當(dāng)CPⅢ點(diǎn)偏移量△X、△Y小于等于2mm時(shí)，仍然會按照CPⅢ點(diǎn)原坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，使得測站平面坐標(biāo)、高程計(jì)算結(jié)果發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致采集的軌道點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)生改變。故而CPⅢ點(diǎn)位偏移會導(dǎo)致線路測量結(jié)果發(fā)生變化，帶來線形控制誤差。

3精測階段的精測網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集及運(yùn)用方式

3.1精測階段的精測網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集

（1）復(fù)核設(shè)計(jì)資料，利用提供的設(shè)計(jì)資料，對水平曲線、豎向曲線、橫向坡度進(jìn)行編輯，如存在斷鏈，需分別輸入。水平曲線的編輯中應(yīng)包括起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)、方位角、起緩和線長、終緩和線長、曲線半徑（沿著里程增大的方向右轉(zhuǎn)曲線半徑為正值，左轉(zhuǎn)曲線半徑為負(fù)值）、曲線超高;豎曲線的編輯中應(yīng)包括起點(diǎn)高程、終點(diǎn)高程、豎曲線半徑（曲線為凸的半徑值為正，為凹的半徑值為負(fù)）、坡度降低值;橫向坡度的編輯中應(yīng)包括左軌高程、右軌高程、坡型。

（2）利用全站儀測量四維小車?yán)忡R中心的三維坐標(biāo)值，結(jié)合四維小車已知的幾何參數(shù)、小車的方向參數(shù)，進(jìn)而確定相應(yīng)股道的實(shí)際位置、實(shí)際高程、水平傳感器測量的水平角和軌距。然后，將測量值與該站點(diǎn)的設(shè)計(jì)平面及高程數(shù)值進(jìn)行比較，進(jìn)而得到小車的測量偏差。

3.2精測數(shù)據(jù)誤差分析

CPⅢ點(diǎn)的偏移會改變測站點(diǎn)坐標(biāo)，從而影響軌道平面指示器的測量值。考慮到點(diǎn)位、高程坐標(biāo)變化、軌道距離、水平、垂直和側(cè)向誤差，選取8個CPⅢ點(diǎn)作為研究區(qū)域并進(jìn)行分析，得出軌道交通指標(biāo)偏差的總體趨勢是，當(dāng)兩個圖元高程點(diǎn)的坐標(biāo)變化值相等時(shí)，CPⅢ點(diǎn)偏移值越小，測站坐標(biāo)受影響最大。

3.3測量模式調(diào)整量精度對比

在實(shí)際測量中，取全站儀與軌檢小車?yán)忡R高差為1.2m，最遠(yuǎn)的軌道測距為70m，最近軌道測距為3m。對于改進(jìn)前的測量模式，每隔1m測量一個點(diǎn)，根據(jù)每個點(diǎn)的理論斜距、水平角和天頂距，并將進(jìn)行擬合，考慮全站儀測量誤差的極端情況，得到軌道上由于各個點(diǎn)測量誤差引起的調(diào)整量的誤差曲線。對于水平面調(diào)整量誤差，誤差值在距離全站儀最近時(shí)最小，隨著測量距離的增加，誤差值幾乎呈線性增加。對于高程調(diào)整量的誤差，誤差值隨著測量距離減小逐漸增加，靠近全站儀時(shí)，誤差值幾乎呈指數(shù)增加。軌道精測中，水平面的調(diào)整量和縱斷面的調(diào)整量都主要受到測量距離和天頂距的影響，而受水平角變化的影響較小。在實(shí)際測量過程中，通過減小全站儀與軌檢小車?yán)忡R的高差，從而減小天頂距，可以減小測量誤差對高程調(diào)整量的影響。當(dāng)全站儀與軌檢小車?yán)忡R的高差為0.2m時(shí)，得到軌道上由于各個點(diǎn)測量誤差引起的調(diào)整量的誤差曲線較緩和。因此實(shí)際測量過程中，可以盡量減小全站儀與軌檢小車?yán)忡R自己的高差來減小測量誤差對高程調(diào)整量的影響。

結(jié)束語

（1）根據(jù)我國鐵路精密控制測量體系及精測網(wǎng)控制法原理，分析得知導(dǎo)致精測網(wǎng)控制法誤差產(chǎn)生的主要來源包括兩個方面：三維平差誤差、點(diǎn)位變化誤差。

（2）精測網(wǎng)控制法中，測站坐標(biāo)誤差的整體趨勢為：控制點(diǎn)距離測站越近，則其變化對測站坐標(biāo)的影響越大，與測站相距較遠(yuǎn)的控制點(diǎn)其變化對測站坐標(biāo)的影響相對較小。其他因素不變時(shí)，測站坐標(biāo)誤差隨著坐標(biāo)變化量增大而增大。相鄰測站與本測站坐標(biāo)誤差變化趨勢相同，數(shù)值不同。

（3）軌道不平順指標(biāo)誤差變化的整體趨勢為：對于任意一個單項(xiàng)，CPⅢ點(diǎn)坐標(biāo)變化量相同時(shí)，與測站距離更小的CPⅢ點(diǎn)引起誤差更大。軌道不平順指標(biāo)中，受到影響最大的為軌向，其次為軌距和水平，影響最小的為高低。

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