闭合环式附合水准测量在京沪高速铁路中的应用

孟宪纲

(中国地震局第一监测中心，天津300180)

一、引 言

高速铁路是当今世界竞相发展的高速运输模式之一，拥有高速铁路已成为一个国家经济实力与科技水平的象征。我国在对既有铁路进行技术改造和提速的同时，也在加紧高速铁路技术的研究，并计划修建高速铁路，京津城际高速铁路就是中国高速铁路发展的成功案例，其多项技术指标在常规动力客车领域达到世界先进水平。与普通铁路相比，高速铁路要求轨道的平整性更高，施工方法也有很大差异。提供高精度的高程控制水准面对其路面施工、路基沉降和运行监测十分重要[1]。

二、仪器性能试验

为了保证观测结果的真实性和客观性，施测前按照现行测量规范和项目委托单位相关文件规定，对投入仪器和相关配件进行仔细检验校正。主要检验项目除规范中限定项目外还有：仪器对振动源的响应、光线对仪器的影响、视距对读数速度和精度的影响，温度对仪器的影响等。

1．仪器对振动源的响应

测量规范中没有针对该项的明确要求，但是振动源在现实工作环境中较为常见，如车辆、风以及扶尺员所引起抖动等。在进行实地场地测量时，过往载重车辆较多，鉴于此，对该项目进行了检验。

试验场地选择在公路旁，视距从5～60 m由近逐远，每隔5m设置测站检验一次。轻微振动时，条码尺十字丝微微跳动，在5m、10m、15 m时能顺利通过读数;特大振动时，10 m以下可以通过单次读数，一站读数偶尔通过，但读数可信度低，测段往返闭合差一般超限。轻微振动时，视距在20m以上可以通过读数，但读数时间延长;而较大振动时不能通过读数[2]。

在有风、过桥以及道路车辆较多时应注意振动对观测的影响，可通过缩短视距来解决该问题。

2．光线对仪器的影响

光线对仪器的影响主要表现在读数速度和读数精度上。在正常条件下进行室内检测时，50m以内读数时间随距离增大而增大，读数变化范围在0．1mm以内。光线对仪器的读数速度影响很大，一般阴天标尺表面亮度均匀，无所谓的“阴阳尺”，读数速度和室内比较无变化，但当云量很大时，视距大于30m，读数速度降低，尤其是在傍晚和早晨刚开测时，出现“Error 324 Rod not readable”报错信息或者是读数时间变长，但不影响读数精度。

当标尺表面光线不均或亮度较暗时，仪器显示“Error 321 Change in brightness too great”错误，可以稍微转动尺面，同时保证标尺的垂直性，也可以用Led灯管照亮尺面。有时尺面污浊也会引起读数延迟或报错现象，要注意保持尺面的清洁，及时用干净软布擦拭尺面。

3．视距对测站高差的影响

试验场地选择在天气晴朗时的单位大院，在水泥墩体上放置尺台将条码式因钢尺固定在灯杆上，并保持标尺垂直性不变，然后在一对标尺上每隔5m距离，读取6站数据，每根标尺读数12次，取其平均值作为该距离下的高差真值。高差与视距关系见图1。由图1可知，在视距小于50m时，高差变化在0．2mm以内，并且变化幅度较稳定。

图1 视距与测量高差变化关系图

4．温度对i角的影响

数字水准仪中存在两种“i角”：一种是视准轴与水准轴不平行，其夹角称为“光学i角”;另一种是由经过物镜光心的水平入射光线与这条水平光线经过补偿器到CCD探测器参考点的水平视准线之间的夹角，称为“数字i角”。其中“光学i角”影响照准及调焦，“数字i角”影响数字水准仪的读数。在实际应用中，“光学i角”可以通过前、后视距相等的方法削弱其对测量资料的影响，只要视距差累计不超限即可。尽管DINI12数字水准仪“数字i角”能通过机器自身模块改正由其引起的误差，但在测量过程中外界条件随时在变化，“数字i角”也随之变化[3]。由历次仪器检验资料(DINI12数字水准仪)归纳得知：一般情况下，随着温度的升高，“i角”朝负方向变化。因此，施测前要使仪器在空气中放置20～30min，待仪器材料形变稳定后再检校i角，并且还要对仪器预热10次以上。在有太阳光照射的情况下，仪器一定要遮阳，并保证搬站过程中其温度稳定，严禁仪器单侧太阳照射或者受热不均。

5．其他影响因素

标尺的垂直性主要影响到视线高读数，当标尺前后倾斜时视线高读数会非线性增大，当倾斜大于5°时，仪器会报错。标尺左右倾斜对视线高读数影响与前后倾斜影响类似[4]。因此开测前要检校一下标尺水准气泡。检校方法如下：将仪器调平，用仪器竖丝符合标尺一边，使其平行或重合，检查上下气泡是否居中，如果居中，则将标尺旋转90°，仪器竖丝符合标尺一边，使其平行或重合，检查上下气泡是否居中，如果居中，则在作业时加强扶尺员责任心，使此项误差降到最低。

此外，仪器调焦的不准确性对读数亦有影响，此项误差因观测员视力不同而异，在实际测量中保证同一站不调焦可以消除该影响。

三、闭合环式附和水准测量在京沪高速铁路中的应用

京沪高速铁路正线全长1318 km，是新建双线铁路，设计时速350 km，初期运营时速300 km[5]，全线布设无缝轨道和无碴路基。京沪高速铁路天津段位于天津西部地区，路线呈NW-SE走向，沿线地势以平原和洼地为主，海拔由北向南逐渐下降，地质构造复杂，大部分被新生代沉积物覆盖，地面沉降较严重。给京沪高速铁路的建设造成很大影响，为研究对其影响速率，必须建立一个稳定的高程控制参考系。为此提出采用闭合环式附合水准测量对其进行高程控制，实践证明这一方法能为工程提供稳定可靠的高程参考系。

水准测量任务是从已知高程的水准点开始测量其他水准点或地面点的高程。目前，大多数的工程施工水准测量，线性工程多采用附合式水准路线，小面积范围的工程多采用闭合式水准路线。而闭合环式附合水准路线是一种由若干闭合水准路线组成的附合水准路线，是水准网的简单形式，具有独立闭合环检测和附合水准路线检测双重检测，对于沉降区高程控制具有很强的精度控制强度。水准路线沿铁路两侧布设，水准路线网图如图2所示(铁路线略去)，这种形式不仅能很好地对预埋监测点进行高程传递，同时也能较好地控制测量过程中的人为误差。

图2 闭合环式附合水准路线图

依据测量规范和该铁路的水准测量技术规范，对京沪高速铁路穿过华北北部大面积沉降区的高程控制测量提出合理的施测方案，有效解决沉降区施工水准测量高程参考点的不稳定性问题。实际测量路线与水准点分布有关。环与环结点为深50m左右的深埋水准点，稳定性好。实际测量时，严格按照测量规范二等精密水准测量要求和工程技术规定施测。环长度16．5～51．4 km，亦可以组成一个409．3 km的大环。共有131个测段，每测段长度为0．6～10．3 km 不等，多数在3～5 km 之间，共施测409．3 km，计算精度按二等水准路线要求计算。

各个环长度和环闭合差见表1(以顺时针方向拼环，按照《国家一、二等水准测量规范》(GB/T 12897—2006)中环闭合差限差计算表中限差和全中误差[6])。

表1 环闭合差和环限差表

以每个环为一条水准路线计算每千米水准测量的偶然中误差MΔ，并计算环的每千米水准测量的全中误差MW，计算结果见表2。

表2 各环与大环偶然中误差计算表

四、结束语

闭合式环式附合水准路线靠其可靠的图形强度，对沉降区垂直形变信息能很好地捕捉，能为工程提供稳定可靠的高程参考系，在之后的多条铁路线中得到很好应用。该类型水准路线布设形式对于线性工程沉降控制具有很高的精度控制强度，具有广阔的应用空间。

[1]刘旭春．高精度数字水准仪在沉降监测中的应用[J]．测绘通报，2006(1)：58-61．

[2]陈聚忠，楼关寿．DINI12电子水准仪振动实验[J]．国际地震动态，2008(11)：107．

[3]任道胜，陈如丽．数字电子水准仪DiNi10性能实测分析[J]．地壳形变与地震，1998，118(2)：89-94．

[4]葛计划，熊瑛，孙军，等．数字水准仪DiNi11/12原理及应用中应注意的问题[J]．防灾科技学院学报，2009，11(3)：72-76．

[5]黄泽纯，张献州，汪延彬，等．京沪高速铁路沉降观测数据管理系统研究[J]．中国铁路，2009(12)：52-55．

[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．GB/T 12897—2006国家一、二等水准测量规范[S]．北京：[s．n．]，2006．