任意設(shè)站控制網(wǎng)在地鐵軌道控制網(wǎng)中的應(yīng)用

李文雅 趙秀琴

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 天津 300038)

0 引言

地鐵軌道作地鐵行車的載體,其施工質(zhì)量、堅(jiān)固的穩(wěn)定性和良好的平順性是安全運(yùn)行與乘車舒適性的保障。為了提高城市軌道交通工程鋪軌精度,保證軌道線路的平順性,改善城市軌道交通運(yùn)營過程的設(shè)備磨耗和噪聲振動(dòng)問題,保證列車運(yùn)行的穩(wěn)定性,提高乘客乘車的體驗(yàn)感和舒適性。吳乃龍針對(duì)傳統(tǒng)軌道交通鋪軌基標(biāo)實(shí)施難度大、精度要求高、建設(shè)效率低等特點(diǎn)提出了基于自由設(shè)站法連續(xù)傳遞附合至地鐵隧道平面控制點(diǎn)的方法[1],張偉國通過分三級(jí)布設(shè)離石隧道無砟鐵路平面控制網(wǎng),采用自由設(shè)站邊角交會(huì)法測量了第三級(jí)基樁控制網(wǎng)(CPIII)并進(jìn)行了精度分析[2]。岑敏儀、張同剛研究了客運(yùn)專線邊角后方交會(huì)控制網(wǎng)(CPⅢ網(wǎng))置平技術(shù)相對(duì)于約束網(wǎng)平差優(yōu)勢[3],李建章提出基于布爾薩模型的CPIII精密三維控制網(wǎng)平差方法[4],梅文勝、王忠仁等對(duì)城市軌道交通鋪軌控制網(wǎng)的網(wǎng)形進(jìn)行了設(shè)計(jì)并采用了間接平差進(jìn)行了控制網(wǎng)平差模擬計(jì)算分析[5],孫志凡、郝曉東等在呼和浩特市地鐵2號(hào)線鋪軌工程采用CPIII測量技術(shù)進(jìn)行了研究[6]。

綜上所述,隨著城市軌道交通的發(fā)展,任意設(shè)站控制網(wǎng)技術(shù)(高鐵CPIII技術(shù))的地鐵軌道控制網(wǎng)在地鐵鋪軌測量、工后監(jiān)測及后期運(yùn)營監(jiān)測等地鐵測量的應(yīng)用越來越多。本文結(jié)合了地鐵工程施工和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),借鑒高鐵CPIII技術(shù),通過對(duì)鄭州市軌道交通4號(hào)線工程鋪軌控制布設(shè)測量進(jìn)行精度分析,驗(yàn)證了任意設(shè)站控制網(wǎng)技術(shù)在城市軌道鋪軌控制網(wǎng)的可行性和適用性。

1 多方向后方交會(huì)任意設(shè)站法

多方向后方交會(huì),在設(shè)站時(shí)候方向觀測多于3個(gè)的交會(huì)測量方法[7],任意測站法相當(dāng)于每個(gè)測站設(shè)置一個(gè)相互獨(dú)立的坐標(biāo)系,在每個(gè)測站均進(jìn)行多個(gè)方向進(jìn)行觀測,同時(shí)觀測的點(diǎn)位要保證有一定量的重復(fù)觀測,通過重復(fù)觀測點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系把每個(gè)測站相互獨(dú)立的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的坐標(biāo)系。然后根據(jù)觀測的已知平面、高程控制點(diǎn)對(duì)所觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行平差處理,從而得到設(shè)站點(diǎn)和待測點(diǎn)的平面坐標(biāo)值和高程[8]，如圖1所示。

圖1 多方向后方交會(huì)任意設(shè)站法示意圖

2 地鐵軌道任意設(shè)站控制網(wǎng)的布設(shè)

地鐵線路一般為地下隧道,車站之間通常為單線或者雙線的圓形隧道,隧道橫截面的一側(cè)是應(yīng)急疏散平臺(tái),另一側(cè)是架設(shè)管線的支架、信號(hào)機(jī)、消防管線等,采用多方向后方交會(huì)任意設(shè)站法對(duì)地鐵軌道控制網(wǎng)進(jìn)行外業(yè)觀測時(shí),在有限的空間內(nèi)全站儀只能架設(shè)在相鄰兩對(duì)任意設(shè)站控制點(diǎn)的線路中線附近[5-9]。地鐵軌道控制網(wǎng)的控制點(diǎn)地下隧道側(cè)墻上、站臺(tái)廊檐側(cè)面、高架橋面兩側(cè)防撞墻上、地面段接觸網(wǎng)桿內(nèi)側(cè)成對(duì)布設(shè)[10]。受城市既有的建(構(gòu))筑物等其他客觀條件的影響,地鐵線路一般曲線段較多且存在半徑較小的曲線,任意測站時(shí),視線易受到曲線內(nèi)側(cè)的地鐵隧道壁的遮擋影響,因此隧道內(nèi)測站的通視距離的限制了軌道交通地下隧道任意設(shè)站控制網(wǎng)相鄰控制點(diǎn)的縱向間距[5]。

如圖2所示,地鐵隧道曲線圓心為O,在距離線路中線的距離為r的位置設(shè)站Z,線路中線位置為D,觀測視線極限是隧道壁的切點(diǎn)Q[11],則O到D的距離即為圓曲線半徑R,則Z到Q的距離即為通視距離S：

(1)

圖2 軌道交通地下隧道內(nèi)設(shè)站通視距離計(jì)算示意圖[11]

在《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中困難情況下,A型車曲線半徑是300 m,B型車為250 m[12]。本文將隧道直徑的取為5.5 m,測站在線路中線上r=0,代入公式(1)可以得出在半徑為250 m的通視條件下通視距離36.98 m,任意設(shè)站控制網(wǎng)觀測時(shí),每個(gè)任意測站觀測不宜少于4對(duì)控制點(diǎn),控制點(diǎn)的間距約為通視距離的2/3,通過計(jì)算最短的縱向布點(diǎn)間距為24.65 m,高鐵CPⅢ控制網(wǎng)按50～60 m的縱向間距成對(duì)布設(shè)CPⅢ點(diǎn),軌道交通地下隧道在小半徑區(qū)間的情況下不滿足布點(diǎn)條件,所以地鐵任意設(shè)站控制網(wǎng)的布點(diǎn)間距為25～60 m。

為提高觀測精度全站儀任意測站點(diǎn)到控制點(diǎn)的最遠(yuǎn)觀測距離宜控制在120 m范圍之內(nèi),每個(gè)控制點(diǎn)保證至少有3個(gè)任意測站能夠進(jìn)行角度和距離的測量[10],合理的城市軌道任意設(shè)站控制網(wǎng)的網(wǎng)形，如圖3所示。

圖3 任意設(shè)站控制網(wǎng)平面網(wǎng)布設(shè)形式示意圖

3 任意設(shè)站控制網(wǎng)的測量

3.1 平面控制測量

任意設(shè)站控制網(wǎng)觀測前應(yīng)對(duì)全站儀進(jìn)行檢校,同時(shí)棱鏡組件需要進(jìn)行重復(fù)性誤差和互換性安裝誤差的檢核,檢核結(jié)果滿足表1的精度要求。觀測時(shí)全站儀需要輸入設(shè)站環(huán)境的溫度、氣壓等對(duì)觀測距離進(jìn)行改正[13]。在進(jìn)行任意設(shè)站控制網(wǎng)測量時(shí)每個(gè)測站觀測不宜少于4對(duì)控制點(diǎn),其中的3對(duì)控制點(diǎn)應(yīng)與上一站重復(fù)觀測。每個(gè)控制點(diǎn)保證至少有3個(gè)任意測站能夠進(jìn)行角度和距離的測量[10],測量精度必須滿足《城市軌道交通工程測量規(guī)范》(GB /T 50308-2017)中控制網(wǎng)水平方向觀測及距離觀測的技術(shù)相關(guān)要求[8],填寫觀測手簿,記錄測站信息,每次向前延伸1對(duì)點(diǎn)。當(dāng)聯(lián)測上一級(jí)控制點(diǎn)時(shí),應(yīng)至少確保連續(xù)兩個(gè)任意設(shè)站點(diǎn)及以上能夠觀測到起算控制點(diǎn)[10],任意設(shè)站的測量方法如圖 4 所示。

表1 任意設(shè)站控制網(wǎng)測量標(biāo)志安裝的精度要求 單位：mm

圖4 任意設(shè)站控制網(wǎng)聯(lián)測高等級(jí)線路控制網(wǎng)形式

3.2 高程控制測量

由于任意設(shè)站控制網(wǎng)位于隧道壁兩側(cè),采用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)觀測,水準(zhǔn)儀需要架設(shè)到一定的高度實(shí)施比較困難,而且控制點(diǎn)點(diǎn)位上方有電纜、機(jī)電設(shè)備等,水準(zhǔn)尺立放比較困難[14]。同時(shí)由于隧道的通視條件較差,無論采用電子水準(zhǔn)儀或光學(xué)水準(zhǔn)儀,讀數(shù)、記錄均受到一定的影響。本次高程控制網(wǎng)測量選用任意測站三角高程測量方法與平面測量同步進(jìn)行,并附合于高程控制點(diǎn)上,每1 km左右應(yīng)與水準(zhǔn)控制點(diǎn)進(jìn)行高程聯(lián)測,按照區(qū)間進(jìn)行觀測是應(yīng)聯(lián)測的車站底板控制點(diǎn)。任意設(shè)站三角高程的測量精度指標(biāo)應(yīng)滿足表2的技術(shù)要求。

表2 任意設(shè)站三角高程測量技術(shù)要求

3.3 數(shù)據(jù)處理

(1)平面數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理時(shí),將外業(yè)記錄導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)外業(yè)測站數(shù)據(jù)檢查再次進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定檢查,判定是否存在超限觀測數(shù)據(jù),如存在超限數(shù)據(jù),應(yīng)對(duì)有超限觀測值的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除,如測站超限數(shù)據(jù)過多不滿足規(guī)范要求則需進(jìn)行重測。外業(yè)觀測數(shù)據(jù)檢查合格后進(jìn)行平差處理,平差時(shí)應(yīng)先采用獨(dú)立自由網(wǎng)平差,再采選取精度較高合格的平面起算點(diǎn)進(jìn)行固定約束平差[15]。獨(dú)立控制網(wǎng)平差和約束網(wǎng)平差應(yīng)滿足表3、表4的要求。

表3 獨(dú)立自由網(wǎng)平差后的限差要求

表4 固定約束平差后的技術(shù)要求

(2)高程數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理前同樣需要進(jìn)行數(shù)據(jù)檢核,分析同名點(diǎn)位的高差在相鄰的測站觀測數(shù)據(jù)是否存在超限,然后將任意測站控制點(diǎn)和上級(jí)高程控制點(diǎn)的高差數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)處理軟件[16]進(jìn)行約束平差處理。當(dāng)任意設(shè)站控制網(wǎng)高程采用三角高程測量時(shí),數(shù)據(jù)處理除應(yīng)滿足平面數(shù)據(jù)處理的技術(shù)要求要求外,還應(yīng)符合以下要求,各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)符合表5、表6的要求。

表5 二等水準(zhǔn)高程測量路線的精度要求

表6 任意設(shè)站三角高程網(wǎng)平差后的精度指標(biāo)要求 單位：mm

3.4 區(qū)段之間銜接處理

地鐵施工一般為分成若干個(gè)施工標(biāo)段,而且每個(gè)車站區(qū)間的開工時(shí)間、施工方法、結(jié)構(gòu)形式不盡相同,在進(jìn)行任意設(shè)站控制網(wǎng)測量時(shí)一般采用分段測量,區(qū)段長度不宜小于 2 km 或一個(gè)區(qū)間長度進(jìn)行測量處理,還要保證與鄰接標(biāo)(區(qū))段的準(zhǔn)確銜接,地鐵鋪軌要求保證高度的平順性,確保列車運(yùn)行的穩(wěn)定性。在區(qū)段銜接測量,應(yīng)選取3對(duì)以上任意設(shè)站控制點(diǎn)進(jìn)行觀測,而且兩區(qū)段獨(dú)立平差后重疊點(diǎn)坐標(biāo)高程差值應(yīng)≤±3 mm。為了保證鋪軌的銜接,搭接控制點(diǎn)滿足上述的條件后,再對(duì)重復(fù)的3對(duì)以上控制點(diǎn)進(jìn)行約束平差或按照余弦平滑方法進(jìn)行區(qū)段處理[10]。

4 工程實(shí)例

目前，全國軌道交通工程為滿足無砟軌道施工和運(yùn)營需要,新建地鐵鋪軌測量開始從鋪軌基標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)槿我庠O(shè)站控制網(wǎng)測量。本文選擇鄭州市軌道交通4號(hào)線工程航海東路站—果園南路站區(qū)間左線作為實(shí)例,進(jìn)行任意設(shè)站控制網(wǎng)測量,對(duì)測量數(shù)據(jù)平差處理并進(jìn)行精度評(píng)定。

航海東路站—果園南路站區(qū)間左線,起止里程ZDK24+824.356～ZDK25+803.602,全長0.9 km。本區(qū)間有3段曲線最小曲線為半徑1 000 m,所以在布設(shè)控制點(diǎn)時(shí)縱向布點(diǎn)間距約為50 m,算上車站內(nèi)的控制點(diǎn)共布設(shè)23對(duì)任意測站控制點(diǎn)。測量儀器選擇具有自動(dòng)目標(biāo)搜索、照準(zhǔn)、觀測、記錄等功能徠卡公司生產(chǎn)的TS60(0.5″,0.6 mm +1 ppm*D)進(jìn)行本次任意設(shè)站控制測量。嚴(yán)格按照上述方法及《城市軌道交通工程測量規(guī)范》(GB /T 50308-2017)的要求進(jìn)行外業(yè)觀測、數(shù)據(jù)處理。

為檢測本次測量的精度及準(zhǔn)確性,在測量過程中聯(lián)測5個(gè)上次平面控制點(diǎn)和4個(gè)高程點(diǎn),約束平差時(shí)選擇3個(gè)平面控制點(diǎn),2個(gè)高程控制點(diǎn)進(jìn)行平差處理。

任意測站法平面控制網(wǎng)測量精度統(tǒng)計(jì)如表 7所示,未參與約束平差處理的兩個(gè)上級(jí)平面控制點(diǎn)的坐標(biāo)較差見表8,可以看出控制點(diǎn)精度可靠,各項(xiàng)指標(biāo)均在現(xiàn)場范圍之內(nèi)符合規(guī)范的要求。

表7 平面控制網(wǎng)測量精度統(tǒng)計(jì)表

表8 平差后上級(jí)控制點(diǎn)坐標(biāo)較差

任意測站高程控制網(wǎng)平差后測量精度統(tǒng)計(jì)如表 9所示,未參與約束平差處理的2個(gè)上級(jí)高程控制點(diǎn)的高程較差見表10,可以看出各項(xiàng)指標(biāo)均符合測量限差的要求,平差后上級(jí)高程控制點(diǎn)與原高程數(shù)值較差在1 mm之內(nèi),控制點(diǎn)精度可靠,各項(xiàng)指標(biāo)在限差范圍之內(nèi)精度滿足規(guī)范的要求。

表9 三角高程網(wǎng)平差后的精度統(tǒng)計(jì)表

表10 平差后上級(jí)控制點(diǎn)高程較差

5 結(jié)束語

(1)本文借鑒高鐵CPIII技術(shù),論述了用任意設(shè)站控制網(wǎng)的方法,通過鄭州軌道交通4號(hào)線工程實(shí)例進(jìn)行了鋪軌控制網(wǎng)的建立和應(yīng)用,后期經(jīng)鋪軌單位軌檢小車對(duì)軌道鋪軌精度進(jìn)行驗(yàn)證,本次城市軌道交通任意設(shè)站控制網(wǎng)精度與可靠性較高,滿足城市軌道交通工程鋪軌的要求;

(2)軌道交通任意設(shè)站控制網(wǎng)受曲線及有限空間的影響合理的布點(diǎn)間距為25～60 m;

(3)任意設(shè)站控制網(wǎng)三角高程測量方式滿足精度要求,外業(yè)觀測時(shí)與平面控制網(wǎng)同時(shí)進(jìn)行,提高了觀測效率。

(4)軌道交通任意設(shè)站控制網(wǎng)可長期保存,在后續(xù)的工后監(jiān)測及運(yùn)營監(jiān)測中可以繼續(xù)使用,但需要定期進(jìn)行復(fù)測保證控制網(wǎng)的精度滿足規(guī)范要求。