周東衛(wèi)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，專門服務(wù)于相鄰城市間或城市群、旅客列車設(shè)計(jì)速度200 km/h及以下的快速、便捷、高密度客運(yùn)專線鐵路——城際鐵路得到快速發(fā)展[1]。與高速鐵路相比，城際鐵路具有建筑限界小、曲線半徑小(困難條件2 000 m，一般條件2 200 m)、采用無砟或有砟軌道結(jié)構(gòu)型式、地下段落大多采用φ8.5 m單線盾構(gòu)隧道、地下段落作業(yè)空間狹小、現(xiàn)場(chǎng)施工條件復(fù)雜、地上地下聯(lián)測(cè)條件困難及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作受施工干擾大等特點(diǎn)。由于城際鐵路的上述特點(diǎn)，要求必須建立一套與之相適應(yīng)的、能滿足其勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)各個(gè)階段要求且完整、高效、高精度的精密工程測(cè)量技術(shù)體系[2-4]。城際鐵路精密工程測(cè)量技術(shù)體系已成為城際鐵路建設(shè)成套技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，在城際鐵路勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)中起到?jīng)Q定性的作用。以下對(duì)新建廣佛環(huán)線(佛山西至廣州南站段)城際鐵路(以下簡(jiǎn)稱“廣佛環(huán)城際鐵路”)精密工程測(cè)量技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)的建立方法和特點(diǎn)進(jìn)行論述。

1 工程概況

廣佛環(huán)城際鐵路連接廣州市和佛山市，線路起于佛山西站城際場(chǎng)東端，經(jīng)羅村、張槎、東平新城、北滘、陳村，在客專廣州南站東廣場(chǎng)地下設(shè)城際廣州南車站，與佛莞線連接。廣佛環(huán)城際鐵路施工條件非常復(fù)雜，線路自2013年9月開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2022年正式通車運(yùn)營(yíng)，施工建設(shè)歷時(shí)超過8年。

廣佛環(huán)城際鐵路速度目標(biāo)值為200 km/h，全線采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，一次性鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路。線路穿越經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的珠三角地區(qū)，測(cè)區(qū)高樓林立、交通發(fā)達(dá)(立交橋、高架橋較多)、水網(wǎng)密布，正線長(zhǎng)35.230 km，佛山市境內(nèi)31.101 km，廣州市境內(nèi)3.900 km。全線地下段長(zhǎng)18.238 km，高架段長(zhǎng)14.228 km，路基段長(zhǎng)2.535 km。高架段和地下段總長(zhǎng)32.466 km，占線路總長(zhǎng)的92.76%。其中，沙堤隧道、陳村二號(hào)隧道采用單線盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)直徑8.5 m。全線設(shè)5座車站，其中，3座地下站(東平新城、陳村和廣州南站)，2座高架站(張槎車站和北滘車站)，平均站間距7.320 km，最大站間距為佛山西站至張槎站10.848 km，最小站間距為陳村站至廣州南站4.505 km。廣州南站為全線最大的地下車站，正線長(zhǎng)1.195 km，為四線并行[5]。

2 廣佛環(huán)城際鐵路精密工程測(cè)量技術(shù)體系的建立及特點(diǎn)

2.1 建立“三網(wǎng)合一”精密工程測(cè)量技術(shù)體系

廣佛環(huán)城際鐵路從最初勘察設(shè)計(jì)到正式開通運(yùn)營(yíng)時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá)十余年，平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)需同時(shí)滿足勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)各階段的工作要求，以確保軌道空間幾何形位的一致性、高平順性和精確的幾何線形參數(shù)[6]。因此，全線在勘察設(shè)計(jì)階段建立了完整、統(tǒng)一的平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)，并應(yīng)用于施工建設(shè)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)過程中，且在其全生命周期進(jìn)行持續(xù)性維護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)了勘察設(shè)計(jì)控制網(wǎng)、施工建設(shè)控制網(wǎng)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)控制網(wǎng)“三網(wǎng)合一”。

全線平面坐標(biāo)系統(tǒng)通過與沿線國(guó)家1980西安坐標(biāo)系三角點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，采用一點(diǎn)一方向的約束平差方法[9]，建立基于1980西安坐標(biāo)系基本橢球參數(shù)、滿足邊長(zhǎng)投影變形值≤10 mm/km的高斯窄帶任意中央子午線和抵償高程面的工程獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，全線高程系統(tǒng)通過與沿線國(guó)家一等水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)貫通，統(tǒng)一納入1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，后續(xù)線下工程施工、線上無砟軌道鋪設(shè)及運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修均采用勘察設(shè)計(jì)階段建立的平面坐標(biāo)和高程系統(tǒng)，確保了各階段平面坐標(biāo)和高程系統(tǒng)起算基準(zhǔn)的統(tǒng)一。

廣佛環(huán)城際鐵路全線采用分級(jí)布網(wǎng)、逐級(jí)控制的原則，按照時(shí)速250～300 km高速鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[10]，建立了帶狀平面和高程精密工程測(cè)量控制網(wǎng)。其中，CPⅠ基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)按照鐵路二等GNSS測(cè)量要求施測(cè)，起閉于選定的國(guó)家三角點(diǎn)及選定的起算方位角；CPⅡ線路平面控制網(wǎng)地面段落按照鐵路三等GNSS測(cè)量要求施測(cè)，地下段落采用自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)測(cè)量技術(shù)，按照TB10101—2018《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中“城際鐵路、無砟、V=200 km/h”CPⅡ等級(jí)測(cè)量要求測(cè)設(shè)，起閉于CPⅠ基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)及其加密控制網(wǎng)；CPⅢ軌道控制網(wǎng)采用自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)測(cè)量技術(shù)，按照TB10101—2018《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中“城際鐵路、無砟、V=200 km/h”CPⅢ等級(jí)平面測(cè)量要求測(cè)設(shè)，起閉于線上或地下CPⅡ加密控制網(wǎng)。高程控制網(wǎng)按照GB12897—2006《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》中國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求施測(cè)[11]；CPⅢ高程控制網(wǎng)采用差分法自由測(cè)站三角高程測(cè)量技術(shù)，按照TB10101—2018《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中“城際鐵路、無砟、V=200 km/h”CPⅢ自由測(cè)站三角高程等級(jí)及CPⅢ等級(jí)高程測(cè)量要求測(cè)設(shè)，起閉于線路二等水準(zhǔn)基點(diǎn)網(wǎng)及其線上或地下加密高程控制網(wǎng)。

廣佛環(huán)城際鐵路通過上述各等級(jí)平面和高程精密測(cè)量控制網(wǎng)設(shè)計(jì)和實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)各階段平面和高程系統(tǒng)統(tǒng)一、起算基準(zhǔn)統(tǒng)一、測(cè)量精度協(xié)調(diào)統(tǒng)一，建立了 “三網(wǎng)合一”的精密工程測(cè)量技術(shù)體系。

2.2 低緯度、城市地區(qū)GNSS衛(wèi)星定位測(cè)量

廣佛環(huán)城際鐵路所在測(cè)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，高樓林立，水網(wǎng)遍布，大部分地區(qū)GNSS觀測(cè)條件較差，有些地區(qū)甚至無法滿足高精度衛(wèi)星定位的觀測(cè)條件，這對(duì)于CPⅠ、CPⅡ點(diǎn)位的選擇、GNSS觀測(cè)和基線數(shù)據(jù)處理都提出較高要求。此外，低緯度地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)，氣溫相對(duì)較高，水蒸氣含量較高，對(duì)流層的高度較高，大氣活動(dòng)也較為頻繁，空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)顯著，對(duì)流層延遲誤差較大；另外，低緯度地區(qū)電離層活動(dòng)劇烈，衛(wèi)星信號(hào)在穿過這層空間時(shí)，會(huì)發(fā)生折射、反射和散射而最終導(dǎo)致信號(hào)延遲或者相位超前，產(chǎn)生電離層折射誤差，導(dǎo)致GNSS觀測(cè)在不同時(shí)段誤差較大，數(shù)據(jù)處理較為困難[12-13]。

廣佛環(huán)城際鐵路通過在GNSS選點(diǎn)、觀測(cè)和基線數(shù)據(jù)處理各環(huán)節(jié)采取一定的措施，有效解決了在低緯度地區(qū)、城市區(qū)域衛(wèi)星定位精度及可靠性較低的難題，主要方案和措施如下。

(1)在建筑物密集城區(qū)，CPⅠ、CPⅡ控制點(diǎn)優(yōu)先在高大、穩(wěn)定建筑物頂面設(shè)置標(biāo)石，同時(shí)考慮避開大面積水域和城市玻璃幕墻等高反射物體，避免多路徑效應(yīng)影響，確保滿足點(diǎn)位穩(wěn)定和良好的GNSS觀測(cè)條件。

(2)根據(jù)測(cè)區(qū)具體情況選擇合適的觀測(cè)時(shí)段和觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)。項(xiàng)目測(cè)區(qū)位于低緯度和城市地區(qū)，電離層與對(duì)流層延遲誤差是影響GNSS測(cè)量準(zhǔn)確度的主要因素，通過制定專門的GNSS觀測(cè)方案，解決精密測(cè)量控制網(wǎng)在低緯度、建筑物密集地區(qū)精度和可靠性差的問題。每期次觀測(cè)事前進(jìn)行星歷預(yù)報(bào)，同時(shí)根據(jù)前兩天測(cè)量數(shù)據(jù)的解算精度及出現(xiàn)的具體情況調(diào)整觀測(cè)時(shí)間，確定最佳觀測(cè)時(shí)段和觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)，以保證觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。通過觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在低緯度地區(qū)夜間時(shí)段觀測(cè)條件良好，基線解算精度較高，重復(fù)基線、同步環(huán)及異步環(huán)閉合差均相對(duì)較小。

(3)基線解算時(shí)選取合適的高度角?；€解算過程中通常按照15°高度角進(jìn)行解算，但考慮到城區(qū)GNSS觀測(cè)情況，當(dāng)測(cè)區(qū)一側(cè)的衛(wèi)星被遮擋時(shí)，適當(dāng)增大截止高度角可使觀測(cè)衛(wèi)星的分布較為對(duì)稱，也有助于減少多路徑誤差及大氣延遲誤差的影響，使得基線解算時(shí)RMS值最小，Ratio值最大；反之，當(dāng)測(cè)站周圍較為開闊、15°以上無大片障礙物時(shí)，截止高度角取15°效果較好。實(shí)際解算過程中截止高度角根據(jù)測(cè)站周圍的地形、觀測(cè)條件而定。

(4)削弱電離層、對(duì)流層延遲誤差對(duì)基線解算的影響[14]。通過在GNSS基線解算時(shí)利用同一類型不同頻率的觀測(cè)值進(jìn)行組合，綜合解算模糊度、消除或者削弱電離層延遲誤差對(duì)無線電幾何測(cè)距的影響；通過在GNSS基線解算時(shí)剔除低高度角衛(wèi)星、根據(jù)測(cè)區(qū)情況，選擇適當(dāng)?shù)臍庀髤?shù)以及選擇合適的映射函數(shù)模型和干濕延遲映射函數(shù)模型，來提高對(duì)流層延遲誤差模型的準(zhǔn)確度，從而實(shí)現(xiàn)GNSS基線解算的高精度和高可靠性。

廣佛環(huán)城際鐵路通過專門制定針對(duì)低緯度、城市峽谷地區(qū)的GNSS選點(diǎn)、衛(wèi)星定位測(cè)量外業(yè)觀測(cè)和基線數(shù)據(jù)處理方案，解決了精密測(cè)量控制網(wǎng)在低緯度地區(qū)、高樓林立城市區(qū)域衛(wèi)星定位精度及可靠性差的問題。

2.3 采用自由測(cè)站邊角交會(huì)測(cè)量技術(shù)建立地下段落CPⅡ控制網(wǎng)

廣佛環(huán)城際鐵路全線地下段落較多，地下段落大多采用φ8.5 m的單線盾構(gòu)隧道。該隧道受施工前期隧底回填、電纜槽施工未完成等影響，隧道洞內(nèi)CPⅡ控制點(diǎn)在施工前期無法布設(shè)于穩(wěn)定位置，加之隧道截面較小，角度測(cè)量受旁折光影響較大，無法采用常規(guī)導(dǎo)線測(cè)量方法建立隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)。因此，如何在CPⅠ基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)及其加密控制網(wǎng)基礎(chǔ)上建立滿足無砟軌道鋪設(shè)精度要求的隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)是本項(xiàng)目的一個(gè)難點(diǎn)。

廣佛環(huán)城際鐵路在CPⅡ線路控制網(wǎng)測(cè)量過程中，采用自由測(cè)站邊角交會(huì)測(cè)量技術(shù)[15-16]，建立地下段落CPⅡ控制網(wǎng)，地下段落CPⅡ控制網(wǎng)采用自由測(cè)站邊角交會(huì)法有別于常規(guī)導(dǎo)線測(cè)量方法，與導(dǎo)線法相比具有以下優(yōu)勢(shì)。

(1)在洞外CPⅠ及其加密網(wǎng)基礎(chǔ)上建立隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)，常規(guī)做法是采用交叉導(dǎo)線網(wǎng)方法，控制點(diǎn)成對(duì)布設(shè)在靠近隧道雙側(cè)壁附近的水溝電纜槽上，線路左右側(cè)各點(diǎn)都需架設(shè)全站儀和棱鏡進(jìn)行對(duì)向邊觀測(cè)，存在的設(shè)站點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)對(duì)中誤差對(duì)導(dǎo)線網(wǎng)精度影響較大；廣佛環(huán)城際鐵路地下段落均采用自由測(cè)站邊角交會(huì)法進(jìn)行測(cè)量，CPⅡ點(diǎn)位布設(shè)在隧道二襯雙側(cè)壁上，點(diǎn)位采用強(qiáng)制對(duì)中方式且與CPⅢ點(diǎn)位共樁，觀測(cè)過程中沒有全站儀對(duì)中誤差，也沒有目標(biāo)對(duì)中誤差，誤差源的減少使得CPⅡ控制網(wǎng)各項(xiàng)主要精度指標(biāo)顯著提高。

(2)交叉導(dǎo)線網(wǎng)控制點(diǎn)靠近隧道側(cè)壁，且只能在控制點(diǎn)位上設(shè)站、目標(biāo)點(diǎn)位上安裝棱鏡進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)視線靠近隧道雙側(cè)壁不但易被遮擋，且由于隧道盾構(gòu)截面較小，旁折光對(duì)角度測(cè)量影響顯著，將導(dǎo)致誤差累積引起的洞內(nèi)控制網(wǎng)橫向偏差不可忽視；自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)采用自由測(cè)站方式對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)站位置選擇靈活多變，旁折光影響基本消除，且無需對(duì)向觀測(cè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)精度和作業(yè)效率大大提高。

(3)自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)網(wǎng)形規(guī)則對(duì)稱，網(wǎng)中各控制點(diǎn)的點(diǎn)位精度均勻、圖形強(qiáng)度和可靠性較高；而導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)中各控制點(diǎn)因布設(shè)間距、位置和網(wǎng)形等因素影響，各點(diǎn)位精度差異較大，圖形強(qiáng)度和可靠性較低。洞內(nèi) CPⅡ自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)觀測(cè)網(wǎng)形如圖1所示。從圖1可以看出，每個(gè)洞內(nèi) CPⅡ控制點(diǎn)有 4個(gè)測(cè)站的方向和距離觀測(cè)值，每一測(cè)站觀測(cè) 8 個(gè)控制點(diǎn)，多余觀測(cè)數(shù)多，可靠性強(qiáng)；而導(dǎo)線網(wǎng)的多余觀測(cè)數(shù)與自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)相比還是偏少，可靠性相對(duì)較低。因此，本項(xiàng)目采用自由測(cè)站邊角交會(huì)測(cè)量技術(shù)建立地下段落CPⅡ控制網(wǎng)。為使洞內(nèi)CPⅡ所控制的線路中線與隧道施工洞內(nèi)導(dǎo)線控制的線路中線保持一致，洞內(nèi)CPⅡ?qū)Ь€測(cè)量過程中還與隧道洞內(nèi)施工控制導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行了聯(lián)測(cè)(網(wǎng)形見圖1)，將滿足CPⅡ控制精度的洞內(nèi)施工導(dǎo)線控制點(diǎn)或由其構(gòu)成的方位角作為約束點(diǎn)或約束方位角參與隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)約束平差[7]，有效避免了由于不同施工階段控制測(cè)量精度不匹配，而使得洞內(nèi)CPⅡ網(wǎng)確定的線路鋪軌中線與洞內(nèi)施工導(dǎo)線確定的隧道貫通中線產(chǎn)生不一致的情況出現(xiàn)，在滿足無砟軌道鋪設(shè)平順性要求的同時(shí)，也盡可能地解決隧道建筑限界可能侵界的問題。

圖1 洞內(nèi)CPⅡ自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)觀測(cè)網(wǎng)形示意

廣佛環(huán)城際鐵路完成了城市地下段落長(zhǎng)大單線盾構(gòu)隧道貫通后的洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)測(cè)量，并在制定測(cè)量方案時(shí)采用了自由測(cè)站邊角交會(huì)新技術(shù)手段建立地下段落CPⅡ控制網(wǎng)，新方法克服了傳統(tǒng)導(dǎo)線測(cè)量方法在單線盾構(gòu)隧道中現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)位布設(shè)、觀測(cè)困難，對(duì)中誤差大，大氣旁折光影響大，控制網(wǎng)精度不均勻，多余觀測(cè)數(shù)少和作業(yè)效率低等問題，顯著提高了控制網(wǎng)精度、可靠性和作業(yè)效率，測(cè)量成果較好地滿足了隧道建筑限界和無砟軌道鋪設(shè)平順性的要求。

2.4 采用懸吊鋼絲與自由測(cè)站邊角交會(huì)相結(jié)合的方法進(jìn)行豎井聯(lián)系測(cè)量

廣州南站為四線并行地下車站，正線長(zhǎng)1.195 km，線間有中隔墻分開，車站大里程端僅有豎井輔助通道可供地面與地下進(jìn)行豎井聯(lián)系測(cè)量，復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境給測(cè)量作業(yè)(選點(diǎn)、通視)帶來了極大的困難，地面與地下聯(lián)測(cè)無法采用傳統(tǒng)的導(dǎo)線方法進(jìn)行邊角聯(lián)系測(cè)量。因此，如何建立高精度的地下段落洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)是本項(xiàng)目面臨的又一個(gè)難點(diǎn)。

考慮地面與地下聯(lián)系測(cè)量無法采用傳統(tǒng)導(dǎo)線測(cè)量方法，為保證廣州南站無砟軌道的順利鋪設(shè)，經(jīng)過詳細(xì)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，確定廣州南站小里程端(DK35+000)與陳村2號(hào)隧道出口端的已測(cè)設(shè)洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)進(jìn)行銜接，大里程端(DK36+450)采用懸吊鋼絲與自由測(cè)站邊角交會(huì)相結(jié)合的豎井聯(lián)系測(cè)量方法納入地下車站CPⅡ控制網(wǎng)，為地下車站道岔及無砟軌道鋪設(shè)提供準(zhǔn)確可靠的控制基準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方法如圖2所示。從圖2可以看出，以1、2號(hào)井井上設(shè)站點(diǎn)和后視點(diǎn)為起算點(diǎn)，通過極坐標(biāo)方法可計(jì)算出1、2號(hào)井的兩根鋼絲坐標(biāo)，兩次獨(dú)立測(cè)量坐標(biāo)較差均不超過±1 mm(表1)，最終坐標(biāo)采用兩次測(cè)量的平均值作為地下車站CPⅡ控制網(wǎng)的起算點(diǎn)。廣州南站洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)平差前方位角閉合差和約束平差后各項(xiàng)精度指標(biāo)滿足規(guī)范要求(表2、表3)，且以CPⅡ控制網(wǎng)作為起算點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)軌道控制網(wǎng)CPⅢ平差后，廣州南站四線CPⅢ控制網(wǎng)各項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，表明此方法合理可行。

圖2 自由測(cè)站結(jié)合懸吊鋼絲法進(jìn)行豎井聯(lián)系測(cè)量方法示意

表1 豎井鋼絲點(diǎn)兩次測(cè)量坐標(biāo)對(duì)比

表2 洞內(nèi)CPⅡ自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)方位角閉合差統(tǒng)計(jì)

表3 洞內(nèi)CPⅡ自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)約束平差技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

在廣佛環(huán)城際鐵路廣州南站四線并行車站內(nèi)地面、地下控制測(cè)量中，由于受限于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量空間和復(fù)雜的施工環(huán)境，利用現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留的豎井輔助通道，采用懸吊鋼絲與自由測(cè)站邊角交會(huì)相結(jié)合的方法進(jìn)行地面與地下控制網(wǎng)的聯(lián)系測(cè)量，為地下車站道岔及無砟軌道施工提供準(zhǔn)確可靠的控制基準(zhǔn)。

2.5 采用差分法自由測(cè)站三角高程測(cè)量技術(shù)建立洞內(nèi)CPⅢ高程控制網(wǎng)

廣佛環(huán)城際鐵路盾構(gòu)隧道截面較小，CPⅢ軌道控制網(wǎng)一般在隧底回填和電纜槽施工完成之前就需要建立，此時(shí)在CPⅢ控制點(diǎn)上安置水準(zhǔn)尺極為困難。因此，一般情況下洞內(nèi)CPⅢ高程網(wǎng)無法采用精密水準(zhǔn)測(cè)量的矩形環(huán)法進(jìn)行測(cè)量建立，故廣佛環(huán)城際鐵路全線地下段落采用自由測(cè)站三角高程測(cè)量與CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量合并、基于差分法構(gòu)建CPⅢ自由測(cè)站三角高程網(wǎng)的技術(shù)方法建立CPⅢ高程控制網(wǎng)。其基本原理為[17-20]：考慮到CPⅢ平面網(wǎng)中的斜距和豎直角觀測(cè)值可按照三角高程測(cè)量的原理計(jì)算出自由測(cè)站點(diǎn)與CPⅢ點(diǎn)之間的高差，進(jìn)而計(jì)算出各相鄰CPⅢ點(diǎn)之間的高差并將其按矩形環(huán)網(wǎng)的形式進(jìn)行合并組成CPⅢ三角高程網(wǎng)；依據(jù)誤差傳播定律對(duì)形成的間接高差與直接觀測(cè)量的關(guān)系進(jìn)行定權(quán)，根據(jù)觀測(cè)值及其權(quán)重建立函數(shù)模型，通過建立隨機(jī)模型、采用間接平差方法計(jì)算出CPⅢ控制點(diǎn)高程的最優(yōu)估值，并對(duì)平差后的各高程值及觀測(cè)量進(jìn)行精度評(píng)定。根據(jù)一個(gè)自由測(cè)站的觀測(cè)值可計(jì)算出相鄰CPⅢ點(diǎn)間的三角高差，如圖3所示，多個(gè)自由測(cè)站形成的CPⅢ三角高程網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系如圖4所示。

圖3 單個(gè)測(cè)站形成的CPⅢ三角高程網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?/p>

圖4 多個(gè)測(cè)站形成的CPⅢ三角高程網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?/p>

在廣佛環(huán)城際鐵路全線地下段落中應(yīng)用CPⅢ自由測(cè)站三角高程網(wǎng)測(cè)量技術(shù)具有以下特點(diǎn)。

(1)經(jīng)全線應(yīng)用檢驗(yàn)，CPⅢ自由測(cè)站三角高程網(wǎng)各項(xiàng)精度指標(biāo)、現(xiàn)場(chǎng)自由設(shè)站精度指標(biāo)以及軌道連續(xù)精密測(cè)量精度指標(biāo)均較好地滿足了規(guī)范要求和現(xiàn)場(chǎng)無砟軌道施工要求，說明此種技術(shù)方法能適用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的測(cè)量條件，解決了現(xiàn)場(chǎng)精密水準(zhǔn)測(cè)量無法實(shí)施的難題。

(2)CPⅢ自由測(cè)站三角高程網(wǎng)中的每個(gè)CPⅢ點(diǎn)經(jīng)過獨(dú)立3個(gè)測(cè)站對(duì)其進(jìn)行方向和距離交會(huì)，多余觀測(cè)值較多，檢核條件增多，發(fā)現(xiàn)粗差能力提高，測(cè)量成果的可靠性提高。

(3)隧道內(nèi)穩(wěn)定的氣象條件有利于保證三角高程的測(cè)量精度，現(xiàn)場(chǎng)采用高精度智能型全站儀，完全實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)照準(zhǔn)、多測(cè)回盤左盤右自動(dòng)觀測(cè)，較好地削弱了豎盤指標(biāo)差互差的影響，提高了豎直角測(cè)量精度，從而有效地提高了自由測(cè)站三角高程網(wǎng)的精度。

(4)采用CPⅢ平面網(wǎng)測(cè)量的觀測(cè)量數(shù)據(jù)、基于差分法構(gòu)建CPⅢ自由測(cè)站三角高程網(wǎng)并進(jìn)行嚴(yán)密平差計(jì)算均為內(nèi)業(yè)工作，無需再進(jìn)行精密水準(zhǔn)測(cè)量外業(yè)工作，極大地提高了工作效率、降低了生產(chǎn)成本，減少了CPⅢ建網(wǎng)周期，對(duì)于在復(fù)雜地段無法采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法建立CPⅢ高程網(wǎng)的工程項(xiàng)目具有非常重要的指導(dǎo)意義。

廣佛環(huán)城際鐵路中利用CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量采集的觀測(cè)數(shù)據(jù)、采用差分法自由測(cè)站三角高程測(cè)量技術(shù)建立CPⅢ高程控制網(wǎng)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明精度和可靠性完全滿足CPⅢ高程控制網(wǎng)的要求，且無需再進(jìn)行幾何水準(zhǔn)測(cè)量，降低成本的同時(shí)極大地縮短了建網(wǎng)時(shí)間，確保了無砟軌道鋪設(shè)和長(zhǎng)軌精調(diào)工作按期順利開展。

2.6 精密測(cè)量控制網(wǎng)施工期間定期復(fù)測(cè)與維護(hù)

廣佛環(huán)城際鐵路建設(shè)工期長(zhǎng)，從勘察設(shè)計(jì)、開工建設(shè)到交付運(yùn)營(yíng)時(shí)間跨度將長(zhǎng)達(dá)十余年，測(cè)區(qū)城市建設(shè)發(fā)展、新建道路占用土地導(dǎo)致測(cè)量控制點(diǎn)點(diǎn)位損毀較為嚴(yán)重，要實(shí)現(xiàn)廣佛環(huán)城際鐵路“三網(wǎng)合一”必須做好施工期間精密測(cè)量控制網(wǎng)的復(fù)測(cè)與維護(hù)工作，加強(qiáng)施工建設(shè)期間精密測(cè)量控制網(wǎng)的樁位補(bǔ)設(shè)、成果更新與補(bǔ)設(shè)點(diǎn)加密測(cè)量工作。通過將新補(bǔ)設(shè)控制點(diǎn)的新成果及受擾動(dòng)控制點(diǎn)的更新成果無縫納入全線統(tǒng)一的平面坐標(biāo)和高程系統(tǒng)，確保與線路既有控制測(cè)量系統(tǒng)起算基準(zhǔn)統(tǒng)一、測(cè)量精度協(xié)調(diào)統(tǒng)一是實(shí)現(xiàn)“三網(wǎng)合一”的基礎(chǔ)。

廣佛環(huán)城際鐵路精密測(cè)量控制網(wǎng)第一次施測(cè)工作于2009年2月至2010年6月完成，建設(shè)方案穩(wěn)定后，線路開工建設(shè)前，于2012年7月進(jìn)行了樁撅現(xiàn)場(chǎng)普查，發(fā)現(xiàn)60%樁位丟失或損毀，2012年10月完成了全線補(bǔ)樁和重新建網(wǎng)測(cè)量。根據(jù)施工需要和竣工驗(yàn)收要求，廣佛環(huán)城際鐵路CPⅢ建網(wǎng)和工程靜態(tài)驗(yàn)收前對(duì)精密測(cè)量控制網(wǎng)各進(jìn)行了一次全面系統(tǒng)復(fù)測(cè)。工程施工建設(shè)期間的不定期復(fù)測(cè)由設(shè)計(jì)單位會(huì)同施工單位根據(jù)實(shí)際情況按照每年一次的復(fù)測(cè)頻次實(shí)施完成。精密測(cè)量控制網(wǎng)復(fù)測(cè)采用同精度、同方法、分級(jí)測(cè)量的原則，即復(fù)測(cè)時(shí)丟失或破損樁位補(bǔ)設(shè)、儀器設(shè)備、施測(cè)方法、觀測(cè)網(wǎng)形、精度等級(jí)以及數(shù)據(jù)處理方法均與原建網(wǎng)要求基本相同，按控制網(wǎng)等級(jí)由高到低的順序進(jìn)行逐級(jí)復(fù)測(cè)，下一級(jí)控制網(wǎng)采用上一級(jí)復(fù)測(cè)后更新的成果作為起算基準(zhǔn)。復(fù)測(cè)成果與上一期成果較差滿足TB10601—2009《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》、TB10101-2018《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》相應(yīng)等級(jí)限差要求時(shí)，采用上一期成果；當(dāng)較差超限時(shí)進(jìn)行二次復(fù)測(cè)查明原因，確認(rèn)點(diǎn)位發(fā)生變動(dòng)后，采用同精度內(nèi)插擴(kuò)展的方法更新成果。

廣佛環(huán)城際鐵路采用上述方法完成了精密控制網(wǎng)施工期間的定期復(fù)測(cè)與維護(hù)，對(duì)丟失或破損樁位按原測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)方案要求進(jìn)行了補(bǔ)埋和重新測(cè)量，通過施工建設(shè)期間全面系統(tǒng)的復(fù)測(cè)維持了精密控制測(cè)量體系的完整性、現(xiàn)勢(shì)性和可靠性，滿足了廣佛環(huán)城際鐵路施工建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理的需要。

3 結(jié)語(yǔ)

廣佛環(huán)城際鐵路位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的珠三角地區(qū)，測(cè)區(qū)高樓林立，交通發(fā)達(dá)，水網(wǎng)密布，測(cè)量條件和施工條件十分復(fù)雜，通過在“三網(wǎng)合一”測(cè)量技術(shù)體系、GNSS衛(wèi)星定位測(cè)量、地下段落CPⅡ控制網(wǎng)建立、地上地下段落聯(lián)系測(cè)量、地下段落CPⅢ高程控制網(wǎng)建立及精密測(cè)量控制網(wǎng)定期復(fù)測(cè)與維護(hù)等方面進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新、嚴(yán)密論證、多方案比選和精心組織施測(cè)，構(gòu)建了科學(xué)、合理、完善的城際鐵路精密工程測(cè)量技術(shù)體系。該項(xiàng)目精密工程測(cè)量技術(shù)體系形成過程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)及其鮮明的技術(shù)特點(diǎn)，可為其他類似項(xiàng)目特別是城市地區(qū)城際鐵路精密工程測(cè)量工作提供借鑒與參考。

廣佛環(huán)城際鐵路精密工程測(cè)量建網(wǎng)及歷次復(fù)測(cè)成果正式交付使用后，經(jīng)廣東珠三角城際軌道交通有限公司組織測(cè)量咨詢單位、專家評(píng)審會(huì)評(píng)估驗(yàn)收以及現(xiàn)場(chǎng)施工使用驗(yàn)證，證明精密工程測(cè)量成果正確、可靠、精度良好，成果較好地滿足了工程建設(shè)各階段的要求，特別是無砟軌道鋪設(shè)和長(zhǎng)軌精調(diào)的高平順性要求，為工程建設(shè)順利推進(jìn)提供了有力保障，確保了工程建設(shè)滿足城際鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求和后續(xù)按期開通運(yùn)營(yíng)。