高速鐵路軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)高程網(wǎng)建立方法探討

張 彪 石德斌

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

1 CPⅢ高程網(wǎng)的分類

根據(jù)高速鐵路構筑物類型的劃分,CPⅢ高程網(wǎng)主要分為三類：路基CPⅢ高程網(wǎng)、隧道CPⅢ高程網(wǎng)及橋梁CPⅢ高程網(wǎng)。其中路基和隧道CPⅢ高程網(wǎng)的建立方法大致相同,都是將已知水準點和加密水準點按照二等水準直接聯(lián)測,平差后獲取路基和隧道段落加密水準點高程,再根據(jù)環(huán)形觀測法將CPⅢ點貫通測量并聯(lián)測加密水準點,最終得到CPⅢ點高程。與路基和隧道CPⅢ高程網(wǎng)建立方法不同,橋梁地段CPⅢ高程網(wǎng)建立涉及到高程上橋環(huán)節(jié)——三角高程測量,下面對橋梁段CPⅢ高程網(wǎng)建立方法及其特點重點敘述。

2 橋梁段CPⅢ高程網(wǎng)建立方法

橋梁段CPⅢ高程網(wǎng)的建立主要由兩部分組成,第一部分為加密水準測量(高程上橋),第二部分為CPⅢ貫通測量(環(huán)形測量)。目前,在各大高鐵項目CPⅢ高程網(wǎng)建立中,第二部分CPⅢ貫通測量基本上保持一致，均采用環(huán)形測量法,區(qū)別之處在于CPⅢ建網(wǎng)中第一部分加密水準測量。該部分存在兩種方法：橋上二等水準貫通和橋下二等水準貫通,這里根據(jù)加密水準測量方法的不同，將CPⅢ高程網(wǎng)建立分為兩種進行對比分析。

2.1 橋上二等水準貫通法

(1)加密水準點的布設

加密水準點穩(wěn)定性直接影響后續(xù)使用,其點間距一般不大于2 km,布設位置可與加密CPⅡ共樁,也可單獨埋設于橋梁固定端防撞墻上。

(2)加密水準測量

加密水準測量分三部分：橋下臨時點與已知水準點二等水準聯(lián)測；橋下臨時點與橋上加密水準點三角高程測量；橋上加密水準點二等水準聯(lián)測,按二等水準技術要求整網(wǎng)平差得出加密水準點高程值(如圖1所示)。

圖1 橋上二等水準貫通法加密水準示意

(3)CPⅢ貫通測量

CPⅢ貫通測量包含CPⅢ環(huán)形測量和聯(lián)測加密水準點兩部分。每個測量小組按1臺電子水準儀和2把因瓦標尺進行配置,每個環(huán)的4條邊觀測結束前均變換一次儀器高。與加密水準點聯(lián)測時,采用二等水準往返觀測法,每個測段首尾各兩對CPⅢ點均聯(lián)測加密水準點,中間加密水準點就近聯(lián)測一對CPⅢ點(如圖2所示)。

圖2 橋上二等水準貫通法CPⅢ貫通測量示意

2.2 橋下二等水準貫通法

(1)加密水準測量

加密水準測量同樣分為三部分。第一部分：橋下臨時點與已知水準點二等水準聯(lián)測；第二部分：橋下臨時點二等水準貫通測量；第三部分：橋下臨時點與橋上加密水準點三角高程測量,該方法將橋下水準兩部分數(shù)據(jù)整合按二等水準技術要求,整網(wǎng)平差得出橋下臨時點高程,再由橋下臨時點與橋上加密水準點三角高程測量高差直接推算出橋上加密水準點高程值(如圖3所示)。

圖3 橋下二等水準貫通法加密水準示意

(2)CPⅢ貫通測量

橋下二等水準貫通法CPⅢ貫通測量,同樣采用環(huán)形觀測法,其環(huán)形觀測順序和橋上加密水準點聯(lián)測關系,均與橋上二等水準貫通法一致。二者區(qū)別在于投入人員、設備數(shù)量上,橋下二等水準貫通法CPⅢ貫通測量,每個測量小組按1臺電子水準儀和4把同類型因瓦標尺進行配置(標尺零點差檢測合格)。每個環(huán)觀測時4把標尺分別立在4個CPⅢ點上,2把標尺為一組。待該環(huán)觀測完畢后,兩組標尺與儀器同步前進,以減少扶尺人員行走距離,提高測量效率。

3 數(shù)據(jù)驗證

下面通過國內(nèi)某高鐵項目的一段5 km長CPⅢ高程建網(wǎng)數(shù)據(jù)對上述兩種方法進行比對分析,橋下臨時點與橋上水準點三角高程測量兩種方法采用同一組數(shù)據(jù)。

3.1 橋上二等水準貫通法

此方法采用1臺電子水準儀和2把因瓦尺的標準配置開展水準外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作。經(jīng)統(tǒng)計，整個橋下水準和橋上水準(含CPⅢ貫通測量)工作耗時共計25 h,加密水準各部分數(shù)據(jù)如表1、表2、表3所示。

表1 橋下臨時點與已知水準點二等水準聯(lián)測高差統(tǒng)計

表2 橋下臨時點與橋上加密水準點三角高程測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表3 橋上加密水準點二等水準聯(lián)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

將上述加密水準數(shù)據(jù)整合后整網(wǎng)平差,各項精度指標滿足限差要求,加密點成果如表4所示。

表4 加密水準點成果

3.2 橋下二等水準貫通法

此方法采用1臺電子水準儀和4把因瓦尺的配置，開展水準外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作。經(jīng)統(tǒng)計，整個橋下水準和橋上水準(含CPⅢ貫通測量)工作耗時共計13 h,加密水準各部分數(shù)據(jù)如表5、表6、表7所示。

表5 橋下臨時點與已知水準點二等水準聯(lián)測高差統(tǒng)計

表6 橋下臨時點二等水準聯(lián)測高差統(tǒng)計

表7 橋下臨時點與橋上加密水準點三角高程測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計

將上述橋下臨時點與已知水準點二等水準聯(lián)測數(shù)據(jù)和橋下臨時點聯(lián)測數(shù)據(jù)，按二等水準技術要求整網(wǎng)平差,各項精度指標均滿足限差要求,得出橋下臨時點高程。根據(jù)表7中橋下臨時點與橋上加密水準點三角高程測量數(shù)據(jù)對應相加,直接得出橋上加密水準點高程值(如表8所示)。

表8 加密水準點成果

利用上述兩種方法得出的各自加密水準點成果和采集的CPⅢ貫通數(shù)據(jù),平差計算得出CPⅢ高程成果對比結果(如表9所示)。

表9 兩種建網(wǎng)方法CPⅢ高程成果對比統(tǒng)計

4 比較分析

4.1 測量精度

通過上面兩種方法，分別對某高鐵項目一段CPⅢ數(shù)據(jù)計算的結果進行對比,在測量精度方面,橋上二等水準貫通法和橋下二等水準貫通法測量精度基本一致,高程較差統(tǒng)計值最大為1.54 mm<3 mm,滿足限差和后續(xù)施工精度要求。

4.2 質(zhì)量控制

(1)橋上二等水準貫通法

橋上二等水準貫通法建立CPⅢ高程網(wǎng)實際上是先將橋下已知水準點和橋上加密水準點通過加密水準的三部分數(shù)據(jù)整網(wǎng)平差構建一個二等水準網(wǎng),通過二等水準網(wǎng)中的橋上加密水準點平差CPⅢ高程網(wǎng),其本質(zhì)是利用高等級的橋上加密二等水準點控制較低等級的CPⅢ精密水準網(wǎng)。工程實踐證明,前期構建的加密二等水準網(wǎng)建網(wǎng)合格后,CPⅢ精密水準平差基本能滿足精度要求。但是,橋上二等水準貫通法建立CPⅢ高程網(wǎng)存在以下兩個問題。

其一,是前期的加密二等水準網(wǎng)建網(wǎng)不滿足精度要求怎么辦？通過工程實踐,出現(xiàn)這種問題的概率達到30%～40%(在發(fā)生地面沉降區(qū)域尤其是差異地面沉降區(qū)域此概率值會更高),造成這種問題的原因有多方面,最主要的兩方面是橋下臨時點與橋上加密點三角高程測量存在誤差和橋下已知水準發(fā)生沉降,這就需要對以上兩個方面進行外業(yè)檢查,勢必會造成外業(yè)工作量的增加,降低建網(wǎng)效率。

其二,是加密水準三角高程測量部分中人為因素和外界環(huán)境因素對其測量精度會有較大影響,實踐證明,同一處三角高程測量不同時間進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集其結果會有±3 mm的誤差,這就很可能造成因橋下水準點發(fā)生沉降而產(chǎn)生的加密二等水準網(wǎng)不閉情況由三角高程測量誤差抵消,造成假閉合現(xiàn)象,對工程質(zhì)量造成安全隱患。

(2)橋下二等水準貫通法

橋下二等水準貫通法建立CPⅢ高程網(wǎng)同樣也是前期先構建一個加密二等水準網(wǎng),但是該加密二等水準網(wǎng)與橋上二等水準貫通法有實質(zhì)不同。橋下二等水準貫通法加密二等水準網(wǎng)有兩方面作用,其一,是通過橋下水準貫通檢查橋下已知水準點的穩(wěn)定性,直接判斷出發(fā)生沉降的水準點,進行剔除或重新平差出其新高程,用于數(shù)據(jù)起算。其二,是求出橋下臨時點二等水準高程,由三角高程測量推算出橋上加密點高程,進而用于CPⅢ高程平差。通過工程實踐,利用橋下二等水準貫通法建立CPⅢ高程網(wǎng)的合格率達到95%以上,出現(xiàn)CPⅢ平差不閉合情況95%以上屬于三角高程測量問題,只需對其進行外業(yè)檢查即可。

4.3 測量效率

從上面的一段實測數(shù)據(jù)來看,橋上二等水準貫通法建立CPⅢ高程網(wǎng)采用1臺儀器和2把因瓦標尺的標準配置完成一段5 km長CPⅢ高程建網(wǎng)需要耗時25 h。而采用1臺儀器和4把因瓦標尺配置的橋下二等水準貫通法建立該段CPⅢ高程網(wǎng)僅需13 h,配置上僅增加了2把尺,效率卻提高了近2倍,該比較是在兩方法進行CPⅢ高程網(wǎng)建網(wǎng)一次性均合格的前提下統(tǒng)計出數(shù)據(jù),在出現(xiàn)精度超限時,橋下二等水準貫通法的高效率則更為突出。

5 結束語

通過上述分析,橋下二等水準貫通法和橋上二等水準貫通法建立CPⅢ高程網(wǎng),在測量精度方面二者基本一致。但是在質(zhì)量控制和測量效率上,橋下二等水準貫通法更具有優(yōu)勢,尤其是在發(fā)生地面沉降區(qū)域段落,該方法更能高效、快捷地建立CPⅢ高程網(wǎng),為后續(xù)無砟軌道施工提供高精度的控制基準。

根據(jù)多條高鐵項目的實踐經(jīng)驗,針對CPⅢ高程網(wǎng)的建立，總結出以下幾點經(jīng)驗,供大家參考：

(1)加強儀器設備與標志件的檢查,尤其是標尺零點差的檢驗。

(2)橋下臨時上橋點可埋設與加密水準點同規(guī)格的預埋件,且安置于橋墩承臺基礎上。

(3)每一測段不同處三角高程測量,應盡量控制在觀測環(huán)境條件變化小的較短時間內(nèi)完成。

(4)對于區(qū)域沉降地段,僅可能一次性、長距離、短時間內(nèi)完成CPⅢ高程網(wǎng)的建立。

[1]鐵道部.中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃[Z].北京：鐵道部,2008

[2]中鐵二院工程集團有限責任公司.高速鐵路工程測量規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2009

[3]京廣鐵路客運專線河南有限責任公司.石武客運專線(河南段)CPⅢ軌道控制網(wǎng)測量技術方案[Z].鄭州：河南公司,2010

[4]京石鐵路客運專線有限責任公司.京石、石武(河北段)客運專線CPⅢ控制網(wǎng)測量作業(yè)指導書[Z].石家莊：京石公司,2010