高速铁路轨道控制网(CPⅢ)高程网建立方法探讨

张 彪 石德斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

1 CPⅢ高程网的分类

根据高速铁路构筑物类型的划分,CPⅢ高程网主要分为三类：路基CPⅢ高程网、隧道CPⅢ高程网及桥梁CPⅢ高程网。其中路基和隧道CPⅢ高程网的建立方法大致相同,都是将已知水准点和加密水准点按照二等水准直接联测,平差后获取路基和隧道段落加密水准点高程,再根据环形观测法将CPⅢ点贯通测量并联测加密水准点,最终得到CPⅢ点高程。与路基和隧道CPⅢ高程网建立方法不同,桥梁地段CPⅢ高程网建立涉及到高程上桥环节——三角高程测量,下面对桥梁段CPⅢ高程网建立方法及其特点重点叙述。

2 桥梁段CPⅢ高程网建立方法

桥梁段CPⅢ高程网的建立主要由两部分组成,第一部分为加密水准测量(高程上桥),第二部分为CPⅢ贯通测量(环形测量)。目前,在各大高铁项目CPⅢ高程网建立中,第二部分CPⅢ贯通测量基本上保持一致，均采用环形测量法,区别之处在于CPⅢ建网中第一部分加密水准测量。该部分存在两种方法：桥上二等水准贯通和桥下二等水准贯通,这里根据加密水准测量方法的不同，将CPⅢ高程网建立分为两种进行对比分析。

2.1 桥上二等水准贯通法

(1)加密水准点的布设

加密水准点稳定性直接影响后续使用,其点间距一般不大于2 km,布设位置可与加密CPⅡ共桩,也可单独埋设于桥梁固定端防撞墙上。

(2)加密水准测量

加密水准测量分三部分：桥下临时点与已知水准点二等水准联测；桥下临时点与桥上加密水准点三角高程测量；桥上加密水准点二等水准联测,按二等水准技术要求整网平差得出加密水准点高程值(如图1所示)。

图1 桥上二等水准贯通法加密水准示意

(3)CPⅢ贯通测量

CPⅢ贯通测量包含CPⅢ环形测量和联测加密水准点两部分。每个测量小组按1台电子水准仪和2把因瓦标尺进行配置,每个环的4条边观测结束前均变换一次仪器高。与加密水准点联测时,采用二等水准往返观测法,每个测段首尾各两对CPⅢ点均联测加密水准点,中间加密水准点就近联测一对CPⅢ点(如图2所示)。

图2 桥上二等水准贯通法CPⅢ贯通测量示意

2.2 桥下二等水准贯通法

(1)加密水准测量

加密水准测量同样分为三部分。第一部分：桥下临时点与已知水准点二等水准联测；第二部分：桥下临时点二等水准贯通测量；第三部分：桥下临时点与桥上加密水准点三角高程测量,该方法将桥下水准两部分数据整合按二等水准技术要求,整网平差得出桥下临时点高程,再由桥下临时点与桥上加密水准点三角高程测量高差直接推算出桥上加密水准点高程值(如图3所示)。

图3 桥下二等水准贯通法加密水准示意

(2)CPⅢ贯通测量

桥下二等水准贯通法CPⅢ贯通测量,同样采用环形观测法,其环形观测顺序和桥上加密水准点联测关系,均与桥上二等水准贯通法一致。二者区别在于投入人员、设备数量上,桥下二等水准贯通法CPⅢ贯通测量,每个测量小组按1台电子水准仪和4把同类型因瓦标尺进行配置(标尺零点差检测合格)。每个环观测时4把标尺分别立在4个CPⅢ点上,2把标尺为一组。待该环观测完毕后,两组标尺与仪器同步前进,以减少扶尺人员行走距离,提高测量效率。

3 数据验证

下面通过国内某高铁项目的一段5 km长CPⅢ高程建网数据对上述两种方法进行比对分析,桥下临时点与桥上水准点三角高程测量两种方法采用同一组数据。

3.1 桥上二等水准贯通法

此方法采用1台电子水准仪和2把因瓦尺的标准配置开展水准外业数据采集工作。经统计，整个桥下水准和桥上水准(含CPⅢ贯通测量)工作耗时共计25 h,加密水准各部分数据如表1、表2、表3所示。

表1 桥下临时点与已知水准点二等水准联测高差统计

表2 桥下临时点与桥上加密水准点三角高程测量数据统计

表3 桥上加密水准点二等水准联测数据统计

将上述加密水准数据整合后整网平差,各项精度指标满足限差要求,加密点成果如表4所示。

表4 加密水准点成果

3.2 桥下二等水准贯通法

此方法采用1台电子水准仪和4把因瓦尺的配置，开展水准外业数据采集工作。经统计，整个桥下水准和桥上水准(含CPⅢ贯通测量)工作耗时共计13 h,加密水准各部分数据如表5、表6、表7所示。

表5 桥下临时点与已知水准点二等水准联测高差统计

表6 桥下临时点二等水准联测高差统计

表7 桥下临时点与桥上加密水准点三角高程测量数据统计

将上述桥下临时点与已知水准点二等水准联测数据和桥下临时点联测数据，按二等水准技术要求整网平差,各项精度指标均满足限差要求,得出桥下临时点高程。根据表7中桥下临时点与桥上加密水准点三角高程测量数据对应相加,直接得出桥上加密水准点高程值(如表8所示)。

表8 加密水准点成果

利用上述两种方法得出的各自加密水准点成果和采集的CPⅢ贯通数据,平差计算得出CPⅢ高程成果对比结果(如表9所示)。

表9 两种建网方法CPⅢ高程成果对比统计

4 比较分析

4.1 测量精度

通过上面两种方法，分别对某高铁项目一段CPⅢ数据计算的结果进行对比,在测量精度方面,桥上二等水准贯通法和桥下二等水准贯通法测量精度基本一致,高程较差统计值最大为1.54 mm<3 mm,满足限差和后续施工精度要求。

4.2 质量控制

(1)桥上二等水准贯通法

桥上二等水准贯通法建立CPⅢ高程网实际上是先将桥下已知水准点和桥上加密水准点通过加密水准的三部分数据整网平差构建一个二等水准网,通过二等水准网中的桥上加密水准点平差CPⅢ高程网,其本质是利用高等级的桥上加密二等水准点控制较低等级的CPⅢ精密水准网。工程实践证明,前期构建的加密二等水准网建网合格后,CPⅢ精密水准平差基本能满足精度要求。但是,桥上二等水准贯通法建立CPⅢ高程网存在以下两个问题。

其一,是前期的加密二等水准网建网不满足精度要求怎么办？通过工程实践,出现这种问题的概率达到30%～40%(在发生地面沉降区域尤其是差异地面沉降区域此概率值会更高),造成这种问题的原因有多方面,最主要的两方面是桥下临时点与桥上加密点三角高程测量存在误差和桥下已知水准发生沉降,这就需要对以上两个方面进行外业检查,势必会造成外业工作量的增加,降低建网效率。

其二,是加密水准三角高程测量部分中人为因素和外界环境因素对其测量精度会有较大影响,实践证明,同一处三角高程测量不同时间进行外业数据采集其结果会有±3 mm的误差,这就很可能造成因桥下水准点发生沉降而产生的加密二等水准网不闭情况由三角高程测量误差抵消,造成假闭合现象,对工程质量造成安全隐患。

(2)桥下二等水准贯通法

桥下二等水准贯通法建立CPⅢ高程网同样也是前期先构建一个加密二等水准网,但是该加密二等水准网与桥上二等水准贯通法有实质不同。桥下二等水准贯通法加密二等水准网有两方面作用,其一,是通过桥下水准贯通检查桥下已知水准点的稳定性,直接判断出发生沉降的水准点,进行剔除或重新平差出其新高程,用于数据起算。其二,是求出桥下临时点二等水准高程,由三角高程测量推算出桥上加密点高程,进而用于CPⅢ高程平差。通过工程实践,利用桥下二等水准贯通法建立CPⅢ高程网的合格率达到95%以上,出现CPⅢ平差不闭合情况95%以上属于三角高程测量问题,只需对其进行外业检查即可。

4.3 测量效率

从上面的一段实测数据来看,桥上二等水准贯通法建立CPⅢ高程网采用1台仪器和2把因瓦标尺的标准配置完成一段5 km长CPⅢ高程建网需要耗时25 h。而采用1台仪器和4把因瓦标尺配置的桥下二等水准贯通法建立该段CPⅢ高程网仅需13 h,配置上仅增加了2把尺,效率却提高了近2倍,该比较是在两方法进行CPⅢ高程网建网一次性均合格的前提下统计出数据,在出现精度超限时,桥下二等水准贯通法的高效率则更为突出。

5 结束语

通过上述分析,桥下二等水准贯通法和桥上二等水准贯通法建立CPⅢ高程网,在测量精度方面二者基本一致。但是在质量控制和测量效率上,桥下二等水准贯通法更具有优势,尤其是在发生地面沉降区域段落,该方法更能高效、快捷地建立CPⅢ高程网,为后续无砟轨道施工提供高精度的控制基准。

根据多条高铁项目的实践经验,针对CPⅢ高程网的建立，总结出以下几点经验,供大家参考：

(1)加强仪器设备与标志件的检查,尤其是标尺零点差的检验。

(2)桥下临时上桥点可埋设与加密水准点同规格的预埋件,且安置于桥墩承台基础上。

(3)每一测段不同处三角高程测量,应尽量控制在观测环境条件变化小的较短时间内完成。

(4)对于区域沉降地段,仅可能一次性、长距离、短时间内完成CPⅢ高程网的建立。

[1]铁道部.中长期铁路网规划[Z].北京：铁道部,2008

[2]中铁二院工程集团有限责任公司.高速铁路工程测量规范[S].北京：中国铁道出版社,2009

[3]京广铁路客运专线河南有限责任公司.石武客运专线(河南段)CPⅢ轨道控制网测量技术方案[Z].郑州：河南公司,2010

[4]京石铁路客运专线有限责任公司.京石、石武(河北段)客运专线CPⅢ控制网测量作业指导书[Z].石家庄：京石公司,2010