楊雪峰，劉成龍，王利朋

(西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031)

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一種改進(jìn)的端頭設(shè)站三角高程上橋測(cè)量方法

楊雪峰，劉成龍，王利朋

(西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031)

摘要：針對(duì)高鐵橋梁距離地面較高，CPIII高程網(wǎng)的起閉水準(zhǔn)基點(diǎn)需要聯(lián)測(cè)上橋的實(shí)際問(wèn)題，首先介紹《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中傳統(tǒng)的中間設(shè)站光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法，并指出該方法在工程實(shí)踐中存在不足之處，然后提出一種改進(jìn)的端頭設(shè)站光電測(cè)距三角高程上橋測(cè)量方法，最后通過(guò)理論與試驗(yàn)驗(yàn)證，證明該方法是可行的，并且能夠顯著提高外業(yè)作業(yè)效率，可以為改進(jìn)中間設(shè)站光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法以及完善《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》提供參考。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；軌道控制網(wǎng)；三角高程；設(shè)站；精度

1概述

2008年8月1日，我國(guó)第一條具有世界一流水平、最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速達(dá)350 km的高速鐵路京津城際鐵路正式通車運(yùn)營(yíng)[1]；2010年9月28日，滬杭客運(yùn)專線以416.6 km/h的試運(yùn)行速度創(chuàng)造歷史，令世界震驚[2]；2個(gè)月后的12月3日，新一代高速動(dòng)車組“CRH380A”在京滬高鐵跑出486.1 km/h的速度，我國(guó)高鐵再次刷新世界鐵路運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)的最高速度[2]。目前，我國(guó)正在《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》目標(biāo)指引下，掀起世界高速鐵路大發(fā)展的新篇章[3]。

無(wú)砟軌道具有整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好以及維修量少的特點(diǎn)[4]，能夠保證列車在軌道上以高速運(yùn)行時(shí)仍可以保持良好的平順性。同時(shí)，由于無(wú)砟軌道鋪設(shè)工藝復(fù)雜，施工精度要求控制在毫米級(jí)范圍內(nèi)，一旦建成后將很難進(jìn)行調(diào)整，因此，高精度的測(cè)量保障顯得尤為重要。軌道控制網(wǎng)(CPIII)是其中的關(guān)鍵，它是沿線路布設(shè)且平面和高程共點(diǎn)的三維控制網(wǎng)，CPIII平面網(wǎng)起閉于基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPI)或線路平面控制網(wǎng)(CPII)，CPIII高程網(wǎng)起閉于線路水準(zhǔn)基點(diǎn)，軌道控制網(wǎng)一般在線下工程施工完成后進(jìn)行施測(cè)，是軌道鋪設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的基準(zhǔn)[5]?，F(xiàn)今為了減少對(duì)鐵路沿線的干擾，高速鐵路多以架橋?yàn)橹?，但CPIII高程網(wǎng)起閉的水準(zhǔn)基點(diǎn)卻在橋下線路兩側(cè)，需要將線下水準(zhǔn)基點(diǎn)的高程傳遞到橋上。

針對(duì)高程聯(lián)測(cè)上橋的問(wèn)題，本文首先介紹《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中傳統(tǒng)的中間設(shè)站光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法[6]，并指出該方法在工程實(shí)踐中所遇到的實(shí)際問(wèn)題，針對(duì)實(shí)際問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的端頭設(shè)站光電測(cè)距三角高程上橋測(cè)量方法，通過(guò)理論與試驗(yàn)驗(yàn)證，證明該方法是可行的，并且能夠顯著提高外業(yè)作業(yè)效率，可為改進(jìn)中間設(shè)站的光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法以及完善《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》提供參考。

2改進(jìn)的端頭設(shè)站光電測(cè)距三角高程上橋測(cè)量方法

2.1三角高程測(cè)量原理

如圖1所示，從A點(diǎn)觀測(cè)B點(diǎn)，A′為儀器中心，B′為棱鏡中心，觀測(cè)豎直角為αAB，斜距為SAB，儀器高AA′為iA，棱鏡高BB′為νB，γAB為在A點(diǎn)觀測(cè)時(shí)的垂直折光角，

H′H=D2/2R.

H′H為地球曲率對(duì)高差的影響，D為AB間的水平距離，R為地球的曲率半徑，則B點(diǎn)到A點(diǎn)的高差為[7-8]

(1)

圖1　三角高程測(cè)量原理示意圖

其中，除由全站儀測(cè)量斜距SAB及豎直角αAB外，還需要精確的量測(cè)儀器高和棱鏡高，而在三角高程作業(yè)中要將儀器高和棱鏡高精確量測(cè)到誤差不超過(guò)0.5 mm是極其困難的。因此，需采用中間設(shè)站的光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法，使得在一個(gè)測(cè)段的三角高程高差測(cè)量中各測(cè)站的儀器高和棱鏡高能夠相互抵消，可以實(shí)現(xiàn)三角高程測(cè)量的高精度作業(yè)。

2.2傳統(tǒng)的中間設(shè)站光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法

在量測(cè)儀器高且棱鏡高設(shè)為相等的前提下，使用中間設(shè)站三角高程測(cè)量方法求出點(diǎn)A和點(diǎn)B的高差，如圖2所示。

圖2　不量測(cè)儀器高和棱鏡高的中間設(shè)站三角高程測(cè)量原理

分別得出I點(diǎn)到A點(diǎn)和B點(diǎn)的高差hIA，hIB：

(2)

(3)

若要得到點(diǎn)A到點(diǎn)B的高差，則

(4)

考慮到儀器高iI不變，且νA=νB，γa≈γb，Sacosαa≈Sbcosαb(I點(diǎn)到A點(diǎn)和B點(diǎn)的平距近似相等)，把式(2)、式(3)代入式(4)得

(5)

通過(guò)式(5)可算出AB兩點(diǎn)的高差，理論上是可行的，但是在實(shí)際的操作中存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

1)《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中要求I點(diǎn)到B點(diǎn)的豎直角不宜過(guò)大，為此需要拉長(zhǎng)I點(diǎn)到B點(diǎn)的距離，要求I點(diǎn)到A點(diǎn)的距離相應(yīng)地拉長(zhǎng)，而高速鐵路沿線路兩側(cè)適宜這樣的環(huán)境太少，線路兩側(cè)無(wú)論是征地距離或植被均嚴(yán)重影響了線下水準(zhǔn)基點(diǎn)高程的聯(lián)測(cè)上橋；

2)儀器在I點(diǎn)測(cè)量A點(diǎn)和B點(diǎn)時(shí)的垂直折光角γa，γb近似相等，且近似效果與測(cè)量方向有關(guān)，測(cè)量方向不一樣，光線影響就不一樣，近似相等的程度就不一樣；

3)《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中要求前后視必須是同一個(gè)棱鏡且觀測(cè)時(shí)棱鏡高度不變，而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)(特別是運(yùn)營(yíng)后的鐵路現(xiàn)場(chǎng))而言，沒(méi)有上橋便道，同一個(gè)棱鏡在橋上橋下反復(fù)拆卸、安裝不便，增加測(cè)量難度，而且無(wú)法使用智能型全站儀進(jìn)行全自動(dòng)測(cè)量，大大降低測(cè)量效率，同時(shí)時(shí)間的跨度過(guò)大導(dǎo)致垂直折光角一直在變化，這也增加了測(cè)量誤差。

針對(duì)以上三個(gè)問(wèn)題，本文提出了一種改進(jìn)的端頭設(shè)站三角高程上橋測(cè)量方法。

2.3改進(jìn)的端頭設(shè)站光電測(cè)距三角高程上橋測(cè)量方法

如圖3所示為改進(jìn)的三角高程上橋測(cè)量方法，其改進(jìn)的地方有以下幾方面：

圖3　改進(jìn)的三角高程上橋測(cè)量原理

1)把中間設(shè)站變?yōu)槎祟^設(shè)站，即把B點(diǎn)水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)到橋下某個(gè)固定位置處，這樣I點(diǎn)到A點(diǎn)和B點(diǎn)的平距是相等的，按式(5)仍然可以計(jì)算出AB間的高差，此次改動(dòng)可降低上橋測(cè)量過(guò)程中對(duì)場(chǎng)地的要求；

2)在A，B兩處均使用精密加工可整平的定長(zhǎng)棱鏡組件(如圖4所示，5號(hào)點(diǎn)為A點(diǎn)或者B點(diǎn)，1

號(hào)點(diǎn)所示盤(pán)面具有整平氣泡)，則A，B兩處的棱鏡高度相等νA=νB=L1+L2，這樣既解決了棱鏡組反復(fù)上下橋的問(wèn)題，也可以使用全自動(dòng)外業(yè)采集軟件進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，大大提高測(cè)量效率，節(jié)約測(cè)量時(shí)間，保證測(cè)量A點(diǎn)和B點(diǎn)時(shí)垂直折光角γa≈γb的精度。

圖4　改進(jìn)的可整平定長(zhǎng)棱鏡組件

3試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)的端頭設(shè)站光電測(cè)距三角高程上橋測(cè)量方法的可行性及其精度，特在某客運(yùn)專線上橋測(cè)量中進(jìn)行試驗(yàn)。選擇兩個(gè)上橋位置，且均為距離路基段較近的地方，這樣便于進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)中采取三種測(cè)量方法，傳統(tǒng)的中間設(shè)站光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法，改進(jìn)的端頭設(shè)站光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法和二等水準(zhǔn)測(cè)量，三角高程測(cè)量外業(yè)技術(shù)指標(biāo)按照規(guī)范進(jìn)行，其外業(yè)觀測(cè)技術(shù)要求如表1所示。

經(jīng)過(guò)三種方法的高差測(cè)量后，其測(cè)量結(jié)果以及耗時(shí)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表1　中間設(shè)站三角高程測(cè)量外業(yè)觀測(cè)技術(shù)要求[6]

表2　三種方法測(cè)量高差與耗時(shí)統(tǒng)計(jì)表

從表2可以看出，采用三種方法均可以進(jìn)行高程上橋測(cè)量，即均可得到橋下高程點(diǎn)與橋上高程點(diǎn)之間的高差，上橋位置1三種方法的最大差異為0.71 mm，上橋位置2三種方法的最大差異為0.76 mm，說(shuō)明改進(jìn)的端頭設(shè)站光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法是可行的。

從表2的上橋位置耗時(shí)來(lái)看，改進(jìn)的端頭設(shè)站光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法的上橋效率明顯高于其他方法，因?yàn)樵摲椒ú捎昧艘粚?duì)可整平的定長(zhǎng)棱鏡組件，這樣就可以利用智能型全站儀進(jìn)行全自動(dòng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集，因此耗時(shí)最短；而二等水準(zhǔn)測(cè)量需要繞行，同時(shí)需要進(jìn)行往返測(cè)量，所以耗時(shí)最長(zhǎng)；傳統(tǒng)的中間設(shè)站光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法需要將棱鏡組件在橋上橋下之間反復(fù)拆卸、安裝，耗時(shí)較長(zhǎng)，雖然總耗時(shí)比二等水準(zhǔn)短，但是長(zhǎng)于改進(jìn)的端頭設(shè)站光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法。

從整體試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，將改進(jìn)的端頭設(shè)站光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法應(yīng)用于高速鐵路高程上橋測(cè)量是可行的，由于該方法采用了可整平的定長(zhǎng)棱鏡組件，因此可以進(jìn)行全自動(dòng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集，為外業(yè)測(cè)量限差的實(shí)時(shí)控制提供可能，同時(shí)很大程度上提高外業(yè)作業(yè)效率。

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中間設(shè)站光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法所存在的一些不足之處，本文介紹傳統(tǒng)的方法，在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并從理論和試驗(yàn)兩方面驗(yàn)證改進(jìn)的端頭設(shè)站光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法是可行的，其特點(diǎn)主要有幾方面：

1)采用端頭設(shè)站光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法可以一定程度上解決線路沿線的場(chǎng)地局限所引起的施測(cè)困難問(wèn)題；

2)采用端頭設(shè)站光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法可以進(jìn)一步減少γa，γb近似相等所導(dǎo)致的精度損失，減小二者近似相等所帶來(lái)的誤差；

3)在該方法的施測(cè)過(guò)程中引入了一對(duì)可整平的定長(zhǎng)棱鏡組件，解決采用同一棱鏡組件需要反復(fù)上下橋的問(wèn)題，而且便于引入全自動(dòng)采集軟件，為外業(yè)測(cè)量限差的實(shí)時(shí)控制提供條件，同時(shí)降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工程實(shí)踐的作業(yè)效率。

綜上所述，采用改進(jìn)的端頭設(shè)站光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法不管是在理論上還是在工程實(shí)踐中均是可行的，并且能夠顯著提高作業(yè)效率，可以為改進(jìn)中間設(shè)站的光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法以及完善《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]何宣.京津城際鐵路開(kāi)題[J].廣東交通,2008(8)：53.

[2]李書(shū)亮.高速鐵路軌道基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)量及其數(shù)據(jù)處理方法的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[3]魏宗燕.從京津城際鐵路看未來(lái)——解讀《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2008調(diào)整)》[J].鐵道知識(shí),2009(4)：14-17.

[4]朱穎.客運(yùn)專線無(wú)砟軌道鐵路工程測(cè)量技術(shù)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2009.

[5]劉成龍,楊友濤,徐小左.高速鐵路CPⅢ交會(huì)網(wǎng)必要測(cè)量精度的仿真計(jì)算[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008(6):718-723.

[6]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10601-2009高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

[7]劉成龍,楊雪峰,張閱川,等.基于測(cè)量機(jī)器人的二等高程控制測(cè)量新方法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2013,48(1):69-74.

[8]孔祥元.控制測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2002.

[9]張正祿,鄧勇,羅長(zhǎng)林,等.精密三角高程代替一等水準(zhǔn)測(cè)量的研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2006,01.

[10] 辛立國(guó),安曉梅.應(yīng)用全站儀進(jìn)行淹沒(méi)面積三角高程測(cè)量[J].測(cè)繪工程,2006,15(3):46-47.

[11] 張艷,高飛,李曉莉.應(yīng)用精密三角高程測(cè)量實(shí)現(xiàn)跨河水準(zhǔn)的研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007(10)：1345-1348.

[12] 馬山松.GNSS與三角高程在公路跨河中的應(yīng)用分析.[J].測(cè)繪與空間地理信息，2014，37(8)：179-180.

[13] 楊曉明,楊帆,宋瑋,等.中間法電磁波測(cè)距三角高程代替精密水準(zhǔn)測(cè)量的研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2012(2)：36-36．

[14] 羅濤,董嵐,王銅,等.三角高程測(cè)量及對(duì)向觀測(cè)法的回歸分析[J].測(cè)繪工程，2012，22(6):13-15，21.

[15] 付建斌,劉成龍,盧建康,等.基于自由測(cè)站的高速鐵路CPⅢ高程控制網(wǎng)建網(wǎng)方法研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2010(11)：32-38.

[16] 鄭德華.精密測(cè)距三角高程精度分析及高程混合網(wǎng)定權(quán)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004(4)：507-512．

[17] 鄧興升,賈莎莎,王文慧.帶參數(shù)GPS水準(zhǔn)擬合實(shí)現(xiàn)跨河高程傳遞[J].測(cè)繪工程，2011，20(4):1-4，8.

[18] 章書(shū)壽,饒國(guó)和,黃騰.精密三角高程測(cè)量精度的研究[J].測(cè)繪通報(bào),1991(4)：35-36.

[責(zé)任編輯：李銘娜]

An improved rigonometric leveling method to bridges by setting spot at the ends

YANG Xuefeng,LIU Chenglong，WANG Lipeng

(School of Geosciences and Environmental Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Abstract：In consideration of the longer distance from ground to the bridge of high-speed railway,the standard of CPIII elevation network should be connected with leveling standard points.First,the traditional method in specifications is introduced for survey engineering of high speed railway,which named a method of trigonometric leveling setting spot in the middle.Then,the shortcomings of the method in engineering practice are pointed out and put forward an improved rigonometric leveling method to the bridge by setting spot at the ends.Finally,it is proved the new method is practicable of both theory and experiment,and it can enhance the work efficiency obviously.The new method can be beneficial to the modification of traditional method and specifications for survey engineering of high speed railway.

Key words：high-speed railway;track control network;trigonometric leveling;setting spot;accuracy

中圖分類號(hào)：P224

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7949(2016)03-0017-04

作者簡(jiǎn)介：楊雪峰(1983-)，男，講師，碩士.

基金項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(SWJTU12BR014/SWJTU12ZT07)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178404)；“2011計(jì)劃”軌道交通安全協(xié)同創(chuàng)新中心經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目

收稿日期：2014-12-17