使用GNSS進行高鐵精密工程平面控制網復測
——以新建鐵路北京至唐山鐵路為例

陳建科謝忠俍

（1.華東冶金地質勘查局物探隊，安徽 蕪湖 241009；2.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714099）

0 引言

目前，中國高速鐵路營運速度為250～350 km/h，軌道的平順狀態是影響高鐵安全運行的關鍵因素［1］。然而，在外力的作用下軌道不可避免地發生位移和形變。因此，對軌道定期進行精測精調就顯得十分重要［2］。軌道精測精調工作能否順利開展，前提是要保障作為施工和軌道精調的測量控制網的高速鐵路精密控制網的精度穩定性，而定期對精密控制網進行復測是保證控制網精度的必要條件［3］。

隨著測量技術的發展，鐵路控制的測量方法和技術也在不斷提高。GNSS具有全天候、高精度、高效益，以及無須通視、操作簡單等優勢，可有效獲取控制點的平面坐標，從而被廣泛用于新建鐵路設計施工和后期營運監測中［4］。筆者對GNSS技術在高鐵精密控制網復測中的精度可靠性進行研究。

1 工程概況

京唐鐵路西起北京市，東至河北省唐山市，地處首都半小時經濟圈，位于華北和東北兩大經濟區之間。該鐵路由北京市北京站出發，沿途經北京市通州區、河北省香河縣、天津市寶坻區、河北省玉田縣，最終到達河北省唐山市唐山站。該線路正線全長為147.825 km，沿線地區土壤最大凍土深度分別為：北京地區80 cm、廊坊地區69 cm、天津地區60 cm、唐山地區111 cm。本研究主要對全線47個CPⅠ點（其中含聯測國家A/B級GNSS點4個）、167個CPⅡ點（不含聯測的CPⅠ點）的點位進行核查，掌握樁點的丟失和破壞情況，并根據具體情況和施工的具體要求對已丟失和被破壞的控制點進行恢復，對超限點進行成果更新，保持整網成果的現勢性和完整性，從而滿足后續施工的使用需求。

2 平面網復測原則

為了滿足京唐鐵路的施工需求，根據全線路基、橋梁等線下工程施工及無砟軌道施工對工程測量精度的要求，按照分級布網、逐級控制的原則，對已丟失和被破壞的控制點按照原建網標準進行恢復和補設，對使用過程中發現觀測條件差的點位，以及不利于復測利用等的部分點進行移設。在國家A/B級GNSS點和CP0點的基礎上，同網形、同精度復測CPⅠ、CPⅡ平面控制網，對補設點和超限點采用同精度內插法進行計算和更新成果，并保持全線控制網的完整性和現勢性［5］。

根據現場踏勘情況，京唐鐵路段平面控制網共補設CPⅠ控制點3個、CPⅡ控制點10個。補設的點總體上要保持上一次的測量網形，對丟失的控制點，核實附近施工單位加密點的埋樁深度及形狀規格、樁面美觀程度，對滿足要求的點加以利用，對不能利用的點，則按照重新埋設的技術要求進行執行。對新補點要統一在原點號后順延一個字母，新埋設點按照《新建鐵路北京至唐山鐵路精密工程控制測量技術方案》中的有關要求進行點之記繪制，并繪制出word形式的電子圖。對新埋設的點進行拍照核實，并對已破壞的點進行妥善處理，從而確保后續施工測量采用新點，杜絕出現使用錯點的情況。

3 平面網施測

本研究采用天寶公司生產的Trimble R8/R10雙頻GNSS接收機對控制網絡進行復測，標稱精度均優于±（5 mm+1 ppm×D），所使用的GNSS接收機均經測繪儀器計量定點單位檢定合格，并在有效期內。CPⅠ級控制網（見圖1）按二等GNSS網的要求進行施測，采用邊連接方式進行構網，形成由三角形或大地四邊形組成的帶狀網，沿線與國家A/B級點和CP0點進行聯測，測量的網形要盡量保持原建網的網形。CPⅡ級控制網（見圖2）是在CPⅠ基礎上，采用三等GNSS網進行測量，測量網形也要盡量保持原建網的網形，采用邊連接的方式進行構網，從而形成由三角形或大地四邊形組成的帶狀網，并與CPⅠ聯測構成附合網，并保證每個點都有足夠的重復設站次數［6］。

圖1 北京至唐山鐵路精密工程控制測量部分CPI網形圖

圖2 北京至唐山鐵路精密工程控制測量部分CPII網形圖

具體施測技術指標如表1所示。

表1 各級GNSS測量作業的基本技術要求

作業過程中，儀器的中誤差均小于1 mm，每個時段觀測前后各測量天線高一次，兩次較差值要小于2 mm，并取均值作為最后成果；觀測時要用電子手簿來自動記錄點號和天線高，同時認真填寫靜態觀測手簿。在觀測過程中，要保證天線附近50 m內未使用電臺、10 m內未使用對講機。在任一時段觀測過程中未進行接收機關閉又重新啟動、自測試、改變衛星仰角限、改變數據采樣間隔、按動關閉文件和刪除文件按鈕等操作。

4 成果處理

本研究的平面控制網基線向量解算采用廣播星歷和商用軟件，為保證數據的一致性，統一使用商用軟件LGO7.0進行基線解算，解算設置采用軟件系統推薦的系統缺省值（見表2）。平面控制網平差使用同濟大學測量系研制的TGPPS軟件進行計算。先將CPⅠ和CPⅡ原始觀測文件轉換為標準的RINEX文件，并在完成點號、天線量高方式、天線高復核后進行基線解算［7］。對CPⅠ、CPⅡ復測基線進行平差計算，并檢查各項精度指標（基線較差、最小獨立環閉合差、無約束平差基線向量各分量改正數的絕對值、相鄰點相對點位中誤差、基線邊方向中誤差、最弱邊相對中誤差、約束平差基線向量各分量改正數與無約束平差同名基線改正數較差的絕對值）是否滿足規范要求。

表2 基線質量檢驗限差表

中誤差σ的計算公式見式（1）。

式中：σ為中誤差，mm；d為相鄰點間距離，km；a取值為5 mm；b取值為1 mm/km。

在完成數據預處理后，對基線質量不符合要求或環閉合差超限的要進行補測，在環閉合差與無約束平差指標都通過后進行約束平差，平差后各項指標均滿足表3中的要求。

表3 GNSS復測精度指標

本研究中的復測是對部分基線進行質量檢查，檢查的基線均滿足限差要求。CPⅠ復測整網平差，以聯測的國家A/B級控制點（CP0點）、穩定的CPⅠ點作為約束點進行平差計算。在進行平差計算前，要對CP0起算點的兼容性進行分析。在起算點兼容性很好的前提下進行平差處理，各項精度指標均滿足規范要求。對比此次復測的CPⅠ計算坐標與上次復測坐標，按照相關要求，坐標差要小于20 mm，當相鄰CPⅠ點坐標差之差的相對精度小于1/130 000，則采用原成果；若超限，則采用同精度內插法更新的CPⅠ控制點坐標。其中，47個CPⅠ點（其中含聯測國家A/B級GNSS點4個）參與平差，平差結果坐標點與既有測量成果相比的部分結果如表4所示。

表4 CPⅠ整網平差后部分復測坐標及相鄰點間坐標差之差的相對精度統計

CPⅡ數據處理方法及要求與CPⅠ基本相同，在完成基線解算、獨立環檢驗合格后，以所有聯測的CPⅠ點作為起算點進行平差計算，在各項指標合格后，利用計算結果再進行復測，并與原測坐標差和坐標差之差的相對精度進行對比分析。對比此次復測CPⅡ計算坐標與上次復測坐標，按相關要求，坐標差小于15 mm，且相鄰CPⅡ點坐標差之差的相對精度小于1/80 000，則采用原成果；若超限，則采用同精度內插法更新CPⅡ控制點坐標。對167個CPⅡ點（不含聯測的CPⅠ點）的點位進行平差，平差結果坐標點與既有測量成果相比的部分結果如表5所示。

表5 CPⅡ整網平差后部分復測坐標及相鄰點間坐標差之差的相對精度統計

5 結語

通過GNSS技術完成的精密工程控制測量平面網復測成果的各項精度指標均滿足《高速鐵路工程測量規范》（TB 10601—2009）中的要求，成果可滿足下階段施工需求［8］。對丟失、破壞或受干擾不能測量的控制點進行移設或補設，并對新設點進行同精度復測，從而保證控制網的完整性。對受外界干擾、原測與復測不符等造成成果超限的控制點進行分析和成果修正，后續施工可采用本研究的成果。本研究的復測充分體現GNSS技術在高鐵精密工程平面控制網測量中的應用價值，在滿足精度指標的前提下，可高效率完成測量工作，同時還節省人力、節約成本。

在后期的工程應用中，加強精密工程控制測量標志的保護和復測，使用新成果前應進行同精度復測，成果無誤后再用于施工加密點的測量及后續施工上，并在使用過程中對成果進行檢核，避免使用錯成果和用錯點位。對復測中不穩定的點位，建議后續不再使用。