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高速铁路轨道控制网测量和数据处理探讨石德斌, 王长进,李博峰

来源：好走旅游网

铁　道　工　程　学　报Apr　2009

　　　　　　　　　　第4期(总127)　　　　　　　　JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETYNO.4(Ser.127)

2009年4月

文章编号:1006-2106(2009)04-0026-05

高速铁路轨道控制网测量和数据处理探讨

石德斌

1ΞΞ

　王长进　李博峰

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司,　天津30025;　2.同济大学,　上海200092)

摘要:研究目的:高速铁路无砟轨道施工建设需要布设高精度的轨道控制网(CPIII),对于此类特大型高精度施工控制网,不仅要采用高精度的测量仪器,还要有合理的测量方案以及正确可靠的数据处理和质量控制方法。结合我国刚刚建成的第一条无砟轨道高速铁路,对其轨道控制网的建立、施测方案的优化以及数据处理方法进行探讨,为后续此类高精度工程测量提供借鉴。

研究结论:采用自由设站边角交会法建立的无砟轨道控制网,在成果精度和网型稳定性方面,明显优于常规布网方式,适合于高速铁路无砟轨道施工精度要求高的特点。通过对轨道控制网点测量方法,与CPI和

CPII的关系联测以及数据处理方法的研究分析得出,轨道控制网按照60m间距点对的布网方式,可以满足无

砟轨道平顺性测量的要求;按500m左右间距约束一次轨道控制网点,是经济合理的。关键词:无砟轨道;控制网测量;质量控制;数据处理中图分类号:U238　　文献标识码:A

ExplorationontheSurveyingandDataProcessingofControlNetworkfor

BallastlessTrackofHigh-SpeedRailway

SHIDe-bin,WANGChang-jin,LIBo-feng200092,China)

Abstract:Researchpurposes:Constructionoftheballastlesstrackofhigh-speedrailwayneedscontrolnetworkIII(CPIII)forprecisesurveyandcontrol.Forsuchcontrolnetworkswithhighaccuracy,themodernprecisesurveyingdevicesshouldbeadoptedalongwiththeoptimumsurveyingschemeandreliabledataprocessingforcontrolofquality.ThispaperdiscussestheconstructionprocedureandsurveyingschemeofCPIIIandthecorrespondingdataprocessingmethodforthefirstballastlesstrackhigh-speedrailwayfromBeijingtoTianjininChinaforprovidingthereferencetothesimilarprojectsinfuture.

Researchconclusions:Theballastlesstrackcontrolnetworkbasedonfreestationandlinear-angularintersectionforhigh-speedrailwayisbetterthanthegeneralnetworkinprecisionandnetworkstability,whichcansatisfythepreciserequirementofhigh-speedrailwayconstruction.ThestudyandanalysesofthesurveyinganddataprocessingofCPIIandCPIshowthenetworkwithonesurveyingspotvery60mcansatisfytherequirementofthetrackregularityandthecontrolspotisrestrainedonetimeaboutvery500mcansavemoney.

Keywords:ballastlesstrack;CPIIIsurveying;qualitycontrol;dataprocessing

(1.TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation,Tianjin300251;2.TongjiUniversity,Shanghai

　　无砟轨道是高速铁路建设中优先选用的轨道形式,它是以钢筋混凝土道床取代散粒体道砟道床的整

　Ξ　收稿日期:2009-01-01

　ΞΞ作者简介:石德斌,1970年出生,男,高级工程师,铁道第三勘察设计院集团有限公司测绘分院副总工程师。

第4期石德斌　王长进　李博峰:高速铁路轨道控制网测量和数据处理探讨

体式轨道结构。它具有良好的稳定性、连续性和平顺性,结构耐久、维修工作量少,避免高速行车时道砟击打列车等诸多优点。我国首条无砟轨道是北京至天津的城际高速铁路,设计时速350km/h,采用纵连板式

无砟轨道技术,轨道控制网(CPIII)沿线路左右两侧成对设置,点对间距约60～75m,两点横向距离15m,要求相邻点平面相对精度优于1mm

[1]

1　轨道控制网建立与施测方案优化设计

1.1　轨道控制网的建立

轨道控制网的布设如图1所示,沿线路方向两侧,每隔约60～75m左右成对布设轨道控制点,每对轨道控制点的间距约为15m,沿线路方向每隔200m左右在线路中间采用自由设站法观测设站点前后各3对轨道控制点。沿线路方向每隔500m左右,在线路旁边的转点上采用自由设站法,将离设站点最近的2～3个轨道控制点与事先布设的上一级精密控制点进行联测。注意在测量过程中,尽可能地也在精密控制点上安置全站仪观测其它的精密控制点,以便得到方位约束条件。自由站点不需要设置标志,只需整平全站仪进行观测,轨道控制点只能安置棱镜,且强制对中。

。

对于这种形式的控制网测量,国内未曾见到。这种方法的建网形式在德国被称为轨道设标网

(GVN)[2]。在我国经专家论证给它确定的名称是自由设站边角交会法,建立的网称为轨道控制网(CPIII)。本文结合我国刚刚建成的首条无砟轨道京津城际高速铁路,就它的轨道控制网的建立、施测方案的优化设计以及数据处理等有关问题进行探讨,为后续类似高精度工程测量提供借鉴。　　德国博格公司规定这级网的精度指标为:平面网相邻点相对点位中误差≤±1mm;高程网相邻点高差中误差≤±1mm。我国新近发布的《客运专线无砟

[1]

轨道铁路工程测量暂行规定》也参照了上述指标。这些指标笔者认为应当是:(1)控制网平差的点位中误差和相对中误差;(2)布设或增设控制点时,由就近已知控制网点作为起算数据,新控制点的点位中误差和相对于已知点相对中误差。这样理解,更符合我国工程测量控制网的常规精度指标习惯。1.2　轨道控制网实测方案的优化设计由轨道控制网的网形很容易理解采用自由设站边角交会观测的操作方法,即在图1的线路中间自由点设站,观测离设站点最近的前后各3对轨道控制点。但是问题在于该控制网精度要求高,即使采用先进的高精度测量仪器,在野外观测环境下也需要多测回观测。因此,为了确保平差成果精度,同时尽可能地减少工作量,测角测距的重复数量和轨道控制点的重复观测次数成为实测方案优化的关键。为此我们对测回数

[2]

和轨道控制点的重复观测次数进行了分析。

选取京津城际铁路CPIII网测量的大量数据进行试验分析。数据使用TCA2003全站仪(标称精度:测角0.5″、测距精度1mm+1ppm3D)自动观测3测回;使用TCRA1201全站仪(标称精度:测角精度为1.0″、测距精度为1mm+2ppm3D)自动观测4测回,全部观测数据满足测量限差要求。分别选取2个、3个、4个测回的观测数据进行比较分析,使用不同测回数的观测数据进行平差的坐标变化比较,如图2所示。如果用4个测回的观测数据认为是可靠的,那么2个和3个测回的观测数据计算得到的坐标与4个测回得到坐标的差值是很小的(共计18km实测数据)。

为了满足工程精度,在施测过程中,建议使用标称测角精度为0.5″、测距精度为(1mm+1ppm3D)的全站仪观测2个测回以上,使用标称测角精度为1.0″、测距精度为(1mm+2ppm3D)的全站仪观测3个测回以上,可以满足要求。

此外,为了确保平差结果的可靠性,轨道控制点的

　铁　道　工　程　学　报2009年4月

　　方案1:在自由点设站前后共观测离设站点最近的6对轨道控制点,在保证每个轨道控制点观测2次的条件下,每次可以向前推进3对轨道控制点。经过45km实测数据计算,统计得出平差后相邻点坐标中

误差50%小于1mm,50%大于1mm,10%左右达到1.5mm。

方案2:同样在自由点设站前后共观测离设站点最近的6对轨道控制点,在保证每个轨道控制点被观测3次的条件下,每次可以向前推进2对轨道控制点。通过118km的实测数据统计,坐标中误差一般不大于2mm;相邻点相对点位精度全部小于1mm。比较方

案1和方案2,方案1工作速度要快一些,但为了满足成果的相邻点位精度,方案1往往要进行一定数量的补测工作,而方案2一般不需要补测。因此,最终建议

图2　不同测回数观测值平差坐标比较采用每个轨道控制点被重复观测3次的方案2,在精度指标和经济指标上都是合理可行的。

重复观测是必要的,图3所示是2种观测方案。

图3　控制点重复观测方案确定

2　轨道控制网与高级控制网的联测

2.1　采用全站仪与地面控制点联测方法

条件的限制,很难在自由设站点同时观测到2个地面

控制点,一般情况下需要通过桥面边沿(见图5)设置临时转点联测(即图1的转点)。图4给出了实际操作中的4种联测方式,4种联测方式的观测方法如下:

(A)临时转点观测2个地面控制点,同时在地面控制点上对向观测临时转点;

(B)临时转点只能观测一个地面控制点,在被观测的地面控制点上设站,观测另一个地面控制点和临时转点,提供方位条件;

(C)只在临时转点上观测2个地面控制点;(D)只能在临时转点上观测到一个控制点。

根据《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》,轨道控制网应尽可能地保持自身的高精度,同时为了整个线路的顺利贯通,又需要联测高等级的控制网(即CPI或CPII)。参考图1,在约500m的间隔下,通过转点将精密控制点引测到轨道控制点,最理想的观测条件是,置镜于自由站点在观测轨道控制点的同时可以直接联测到2个或者2个以上地面精密控制点。然而,高速铁路建设一般采用桥梁形式,自由站点位于梁面中间,而高级控制点位于地面上,受外界通视

图4　轨道控制网与高级控制点联测方式

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其它轨道控制点的点位精度和相对点位精度,也较容

易满足要求。该观测方案容易实现,避免了安置全站仪在桥面边沿临时转点上的安全隐患(图5所示全站仪架设在桥边上很危险),实践表明可以有效提高联测速度,但目前需要进一步实践验证。

图5　联测地面控制点

2.2　采用GPS与地面控制点联测方法

在用全站仪与地面控制联测中,D是最不利的联测方案,相当于只联测了边长作为平差的约束条件。而《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》规定CPII控制点的间距为800～1000m,所以实际测量中D联测方案是比较普遍的。为了确保有足够的起算数图6　基标点上安装的棱镜

此外,对轨道控制点联测地面控制点的密度做了分析。这里介绍用全站仪和GPS2种方法联测的分析结果。在5km的轨道控制网进行数据试验,分别布设6个、11个和22个临时转点与地面控制点联测,比较

据,每隔500m在轨道控制点上安置GPS接收机与地

面控制点联测。参考图6,将棱镜更换为GPS接收机,加工的GPS连接杆要保证天线相位中心与棱镜中心一致,高度位置不超过10mm是很容易实现的,这样可以保证GPS的平面坐标与棱镜一致。观测2个时段,并以地面联测的控制点作为约束,对2个时段独立平差,2时段平差结果经检查合格后取其平均作为轨道控制点的最终坐标,图7为使用GPS方法联测方案。经过大量实验得出,对于10km范围内的GPS网,联测轨道控制点的精度小于5mm,点位精度容易保证,将得到的轨道控制点坐标作为已知值平差得到

联测不同数量的地面控制点平差后轨道控制点坐标变化。图8给出了采用不同数量临时转点联测地面控制点的坐标结果,如果将22个临时转点联测方案得到的结果作为可靠值,11个临时转点的联测成果与22个临时转点联测成果的坐标相差不到2mm,故5km联测11个点(即约500m联测一次)是可行的。这一结论,也从45km的实测数据分析中得到了验证。

图7　用GPS联测地面控制点

　　用GPS测量联测不同数量的轨道控制点(2个、

8个、12个)作为起算点,平差比较所有轨道控制点坐标,如图9所示。12个轨道控制点联测的成果与用全站仪22个临时转点联测方案成果的坐标差值不大于

5mm,小于点位中误差的要求,故5km采用GPS联测12个点(约500m联测一次)是可行的。所以,无论采

用全站仪还是GPS联测,每隔500m应该至少与地面控制点联测一次。

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工程测量的数据处理。软件融合了各种比较成熟的数

据处理算法,得到的成果稳定、可靠,能够客观、合理地评定各项精度。同时提供了许多满足该工程需要的特殊功能。采用该软件进行轨道控制网数据处理的基本步骤为:

(1)采用Baarda粗差探测与剔除方法剔除粗差;(2)采用Helmert方差分量估计合理地确定边、角观测值的权比,确定外业观测数据的真实随机模型;

(3)采用拟稳平差选择兼容的起算点;(4)将方差分量估计后的边、角观测值的中误差作为先验值,重新引入稳定的起算点,进行平差计算,得到轨道控制点坐标,相关数学模型可参阅文献[3]。

4　结论图8　全站仪联测不同地面控制点平差轨道控制点坐标比较轨道控制网按照60m间距点对的布网方式,采用自由设站边角交会方法测量的成果,可以满足高速铁路无砟轨道平顺性测量的要求;每个网点至少在3个自由站被观测,依据使用仪器的精度进行3或4测回测量;按500m左右间距约束一次轨道控制网点,是经济合理的;对于外业观测成果必须进行客观、可靠的权比评定,必须采用成熟的数据处理算法。

无砟轨道高速铁路轨道控制网的测量在我国刚刚被认知,它在成果精度和网形稳定性方面明显优于常规布网方式,适合于高速铁路轨道施工精度要求高的特点。本文结合刚刚完成的京津城际无砟轨道高速铁路,介绍了有关轨道控制网布设、实测方案优化以及数据处理方法,得出的结论可以为后续类似高精度工程测量提供借鉴。

图9　用GPS联测不同地面控制点平差轨道控制点坐标比较

参考文献:

[1]　铁建设(2006)189号,客运专线无砟轨道铁路工程测量

3　轨道控制网数据处理与质量控制

为了该工程的顺利进展,铁道第三勘察设计院集团有限公司(TSDIG)与同济大学测量系合作开发了TSDI—HRSADJ(HighRailwaySurveyingAdjustment

[3]

ProgramforTSDI)软件,用于该工程以及同类精密

暂行规定[S].

[2]　RIL883,德国铁路标准[S].

[3]　蔡士毅,李博峰,石德斌,等.无砟轨道高速铁路精密测

量数据处理[J].大地测量与地球动力学,2008,28(1):

114-117.

(编辑　曹淑荣)

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