楊志勇， 郭同鑫， 劉祥磊

(1.中國鐵路設計集團有限公司上海分公司， 上海 200063； 2.北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院， 北京 100044)

近年來，我國經(jīng)濟高速發(fā)展、國民生活水平大幅提高，使得民眾出行選擇軌道交通的需求日益增加。對出行的效率以及舒適度需求也大大增加，高速鐵路運輸業(yè)由此迅速發(fā)展。高速鐵路的運行速度較快，建設和運行標準較高，對線路有平順性、穩(wěn)定性的要求，一定量的軌道形變就會對列車運行的安全性與舒適性造成影響，嚴重時甚至會造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。尤其是新建的鐵路，還會有較明顯的沉降。因此高速鐵路的定期沿線形變監(jiān)測是維護既有鐵路運行安全的重要一環(huán)[1-3]。

鄭雪峰[4]以京滬高鐵工程為背景研究了鐵路工程精密控制測量的具體實施方案。李明軍[5]在高速鐵路控制測量現(xiàn)有研究的基礎上,為精密控制測量結合了無砟軌道工程測量技術、全球定位系統(tǒng)(GPS)測量等技術。劉家臣[6]利用長吉高鐵實測數(shù)據(jù)進行斜軸墨卡托投影及其投影精度的研究,驗證了斜軸墨卡托投影可以達到精密工程控制測量的高精度要求。張宇鋒[7]在高速鐵路建設實際過程中測試出高精度儀器和科學的技術方案能極大程度降低布網(wǎng)的誤差,進而使施工控制網(wǎng)滿足預期精度。雷毅[8]通過西安至成都客運專線的實測數(shù)據(jù),對精密工程平面控制測量與高程控制測量的精度進行了分析。張志偉等[9]分析研究高速鐵路精密工程控制測量精度,進一步提出高效的技術方案，完善了我國三維數(shù)字測量技術。本文以北京至沈陽鐵路客運專線(簡稱京沈客專)北京段精密工程測量為實例，采用精密工程測量技術開展京沈客專北京段精密工程測量平面控制網(wǎng)與高程控制網(wǎng)復測工作。

1 工程概況

京沈客專是我國“四縱四橫”客運專線主骨架的重要專線之一，京沈客專為東西走向，西起北京市，東至遼寧省沈陽市，沿線主要途徑的縣市有北京市順義區(qū)、懷柔區(qū)、密云區(qū)，河北省興隆縣、承德市、平泉市，遼寧省凌源市、朝陽市、北票市、阜新市、新民市、沈陽市等，全長共709 km，列車設計標準時速為350 km/h，因此對于地基平整度有著較高的要求[10]。為滿足京沈客專施工和運營需要，根據(jù)全線路基、橋梁、隧道等線下工程施工及無砟軌道施工對工程測量精度的要求，按照分級布網(wǎng)、逐級控制的原則，中國鐵路設計集團有限公司建立了京沈客專高精度的平面和高程控制網(wǎng)，目前共對該路段進行了20次復測。

2 精密工程控制測量技術方法

精密工程測量技術是高速鐵路施工、建設、運營、維護中不可或缺的關鍵技術之一[11]。精密工程測量控制網(wǎng)復測參照TB 10601—2009《高速鐵路工程測量規(guī)范》、GB/T 12897—2016《國家一、二等水準測量規(guī)范》《新建鐵路京沈客專精密工程控制測量技術方案(補充修改稿)》等規(guī)范嚴格執(zhí)行；京沈客專北京段精密工程控制20次測量的各個階段，選擇了不同的規(guī)范、規(guī)定，體現(xiàn)了京沈客專北京段根據(jù)工程具體應用、不斷完善發(fā)展測量技術的特點。

2.1 精密工程測量平面控制網(wǎng)技術

2.1.1 精密工程測量平面控制網(wǎng)工作內(nèi)容

中國鐵路設計集團有限公司于2014年5月建立了京沈客專高精度的全線基礎平面控制網(wǎng)(CPⅠ)(DK 65—終點)段線路平面控制網(wǎng)(CPⅡ)和全線高程控制網(wǎng)；于2014年11月建立了(DK 0—DK 65)段CPⅡ控制網(wǎng)；于2015年12月對北京段精密工程控制網(wǎng)進行了第1次復測；2017年7月對北京段精密工程控制網(wǎng)進行了第2次復測。本文以第3次復測工作為典型，介紹平面控制網(wǎng)復測的工作內(nèi)容，包括：

1)對北京段(星火站—DK 60)控制點樁位進行核查、補設。包括：對CPⅠ控制點進行點位核實；統(tǒng)計點位丟失破壞情況；根據(jù)施工的具體要求對原有控制點進行修復或補設。

2)嚴格按照規(guī)范的相關技術要求，對北京段控制網(wǎng)進行復測并進行資料整理工作。

2.1.2 分級布網(wǎng)與整體平差

高速鐵路對軌道形變的毫米級精度要求，可依據(jù)不同級別控制網(wǎng)實現(xiàn)。一次建成高等級控制網(wǎng)，會消耗巨額資金，也會造成精度的浪費，不能發(fā)揮其全部作用。在此情況下，應根據(jù)分級控制的原則，進一步構建起合理的測量控制網(wǎng)。

本次精密工程控制測量平面控制網(wǎng)按分級布網(wǎng)的原則，分三級布設，第一級為框架控制網(wǎng)CP 0，第二級為CPⅠ，第三級為CPⅡ。

CP 0框架控制網(wǎng)點按50 km左右設置1個，可采用滿足規(guī)范要求的CPⅠ控制樁，全線一次性布網(wǎng)，統(tǒng)一測量，統(tǒng)一平差，或利用國家A、B級GPS控制點。

CPⅠ級點(GPS 二等)最弱邊相對中誤差小于1/180 000，基線邊方向中誤差不大于1.3″，在鐵路設計中線兩側50～1 000 m，按不大于4 000 m間隔布設1個點。在長大隧道(>1 km)于隧道進出口處布設一對相互通視的CPⅠ點，每對點兩點間距800～1 000 m；在長大隧道輔助坑道處由施工單位在布設隧道獨立網(wǎng)時進行加密；在隧道進出口困難地區(qū)通視條件受限的情況下，每對點間距不宜小于600 m；為兼顧GPS網(wǎng)形，在實地條件允許時，CPⅠ可在鐵路中心線兩側錯開布點。

CPⅡ級點(三等)最弱邊相對中誤差小于1/100 000，基線邊方向中誤差不大于1.7″，在鐵路設計中線兩側50～200 m，最遠不超過200 m，按400～800 m間隔布設1個點。使用GPS觀測CPⅡ級點間距為600～800 m，要求前后至少有1個點與之通視，條件受限時可設方向點作為通視點；為兼顧GPS網(wǎng)形，在實地條件允許時，CPⅡ可在鐵路中心線兩側錯開布點,并必須考慮路基對通視的影響。當CPⅠ點位滿足CPⅡ點位要求時，CPⅡ點可與CPⅠ共點。采用全站儀測量CPⅡ時，按三等導線要求施測，各級平面控制布網(wǎng)要求見表1。

表1 各級平面控制網(wǎng)布網(wǎng)要求

CPⅠ解算采用原始觀測文件轉換為RINEX文件，并對點號、天線量高方式、天線高復核后，采用廣播星歷和商用軟件LGO進行基線解算。數(shù)據(jù)預處理后基線質量不符合要求或環(huán)閉合差超限的均進行了補測，環(huán)閉合差與無約束平差指標通過后進行約束平差，平差后各項指標均滿足，滿足要求后CPⅠ以聯(lián)測的國家A/B級控制點為起算點整網(wǎng)平差計算。

CPⅡ以聯(lián)測的CPⅠ為起算數(shù)據(jù)進行分段約束平差，CPⅠ、CPⅡ整網(wǎng)計算重復基線較差、獨立環(huán)閉合差、無約束平差基線向量改正數(shù)、約束平差相鄰點的相對點位中誤差、基線邊方向中誤差、最弱邊相對中誤差均滿足規(guī)范要求。

2.1.3 獨立坐標系

表2 工程獨立坐標系

17個工程獨立坐標系均采用2 000國家大地坐標系橢球參數(shù)，與定測階段采用的橢球參數(shù)一致。坐標系統(tǒng)的分界處布設GPS點對，并提供2套坐標系的成果。為了滿足規(guī)劃和利用其他測量部門的成果，各段的施工工程坐標系引入1954年北京坐標系，并將控制點成果提供設計專業(yè)使用。

2.1.4 測量結果分析

根據(jù)測區(qū)內(nèi)CPⅠ共觀測22個點，含聯(lián)測國家A/B級衛(wèi)星定位點2個，新埋點5個，利用CPⅡ點1個，有4個點坐標進行了更新。CPⅡ共觀測120個點，含CPⅠ點20個，新埋點37個，有32個點坐標進行了更新。根據(jù)現(xiàn)場踏勘調(diào)研對該平面控制網(wǎng)5個被破壞CPⅠ控制點、37個被破壞CPⅡ控制點全部進行了補設。經(jīng)過統(tǒng)計，全網(wǎng)CPⅠ控制點既有在用成果和復測成果坐標差有4處超限點。相鄰點坐標差之差的相對精度無超限段落。進行綜合對比判斷，部分控制點既有在用成果和復測成果坐標差超限，經(jīng)過整體分析，超限點基本位于沉降漏斗區(qū)內(nèi)，受沉降影響較大。全網(wǎng)CPⅡ控制點既有在用成果和復測成果坐標差的超限點共有26個，占總點數(shù)(102個)的25.5%。相鄰點坐標差之差的相對精度超限段落共有40段，占總段落(102段)的39.2%。經(jīng)過整體分析，部分超限控制點坐標差較小并且復測與上次成果距離差值小于15 mm，其精度受距離長度影響明顯；經(jīng)過與高程成果對比來看，CPⅡ超限也多位于北京漏斗沉降嚴重區(qū)域，受沉降影響嚴重。因此考慮到施工資料的前后階段平順銜接，CPⅠ總共調(diào)整4個控制點成果，對被破壞或觀測條件喪失的CPⅠ點重新進行埋點測設。CPⅡ點對本次復測中坐標差超限的控制點均進行坐標調(diào)整，對相鄰點坐標差之差的相對精度超限且距離差值大于15 mm的控制點進行坐標調(diào)整，本次復測CPⅡ測量共有32個點需要調(diào)整坐標，新補設CPⅡ點37個，采用同精度內(nèi)插法計算坐標。CPⅠ、CPⅡ部分超限，復測成果對比結果見表3。

表3 2次復測結果解算成果對比

本次復測方法合理、成果準確，成果可供勘測設計、建設施工、運營管理等方面應用，也可供研究參考。同時對丟失、破壞或受干擾不能測量的控制點進行了移設或補設，并對新設點進行同等級的測量，保證了控制網(wǎng)的完整性。對受外界干擾、原測與復測不符等造成成果超限的控制點進行了分析，并修正了部分控制點的成果資料，CPⅡ平面控制網(wǎng)布設如圖1所示。

2.2 精密工程測量高程控制網(wǎng)技術

2.2.1 精密工程測量高程控制網(wǎng)工作內(nèi)容

以京沈客專精密工程控制測量高程網(wǎng)第20次復測為例，介紹復測的工作內(nèi)容包括：

1)對該段水準點樁位進行核查、補設。包括：對深埋水準點和線路水準基點進行點位核實；統(tǒng)計點位丟失破壞情況；根據(jù)施工的具體要求對原有高程網(wǎng)水準點進行修復或補設。

盡管“道”是多義的，但其中有一條主線，即首先將“道”作為“物”，指一種特殊的存在體。它存在于形上領域，由其運動或者說在展開存在的過程中開出了天然現(xiàn)象之“物”。規(guī)律、準則或典范都是由這層含義的“道”延伸出來的。

2)按規(guī)范相關技術要求，對北京段二等水準高程控制網(wǎng)進行復測并進行資料整理工作。

本次復測的總體原則是：同網(wǎng)形、同精度復測。復測時對遭破壞的水準點采取以下措施：

第一，如果相鄰水準點間距滿足小于2 km的要求，則跳過丟失、破壞的水準點直接聯(lián)測下一個水準點。

第二 ，如果相鄰水準點間距不滿足小于2 km的要求，利用附近穩(wěn)定的CPⅠ、CPⅡ控制點作為水準點或重新埋設水準點。

第三，無法滿足以上2種情況時，對遭破壞、丟失的點按照建網(wǎng)水準基點標準進行選點、埋標和測量。

第四，分析并統(tǒng)計水準點高程變化情況，更新變化水準點的高程成果，保證京沈客專精密工程控制測量高程網(wǎng)的完整性與現(xiàn)勢性。

實際完成二等水準測量往返223.45 km，聯(lián)測國家水準點2個，聯(lián)測深埋水準點4個，二等水準點31個。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，利用電子水準儀隨機軟件進行數(shù)據(jù)傳輸和預處理。首級水準網(wǎng)按照國家二等水準測量指標計算，以聯(lián)測的基巖點和一等國家水準點為起算點，進行整體嚴密平差計算，采用科傻平差軟件進行水準網(wǎng)平差計算，并使用清華山維NASEW智能圖文網(wǎng)平差軟件包等專業(yè)平差軟件進行核算。高程成果保留到0.1 mm。

(1)

式中：MΔ為高差偶然中誤差，Δ為水準路線測段往返高差不符值，L為水準測段長度，單位km，n為往返測得水準路線測段數(shù)。

表4 第20次復測高差數(shù)據(jù)對比

2.2.3 沉降結果分析

通過數(shù)據(jù)對比研究沉降較大的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)此次沉降較大的區(qū)段在第19次復測數(shù)據(jù)中也發(fā)生沉降，因此本文用更多的數(shù)據(jù)驗證該段落沉降規(guī)律與推論，對京沈客專北京段相關區(qū)域高程網(wǎng)國家水準點、深埋水準點建網(wǎng)高差和歷次復測高差進行了統(tǒng)計，部分數(shù)據(jù)見表5。通過分析起算點的穩(wěn)定情況，考慮施工銜接問題，采用穩(wěn)定的I京通2和第18次更新后的SMBM 1004作為起算點，對本段落水準點的穩(wěn)定性進行整體平差分析，分析結果如圖3所示。

表5 建網(wǎng)高差和歷次復測高差

由圖3可見，從起點至DK 50段落水準點沉降嚴重，經(jīng)過分析，本段落處于沉降漏斗區(qū)內(nèi),本次測量沉降趨勢與所調(diào)查的沉降趨勢大體一致，2013年京沈沿線地面沉降速率如圖4所示。

3 結論

1)為滿足京沈客專運營維護需要，根據(jù)相關工程測量精度的要求，對已建立的京沈客專精密工程平面控制網(wǎng)進行了3次復測，水準網(wǎng)進行了20次復測工作。核查北京段(星火站—DK 60)控制點樁位與水準點樁位，并對受損樁位進行增補與資料更新。同時全面總結了精密工程測量技術在運營中的綜合應用，結果顯示漏斗沉降區(qū)的劇烈沉降活動造成部分平面控制點與水準點精度下降，復測結果超限，部分點位被破壞。因此提出應重點關注漏斗沉降區(qū)域，在規(guī)定的復測周期基礎上，必要時提高監(jiān)測頻率，縮短復測周期。本文應用精密工程控制測量技術進行復測，研究區(qū)域途經(jīng)漏斗沉降區(qū)，通過分析沉降對平面控制測量與水準測量的影響起到指導復測工作的重要作用與意義，對類似工程應用有重要實用價值。

2)精密工程控制測量平面控制網(wǎng)分級布網(wǎng)，整體平差，建立了邊長投影變形值不大于10 mm/km 的工程獨立坐標系統(tǒng)。在國家A/B級衛(wèi)星定位點的基礎上，同網(wǎng)形、同精度復測CPⅠ平面控制網(wǎng)，復測時對丟失、破壞的控制點按原網(wǎng)同精度擴展補設，使全線控制網(wǎng)保持完整性、現(xiàn)勢性。結果表明，部分超限結果的精度受距離長度影響明顯；超限也多位于北京漏斗沉降嚴重區(qū)域，受沉降影響嚴重；且部分點位被破壞。因此對相關控制點進行了移設或補設，保證控制網(wǎng)的完整性，并對部分控制點修正了成果資料。

3)高程控制網(wǎng)復測利用附近穩(wěn)定的CPⅠ、CPⅡ控制點作為水準分析并統(tǒng)計水準點高程變化情況，更新變化水準點的高程成果。保證京沈客專精密工程控制測量高程網(wǎng)的完整性與現(xiàn)勢性。通過第20次二等水準測量數(shù)據(jù)與歷史復測數(shù)據(jù)對比得到重點關注區(qū)域沉降趨勢，結果與《京沈客專北京段(星火站—DK 60)地裂縫、地面沉降專項勘察報告》中所調(diào)查的沉降趨勢大體一致。研究區(qū)域位于沉降漏斗區(qū)，沉降嚴重，最大沉降達到-117.77 mm。該區(qū)域年沉降量較大，為保證專線鐵路運營安全，因此建議建設單位組織施工單位對區(qū)域沉降段落進行相關工程加強檢測工作。

4)對部分平面控制網(wǎng)與高程控制網(wǎng)成果資料進行分析得出，漏斗沉降區(qū)劇烈沉降與測量標志被破壞相關聯(lián)，因此建議建設及施工單位應采取一定的措施，加強精密工程控制測量標志的定期監(jiān)測與保護工作，應重點關注漏斗沉降區(qū)域，在規(guī)定的復測周期基礎上，必要時提高監(jiān)測頻率，縮短復測周期。

本文論述精密工程控制測量技術在復測中的應用，采用符合工程實際的線路水準基點控制網(wǎng)平差方案、合理利用CPⅠ、CPⅡ并總結經(jīng)驗，是合理利用精密工程控制測量技術的成功案例。項目研究了劇烈沉降問題對精密工程控制測量復測過程中實際應用的影響并提出整改建議，可供類似項目借鑒。