CPⅢ控制網測量技術在城市軌道交通中的應用研究

孟 峰，馬全明，陳大勇，李 響，高 超

（1.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101；2.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100037）

一、引 言

CPⅢ控制網是高速鐵路建設過程中所布設的第三級測量控制網，一般在線下工程施工完成后施測，主要為無砟軌道鋪設和運營維護提供控制基準［1］。采用自由設站、邊角交會網的測量方法，改變了傳統(tǒng)控制網測量需要提供起始邊的作業(yè)模式［2］。CPⅢ控制網測量通過相鄰測站重疊觀測多個CPⅢ點，以獲得測站和CPⅢ點間的強相關性，并在每個測站點進行多目標多測回測量，以減小觀測誤差，從而實現(xiàn)CPⅢ控制點間較高的相對精度［3］。同時，由于采用了具有自動照準、自動記錄、自動計算的全站儀進行觀測，CPⅢ測量自動化程度較高，操作也相對簡便。CPⅢ測量技術已經在我國高鐵領域得到了廣泛應用。

當前，我國城市軌道交通處在一個快速發(fā)展的時期。為了提高城市軌道交通鋪軌精度，保證軌道平順性和列車運行的穩(wěn)定性，開展CPⅢ控制網測量技術在城市軌道交通測量領域的應用和研究，將高速鐵路軌道精密測量技術服務于城市軌道交通工程建設，具有積極的意義。

本文介紹了在北京地鐵6號線一期工程白石橋南站至車公莊西站區(qū)間軌道鋪設測量中，利用CPⅢ控制網基本方法進行城市軌道交通軌道鋪設測量試驗的情況，探討了城市軌道交通隧道內CPⅢ控制點位置確定、控制網布設、外業(yè)數據采集及數據處理程序和方法，并通過對4種試驗應用方法的分析和對比，提出了一種適用于城市軌道交通的CPⅢ控制網測量方法，供測量工作者參考。

二、工程概況

本次測量試驗段為北京地鐵6號線一期工程白石橋南站至車公莊西站區(qū)間右線。該區(qū)間里程為K4+470～K5+070，線路長約600 m，包含2段曲線。第1段曲線半徑為2000 m、長約109.4 m；第2段曲線半徑為2500 m、長約108 m，上述兩曲線分別位于線路兩端。在該區(qū)間中間還設置有一組人防隔斷門，里程為K4+605。

該試驗區(qū)間采用暗挖法施工，為馬蹄形斷面結構形式，區(qū)間已經貫通，二襯施工和人防隔斷門安裝均已完畢，其中軌道已經鋪設至人防隔斷門前20 m處。隧道內已完成了設備安裝一米線的測設，但隧道內的設備安裝還未進行。

隧道貫通后，對該區(qū)間進行了貫通測量，貫通測量所使用的起始點為由聯(lián)系測量測設的隧道內控制點。本次CPⅢ控制網測量所使用起算點為貫通測量平差后控制點，經檢核，起始點之間的幾何關系良好，點位穩(wěn)固可靠。

三、CPⅢ控制網布設

1.CPⅢ控制點位置的確定

地鐵隧道相比高鐵，隧道的半徑較小，所留限界較小，而兩側隧道墻壁上各種管線、電纜、信號燈及相應的支架等設備較多?？紤]點位的設置與保護、不與后續(xù)設備安裝相沖突、易于觀測、視線不被其他設備阻擋，本次CPⅢ點位選擇在設備安裝線一米線以上60 cm處，點位距離軌面1.6 m，距離隧道底部2.25 m（如圖1所示）。

圖1 CPⅢ點位埋設位置示意圖

2.CPⅢ控制點間距的確定

由于隧道內光線較暗，灰塵較大，各種設備較多，相應的測量通視條件也較差，為了保證觀測精度，將CPⅢ控制點間距縮小，直線段為50 m，曲線段為40 m。

為了減少人防隔斷門對測量通視影響，在隔斷門兩側25 m處對稱布設一對CPⅢ控制點。同時，為了驗證已知點之間的相對關系，將隧道內布設的線路中線點與自由設站點重合，即在線路中線點兩側對稱布設CPⅢ控制點。全網共布設13對CPⅢ控制點。

3.CPⅢ控制點標志及埋設

CPⅢ控制點采用不銹鋼強制對中標志，埋設于隧道兩側的墻壁上，由預埋件和連接桿兩部分組成（如圖2所示）。其中，基座部分為長60 mm、內徑14 mm、外徑20 mm的套筒，加工誤差小于0.05 mm；連接桿下部分與套筒相配合，上部分與Leica棱鏡相配合，間隙均小于0.2 mm。

圖2 CPⅢ控制點預埋件和連接桿示意圖

四、CPⅢ控制網外業(yè)觀測的技術方法

由于CPⅢ控制點一般布設于線路中線點兩側，當自由設站點位于中線點附近時，將兩者重合，同時將相鄰已知點當做前后視點進行觀測，以便檢驗CPⅢ控制網測量精度。本次CPⅢ控制網測量，自由設站共重合4個已知平面點。

1.平面測量的技術方法

1）采用自由測站邊角交會法測量。每個自由測站設站觀測時，以前后各2對CPⅢ點為觀測目標，每個CPⅢ點至少從3個測站上分別聯(lián)測，區(qū)間共設站14次。圖3為隧道內某測站CPⅢ控制網現(xiàn)場觀測示意圖。

圖3 隧道內CPⅢ控制網觀測示意圖

2）每天觀測前均對儀器進行常規(guī)的電子檢校，包括儀器內存、電源、溫度計、氣壓計等是否滿足要求。

3）觀測前先將儀器在外擱置5 min左右，使之與周圍環(huán)境溫度一致，并隨時注意溫度、氣壓等氣象條件的變化，保證儀器氣象參數及時更新。同時，還需現(xiàn)場對各觀測點號進行核實，保證現(xiàn)場點號與儀器記錄點號一致，以便發(fā)現(xiàn)錯誤及時修改，并認真做好觀測日志。

4）觀測前將CPⅢ控制點標志的基座頂帽取下，插入連接桿，連接桿上端插棱鏡。保證連接桿和基座連接正確，中間無縫隙，棱鏡和連接桿連接正確。

5）觀測時，CPⅢ網觀測技術精度指標按照全站儀機載程序進行觀測控制，每一測站觀測完成后，均進行精度檢核，對于超限情況當場進行重測。

6）當天外業(yè)結束后，及時將數據整理備份，并按照要求的CPⅢ數據格式連同觀測日志一并傳輸到計算機。

2.高程測量的技術方法

由于CPⅢ控制點位于兩側隧道壁上，距離軌道面有1.6 m，距離隧道底部2.25 m，采用傳統(tǒng)的水準測量方法，儀器必須架設足夠的高度。由于點位上方有電纜、各種管線等設備，水準尺立放比較困難。同時由于隧道的通視條件較差，無論采用光學水準儀或電子水準儀，讀數、記錄均受到一定的影響，效率不高。本次CPⅢ控制點高程測量采用自由設站三角高程測量與CPⅢ平面控制測量一起進行。

大量的研究和成功經驗證明，只要滿足一定的前提條件，三角高程測量可以達到一、二等高程測量的精度［4］。本次平面網測量時，通過全站儀讀取視線高，同步測量所有CPⅢ點的高程，免去了量取儀器高和棱鏡高過程，減少了工作流程中的各種誤差，提高了測量精度和測量效率。在進行高程測量時，對隧道內的已有高程點（共7個，間距在100 m左右）進行了聯(lián)測，便于進行數據的平差處理和檢核。

五、CPⅢ網數據處理

1.測站平差

將儀器記錄的外業(yè)觀測文件導入到計算機中，由CPⅢ測站平差軟件進行測站數據的檢核（如圖4所示）。通過測站平差軟件對外業(yè)測量數據的測回數、歸零限差、2C互差、方向互差等參數進行檢核。經檢核，此次試驗測量的全部測站數據均能夠滿足限差要求。

圖4 軟件測站平差界面

2.平面測量平差

此次測量試驗，平面測量數據處理采用了4種方法進行比對計算。

（1）固定兩端2個已知點的CPⅢ控制網平差

去除YX1、YX、YH1、YHZ 4個已知點設站時的前后重合已知點的觀測量（即中間各站前后的觀測量方向為8個），固定兩端的YX2點和Y1 2個已知點，進行自由網平差和約束網平差，平差計算的網形如圖5所示。

（2）固定3個已知點的CPⅢ控制網平差

除固定兩端的YX2、Y1外，將中間點YX點也固定，進行自由網平差和約束網平差，平差計算的網形如圖6所示。

（3）附有主導線的CPⅢ控制網平差

將已知點設站的前后視觀測量（即主導線）一起納入CPⅢ控制網進行平差，固定兩端的YX2、Y1和中間點YX，進行自由網平差和約束網平差，平差計算的網形如圖7所示。

（4）地鐵CPⅢ控制網平差

去除中間自由設站點（650、750、840、925測站）觀測數據，固定兩端的YX2、Y1和中間點YX，進行自由網平差和約束網平差，平差計算的網形如圖8所示。

圖5 固定兩端2個點的CPⅢ控制網平差

圖6 固定3個點的CPⅢ控制網平差

圖7 附有主導線的CPⅢ控制網平差

圖8 地鐵CPⅢ控制網平差

通過平差計算，4種平差方法觀測值的方向、距離改正數比較結果見表1。

由表1比較結果可知，自由網平差和約束網平差的最大方向改正數和最大距離改正數均能滿足滿足城市軌道交通測量規(guī)范要求。由平差文件得知，距離改正數較大的邊都是與已知點相關的邊，由于隧道內平面控制點的點位相對誤差較大，造成CPⅢ控制網的最大距離改正數較大。4種方法平差后，最大點位中誤差為1.04 mm，最大相對點位中誤差為1.29 mm，均滿足規(guī)范要求（見表2）。

表2 4種平差方法點位誤差比較表 mm

相比固定兩個已知點的CPⅢ控制網平差方法（第1種方法），固定3個已知點（第2、3、4種方法）進行平差，最大方向改正數均有效減少?？紤]隧道內控制點精度比高鐵CPⅡ或CPⅠ控制點要低，聯(lián)測已知點應多于兩個。一方面可以相互檢核隧道內控制點之間的相對關系，判定已知點的穩(wěn)定性；另一方面還可以通過反算已知點，檢測CPⅢ控制網的精度。

基于以上分析，第4種測量方法（地鐵CPⅢ控制網測量方法）較之傳統(tǒng)高速鐵路CPⅢ控制網測量，觀測量少且重合隧道內中線點，具有一定的優(yōu)勢。

3.高程測量平差

首先檢核相鄰測站測得同名點的高差數據是否符合規(guī)范要求，然后將CPⅢ控制點與已知水準點高差數據導入到清華山維平差軟件，進行距離加權平差處理。通過計算得知，所有CPⅢ控制點相鄰測站測得同名點的高差數據均小于2 mm，水準點之間的最大閉合差為3 mm。平差后最大高程中誤差為0.6 mm，最大高差中誤差為0.6 mm，均滿足城市軌道交通工程測量規(guī)范要求。

六、結論及建議

1）經鋪軌單位利用軌檢小車驗證，本次城市軌道交通CPⅢ控制網精度與可靠性較高，無論平面精度還是高程精度，均能滿足鋪軌的要求。

2）本次測量試驗驗證了CPⅢ控制網在地鐵隧道進行軌道鋪設應用技術路線的可行性。本次CPⅢ控制網只是驗證了在直線段和大半徑的曲線段、測量觀測條件和隧道內環(huán)境條件相對較好的情況下測設CPⅢ控制網技術路線的可行性；而在小半徑的曲線段、道岔區(qū)、站臺及搭接部位等條件下，還需要進一步試驗和驗證。

3）由于隧道內設備較多，CPⅢ控制點位置選取要充分考慮設備的安裝。同時，由于隧道內通視環(huán)境較差，應盡量縮短CPⅢ控制點間距，以30～60 m（曲線稍短）為宜，布網時充分考慮區(qū)間設備（人防門等）對通視的影響。

4）為了提高地鐵CPⅢ控制網觀測效率，建議平面和高程同時進行觀測，自由設站點盡量與隧道內的已知點相重合。

5）由于隧道內觀測條件較差，需要嚴格遵守觀測技術要求，及時檢核數據觀測質量。由于隧道內控制點與高鐵CPⅡ或CPⅠ控制點相比精度低一些，所以內業(yè)數據處理要充分考慮已知點的相關性和穩(wěn)定性。

［1］ TB10601—2009高速鐵路工程測量規(guī)范［S］.北京:［s.n.］，2009.

［2］ 謝輝，汪君.高速鐵路無砟軌道控制網（CPⅢ）平面測量技術［J］.科技信息，2011（3）:50-50.

［3］ 張緒豐.CPⅢ平面網外業(yè)測量若干技術問題的探討及其軟件的研制［D］.成都:西南交通大學，2008.

［4］ 付建斌，劉成龍，盧建康，等.基于自由測站的高速鐵路CPⅢ高程控制網建網方法研究［J］.鐵道工程學報，2010（11）:32-37.