朱郭勤

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

高速铁路已经成为一种快捷、安全、高效和优质的大众化出行交通方式[1]，然而随着我国高铁运营里程的不断增多，高速铁路的运营安全已经成为关注的重点，为保证旅客列车高速运行时的舒适度和安全性，对轨道平顺性的要求非常严格，而轨道具有的高平顺性是通过高精度的轨道控制网CPⅢ来保障的[2-3]，因此高速铁路在运营期需要对精测网进行复测，根据轨道设备维修保养周期、测区地质条件以及行车情况，一般线下CPⅠ、线上加密CPⅡ是3年复测1次，CPⅢ网为1年1次。

高速铁路运营期间和施工建设期间相比，运营期所有线上的测量工作只能在夜间的4 h天窗时间内进行，除作业时间较短外，线上作业时还受到天气、大功率信号机、声(风)屏障、通讯塔等设施的影响，特殊的作业时间和外部环境的限制给运营期线上测量造成较大的困难，所以运营期的复测工作一般效率都比较低[4]。除以上客观原因以外，还有以下原因导致运营期精测网复测效率低下：一是当线上加密CPⅡ和CPⅢ需要同时复测时，由于这两种工序都要占用线上加密CPⅡ点位，使得线上加密CPⅡ与CPⅢ复测不能同步进行；二是虽然《高速铁路工程测量规范》(TB 10601—2009)上明确可以用CPⅢ三角高程代替CPⅢ水准环来对CPⅢ高程进行复测[5]，但是由于全站仪竖直角的精度不太容易控制，容易造成波动，所以这种方法只在局部段落使用过，没有在整条运营维护线上大范围应用，如果能够成功应用，将会极大地提高运营期精测网复测效率。

因此为了满足高速铁路运营期线路维护的需要，结合运营期精测网复测的特点，需要探讨提高运营期精测网复测效率，降低成本的方法。

2 运营期精测网复测的特点

运营期间精测网复测采用与建网时相同的测量方法进行复测[5]。然而，运营期间精测网复测在测量作业时间、作业环境与建设阶段相比有较大的不同。

(1)运营期高铁行车密度大，维修天窗时间较短，仅有4 h的夜间垂直天窗维修时间，期间还要进行设备的动静态检测、修理和维护，再除去上道和下道的时间，真正有效的作业时间小于3 h[4]。运营期每个天窗开放的作业区段也较短，一般为4 km左右，而且同一区段上线作业人数也有限制，要想在3 h的有效作业时间内完成线上加密CPⅡ测量、CPⅢ平面测量、CPⅢ高程测量非常困难[4]。

(2)建设阶段精测网测量工作时间相对比较自由，可以根据现场情况和自身的生产安排合理安排作业时间，每一项工序都分开、分步进行实施，不存在相互干扰的情况。

根据以上分析，要想提高高速铁路运营期精测网复测效率，只有在技术上、作业模式上寻求突破。

3 运营期精测网复测优化设计

(1)CPⅡ观测模式设计

线上加密CPⅡ观测技术要求如表1所示。

表1 CPⅡ测量作业的技术要求

线上加密CPⅡ点沿线路走向左右交替补设，点间距离控制在600～800 m，网形结构采用边联结方式构网，形成由三角形或大地四边形组成的带状网。路基段线上加密CPⅡ网点埋设在路肩上，桥梁段网点在距线路中心两侧的防撞墙顶上竖向埋设[6]。线上加密CPⅡ网坐标系统附合到基础平面控制网CPⅠ上，测量平差计算起闭于勘测控制网中的CPⅠ、CPⅡ控制点。

(2)CPⅢ作业模式

CPⅢ轨道控制网是沿线路布设的三维控制网，一般在线下工程施工完成、沉降变形评估通过后施测，起闭于基础平面控制网(CPⅠ)或线路控制网(CPⅡ)，在高速铁路整个生命周期都扮演着重要角色，是施工阶段无砟轨道铺设和运营维护阶段轨道系统静态检查的控制基准[2-3]。

CPⅢ点沿线路走向成对布设，前后相邻两对点之间距离一般控制在50～70 m，在桥梁和隧道地段每对点布设在同一里程，里程差要求小于1 m[5-7]。CPⅢ点设置在稳固、可靠、不易破坏和便于测量的地方，并应预防沉降和抗移动[8-9]。相邻CPⅢ控制点应大致等高，其位置应高于设计轨道高程面0.3 m。控制点标识清晰、齐全、便于准确识别。

CPⅢ平面网观测的自由测站间距一般约为120 m，测站内观测12个CPⅢ点，全站仪前后方各3对CPⅢ点，测站到CPⅢ点的最远观测距离应小于180 m[10]；保证每个CPⅢ点至少有3个方向和距离观测量[11]。如图1所示。

CPⅢ平面网应附合于加密CPⅡ控制点上，每600 m左右应联测一个加密CPⅡ控制点，采用固定数据平差[12-13]。与加密CPⅡ控制点联测时，统一采用自由测站法。在加密CPⅡ点上架设棱镜时，必须检查光学对中器精度、并采用精密支架[14-15]。应在至少3个自由测站上观测加密CPⅡ控制点，其观测图形如图2所示[16-17]。

图1 测站观测12个CPⅢ点平面网构网示意(单位：m)

图2 联测CPⅠ、CPⅡ控制点的观测网(单位：m)

(3)通过以上两点的分析可知，线上加密CPⅡ和CPⅢ作业模式都要占用线上加密CPⅡ点位[18-19]，导致线上加密CPⅡ和CPⅢ复测不能同步进行，完成同一个作业区段的加密CPⅡ数据采集和CPⅢ数据采集需要申报两次天窗，给工务安全配合造成很大压力，为解决这一问题，笔者设计了一种可以连接棱镜与GPS天线的棱镜连接卡，如图3所示。

棱镜连接卡下端套棱镜，上端安装LEICA GPS天线，在CPⅢ作业时把GPS天线与棱镜组合到一起，安装在精密支架上面，精密支架整平之后GPS相位中心与棱镜中心在平面上的投影一致，使得线上加密CPⅡ和CPⅢ能够同步进行外业数据采集，提高高速铁路运营期的天窗利用率，降低生产成本，尤其在桥梁占比大的线路上优势更加明显。如图4所示。

图3 棱镜连接卡示意

图4 棱镜、GPS天线、连接卡组装实物

棱镜连接卡具有以下几个特点：①结构简单，加工精度高；②体积小，携带方便；③可以重复使用；④制作成本低。

(4)GPS天线相位中心与棱镜中心同心测试

为了验证GPS天线相位中心与棱镜中心在平面上的投影一致性，本文设计了如下测试方案：用棱镜代替GPS天线在室外进行测试，首先把要测试的套件组装好并架设在室外，精密支架精确整平后，分别在30、60、120、200 m距离对上、下两个棱镜进行测量。测量用的全站仪型号为LEICA TS30(测角精度为0.5″，测距精度为1+1 ppm)，测量数据统计分析见表2、表3。

表2 棱镜在不同距离实测坐标

全站仪在30 m距离对棱镜进行4组观测，同一棱镜X、Y坐标互差最大值为-0.3 mm，上、下棱镜X、Y坐标互差最大值为-0.9 mm；在60 m距离进行4组观测，同一棱镜X、Y坐标互差最大值为-0.5 mm，上、下棱镜X、Y坐标互差最大值为-0.9 mm；在120 m距离进行4组观测，同一棱镜X、Y坐标互差最大值为-0.5 mm，上、下棱镜X、Y坐标互差最大值为-0.6 mm；在200 m距离进行4组观测，同一棱镜X、Y坐标互差最大值为-0.5 mm，上、下棱镜X、Y坐标互差最大值为-0.5 mm。通过以上分析可知，棱镜连接卡的同心精度优于1 mm，满足天线对中误差不大于1 mm的要求[6]。同心测试棱镜组装如图5所示。

表3 棱镜坐标互差最大值统计

图5 同心测试棱镜组装

4 精度分析

以杭长客专运营期精测网复测项目为依托进行工程验证，选取一段线路采用新的数据采集方式进行数据采集，并对采集的数据进行计算分析如下。

(1)线上加密CPⅡ复测主要目的是为CPⅢ复测提供稳定的起算基准，先对线上加密CPⅡ复测数据进行稳定性分析。

线上加密CPⅡ复测的主要技术指标要求如表4所示。

表4 CPⅡ网复测的主要技术要求

表4中坐标较差限差指X、Y坐标分量较差，表中相邻点间坐标差之差的相对精度按式(1)计算

(1)

式中，

ΔXij=(Xj-Xi)复-(Xj-Xi)原

ΔYij=(Yj-Yi)复-(Yj-Yi)原

其中s——相邻点间的二维平面距离；

ΔXij、ΔYij——相邻点i与j间二维坐标差之差，m。

所选段落的复测稳定性分析技术指标统计情况如表5所示。

表5 杭长客专线上加密CPⅡ复测稳定性分析

由表5统计数字可知，线上加密CPⅡ复测结果稳定性良好，复测精度满足表4要求。

(2)试验段落CPⅢ平差分析

试验段落加密CPⅡ复测稳定性分析合格后，对试验段CPⅢ数据进行计算分析，平差后精度指标统计情况如表6所示。

表6 CPⅢ平差计算精度指标统计

由表6统计数据分析可知，试验段CPⅢ平差精度指标满足文献[5]的要求，使用棱镜连接卡采集加密CPⅡ数据解算精度满足后续CPⅢ数据计算对CPⅡ复测精度的要求。

杭长客专南昌局管Ⅰ标段桥梁、路基占比为96.4%，采用本文的测量方法复测优势明显。目前这种棱镜连接卡已经成功应用于杭长、兰新、南广等高速铁路，取得了良好经济效益。

5 结语

本文在充分分析现有加密CPⅡ与CPⅢ复测方法在高速铁路运营维护阶段可操作性上存在不足的基础上，结合目前线上加密CPⅡ复测与CPⅢ复测不能同步进行的现状，研制了一种新型棱镜连接卡，设计实验方案验证了GPS天线与棱镜同心精度优于1 mm，并进一步在工程实践中得到验证。这种连接卡有效解决了线上加密CPⅡ与CPⅢ同步观测时共用点位的问题，使运营期天窗利用率提高1倍，成本大幅下降。

通过对采用新模式采集的数据进行分析，精度与常规作业模式采集的数据具有同等精度，能够满足高速铁路运营期精测网复测的要求。

目前这种棱镜连接卡已经成功应用在我国几条高铁运营线复测工作中，取得了良好的经济效益。本文研制的这种新型的棱镜连接卡对同行业具有借鉴意义，可以推广使用。