程躍勝

(中鐵十八局集團有限公司,天津 30022)

1 工程概況

新建成都至重慶鐵路客運專線工程CYSG-4標(biāo)段四分部起于雙石一號隧道，止于永川渝昆高速2號雙線特大橋末端,起訖里程為DK229+302.81～DK240+170.56,正線長10.88 km。該標(biāo)段范圍內(nèi)平面控制點有7個CPⅠ點，平面控制網(wǎng)仍采用勘測階段定義的工程獨立坐標(biāo)系統(tǒng),即工程橢球上的高斯平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)。工程橢球構(gòu)建采用改變WGS-84橢球參數(shù)的方法,即橢球長半軸直接加投影面大地高,并保持扁率和定向不變。成渝客運專線本標(biāo)段內(nèi)投影高程面大地高為280 m,高斯投影中央子午線為106°,東坐標(biāo)和北坐標(biāo)的加常數(shù)分別為500 km和0 km。

2 平面控制網(wǎng)復(fù)測技術(shù)方案

成渝客運專線CYSG-4標(biāo)段CPⅠ控制網(wǎng)平面復(fù)測采取GPS靜態(tài)測量方法。本次平面控制網(wǎng)復(fù)測采用了標(biāo)稱精度為±(5+1×10-6D) mm的美國Trimble公司的雙頻測量型GPS接收機,其中2臺型號為5700、5臺型號為R6。為使本次復(fù)測的控制網(wǎng)成果與原建網(wǎng)的控制網(wǎng)成果,在精度上具有可比性,根據(jù)參考文獻[1,2]中平面控制測量等級規(guī)定和本項目實際情況,基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPⅠ)復(fù)測采用高鐵二等GPS控制網(wǎng)精度要求。為與相鄰標(biāo)段銜接,需聯(lián)測相鄰標(biāo)段兩個CPⅠ平面控制點。

CPⅠGPS測量控制網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo),應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 二等GPS控制網(wǎng)測量的主要技術(shù)要求

注：當(dāng)基線長度短于500 m時,二、三等邊長中誤差應(yīng)小于5 mm。

CPⅠGPS測量作業(yè)的基本技術(shù)要求,應(yīng)符合表2的規(guī)定。

3 復(fù)測實施

復(fù)測前首先進行現(xiàn)場勘查,檢查標(biāo)石的完好性,對丟失和破損較嚴(yán)重的標(biāo)石按原控制點標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)。采用的儀器設(shè)備等級、計算軟件精度不低于原測,觀測方法要求、精度指標(biāo)、網(wǎng)形結(jié)構(gòu)與原測相同。成渝客運專線CYSG-4標(biāo)段范圍內(nèi)地勢崎嶇,山坡較多,點間交通多不便,必須制定嚴(yán)格的作業(yè)計劃,分配好作業(yè)時間,精心組織。由于線路較長而曲折,工期緊,任務(wù)重,首級施工控制網(wǎng)CPⅠ復(fù)測難度較大。

表2 各等級GPS測量作業(yè)的基本技術(shù)要求

3.1 基線組網(wǎng)

依據(jù)相關(guān)網(wǎng)形和連接數(shù)的規(guī)范要求,對平面控制網(wǎng)進行基線組網(wǎng),優(yōu)化技術(shù)設(shè)計方案,在外業(yè)觀測和內(nèi)業(yè)基線數(shù)據(jù)處理過程中,嚴(yán)格按照設(shè)計優(yōu)化方案執(zhí)行。

平面控制網(wǎng)復(fù)測與勘測設(shè)計單位構(gòu)網(wǎng)原則相同,采用邊聯(lián)式構(gòu)網(wǎng),以大地四邊形和三角形為基本圖形,組成帶狀網(wǎng)。按照布網(wǎng)方案要求,每條邊觀測兩個時段,CPⅠ每個時段觀測時間不少于90 min。

為保證線路上所有控制點成果具有較高的可靠性和盡量保證點位精度的均勻性,CPⅠ平面控制網(wǎng)復(fù)測采用7臺GPS接收機同時作業(yè)的觀測模式,以此提高GPS觀測網(wǎng)形的圖形強度。GPS網(wǎng)各時段全部以邊連接方式構(gòu)網(wǎng),形成由大地四邊形和三角形組成的帶狀網(wǎng)。本次CPⅠ平面控制網(wǎng)復(fù)測的GPS網(wǎng)網(wǎng)形如圖1所示。

圖1 CPⅠ控制網(wǎng)復(fù)測平面組網(wǎng)示意

3.2 復(fù)測主要注意事項

(1)遵循基線組網(wǎng)設(shè)計所確定的作業(yè)模式,并在接收機或控制器上配置相同的外業(yè)觀測參數(shù)。

(2)檢查GPS電池容量是否滿足作業(yè)要求,接收機的電源電纜、天線電纜等連接是否正確,數(shù)據(jù)存儲設(shè)備是否滿足存儲空間。

(3)檢查確認(rèn)天線安置基座對中器是否合格。如天線有指北定向標(biāo)志,則應(yīng)借助指北針或羅盤保持接收機天線指北標(biāo)志指向正北方向。

(4)雷雨季節(jié)架設(shè)天線時,注意防雷擊。雷雨過境時,立即停止觀測,并卸下天線。

(5)觀測組嚴(yán)格遵守調(diào)度命令,按規(guī)定時間同步觀測,不得擅自更改觀測計劃。

(6)觀測時,天線整平對中誤差不大于1 mm,每時段觀測前后各量取天線高一次,兩次互差小于2 mm,并取平均值作為最后結(jié)果。

(7)接收機開始記錄數(shù)據(jù)后,將測站名、測站號、時段號、天線高等信息完整地記錄于觀測手簿。

(8)1個時段觀測過程中嚴(yán)禁進行以下操作：關(guān)閉接收機重新啟動、進行自測試、改變接收設(shè)備預(yù)置參數(shù)、改變天線位置、按關(guān)閉和刪除文件功能鍵等。

(9)嚴(yán)禁在天線附近使用無線電通訊設(shè)備。使用對講機、電話等應(yīng)距天線10 m以上,車載電臺應(yīng)距天線50 m以上。

(10)每天完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理人員采用LGO6.0商用軟件進行基線檢查,如果發(fā)現(xiàn)有不能通過基線檢查的數(shù)據(jù),先進行分析處理,兩次分析處理還不能通過的基線數(shù)據(jù),第二天應(yīng)組小網(wǎng)重新補測。

4 GPS數(shù)據(jù)處理及復(fù)測成果分析

GPS平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采用武漢大學(xué)研究開發(fā)的COSAGPS軟件進行平差處理。首先采用LGO6.0軟件統(tǒng)一進行基線解算和輸出基線向量文件,然后引入2～3個聯(lián)測的高等級控制點WGS-84空間直角坐標(biāo)作為基準(zhǔn),進行CPⅠ的空間三維無約束平差,得到平差后CPⅠ、WGS-84三維空間直角坐標(biāo),并檢查GPS基線向量網(wǎng)本身內(nèi)符合精度,判定基線改正數(shù)是否符合規(guī)范要求。最后以點位穩(wěn)定、設(shè)計坐標(biāo)成果可靠的CPⅠ點為強制約束控制點,進行CPⅠ三維約束平差,以獲取CPⅠ最終復(fù)測平面坐標(biāo)及相應(yīng)的二維約束平差精度信息。

4.1 CPⅠ數(shù)據(jù)處理及精度分析

(1)CPⅠ基線解算及精度分析

①基線向量異步環(huán)閉合差[3]

由若干條獨立基線邊組成的獨立環(huán)或附合路線各坐標(biāo)分量(Wx、Wy、Wz)及全長WS閉合差滿足下式規(guī)定：

從所統(tǒng)計的此項檢核的詳細(xì)數(shù)據(jù)可以看出：CPⅠ控制網(wǎng)42條基線組成的15個三角形閉合環(huán),其X、Y、Z方向和全長的絕對閉合差和相對閉合差均小于高鐵二等GPS控制網(wǎng)的限差要求。

②重復(fù)基線較差

綜合CPⅠ的異步環(huán)基線閉合差檢驗以及重復(fù)基線較差檢驗的結(jié)果,可知：本標(biāo)段此次復(fù)測的CPⅠ基線解算正確,結(jié)果可靠,可進行后續(xù)基線網(wǎng)平差計算。

(2)CPⅠ平差及精度分析

首先對本次復(fù)測的GPS網(wǎng)在WGS-84坐標(biāo)系中進行三維無約束平差,并對平差結(jié)果進行分析,判斷觀測值中是否存在異常觀測值,點位誤差大小及其均勻性是否合適。從平差結(jié)果來分析,未發(fā)現(xiàn)粗差觀測值,三維基線向量改正數(shù)較小且服從正態(tài)分布,邊長中誤差分布正常,最弱邊相對中誤差為1/830 000，最弱點中誤差為±0.22 cm。表明復(fù)測網(wǎng)達到了較高的內(nèi)符合精度,可供后續(xù)約束平差使用[4]。

將本次復(fù)測范圍兩端的兩個CPⅠ控制點CPⅠ121和CPⅠ127作為約束點進行平差,計算CPⅠ控制點的WGS-84三維空間直角坐標(biāo)值。根據(jù)獨立坐標(biāo)系投影帶的劃分,將CPⅠ控制網(wǎng)的空間直角坐標(biāo)分別投影到相應(yīng)的平面坐標(biāo)投影帶中,計算CPⅠ控制點的工程獨立坐標(biāo)。

(3)CPⅠ控制網(wǎng)復(fù)測成果分析及結(jié)論

①CPⅠ控制點坐標(biāo)比較

三維約束聯(lián)測相鄰標(biāo)段CPⅠ點,投影得到相應(yīng)的平面坐標(biāo)投影帶中,計算CPⅠ控制點的工程獨立坐標(biāo),與設(shè)計院坐標(biāo)比較結(jié)果可見：在可比較的7個CPⅠ點中,X方向差值的絕對值平均值為3.6 mm,Y方向差值的絕對值平均值為2.3 mm；X方向最大差值為12.0 mm,Y方向最大差值為-9.2 mm,均小于復(fù)測允許的±20 mm限差要求。從差值的符號來看,坐標(biāo)差值無明顯系統(tǒng)性。

②相鄰點間坐標(biāo)差之差的相對精度

按照規(guī)范,需進行相鄰點間坐標(biāo)差之差的相對精度。因基線邊較多,只選擇相鄰點構(gòu)成基線邊,利用原設(shè)計院提供的坐標(biāo)和本次復(fù)測平差計算的坐標(biāo),按下式求出相鄰點間坐標(biāo)差之差的相對精度

ΔYij=(Yj-Yi)復(fù)-(Yj-Yi)原；

ΔZij=(Zj-Zi)復(fù)-(Zj-Zi)原；

S——相鄰點間的二維平面距離或三維空間距離；

ΔXij、ΔYij——相鄰點i與j之間二維坐標(biāo)差之差/m；

ΔZij——相鄰點i與j間Z方向坐標(biāo)差之差/m,當(dāng)只統(tǒng)計二維坐標(biāo)差之差的相對精度時該值為零。

從統(tǒng)計的相鄰點間坐標(biāo)差之差的相對精度可以看出,可比較的6條相鄰點間坐標(biāo)差之差的相對精度中,CPⅠ125-1～CPⅠ126-1相對精度為1/47 045,不符合要求。主要原因為兩點距離較近只有672 m,同時CPⅠ126-1X方向坐標(biāo)較差較大為12.0 mm,CPⅠ125-1Y方向坐標(biāo)較差較大為9.2 mm,造成CPⅠ125-1～CPⅠ126-1相對精度較低。其他相鄰點間坐標(biāo)差之差的相對精度均滿足1/130 000的要求。

5 結(jié)論及建議

成渝客運專線CYSG-4標(biāo)段CPⅠ控制網(wǎng)復(fù)測精度分別達到高鐵GPS二等,復(fù)測CP平面點位精度滿足相關(guān)規(guī)范的要求。復(fù)測CPⅠ坐標(biāo)與設(shè)計坐標(biāo)差值在規(guī)范規(guī)定的許可范圍內(nèi),點位穩(wěn)定可靠,可采用設(shè)計單位提交的成果進行控制網(wǎng)加密及施工放樣定位。

CPⅠ控制網(wǎng)復(fù)測屬于精密工程測量,是高速鐵路(客運專線)施工測量重要組成部分。施工期間應(yīng)對CPⅠ控制點進行定期或不定期檢測(每半年1次復(fù)測,每3月1次檢測),同時,工程建設(shè)對點位標(biāo)識的破壞隨著施工的進展越發(fā)明顯,要重視和加強點位標(biāo)識的日常性維護,對破壞的點位標(biāo)識要及時恢復(fù),以確保測量精度和工程建設(shè)質(zhì)量。

表2 CPⅠ控制網(wǎng)復(fù)測GPS重復(fù)基線較差統(tǒng)計

[1]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會GB/T 18314—2009 全球定位系統(tǒng)(GPS)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009

[2]中華人民共和國鐵道部.TB10601-2009高速鐵路工程測量規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2009

[3]梁 永.高速鐵路測量建立獨立坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型[J].鐵道工程學(xué)報,2006(7)：34-36

[4]葉巧云.GPS測量技術(shù)研究[J].河南城建高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2000(1)：34-36

[5]李迎春.GPS變形監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)處理及聯(lián)合平差的研究[D].南京:河海大學(xué),2006