孟 峰,马全明,陈大勇,李 响,高 超
(1.北京城建勘测设计研究院有限责任公司,北京 100101;2.北京市轨道交通建设管理有限公司,北京 100037)
CPⅢ控制网是高速铁路建设过程中所布设的第三级测量控制网,一般在线下工程施工完成后施测,主要为无砟轨道铺设和运营维护提供控制基准[1]。采用自由设站、边角交会网的测量方法,改变了传统控制网测量需要提供起始边的作业模式[2]。CPⅢ控制网测量通过相邻测站重叠观测多个CPⅢ点,以获得测站和CPⅢ点间的强相关性,并在每个测站点进行多目标多测回测量,以减小观测误差,从而实现CPⅢ控制点间较高的相对精度[3]。同时,由于采用了具有自动照准、自动记录、自动计算的全站仪进行观测,CPⅢ测量自动化程度较高,操作也相对简便。CPⅢ测量技术已经在我国高铁领域得到了广泛应用。
当前,我国城市轨道交通处在一个快速发展的时期。为了提高城市轨道交通铺轨精度,保证轨道平顺性和列车运行的稳定性,开展CPⅢ控制网测量技术在城市轨道交通测量领域的应用和研究,将高速铁路轨道精密测量技术服务于城市轨道交通工程建设,具有积极的意义。
本文介绍了在北京地铁6号线一期工程白石桥南站至车公庄西站区间轨道铺设测量中,利用CPⅢ控制网基本方法进行城市轨道交通轨道铺设测量试验的情况,探讨了城市轨道交通隧道内CPⅢ控制点位置确定、控制网布设、外业数据采集及数据处理程序和方法,并通过对4种试验应用方法的分析和对比,提出了一种适用于城市轨道交通的CPⅢ控制网测量方法,供测量工作者参考。
本次测量试验段为北京地铁6号线一期工程白石桥南站至车公庄西站区间右线。该区间里程为K4+470~K5+070,线路长约600 m,包含2段曲线。第1段曲线半径为2000 m、长约109.4 m;第2段曲线半径为2500 m、长约108 m,上述两曲线分别位于线路两端。在该区间中间还设置有一组人防隔断门,里程为K4+605。
该试验区间采用暗挖法施工,为马蹄形断面结构形式,区间已经贯通,二衬施工和人防隔断门安装均已完毕,其中轨道已经铺设至人防隔断门前20 m处。隧道内已完成了设备安装一米线的测设,但隧道内的设备安装还未进行。
隧道贯通后,对该区间进行了贯通测量,贯通测量所使用的起始点为由联系测量测设的隧道内控制点。本次CPⅢ控制网测量所使用起算点为贯通测量平差后控制点,经检核,起始点之间的几何关系良好,点位稳固可靠。
地铁隧道相比高铁,隧道的半径较小,所留限界较小,而两侧隧道墙壁上各种管线、电缆、信号灯及相应的支架等设备较多。考虑点位的设置与保护、不与后续设备安装相冲突、易于观测、视线不被其他设备阻挡,本次CPⅢ点位选择在设备安装线一米线以上60 cm处,点位距离轨面1.6 m,距离隧道底部2.25 m(如图1所示)。
图1 CPⅢ点位埋设位置示意图
由于隧道内光线较暗,灰尘较大,各种设备较多,相应的测量通视条件也较差,为了保证观测精度,将CPⅢ控制点间距缩小,直线段为50 m,曲线段为40 m。
为了减少人防隔断门对测量通视影响,在隔断门两侧25 m处对称布设一对CPⅢ控制点。同时,为了验证已知点之间的相对关系,将隧道内布设的线路中线点与自由设站点重合,即在线路中线点两侧对称布设CPⅢ控制点。全网共布设13对CPⅢ控制点。
CPⅢ控制点采用不锈钢强制对中标志,埋设于隧道两侧的墙壁上,由预埋件和连接杆两部分组成(如图2所示)。其中,基座部分为长60 mm、内径14 mm、外径20 mm的套筒,加工误差小于0.05 mm;连接杆下部分与套筒相配合,上部分与Leica棱镜相配合,间隙均小于0.2 mm。
图2 CPⅢ控制点预埋件和连接杆示意图
由于CPⅢ控制点一般布设于线路中线点两侧,当自由设站点位于中线点附近时,将两者重合,同时将相邻已知点当做前后视点进行观测,以便检验CPⅢ控制网测量精度。本次CPⅢ控制网测量,自由设站共重合4个已知平面点。
1)采用自由测站边角交会法测量。每个自由测站设站观测时,以前后各2对CPⅢ点为观测目标,每个CPⅢ点至少从3个测站上分别联测,区间共设站14次。图3为隧道内某测站CPⅢ控制网现场观测示意图。
图3 隧道内CPⅢ控制网观测示意图
2)每天观测前均对仪器进行常规的电子检校,包括仪器内存、电源、温度计、气压计等是否满足要求。
3)观测前先将仪器在外搁置5 min左右,使之与周围环境温度一致,并随时注意温度、气压等气象条件的变化,保证仪器气象参数及时更新。同时,还需现场对各观测点号进行核实,保证现场点号与仪器记录点号一致,以便发现错误及时修改,并认真做好观测日志。
4)观测前将CPⅢ控制点标志的基座顶帽取下,插入连接杆,连接杆上端插棱镜。保证连接杆和基座连接正确,中间无缝隙,棱镜和连接杆连接正确。
5)观测时,CPⅢ网观测技术精度指标按照全站仪机载程序进行观测控制,每一测站观测完成后,均进行精度检核,对于超限情况当场进行重测。
6)当天外业结束后,及时将数据整理备份,并按照要求的CPⅢ数据格式连同观测日志一并传输到计算机。
由于CPⅢ控制点位于两侧隧道壁上,距离轨道面有1.6 m,距离隧道底部2.25 m,采用传统的水准测量方法,仪器必须架设足够的高度。由于点位上方有电缆、各种管线等设备,水准尺立放比较困难。同时由于隧道的通视条件较差,无论采用光学水准仪或电子水准仪,读数、记录均受到一定的影响,效率不高。本次CPⅢ控制点高程测量采用自由设站三角高程测量与CPⅢ平面控制测量一起进行。
大量的研究和成功经验证明,只要满足一定的前提条件,三角高程测量可以达到一、二等高程测量的精度[4]。本次平面网测量时,通过全站仪读取视线高,同步测量所有CPⅢ点的高程,免去了量取仪器高和棱镜高过程,减少了工作流程中的各种误差,提高了测量精度和测量效率。在进行高程测量时,对隧道内的已有高程点(共7个,间距在100 m左右)进行了联测,便于进行数据的平差处理和检核。
将仪器记录的外业观测文件导入到计算机中,由CPⅢ测站平差软件进行测站数据的检核(如图4所示)。通过测站平差软件对外业测量数据的测回数、归零限差、2C互差、方向互差等参数进行检核。经检核,此次试验测量的全部测站数据均能够满足限差要求。
图4 软件测站平差界面
此次测量试验,平面测量数据处理采用了4种方法进行比对计算。
(1)固定两端2个已知点的CPⅢ控制网平差
去除YX1、YX、YH1、YHZ 4个已知点设站时的前后重合已知点的观测量(即中间各站前后的观测量方向为8个),固定两端的YX2点和Y1 2个已知点,进行自由网平差和约束网平差,平差计算的网形如图5所示。
(2)固定3个已知点的CPⅢ控制网平差
除固定两端的YX2、Y1外,将中间点YX点也固定,进行自由网平差和约束网平差,平差计算的网形如图6所示。
(3)附有主导线的CPⅢ控制网平差
将已知点设站的前后视观测量(即主导线)一起纳入CPⅢ控制网进行平差,固定两端的YX2、Y1和中间点YX,进行自由网平差和约束网平差,平差计算的网形如图7所示。
(4)地铁CPⅢ控制网平差
去除中间自由设站点(650、750、840、925测站)观测数据,固定两端的YX2、Y1和中间点YX,进行自由网平差和约束网平差,平差计算的网形如图8所示。
图5 固定两端2个点的CPⅢ控制网平差
图6 固定3个点的CPⅢ控制网平差
图7 附有主导线的CPⅢ控制网平差
图8 地铁CPⅢ控制网平差
通过平差计算,4种平差方法观测值的方向、距离改正数比较结果见表1。
由表1比较结果可知,自由网平差和约束网平差的最大方向改正数和最大距离改正数均能满足满足城市轨道交通测量规范要求。由平差文件得知,距离改正数较大的边都是与已知点相关的边,由于隧道内平面控制点的点位相对误差较大,造成CPⅢ控制网的最大距离改正数较大。4种方法平差后,最大点位中误差为1.04 mm,最大相对点位中误差为1.29 mm,均满足规范要求(见表2)。
表2 4种平差方法点位误差比较表 mm
相比固定两个已知点的CPⅢ控制网平差方法(第1种方法),固定3个已知点(第2、3、4种方法)进行平差,最大方向改正数均有效减少。考虑隧道内控制点精度比高铁CPⅡ或CPⅠ控制点要低,联测已知点应多于两个。一方面可以相互检核隧道内控制点之间的相对关系,判定已知点的稳定性;另一方面还可以通过反算已知点,检测CPⅢ控制网的精度。
基于以上分析,第4种测量方法(地铁CPⅢ控制网测量方法)较之传统高速铁路CPⅢ控制网测量,观测量少且重合隧道内中线点,具有一定的优势。
首先检核相邻测站测得同名点的高差数据是否符合规范要求,然后将CPⅢ控制点与已知水准点高差数据导入到清华山维平差软件,进行距离加权平差处理。通过计算得知,所有CPⅢ控制点相邻测站测得同名点的高差数据均小于2 mm,水准点之间的最大闭合差为3 mm。平差后最大高程中误差为0.6 mm,最大高差中误差为0.6 mm,均满足城市轨道交通工程测量规范要求。
1)经铺轨单位利用轨检小车验证,本次城市轨道交通CPⅢ控制网精度与可靠性较高,无论平面精度还是高程精度,均能满足铺轨的要求。
2)本次测量试验验证了CPⅢ控制网在地铁隧道进行轨道铺设应用技术路线的可行性。本次CPⅢ控制网只是验证了在直线段和大半径的曲线段、测量观测条件和隧道内环境条件相对较好的情况下测设CPⅢ控制网技术路线的可行性;而在小半径的曲线段、道岔区、站台及搭接部位等条件下,还需要进一步试验和验证。
3)由于隧道内设备较多,CPⅢ控制点位置选取要充分考虑设备的安装。同时,由于隧道内通视环境较差,应尽量缩短CPⅢ控制点间距,以30~60 m(曲线稍短)为宜,布网时充分考虑区间设备(人防门等)对通视的影响。
4)为了提高地铁CPⅢ控制网观测效率,建议平面和高程同时进行观测,自由设站点尽量与隧道内的已知点相重合。
5)由于隧道内观测条件较差,需要严格遵守观测技术要求,及时检核数据观测质量。由于隧道内控制点与高铁CPⅡ或CPⅠ控制点相比精度低一些,所以内业数据处理要充分考虑已知点的相关性和稳定性。
[1] TB10601—2009高速铁路工程测量规范[S].北京:[s.n.],2009.
[2] 谢辉,汪君.高速铁路无砟轨道控制网(CPⅢ)平面测量技术[J].科技信息,2011(3):50-50.
[3] 张绪丰.CPⅢ平面网外业测量若干技术问题的探讨及其软件的研制[D].成都:西南交通大学,2008.
[4] 付建斌,刘成龙,卢建康,等.基于自由测站的高速铁路CPⅢ高程控制网建网方法研究[J].铁道工程学报,2010(11):32-37.