蘭新客運專線風區(qū)CPⅢ網半盤位測量方法可行性研究

宋志雄

(烏魯木齊鐵路局，新疆烏魯木齊830011)

蘭新客運專線風區(qū)CPⅢ網半盤位測量方法可行性研究

宋志雄

(烏魯木齊鐵路局，新疆烏魯木齊830011)

蘭新客運專線百里風區(qū)、三十里風區(qū)由于常年風沙大，氣候條件惡劣，致使CPⅢ網外業(yè)測量困難，給蘭新客運專線無砟軌道控制網的維護和復測帶來了極大不便。受國外軌道基準網外業(yè)測量方法的啟發(fā)，本文對CPⅢ網半盤位測量方法的可行性進行了研究。通過理論分析和試驗結果分析發(fā)現，采用CPⅢ網半盤位測量方法能夠滿足蘭新客運專線風區(qū)CPⅢ網測量的技術要求，為蘭新客運專線風區(qū)CPⅢ網測量提供了新方法和技術依據，可供我國其他風區(qū)CPⅢ網測量參考。

客運專線;風區(qū);CPⅢ網;半盤位測量;精度指標;可行性分析

1 概述

我國無砟軌道控制網(CPⅢ)一般是在微風和天氣良好的條件下進行測量的。蘭新客運專線是我國首條處在大漠風區(qū)的高速鐵路，新疆境內的百里風區(qū)、三十里風區(qū)，全年有風天氣多達半年以上，致使蘭新客運專線運營期間CPⅢ網外業(yè)測量困難，而其所占里程是烏魯木齊鐵路局管轄客運專線的近1/3，給蘭新客運專線運營期間軌道維護帶來了極大不便。

如何在風區(qū)天氣條件下開展無砟軌道控制網的維護和復測工作，是需要研究的技術難題。我國CPⅢ網外業(yè)數據基本上都是在夜間采集的。其原因主要是白天氣象條件不夠穩(wěn)定，測站或者棱鏡附近有陽光或旁折光。這些因素極易導致CPⅢ網外業(yè)觀測值中2C互差等限差指標超限，須重測或補測，因此顯著降低了測量效率［1］。蘭新客運專線常年風大的情況同樣也會導致CPⅢ網外業(yè)觀測數據經常超限，或者根本無法及時獲得合格的觀測數據。

在德國的軌道基準網測量方法中，只要求用全站儀進行盤左觀測即可達到軌道基準網平面精度0.2 mm和高程精度0.1 mm的要求［2］。而我國高速鐵路軌道控制網的測量，往往通過全站儀盤左和盤右觀測值取均值的方法來消除或減弱全站儀系統(tǒng)誤差帶來的影響，類似于德國采用的軌道基準網半盤位的測量方法從未被使用過。

若我國的高速鐵路軌道控制網在滿足精度要求的前提下，同樣采用半盤位觀測方法，則可以避開2C互差等限差指標的限制，從而針對蘭新地區(qū)常年風沙大、氣候條件惡劣的情況實現全天候的觀測并極大地提高工作效率。本文針對CPⅢ平面網和CPⅢ自由測站三角高程網半盤位測量方法的可行性進行理論研究，并通過分析蘭新客運專線既有線一段600 m長的CPⅢ網半盤位測量試驗數據的精度指標，對CPⅢ網半盤位測量方法在蘭新客運專線風區(qū)應用的可行性進行研究，供我國其他地區(qū)高速鐵路軌道控制網測量參考。

2 CPⅢ網半盤位外業(yè)觀測技術要求

CPⅢ網外業(yè)觀測時，需首先對全站儀外業(yè)觀測數據的質量進行控制。只有符合《高速鐵路工程測量規(guī)范》(TB 10601—2009)要求的外業(yè)觀測數據才能用來進行精度評定。CPⅢ網采用全站儀全圓方向觀測法進行觀測，具有網形規(guī)則對稱、多余觀測數多、可靠性強等特點［3］。根據TB 10601，CPⅢ平面網和三角高程網全圓方向外業(yè)觀測技術要求見表1。

表1 CPⅢ平面網和三角高程網全圓方向外業(yè)觀測技術要求

如果采用CPⅢ網半盤位觀測方法，只利用全站儀的盤左觀測方式進行觀測，則沒有不同測回同一方向2C互差、測回間距離較差、測回間豎盤指標差互差、測回間豎直角互差這4個限差指標的要求。若CPⅢ網半盤位測量的觀測方法能夠滿足CPⅢ網驗后精度指標，則可在外業(yè)觀測時省略對于上述4個精度指標的控制。CPⅢ平面網和三角高程網半盤位外業(yè)觀測的技術要求見表2。

表2 CPⅢ平面網和三角高程網半盤位外業(yè)觀測技術要求

3 CPⅢ網半盤位觀測方法可行性分析

根據TB 10601:CPⅢ平面網應滿足方向測量中誤差≤1.8″和距離測量中誤差≤1.0 mm的技術要求; CPⅢ自由測站三角高程網應滿足高差觀測值的中誤差≤0.5 mm的技術要求。

假設使用標稱精度為一測回方向測量中誤差1″，測距固定誤差1 mm，比例誤差1 mm/km的儀器進行3次半盤位觀測。下文對最不利觀測條件下CPⅢ平面網和CPⅢ自由設站三角高程網的上述精度指標進行估算，從而對CPⅢ網半盤位測量方法的可行性進行分析。

3.1 平面網

根據誤差傳播定律可得，由全站儀一測回方向測量中誤差mL可推知全站儀1次半盤位方向測量中誤差m半L為

對CPⅢ平面網采用半盤位觀測方法觀測3次，所得3次半盤位方向測量均值的中誤差為

即

同理，由全站儀1次測距中誤差mS可推知全站儀3次半盤位測距中誤差均值為

即

式中，S為觀測距離，km。

由CPⅢ網布網形式可知，CPⅢ平面網觀測，自由測站點到CPⅢ點的最遠觀測距離≤180 m［4］。以極限情況進行分析，將S=180 m帶入式(5)，得

3.2 自由測站三角高程網

CPⅢ自由測站三角高程網測量原理如圖1所示。在自由測站點O處安置儀器，在CPⅢ樁A，B點上安放棱鏡后利用全站儀中間法三角高程測量原理，分別觀測O點至A，B點的斜距SA，SB以及豎直角αA，αB。

圖1 CPⅢ自由測站三角高程網測量原理

由于CPⅢ點均采用特殊的強制固定裝置，故可認為棱鏡中心與CPⅢ樁面的高程相等，即vA=vB。這樣，既保證了目標點重復安裝的精度，又可在進行CPⅢ自由測站三角高程測量時避免棱鏡高的測量，從而避免因測量棱鏡高帶來的精度損失［5］。全站儀O點至A，B點的平距分別為DA=SAcosαA，DB= SBcosαB，設地球曲率半徑為R，大氣折光系數為kA，kB，則CPⅢ自由測站三角高程測量A，B點間的高差為［6］

由于CPⅢ自由測站三角高程網觀測的前后距離基本相等且范圍較小，因此由地球曲率和大氣折光對高差誤差造成的影響可忽略不計，則式(7)可簡化為

根據誤差傳播定律可得A，B點間的高差中誤差mhAB為

式中:mSA，mSB分別為A，B點的距離測量中誤差;mαA，mαB分別為A，B點豎直線的測量中誤差。

以極限情況進行分析，將SA=SB=180 m，αA=αB=15°帶入式(9)，得

綜上分析，可以認為采用方向測量中誤差≤1″，測距中誤差≤1 mm+1 mm/km標稱精度的全站儀，進行CPⅢ平面網和自由測站三角高程網3次半盤位測量，能夠滿足TB 10601的要求，從而在理論上說明CPⅢ網半盤位測量是可行的。

4 實測數據精度分析

采用CPⅢ網半盤位外業(yè)觀測方法，在蘭新客運專線既有線上對一段600 m長的CPⅢ網進行了3次半盤位測量。外業(yè)測量過程中只對表2中的精度指標進行控制。將滿足外業(yè)觀測技術要求的試驗數據作平差計算，統(tǒng)計出CPⅢ網半盤位測量的精度，從而分析蘭新客運專線CPⅢ網半盤位測量的可行性。

4.1 CPⅢ網平差計算精度指標

根據TB 10601，CPⅢ平面網和三角高程網平差后的精度指標應滿足以下要求:

1)CPⅢ平面自由網平差后，各方向改正數應小于±3″;距離改正數應小于±2 mm。

2)CPⅢ平面網約束平差后，各項精度指標見表3。

表3 CPⅢ平面網約束平差后的精度指標

3)CPⅢ自由測站三角高程網平差后，各項精度指標見表4。

表4 CPⅢ自由測站三角高程網平差后的精度指標

4.2 CPⅢ半盤位測量平面自由網和約束網精度分析

對蘭新客運專線CPⅢ網半盤位測量平面網的實測數據分別進行自由網平差和約束網平差計算后，分別統(tǒng)計方向改正數和距離改正數分布的取值區(qū)間，統(tǒng)計結果見表5。可知:蘭新客運專線CPⅢ平面網半盤位測量試驗約束網平差方向改正數有3.3%的超限，超限比例較小且符合偶然誤差的特性;其余指標均未超限，說明蘭新客運專線CPⅢ平面網半盤位測量的平差結果的方向改正數和距離改正數基本滿足TB 10601的精度指標要求。

4.3 CPⅢ半盤位測量自由測站三角高程網精度分析

對蘭新客運專線CPⅢ半盤位測量自由測站三角高程網的實測數據作平差計算后，分別判斷表4中各精度指標是否得到滿足，統(tǒng)計及判斷結果見表6。

表5 CPⅢ半盤位測量自由網及約束網平差方向和距離改正數分布

表6 CPⅢ半盤位測量自由測站三角高程網試驗平差計算精度判斷

由表6可知:蘭新客運專線CPⅢ自由測站三角高程網半盤位測量試驗高差改正數有5.0%的超限，超限比例較小且符合偶然誤差的特性;其余精度指標均未超限，說明蘭新客運專線CPⅢ自由測站三角高程網半盤位測量方法基本滿足TB 10601的精度指標要求。

5 結論

本文對CPⅢ平面網和自由測站三角高程網半盤位測量方法的可行性進行了研究，并通過在蘭新客運專線進行CPⅢ網半盤位測量試驗，得到以下主要結論:

1)采用CPⅢ網半盤位的測量方法，其約束平差后的精度能夠滿足TB 10601對于CPⅢ平面網及CPⅢ自由測站三角高程網的技術要求。

2)采用CPⅢ網半盤位的觀測方法進行外業(yè)觀測時，可以不考慮不同測回同一方向2C互差、測回間距離較差、測回間豎盤指標差互差、測回間豎直角互差這4個限差指標的要求，極大地提高了CPⅢ網外業(yè)測量的工作效率，對類似蘭新風區(qū)這樣氣候條件惡劣的地區(qū)極為有利。

3)在蘭新客運專線上進行CPⅢ網半盤位測量試驗時，雖然CPⅢ平面約束網方向改正數和CPⅢ自由測站三角高程網高差改正數有個別超限情況出現，但是超限比例較小，均在5%以內，符合偶然誤差出現規(guī)律，并且約束平差的精度指標均達到要求，說明CPⅢ網半盤位測量方法具有可行性。

在蘭新客運專線百里風區(qū)、三十里風區(qū)所作試驗表明，傳統(tǒng)觀測方法一個天窗4 h內只能采集300 m的數據。而半盤位測量方法可采集400～500 m的數據，提高效率30%以上，綜合經濟效益顯著。

［1］趙夢杰，劉成龍，王化光，等．CPⅢ平面網半盤位觀測的可行性研究與分析［J］．鐵道工程學報，2011，28(1):20-24．

［2］周芳洪，劉成龍，李書亮，等．德國軌道基準網平面網測量與數據處理方法研討［J］．鐵道勘察，2013(4):29-32．

［3］馬洪磊，劉成龍，宋韜，等．自由測站方法在平面控制網測量中的應用［J］．測繪工程，2014(5):51-54．

［4］蔡躍輝．CPⅢ平面網半測回觀測方法實驗研究［D］．成都:西南交通大學，2012．

［5］劉成龍，楊友濤，徐小左．高速鐵路CPⅢ交會網必要測量精度的仿真計算［J］．西南交通大學學報，2008，43(6):718-723．

［6］王文杰，田麗亞，劉立臣，等．中間法三角高程測量在高鐵CPⅢ控制網中的應用［J］．測繪地理信息，2014(1):29-32．

Feasibility Research on CPⅢNetwork Half-face Observation Method Used for Lanzhou－Xinjiang Passenger Dedicated Railway Wind Area

SONG Zhixiong
(Urumqi Railway Administration，Urumqi Xinjiang 830011，China)

Heavy wind blows almost all of the year in the Lanzhou－Xinjiang wind area，and the climatic conditions are harsh．So it is difficult for CPⅢnetwork observation in Lanzhou－Xinjiang passenger dedicated railway wind area，which brings lots of inconvenience to the maintenance and retest of ballastless track control network．Drawing on the experience of the observation method of foreign track reference network，the feasibility of CPⅢnetwork halfface observation method was analyzed．T hrough the theoretical analysis and test results analysis，the CPⅢnetwork half-face observation method is able to meet the technical requirements for Lanzhou－Xinjiang passenger dedicated railway wind area，which provides a new CPⅢnetwork observation method and could be used in other wind areas of China．

Passenger dedicated railway;W ind area;CPⅢnetwork;Half-face observation;Precision index; Feasibility research

U216．42+6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．32

1003-1995(2016)12-0121-04

(責任審編李付軍)

2016-07-03;

2016-08-25

宋志雄(1964—)，男，高級工程師。