马普托轻轨项目工程测量经验探讨

刘政纲, 梁迎春

((湖北省国土测绘院,湖北 武汉 430010)

马普托轻轨项目工程测量经验探讨

刘政纲, 梁迎春

((湖北省国土测绘院,湖北 武汉 430010)

根据马普托轻轨项目的工作实例,分析研究工程测量工作流程及方法,并就如何正确地开展国外轻轨工程测量工作进行探讨。

UTM投影变形;控制测量;地形测图

随着经济的发展,工作节奏的加快,私家车辆的增多,交通阻塞越来越严重。轻轨以其客运量大、准点到达等优点,越来越受到人们的青睐。笔者于2014年参加了莫桑比克首都马普托轻轨项目控制测量、地形图测量及定线测量工作。马普托轻轨项目是为了连接莫桑比克首都马普托与卫星城市马托拉市,项目全长16.3 km。本项目建成以后,将大大缩短往来于两个城市的时间,使两个城市之间出行更加方便快捷。下面谈一下在轻轨项目中遇到的问题及处理方法与同行们交流及共同探索,为其它国外轻轨工程提供参考。

1 工程测量内容与流程

1.1 测量内容及任务

马普托轻轨项目是1号线Maputo-Matola Gare线的一部分,连接首都马普托与马托拉,起终点为Maputo Station-Machava Bunhica,线路长16.36 km,设站6座,马普托市与马托拉市各3座,其中2座高架站,4座地面站,平均站间距3.18 km。全线设置车辆基地与控制中心各一座,两者合设于线路终点站西侧的Machava Tsalala车辆段内。

本次测量任务包括两部分,一是为轻轨设计提供地形图,进行基础控制测量、1∶1 000和1∶500带状地形图测绘,主要为勘测设计环节的测量工作;另一部分是依据设计位置的需求,将轻轨设计线路落实到实地,进行中桩放样及横断面测量,主要为施工图设计的测量工作。

1.2 基本流程

1.2.1 已有资料收集

为了使本项目坐标系统与莫桑比克国家坐标系统保持一致,需要收集莫桑比克已有的测绘资料,作为项目控制测量的起算点,因此本项目到莫桑比克国家测绘局收集了相关控制成果。

1.2.2 技术设计

根据设计的路线方案和相关的测绘技术标准,进行项目测绘技术设计,并交于业主单位进行审核。

1.2.3 项目测绘

根据审核后的技术方案,进行项目的基础控制测量、地形图测绘和定线测量工作。

1.2.4 项目技术总结

项目测量完成后,对项目实施过程中对测绘技术设计和技术标准、规范等执行情况进行总结,为业主单位对成果的合理使用提供方便。

2 基础控制测量

2.1 UTM投影变形

UTM投影变形包括两个方面:一是地面水平距离投影到椭球面的长度变形;二是椭球面距离投影到UTM投影平面的长度变形。

(1) 观测边长D归化至参考椭球体面上时,其长度会缩短ΔD。设归化高程为H,地球平均曲率半径为R,则其近似关系式为:

(2) 椭球体上的边长S投影到UTM投影平面,其长度将会变形ΔS,设该边两端点的平均横坐标为ym,地球平均曲率半径为R,则其长度变形近似关系式为:

2.2 平面测量

从莫桑比克国家测绘局收集到的测绘资料显示,测区周边莫桑比克国家GPS控制点5006、5008、5009、NH1,平面坐标采用WGS—84椭球,南纬36带中央子午线为33°,UTM投影(通用横轴墨卡托投影),中央经线变形比例为0.999 6。

对测区周边国家GPS控制点5006、5008、5009、NH1进行投影长度变形计算,如表1所示。

表1 0投影面下投影长度变形计算

注:计算变形量时坐标Y的值为减去500 km偏移量以后的值。

通过上表计算结果,测区长度变形值远>0.5 cm/km,莫桑比克国家控制点的UTM投影统一分度带平面直角坐标系统不能满足马普托轻轨项目大比例尺测图和施工放样要求。

为了削弱UTM投影长度变形,在莫桑比克国家坐标系的基础上建立独立坐标系,独立坐标系投影的高程面不再是参考椭球面,而是选择高程面Hp作为新的高程参考面,用来抵偿UTM投影长度变形,在这个高程参考面上,长度变形符合规范要求。

根据上表可知:Hm=(49.151+21.843+22.875+25.851)/4=30 m;Ym=-(53.621+42.387)/2=-48.0 km;平均曲率半径R按测区取值,通常情况可取R=6 371 km即可。经计算Hp=2 397.5 m,为了测区计算使用方便,Hp取整数2 400 m作为测区的高程抵偿面。在高程抵偿面为2 400 m的情况下对莫桑比克国家GPS控制点5006、5008、5009、NH1进行投影长度变形计算,如表2所示。

表2 2 400投影面下投影长度变形计算

注:计算变形量时坐标Y的值为减去500 km偏移量以后的值。

通过上表计算结果,独立坐标系采用 WGS—84椭球,UTM投影标准6°带,南纬36带中央子午线为33°,中央经线变形比例为0.999 6,投影高程面为2 400 m,达到了测区投影变形值≤0.5 cm/km要求,满足大比例尺测图和施工放样要求。

沿轻轨设计线埋设一等GPS点10个,二等GPS点34个,共布设44个GPS点。在作业范围内每隔4 km左右布设一对一等点,一等点对点边长400 m左右;接下来在一等点之间加密二等点,二等点平均边长350 m左右。平面控制点距轨道中心线的距离不宜过大,本着利于长久保存、施工方便和处于施工变形影响范围以外为宜。

一等、二等GPS点观测采用天宝R8双频GPS接收机进行静态定位测量,采用边连接方法观测,使用科傻软件进行平差计算。对马普托轻轨项目一等控制点进行投影长度变形计算,如表3所示。

表3 一等控制点投影长度变形计算

注:计算变形量时坐标Y的值为减去500 km偏移量以后的值。

通过上表计算结果,采用2 400 m为投影高程面,测区内一等控制点都达到了投影变形值≤0.5 cm/km要求,满足大比例尺测图和施工放样要求,证明马普托独立坐标系选择合理。

2.3 高程测量

由于莫桑比克国家高程采用GPS静态观测,通过EGM2008地球重力场模型计算所得,没有进行水准测量,所以莫桑比克没有高等级国家水准点。轻轨项目对高程控制要求等级较高,根据设计要求,马普托轻轨需要进行二等水准测量。为了与莫桑比克国家高程系统保持一致,本次二等水准以位于测区中部的国家控制点5008为起算点,形成一个水准闭合环,进行整网平差计算。水准网内部达到二等水准精度,外部与莫桑比克国家高程系统保持一致。

轻轨项目二等水准测量成果达到以下精度:

(1) 本项目二等水准由50个测段组成,测段高差精度如表4所示。

表4 测段高差精度

(2) 环线和附合路线闭合差精度情况如表5所示。

表5 闭合差精度

(4) 最弱点GPS08高程中误差为Mh=±0.70 mm<±20 mm。

轻轨项目二等水准测量成果即达到了规范规定的精度要求,又满足了设计需要,也为国外工程项目高程测量提供了经验。在国外进行水准测量时,如遇到没有高等级水准点时,通过本项目水准测量实例,可以采用如下方法解决:

(1) 如果项目附近高程资料不全、高程资料不能满足项目水准测量等级要求,可利用搜集来的高程资料中任意一点的高程作为起算点,形成一个闭合水准网。水准网内部精度既达到工程要求,又与当地高程有直接联系。

(2) 如果项目附近没有高程资料,可在测区范围内利用任意一点的GPS高程作为水准高程,以该点为起算点,形成一个闭合水准网。虽然项目高程与当地高程没有直接关联,但是水准网内部精度达到工程要求即可。

3 地形图测绘

由于非洲宗教文化、风俗习惯与国内不同,加之经济欠发达,在非洲进行地形图外业测量时,有几点注意事项与工作经验总结,与同行们交流及共同探索,以便对非洲有较全面了解,熟悉当地环境,可以使效率提高,起到事半功倍的效果。

(1) 在非洲的居民地测量中,不能按照国内取舍模式进行测量。非洲居民有部分人居住在草房里面,草房就是他们的主要房屋,外业一定要实际采点,内业绘图时,标注“草”。

(2) 非洲虽然地广人稀,居民多是独门独户,但是大多数家庭没有国内那样砖砌的围墙,而是在自家院落范围外种上荆棘,形成天然的围墙,外业测图时在荆棘拐角处要实际采点,内业绘图时用活树篱笆表示。

(3) 在非洲的独立地物测量中,对散坟、独立坟、坟群范围测量时一定要注意,因为非洲居民比较重视坟地的改迁,一方面协商起来比较麻烦,另一方面改迁费用很高,地方政府宁可线位偏移一点,拆迁房屋,也尽量避免坟地改迁,所以为了避免后期在坟地迁移上发生不必要的麻烦,前期地形图测量时,尽量避免少测、漏测,力求精度准确。

(4) 在非洲的交通设施测量中,非洲的铁路和国内不同,国内铁路轨宽为1.435 m,非洲铁路轨宽为1.2 m。经过外业实际采点,在内业采用依比例窄轨铁路绘制成图。

(5) 非洲基础设施建设相对落后,等级公路屈指可数,由于年久失修,路面沥青破损比较严重,在内业绘图时把路面破损比较严重的沥青公路绘制成等级公路。

(6) 非洲公路以土路为主,由于非洲多雨,在雨季时,路面凸凹不平,看起来很不起眼的土路,却是主要的交通干道。外业测图时,好多在国内可以绘制成大车路的土路,在非洲内业绘图时,根据土路实际作用和用途,如果是交通干道,虽然是土路,也要绘制成等外公路。

4 定线测量

4.1 中桩测量

利用设计线位数据,采用GPS RTK方法进行中桩测量:使用GPS RTK测量方法测定中桩的平面和高程位置,在进行GPS RTK采集数据前进行参数配置和测站检查;测量时流动站—基准站的距离均<3 km,在作业区内,基准站和流动站始终保持同步锁定5颗以上卫星,求解转换参数的控制点>4个,并包含整个作业区间。

(1) 由于轻轨设计线位经过居民区,房屋密集,在放桩过程中,根据实地情况进行放桩。直线段中桩间距50 m左右,曲线段中桩间距20 m左右。

(2) 曲线要素桩全部进行了放样。

(3) 在路线纵向地形变化点处加桩:坡顶、坡底、坎上、坎下、河边、沟边等处加桩;在路线与道路边缘相交处、电力线投影相交处加桩。

4.2 横断面测量

横断面采用GPS RTK方法测量,在采集数据前进行了参数配置和测站检查,基准站和流动站始终保持同步锁定5颗以上卫星,求解转换参数的控制点>4个,并包含整个作业区间。

GPS RTK测量横断面原理:利用设计线位数据,输入要测量横断面的桩号,GPS内部程序是按线位法线方向设计,按照仪器指示把纵偏控制在≤±0.1 m,横偏即测量点至中桩平距,进行采点测量即可。利用仪器自带软件,通过电脑将数据转换成相对中桩法平距及高程模式数据。

横断面采用相对中桩法测量,测量宽度以设计线右侧30 m,左侧经过左线以外30 m。中桩测量与横断面测量桩号均一致,横断面取位至0.01 m。横断面测量时根据实地的地形、地物的变化进行取点,一般间距不超过10 m。

5 结论

非洲的国家控制点、各种比例尺地形图等基础资料大多采用UTM投影方式下计算的成果,与中国国内工程测量采用高斯投影方式下计算的成果存在差别。在非洲进行工程测量时,通常要面临参考椭球、投影方式、处理投影变形及非洲国家测绘成果不够完整,在工程项目范围内缺少高等级的控制点等问题。因此有必要分析研究马普托轻轨项目,为其它国外项目提供参考与借鉴作用。

本文研究的内容在生产实践中起到一定的作用,有利于提高工程精度与效率,特别对初次接触UTM投影和非洲欠发达国家工程测量项目的科技人员,起到一定的作业参考及可行性的依据。

[1] 中华人民共和国建设部.城市轨道交通工程测量规范:GB 50308—2008[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2] 中华人民共和国建设部.城市测量规范:CJJ/T8—2011[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[3] 熊忠招.浅谈UTM投影下独立坐标系统建立[J].地理空间信息,2010(2):41-43.

[4] 张红宾,孙继奎.浅谈城市道路建设工程测量工作[J].科技致富向导,2013(11):393.

[5] 袁小勇,陈功,易袆.国际工程中UTM投影变形的应对策——以苏丹某电厂为例[J].工程勘察,2010(5):74-77.

(责任编辑：陈文宝)

Project Experience Discussion in Measuring of Maputo Light Rail

LIU Zhenggang, LIANG Yingchun

(HubeiInstituteofLandSurveyingandMapping,Wuhan,Hubei430010)

According to the working examples of Maputo light rail project,the authors analyze and study engineering survey work processes and methods,and on how to properly carry out the measurements of overseas light rail project is discussed.

UTM projection distortion; control survey; topographic mapping

2016-08-29;改回日期:2016-10-19

刘政纲(1983-),男,工程师,测绘工程专业,从事测绘工作。E-mail:153089012@qq.com

TB22

A

1671-1211(2016)06-1015-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.042

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161025.1438.006.html 数字出版日期:2016-10-25 14:38