一种精密三角高程上桥测量装置

谯生有，周建东

（中铁一局集团第五工程有限公司，陕西宝鸡 721006）

一、引 言

在高速铁路桥梁CPⅢ控制网（轨道控制网）水准测量中，将地面二等水准点高程应用不量棱镜高和仪器高的三角高程测量方法引测至桥上水准点的过程称为“高程上桥测量”，测量原理如图1［1］所示，ΔHBF=v-Δh1+Δh2-v=Δh2-Δh1。CPⅢ控制网水准测量应附合于线路水准基点，按精密水准测量技术要求施测，水准线路附合长度不得大于3 km［2］。由于高速铁路线路桥梁所占的比重大，桥梁地段每2～3 km就要将地面线路水准点高程引测至桥上CPⅢ控制点，高程上桥测量是高速铁路CPⅢ控制网测量一个必不可少的测量环节。高程上桥测量通常使用普通对中杆固定高度进行施测，存在诸多缺陷和不足，设计一种结构简单、兼容性强、操作方便的高程上桥测量装置很有必要。

图1 三角高程上桥测量原理

二、常规装置的缺陷及新装置的特点

1.常规装置的缺陷

1）规格不统一，没有通用性。某一类型的普通对中杆只适合于某一种类型的棱镜，而其他类型的棱镜无法使用。

2）固定高度的对中杆必须安置于已知水准点上方能进行上桥测量，若已知水准点与桥上水准点之间的距离超过规范要求，或全站仪与已知水准点之间不能通视，则必须在桥下重新选点埋设过渡水准点，然后将高程从已知水准点引测至过渡水准点上后进行上桥测量，为上桥测量进行选点埋石增加了测量成本，并且会延误测量工期。

3）固定高度的对中杆要保证固定棱镜支架高度不变，因此在上桥测量时，桥下水准点观测完后需将桥下对中杆保持高度不变搬到桥上去观测，如图1所示，测量第二测回时，观测完桥上对中杆后还需要再将对中杆保持高度不变搬到桥下进行观测。如果两次测量结果超限，还需要重复以上操作。测量期间，对中杆需要从地面到桥上来回搬动并且保持高度不变，劳动强度大，测量效率低。

4）应用固定高度的对中杆进行高程上桥测量时，前后视不能同时观测，大气折光不能有效地削弱和消除。

5）固定高度的对中杆在桥上水准点安置时，遇到有风天气，对中杆容易被风吹倒，给对中杆上安装的棱镜带来安全隐患。

2.新装置的特点

为了克服普通对中杆作为高程上桥测量棱镜支架的不足和缺陷，设计制作了一个精密三角高程上桥测量专用装置，该装置具有以下特点:

1）兼容性强，通过棱镜适配器可方便安装多种常用CPⅢ测量棱镜。

2）测量路线选择灵活，即测即用。

3）在桥下可以兼作临时水准点，不用为上桥测量专门在桥下埋设过渡水准点，节约测量成本。

4）桥下线路水准点高程可以方便地引测至三角高程上桥测量装置上的棱镜中心，再将桥下三角高程上桥测量装置上棱镜中心的高程直接传递到桥上棱镜中心，即图1中的棱镜高v=0。可以有效利用智能全站仪全程进行前后视同时观测，有效地削弱了大气折光对高差测量误差的影响。

5）以桥上CPⅢ控制点为桥上高程控制点，消除了桥上棱镜的安全隐患。

6）结构简单，稳定性好，便于携带。

三、精密三角高程上桥测量装置主要构造

1.装置构件实物图

三角高程上桥测量装置主要由11个构件组成，实物如图2～图3所示。

图2 各构件实物图

图3 安装棱镜和水准测量连接杆后的实物图

2.各构件名称及功能

各构件主要功能见表1。

3.各构件制造工艺要求

1）各构件结合部位及棱镜适配器采用数控机床进行精加工，加工精度优于0.1 mm。

表1 精密三角高程上桥测量装置构件功能说明表

2）适配器转换口为圆筒形不锈钢材质，上下通透。

3）构件7～10的下端连接杆外径与构件1的内径应切合紧密，使连接杆从适配器中能顺利插拔并且不会产生晃动。

4）连接圆盘为不锈钢材质，下方焊接用于固定支脚的套管，套管内车有螺纹。

5）支脚为实心圆钢，外车螺纹可以通过套管内的螺纹固定起来，支脚下端为圆锥形，支脚固定后，在外侧焊接脚踏。

6）构件1和构件4焊接在构件3上，构件4与构件5通过丝口旋紧固定，使用完后，构件5可从构件4中拆卸下来以便搬运。

7）加工附件时，应确保将棱镜适配器插入转换口内后，棱镜中心与水准测量连接杆的球头中心重合，球棱镜中心与半球尺垫的球心重合，如图4～图5所示。

图4 插拔式安装的棱镜适配器及水准测量连接杆附件安装示意图

图5 球棱镜适配器及半球尺垫附件安装示意图

8）球棱镜适配器顶部球面的半径与球棱镜半径相同，磁性半球尺垫随球棱镜配套购买。

9）水准测量连接杆顶部的球头为一固定半径的球体，在机械加工时将其加工为整数厘米的半径值，以便于将球顶高程改化至球心。

10）支架总重量大于5 kg，可防止测量过程中支架自身重量过轻造成支架回弹。

四、操作要点及实际应用效果

1.高程上桥测量操作要点

架设全站仪，测量前、后视距离，一般前、后视距离不大于100 m，最大不得超过150 m，前、后视距差不应超过5 m［1］，选一大致平坦土质坚实的地方安放三角高程上桥测量装置，将支架踩实，使之在观测过程中不发生下沉或上浮。

当测量采用徕卡、Sining小棱镜时，先将水准测量连接杆插入适配器转换口，将地面水准点高程按几何水准测量方法引测至水准测量球头连接杆顶部的球头中心。由于水准测量连接杆顶端为固定半径的球形，因此，即使支架倾斜，也能保证水准测量连接杆球心与棱镜中心重合。水准测量引测时，测站数应为偶数站，然后取下水准测量球头连接杆，安装棱镜适配器和棱镜，应用CPⅢ平面控制网数据采集软件对桥上桥下棱镜进行自动观测，按照规范要求测完所有测回的观测数据。内业计算时，将水准测量球头连接杆顶部高程减去球头半径即可归化为棱镜中心高程，应用不量仪器高、棱镜高三角高程测量原理将地面线路水准点高程引测至桥上 CPⅢ点上［2］。

当测量采用球棱镜时，先将球棱镜适配器插入转换口，在水准尺底部装上磁性半球尺垫进行高程引测，然后进行上桥测量。由于磁性半球尺垫是外径相同的球棱镜球体沿球心切割一半制成，因此引测至磁性半球尺垫中心的高程即为三角高程上桥测量装置上球棱镜中心高程。外业观测与内业计算原理与其他类型棱镜相同。

2.应用效果

该装置在哈大高铁TJ-1标段CPⅢ测量中进行了应用，前后上桥测量共28次，减少埋设临时水准点28个，节约埋桩费用5.6万元，节约80个人工日，节约工费1.2万元，共节约费用6.8万元，利用CPⅢ数据采集软件实现了三角高程上桥测量内外业一体化，并且提高了测量精度和效率，取得了良好的应用效果。

五、结束语

精密三角高程上桥测量装置获得了国家知识产权局实用新型专利授权，为高程上桥测量提供了一种专用装备，装置结构简单，使用方便，便于拆装和携带，有效地提高了测量精度和测量效率，并通过实际应用取得了良好的社会和经济效益。

［1］ 谯生有，周建军，周建东.客运专线无砟轨道CPⅢ精密控制网测量探讨［J］.铁道标准设计，2009（S1）:36-39.

［2］ 中华人民共和国铁道部.TB 10601—2009高速铁路工程测量规范［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［3］ 谯生有，闻道荣.无砟轨道CPⅢ平面控制网测量精度影响因素分析［J］.测绘通报，2011（12）:47-49.

［4］ 周建东，谯生有.高速铁路施工测量［M］.西安:西安交通大学出版社，2011:102-123.

［5］ 郝亚东，周建郑，孙请娟，等.高速铁路无砟轨道CPⅢ控制网测量技术探讨［J］.铁道工程学报，2010，36（11）:38-42.