任意设站控制网在地铁轨道控制网中的应用

李文雅 赵秀琴

(中铁第六勘察设计院集团有限公司, 天津 300038)

0 引言

地铁轨道作地铁行车的载体,其施工质量、坚固的稳定性和良好的平顺性是安全运行与乘车舒适性的保障。为了提高城市轨道交通工程铺轨精度,保证轨道线路的平顺性,改善城市轨道交通运营过程的设备磨耗和噪声振动问题,保证列车运行的稳定性,提高乘客乘车的体验感和舒适性。吴乃龙针对传统轨道交通铺轨基标实施难度大、精度要求高、建设效率低等特点提出了基于自由设站法连续传递附合至地铁隧道平面控制点的方法[1],张伟国通过分三级布设离石隧道无砟铁路平面控制网,采用自由设站边角交会法测量了第三级基桩控制网(CPIII)并进行了精度分析[2]。岑敏仪、张同刚研究了客运专线边角后方交会控制网(CPⅢ网)置平技术相对于约束网平差优势[3],李建章提出基于布尔萨模型的CPIII精密三维控制网平差方法[4],梅文胜、王忠仁等对城市轨道交通铺轨控制网的网形进行了设计并采用了间接平差进行了控制网平差模拟计算分析[5],孙志凡、郝晓东等在呼和浩特市地铁2号线铺轨工程采用CPIII测量技术进行了研究[6]。

综上所述,随着城市轨道交通的发展,任意设站控制网技术(高铁CPIII技术)的地铁轨道控制网在地铁铺轨测量、工后监测及后期运营监测等地铁测量的应用越来越多。本文结合了地铁工程施工和结构特点,借鉴高铁CPIII技术,通过对郑州市轨道交通4号线工程铺轨控制布设测量进行精度分析,验证了任意设站控制网技术在城市轨道铺轨控制网的可行性和适用性。

1 多方向后方交会任意设站法

多方向后方交会,在设站时候方向观测多于3个的交会测量方法[7],任意测站法相当于每个测站设置一个相互独立的坐标系,在每个测站均进行多个方向进行观测,同时观测的点位要保证有一定量的重复观测,通过重复观测点的相对位置关系把每个测站相互独立的坐标系转化为统一的坐标系。然后根据观测的已知平面、高程控制点对所观测的数据进行平差处理,从而得到设站点和待测点的平面坐标值和高程[8]，如图1所示。

图1 多方向后方交会任意设站法示意图

2 地铁轨道任意设站控制网的布设

地铁线路一般为地下隧道,车站之间通常为单线或者双线的圆形隧道,隧道横截面的一侧是应急疏散平台,另一侧是架设管线的支架、信号机、消防管线等,采用多方向后方交会任意设站法对地铁轨道控制网进行外业观测时,在有限的空间内全站仪只能架设在相邻两对任意设站控制点的线路中线附近[5-9]。地铁轨道控制网的控制点地下隧道侧墙上、站台廊檐侧面、高架桥面两侧防撞墙上、地面段接触网杆内侧成对布设[10]。受城市既有的建(构)筑物等其他客观条件的影响,地铁线路一般曲线段较多且存在半径较小的曲线,任意测站时,视线易受到曲线内侧的地铁隧道壁的遮挡影响,因此隧道内测站的通视距离的限制了轨道交通地下隧道任意设站控制网相邻控制点的纵向间距[5]。

如图2所示,地铁隧道曲线圆心为O,在距离线路中线的距离为r的位置设站Z,线路中线位置为D,观测视线极限是隧道壁的切点Q[11],则O到D的距离即为圆曲线半径R,则Z到Q的距离即为通视距离S：

(1)

图2 轨道交通地下隧道内设站通视距离计算示意图[11]

在《地铁设计规范》中困难情况下,A型车曲线半径是300 m,B型车为250 m[12]。本文将隧道直径的取为5.5 m,测站在线路中线上r=0,代入公式(1)可以得出在半径为250 m的通视条件下通视距离36.98 m,任意设站控制网观测时,每个任意测站观测不宜少于4对控制点,控制点的间距约为通视距离的2/3,通过计算最短的纵向布点间距为24.65 m,高铁CPⅢ控制网按50～60 m的纵向间距成对布设CPⅢ点,轨道交通地下隧道在小半径区间的情况下不满足布点条件,所以地铁任意设站控制网的布点间距为25～60 m。

为提高观测精度全站仪任意测站点到控制点的最远观测距离宜控制在120 m范围之内,每个控制点保证至少有3个任意测站能够进行角度和距离的测量[10],合理的城市轨道任意设站控制网的网形，如图3所示。

图3 任意设站控制网平面网布设形式示意图

3 任意设站控制网的测量

3.1 平面控制测量

任意设站控制网观测前应对全站仪进行检校,同时棱镜组件需要进行重复性误差和互换性安装误差的检核,检核结果满足表1的精度要求。观测时全站仪需要输入设站环境的温度、气压等对观测距离进行改正[13]。在进行任意设站控制网测量时每个测站观测不宜少于4对控制点,其中的3对控制点应与上一站重复观测。每个控制点保证至少有3个任意测站能够进行角度和距离的测量[10],测量精度必须满足《城市轨道交通工程测量规范》(GB /T 50308-2017)中控制网水平方向观测及距离观测的技术相关要求[8],填写观测手簿,记录测站信息,每次向前延伸1对点。当联测上一级控制点时,应至少确保连续两个任意设站点及以上能够观测到起算控制点[10],任意设站的测量方法如图 4 所示。

表1 任意设站控制网测量标志安装的精度要求 单位：mm

图4 任意设站控制网联测高等级线路控制网形式

3.2 高程控制测量

由于任意设站控制网位于隧道壁两侧,采用传统的水准观测,水准仪需要架设到一定的高度实施比较困难,而且控制点点位上方有电缆、机电设备等,水准尺立放比较困难[14]。同时由于隧道的通视条件较差,无论采用电子水准仪或光学水准仪,读数、记录均受到一定的影响。本次高程控制网测量选用任意测站三角高程测量方法与平面测量同步进行,并附合于高程控制点上,每1 km左右应与水准控制点进行高程联测,按照区间进行观测是应联测的车站底板控制点。任意设站三角高程的测量精度指标应满足表2的技术要求。

表2 任意设站三角高程测量技术要求

3.3 数据处理

(1)平面数据处理。数据处理时,将外业记录导入数据处理软件对外业测站数据检查再次进行质量评定检查,判定是否存在超限观测数据,如存在超限数据,应对有超限观测值的原始数据进行剔除,如测站超限数据过多不满足规范要求则需进行重测。外业观测数据检查合格后进行平差处理,平差时应先采用独立自由网平差,再采选取精度较高合格的平面起算点进行固定约束平差[15]。独立控制网平差和约束网平差应满足表3、表4的要求。

表3 独立自由网平差后的限差要求

表4 固定约束平差后的技术要求

(2)高程数据处理。数据处理前同样需要进行数据检核,分析同名点位的高差在相邻的测站观测数据是否存在超限,然后将任意测站控制点和上级高程控制点的高差数据导入到数据处理软件[16]进行约束平差处理。当任意设站控制网高程采用三角高程测量时,数据处理除应满足平面数据处理的技术要求要求外,还应符合以下要求,各项指标应符合表5、表6的要求。

表5 二等水准高程测量路线的精度要求

表6 任意设站三角高程网平差后的精度指标要求 单位：mm

3.4 区段之间衔接处理

地铁施工一般为分成若干个施工标段,而且每个车站区间的开工时间、施工方法、结构形式不尽相同,在进行任意设站控制网测量时一般采用分段测量,区段长度不宜小于 2 km 或一个区间长度进行测量处理,还要保证与邻接标(区)段的准确衔接,地铁铺轨要求保证高度的平顺性,确保列车运行的稳定性。在区段衔接测量,应选取3对以上任意设站控制点进行观测,而且两区段独立平差后重叠点坐标高程差值应≤±3 mm。为了保证铺轨的衔接,搭接控制点满足上述的条件后,再对重复的3对以上控制点进行约束平差或按照余弦平滑方法进行区段处理[10]。

4 工程实例

目前，全国轨道交通工程为满足无砟轨道施工和运营需要,新建地铁铺轨测量开始从铺轨基标转变为任意设站控制网测量。本文选择郑州市轨道交通4号线工程航海东路站—果园南路站区间左线作为实例,进行任意设站控制网测量,对测量数据平差处理并进行精度评定。

航海东路站—果园南路站区间左线,起止里程ZDK24+824.356～ZDK25+803.602,全长0.9 km。本区间有3段曲线最小曲线为半径1 000 m,所以在布设控制点时纵向布点间距约为50 m,算上车站内的控制点共布设23对任意测站控制点。测量仪器选择具有自动目标搜索、照准、观测、记录等功能徕卡公司生产的TS60(0.5″,0.6 mm +1 ppm*D)进行本次任意设站控制测量。严格按照上述方法及《城市轨道交通工程测量规范》(GB /T 50308-2017)的要求进行外业观测、数据处理。

为检测本次测量的精度及准确性,在测量过程中联测5个上次平面控制点和4个高程点,约束平差时选择3个平面控制点,2个高程控制点进行平差处理。

任意测站法平面控制网测量精度统计如表 7所示,未参与约束平差处理的两个上级平面控制点的坐标较差见表8,可以看出控制点精度可靠,各项指标均在现场范围之内符合规范的要求。

表7 平面控制网测量精度统计表

表8 平差后上级控制点坐标较差

任意测站高程控制网平差后测量精度统计如表 9所示,未参与约束平差处理的2个上级高程控制点的高程较差见表10,可以看出各项指标均符合测量限差的要求,平差后上级高程控制点与原高程数值较差在1 mm之内,控制点精度可靠,各项指标在限差范围之内精度满足规范的要求。

表9 三角高程网平差后的精度统计表

表10 平差后上级控制点高程较差

5 结束语

(1)本文借鉴高铁CPIII技术,论述了用任意设站控制网的方法,通过郑州轨道交通4号线工程实例进行了铺轨控制网的建立和应用,后期经铺轨单位轨检小车对轨道铺轨精度进行验证,本次城市轨道交通任意设站控制网精度与可靠性较高,满足城市轨道交通工程铺轨的要求;

(2)轨道交通任意设站控制网受曲线及有限空间的影响合理的布点间距为25～60 m;

(3)任意设站控制网三角高程测量方式满足精度要求,外业观测时与平面控制网同时进行,提高了观测效率。

(4)轨道交通任意设站控制网可长期保存,在后续的工后监测及运营监测中可以继续使用,但需要定期进行复测保证控制网的精度满足规范要求。