福州市地铁6号线首级三维控制网建立与精度分析

梁昭阳，陈 煌

(1.福建船政交通职业学院道路工程系，福州 350000； 2.福州市勘测院，福州 350000)

1 项目概况

地铁建设因其在地下，具有建设环境复杂、地质条件复杂、施工难度大等特点，是一项综合性的系统工程。因其只能在地下狭小空间施工，从路线勘测到轨道施工再到通车运营的各个环节对测量的精度要求都很高，地铁首级控制网是保证施工全过程的控制性测量工程，是整个地铁建设的框架控制网[1]。福州地铁是服务于福建省省会福州市的城市轨道交通系统，其第一条线路于2016年5月18日开通试运营，使福州成为中国大陆第24个开通地铁的城市，截至目前已经开通运营两条线路。福州地铁6号线是福州地铁网络框架的重要组成部分，它是福州市区连接长乐机场的快速通道，是福州市作为海峡西岸经济区省会中心城市建设中城市东扩发展战略的保障项目。

福州市轨道交通6号线是福州市轨道交通网络的主要线路，线路起于仓山区南台岛会展中心，终于长乐国际机场，线路全长约41.111 km，其中高架线长6.765 km，过渡段长0.643 km，地下线长33.703 km，共设19座车站，其中高架站1座，地下站18座，最大站间距为6.815 km，整条线路穿过乌龙江和闽江，并与多条规划地铁线路交叉换乘。

2 GNSS首级平面控制网

2.1 布网与观测

2.1.1 卫星定位控制网布设

为保证在建轨道交通6号线控制网与已运营轨道交通1号线一、二期控制网的良好衔接及与后续轨道交通2号线等未来其他路线控制网的统一性和整体性，本次布网重合较多现有控制点。卫星定位控制网以福州市4个三维框架点(YT、HT、A042、NSD)、2个连续运行参考站(RUAN、CHAN)为起算点，联测城市现有控制点、地铁1号线一期控制点、地铁2号线控制点作为重合点，以保证与其他地铁线路基准的统一性，进行多时段观测新埋设的6号线卫星定位控制网控制点。卫星定位控制网控制点基本上沿着线路两侧附近布设，为了长久保存、利于观测，大部分埋设在建筑物屋顶上，部分特殊情况埋设在地面上。

布设网图如图1所示，整网共有68个点，其中包括了2个连续运行参考站和10个联测点。

图1 卫星定位控制网图

2.1.2 卫星定位控制网观测

采用8台天宝R4双频GPS接收机，在外业观测作业之前，对GPS接收机和天线等设备进行常规检查。根据现场踏勘各网点位的交通情况，综合考虑制订观测方案，形成观测时段调度图。观测应满足以下要求[2-3]：1)作业前应编制作业计划表；2)天线定向标志应指向正北，且经整平、对中误差应<2 mm；3)每观测时段前、后应各量取天线高1次，两次互差<3 mm，应取两次平均值作为最后结果；4)每天观测结束应及时进行数据处理和转换成标准的Rinex数据格式。

观测时为减少观测数据冗余量，提升观测质量，实际观测时需设定接收机的采样率为10 s，截止高度角为15°。经统计，本次项目实际观测了25个时段，所有观测时段时间长均>2 h，实际重复设站率为3.3，满足设计要求[2-3]。

2.2 基线处理与解算

外业观测25个时段共形成171条独立基线，平差前应对观测数据进行预处理，基线解算采用双差相位观测值和双差固定解。对周跳较多或数据质量不理想的时段进行删除，或用分段处理后再进行平差计算，最终计算结果的基线长度中误差不能超过2δ。[4-6]

卫星定位控制网相邻点间基线长度精度表示为：

(1)

式中：σ为标准差，mm；a为固定误差，mm；b为比例

误差系数；d为相邻点间距离，mm。

基线处理软件采用天宝公司的Trimble Business Center软件，并采用徕卡公司的LGO V7.0软件作为检核。基线解算采用卫星广播星历，基线分时段进行解算，每个时段解算时，主要考虑截止高度角15°，历元间隔为10 s，不考虑卫星轨道误差(IGS轨道)，同时，外业观测的全部数据必须经过重复基线、同步环和异步环的检验。

1)重复基线长度较差应满足式(2)的要求

(2)

式中n为同一边的复测次数。

2)独立基线异步环坐标分量及全长闭合差应满足式(3)的要求

(3)

经过软件对基线进行优化后解算基线，本次首级卫星定位控制网171条基线解算精度统计见表。

表1 基线解算精度统计表

通过对解算结果进行精度统计后，得到全部171条独立基线重复较差(dS)最大值、环闭合差(Wx，WY，WZ，W)最大值均小于限差，因此，可判定整网外业基线数据合格。

2.3 平差与精度分析

外业观测的全部数据需经过重复基线、同步环和异步环的检验合格后，利用严密平差软件科傻GPS数据处理软件(CosaGPS Ver5.21)进行平差处理。

3 高程控制网

3.1 水准网的布设

水准线路布设以尽量沿6号线线路且避开施工影响区域为原则，水准点位的选埋需保证每个站点附近要有两个水准点，便于施工联测。本次项目点位埋石有基岩和普通水准标石两种，其中基岩水准以一定数量均匀分布于沿线，普通水准点以埋设稳固建筑物上为主。根据工程实际情况，本次基岩埋石采用钢管标，新设普通水准点全部为墙水准标石。依据现场踏勘和资料收集情况，按照设计全线高程控制网利用沿线附近国家一等高程水准点Ⅰ杭广南224甲主、Ⅰ杭广南226甲主、Ⅰ梅花支6为起算点。全线共布设6号线基岩水准控制点15点(包括6号线新埋设基岩水准点14点、1号线二期基岩水准点1点)，6号线普通水准点53点(包括6号线新埋普通水准点44点、1号线二期普通水准点7点，重复利用城市已有等级点2点)，控制网如图2所示。

图2 高程控制网图

3.2 水准网的观测

高程控制测量按照GB 50308—2008《城市轨道交通工程测量规范》中城市一等水准要求施测，观测水准线路沿线路且避开施工影响区域布设，以国家一等高程水准点Ⅰ杭广南224甲主、Ⅰ杭广南226甲主、Ⅰ梅花支6为起算点。外业施测采用几何水准测量方法按附合水准路线布设，同时联测沿线均匀分布的已知等级水准点。施测时采用天宝DINI03数字水准仪，按照GBT 12897—2006《国家一、二等水准测量规范》要求，对使用的天宝DINI03电子水准仪及铟瓦条码标尺进行检验。为保证数据精度质量，水准测量采用单路线往返观测，同一区段的往返测，使用同一作业人员、仪器和转点尺承进行观测。同时在测量过程中，每天开测前均进行i角检验[7-8]。

本次水准网测量路线总长256.53 km(往返测量)，其中闭合水准环1个、附合路线2条。水准网内共有点位74个，包括起算点3个，检查点3个，待定点68个(58个新埋点、10个重复利用点)。

3.3 水准网的平差与精度分析

3.3.1 起算点稳定性分析

在进行水准网平差计算之前，需要对线路中的5个国家一等水准点进行稳定性分析，本项目采用组合比较的方法分析其稳定性，通过分段比较本次测量高差与已知高差的方法判定水准起算点稳定性，具体结果见表2。

表2 起算点稳定性分析结果

由表2可知，测段I杭广南224～I杭广南226甲主、I杭广南226甲主～I梅华支6本次水准测量高差与已知高差相差较小；I梅华支6-1稳定性较差，而I杭广南228 与I杭广南226甲主同处于线路中部位置，并且I杭广南226甲主为1号线2期起算点，故而起算点剔除了I梅华支6-1与I杭广南228，选取I杭广南224、I杭广南226甲主、I梅华支6为本次水准网起算点，确保了起算数据的准确可靠，从而保证福州市轨道交通6号线高程测量成果的准确可靠。

3.3.2 水准网平差与精度分析

本次水准网平差采用严密平差软件科傻水准与沉降数据处理软件(CosaLEVEL V2.0)，在平差前需要对全部原始观测成果进行100%的检查，确保参与平差计算的原始观测成果正确可靠，观测数据精度指标符合要求。将加入尺长改正、正常水准面不平行改正后的高差数据导入科傻水准平差软件，进行自动平差计算，输出平差成果。

经过平差计算3段(闭合水准环1个、附合路线2条)水准路线的附和(闭合)差、每千米高差中数偶然中误差及最弱点高程中误差结果分别为：

附和水准路线I：附合差-5.42 mm(限差23.92 mm)、每千米高差中数偶然中误差0.46 mm(限差1.00 mm)、最弱点高程中误差2.71 mm(限差20 mm)。

附和水准路线II：附合差11.09 mm(限差37.36 mm)、每千米高差中数偶然中误差0.53 mm(限差1.00 mm)、最弱点高程中误差5.54 mm(限差20 mm)。

闭合环路线：附合差2.54 mm(限差29.52 mm)、每千米高差中数偶然中误差0.54 mm(限差1.00 mm)、最弱点高程中误差1.27 mm(限差20 mm)。

平差结果表明高程控制网精度均在限差以内，所有高程点位精度均满足设计要求，成果合格。

4 结语

本文通过对福州市地铁6号线首级三维(平面及高程)控制网的布设、施测及数据处理等环节分别进行了介绍，阐述了地铁首级平面和高程控制网建设的全过程。为保证地铁建设周期内控制网的可靠性和衔接性，项目在踏勘基础上充分利用已有控制点资料，不断优化网形，同时采用平面和高程控制网分别进行专项布设的方式确保了地铁首级控制网的精确性。GNSS控制网观测将CORS参考站纳入组网，在GNSS控制网平差时将其作为重要的起算数据，将重复基线差和异步环闭合差两项作为衡量基线解算质量核心指标。最后通过对GNSS平面和高程各项精度指标进行统计分析表明：项目测量数据质量良好，观测技术指标和成果精度指标均满足项目技术设计书及相关规范要求。为城市地铁建设工程首级控制网建设提供一定的参考。