CPⅢ控制網測量技術在地鐵軌道施工中的應用

馬建新，蔣 政

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300031）

地鐵工程軌道鋪設工程中，通常采用控制基標作為軌道鋪設基準，因各控制基標之間的相對位移關系難以形成整體，導致地鐵列車在運行過程中經常出現顛簸、與軌道摩擦噪音大等問題。CPⅢ控制網測量作為新興的測量技術，具有多測站重復測量、整網統一平差、CPⅢ控制點間相對精度高等優點，被成功應用于高鐵軌道施工中[1～3]。鄭州地鐵3號線為鄭州市第一條將CPⅢ控制網測量技術應用于地鐵軌道鋪設的線路，本文介紹隧道區間、標準車站CPⅢ控制網，單側形式CPⅢ控制網等網型優化布設，就進一步提高CPⅢ控制網的測量精度提出多種建議。

1 工程概況

鄭州地鐵3號線工程全線共有曲線段122個，最小曲線半徑300 m。CPⅢ控制網布設分2種：在隧道區間、標準車站，CPⅢ控制點成對布設，點對縱向距離30~60 m，布設于隧道壁兩側或中隔墻與站臺廊檐上；在個別車站，因站臺板施工影響，站臺一側無法布設CPⅢ控制點，點位采用單邊形式布網。工程共布設CPⅢ控制網58.815 km，點位2 202個。

2 CPⅢ控制網特征分析

2.1 隧道區間及標準車站CPⅢ控制網布設及測量

選擇城東路站—未來大道站—鳳臺南路站區間左線作為研究實例。見表1。

表1 城東路站—未來大道站—鳳臺南路站區間左線特征 m

研究范圍內共布設CPⅢ控制點64點，外業觀測時，每個任意設站觀測相鄰4對CPⅢ控制點，每對CPⅢ控制點在相鄰3個任意測站均能被觀測且設站距離最遠CPⅢ控制點不超過120 m，間距600～800 m聯測一個高等級控制點。見圖1。

圖1 城東路站—未來大道站鳳臺南路站區間左線CPⅢ控制點布網及觀測

根據曲田等[4]及李建章[5]的研究分析，采用差分法三角高程原理可以極大提高CPⅢ控制點的高程測量精度，滿足城市地鐵軌道施工精度要求，CPⅢ控制點高程測量與平面測量同步進行，在外業觀測數據檢核合格后對CPⅢ控制網進行平差。

城東路站—未來大道站—鳳臺南路站區間左線任意設站控制網聯測最大方向改正數2.64″，任意設站與起算點聯測方向改正數最大值3.66″；距離改正數＜2 mm占總數的99.4%，任意設站控制網聯測最大距離改正數1.87 mm，任意設站與起算點聯測距離改正數2.89 mm；CPⅢ控制點最大點位中誤差2.57 mm，各項測量指標均滿足地鐵軌道施工CPⅢ控制點的精度要求[6]。見表2。

表2 城東路站—未來大道站—鳳臺南路站區間左線CPⅢ控制點平面精度

研究區域內高等級水準點共組成3個附合水準線路，水準線路閉合差均滿足二等水準精度要求，平差后最弱點位中誤差0.94 mm，最大高差改正數0.95 mm，CPⅢ控制點高程精度滿足規范要求[6]。見表3。

表3 城東路站—未來大道站—鳳臺南路站區間左線CPⅢ控制點高程精度

2.2 單側形式CPⅢ控制網布設及測量分析

唐恩奎等[7]對高速鐵路中單側形式CPⅢ控制網測量的可行性進行研究，通過CAD仿真數據的計算及實測數據的平差計算，驗證單側CPⅢ網平面精度能滿足高速鐵路工程測量規范的相關要求。在城市地鐵工程施工中，因地下結構空間狹小，各工種施工沖突，導致常規CPⅢ控制網點的測設難以開展。鄭州地鐵3號線未來大道站右線，因站臺板施工影響，站臺板一側無法布設CPⅢ控制點，為不耽誤軌道安裝進度，對車站內CPⅢ控制點采用單側布網形式，在外業測量過程中，加密聯測高等級控制點。見圖2。

圖2 未來大道站右線CPⅢ控制點布設網型

未來大道站右線任意設站控制網聯測最大方向改正數2.93″，任意設站與起算點聯測方向改正數最大值3.42″；任意設站控制網聯測最大距離改正數1.92 mm，任意設站與起算點聯測最大距離改正數3.57 mm；最大點位中誤差2.77 mm，單側形式CPⅢ控制網平面點位精度滿足地鐵軌道施工精度要求[6]。見表4。

表4 未來大道站右線CPⅢ控制點平面精度

研究區域內高等級控制點共組成6個附合水準線路，水準線路閉合差均滿足二等水準精度要求，平差后最弱點點位中誤差0.90 mm，最大高差改正數0.92 mm，單側形式CPⅢ控制點精度滿足規范要求[6]。見表5。

表5 未來大道站右線CPⅢ控制點高程精度

對比分析，單側形式CPⅢ控制網測量精度雖能滿足規范要求，但控制點精度略低于相同測量條件下點對布設CPⅢ控制網。

3 CPⅢ控制網測量關鍵技術分析

3.1 測量標志的統一

規范[6]要求CPⅢ強制對中標志和標志連接桿的加工誤差≯0.05 mm，控制點標志重復性安裝誤差及互換性安裝誤差平面≯0.4 mm、高程≯0.2 mm。因地鐵工程線路較長，為了節省軌道安裝工期，往往將線路分為多個標段同時鋪軌，施工單位在選擇測量標志預埋件及連接桿時，互不統一；同時由于不同測量標志生產廠家因機床設備精度不同，導致不同標段銜接處CPⅢ控制點測量精度差異。軌道施工完成后，車站內部風、水、電等工程施工及線路運營后的軌道維修施工均需頻繁使用CPⅢ控制點，測量標志預埋件及連接桿誤差為后續工程施工帶來極大不便。

為克服上述弊端，要求各工序施工過程中均采用同一家生產廠家、同一批機床生產的測量標志，最大限度減少測量誤差。

3.2 測量粗差剔除

在CPⅢ控制網觀測值中往往會出現粗差，對平差結果影響非常大，在利用最小二乘法進行參數評估前，可以通過驗算附合水準閉合差的方式進行粗差判斷、剔除，也可以通過對閉合圖形進行探測找出粗差。

在地鐵工程CPⅢ控制網測量時，每對CPⅢ控制點在相鄰3個任意設站均被觀測一次，因此可在公共邊上形成多個閉合圖形，通過閉合圖形閉合差可以直接判斷觀測值中是否含有粗差。閉合圖形包含橫向閉合差與縱向閉合差。在橫向點對m、n上可形成閉合圖形minj、mink、mjnk，如果在任意設站i測量過程中存在粗差，則閉合圖形mijn、mink閉合差超限而mjnk閉合差滿足限差要求，于是便可判定im、in兩觀測值中至少有一個存在粗差；同理，縱向點對也可構成閉合圖形，點對m、p與任意設站i、j、k可構成3個閉合圖形imjp、imkp、jmkp，通過驗證3個閉合圖形的閉合差，判定任意設站觀測值中是否含有粗差。見圖3。

圖3 閉合差

通過相鄰任意設站與CPⅢ控制點判定粗差時，首先應根據測量儀器的精度，設定每個閉合圖形的限差，每個三角高程觀測值經過橫向加縱向3個以上的閉合圖形檢驗，即可判斷觀測值是否存在粗差，進而剔除粗差。

3.3 單側形式CPⅢ控制網測量

單側形式CPⅢ控制網相對于點對布設CPⅢ控制網平差后CPⅢ控制點精度有所降低，建議應縮短CPⅢ控制點縱向距離，在每個任意設站能同時觀測到縱向6個CPⅢ控制點最佳，當任意設站附近有高等級測量控制點時，可逐站聯測高等級控制點，以提高CPⅢ控制點精度。

4 結語

鄭州地鐵3號線布設的CPⅢ控制點測量精度較高，合格率100%。本文所提出的CPⅢ控制網布設網型優化方法及CPⅢ控制網解算時粗差剔除方法，可廣泛應用于地鐵工程軌道鋪設CPⅢ控制網測量，為地鐵工程全生命周期健康監測提供依據。□■