上海市轨道交通二号线东延伸段控制网的建立

上海市轨道交通二号线东延伸段控制网的建立 陈功亮 上海市测绘院 武宁路 419 号 200063 摘要 该文介绍了利用 GPS 定位及电子水准技术建立上海市轨道交通 2 号线东 延伸段平面、高程控制网的方法、过程以及精度分析，并利用 Leica 2003 全站 仪进行 GPS 已测成果的外部检核，得出一些类似轨道交通工程控制测量的结论 和建议。 关键词 轨道交通、控制网、精度分析、检测 1 引言测绘信息网 根据国家批准的上海轨道交通网络规划，2005 年至 2012 年间，上海将新 建 10 条城市快速轨道交通线路，新建线路总长 389 公里，总运营里程达到 510 公里每天将运送乘客近 600 万人次，承担全市公共交通出行量的 35%以上，相 当于中心城道路在现状基础上增加一倍。测绘信息网 上海市轨道交通二号线东延伸段工程属于上海城市轨道交通网络中快速铁 R2 线的一部分，是实施上海市城市轨道交通近期建设的重要组成部分，该工程 的规划建设将加强虹桥机场和浦东国际机场间的快速交通联系，满足机场与市 区交通便捷性的要求，发挥枢纽港的作用，同时促进浦东新区的发展。 二号线东延伸段的走向为：浦东新区龙阳路站起，自东南折入祖冲之路， 过广兰路后沿唐镇规划路南侧东行折至华东路向南，行至川环南路后路线折向 东一路穿越浦东运河，沿华州路继续东行，下穿规划的浦东铁路后继续东行至 华州东路后线路折向南，沿随塘河东侧而行，直至浦东国际机场景观水池北端 与既有的磁悬浮线靠近，最终进入已建成的机场站站位。线路全长为 30.587km（上行线），共设 12 座车站（含龙阳路站改造），其中高架站 2 座， 地面站 1 座，地下站 9 座。测绘信息网 2 平面控制网 2.1. 布设难点测绘信息网 GPS 技术最大的优势就是不要求站间通视，选点灵活，能更好地满足工程 建设的需要，它本身具有高效率、高精度、费用省、收效快的特点。但常规轨 道交通平面控制采用 GPS 加精密导线的控制方式，对于 GPS 控制点的选取却有 较高要求。它要求在 2km 左右的距离内首级控制必须两两通视，然后才能控制 精密导线，这样使得 GPS 最大的优势不能充分发挥。 而且轨道交通穿行的地区有两种类型的难点，一是两旁多层建筑大规模 “平改坡”，使得控制点很难落到屋面；二是两旁均为农村，附近建筑也大部 分是 2 至 3 层的尖顶房屋。这两种类型的交替出现，会使相当数量控制点选择 在地面，这时一是会产生维护点位完整的客观困难，二是容易被大量的人行道 设备、车辆或乡村防风林等障碍遮挡。 2.2. 解决方法测绘信息网 综合考虑，上海市轨道交通二号线东延伸段 GPS 平面控制网采用两级布设 的布设原则。首先在上海市城市平面二等控制点的基础上利用若干已有的三、 四等控制点点位布设 GPS 首级网，首级网最弱边的相对中误差小于 1/120000； 然后利用 GPS 首级网布设 GPS 加密网，在每座车站附近布设一个 GPS 加密点， 车站之间每隔 1.2km 左右增设通视加密点，加密网最弱边的相对中误差小于 1/90000。 这样分级布设更加灵活，使得控制选点余地增大。对于轨道交通平面控制 网，由于其控制范围一般为狭长形，采用逐级布设的原则，也有利于控制测量 误差，点位精度较高。对平面控制网中边长较短的基线，我们采用增加数据采 集时间的方式提高基线数据的可靠性，并可将高精度全站仪采集的基线长度经 过归化改正后作为约束条件参与平差。测绘信息网 由于 GPS 首级点距离施工范围有一定的距离，点位相对稳定，故当 GPS 加 密点遭到破坏时，无需从城市二等控制点重新测设控制网，只需从首级点起算 即可，在不降低精度的情况下有效节约了时间及成本。并且我们在选取 GPS 首 级控制点时，优先利用原有城市控制点标石，有效节约造标成本，而且原有点 位也无需经过一段时间的沉降才能使用，有效节约时间成本。 由于二号线平面控制网非独立控制网，我们在设计方案中明确要求检验新 旧坐标系统下同一点位的坐标差，以确保点位的可靠性。 2.3. 具体实现测绘信息网 2.3.1. GPS 首级网 a. 外业观测 测绘信息网 网友测绘人提供 外业观测采用静态模式和“边连接”的方式进行扩展,全部施测分 6 个时段 完成。使用 4 台双频 GPS 接收机测量，同步观测时段按 CJJ73-97全球定位系 统城市测量技术规程要求执行。观测路径由多边形环组成，每个多边形环独 立观测边数为 2-3 条，每条连接边上的两点重复设站数大于 2 次。控 制 测 量 (GPS首 级 网 )示 意 图上 海 市 轨 道 交 通 二 号 线 东 延 伸 段 工 程 GPS首 级 控 制 点图 例 平 面 控 制 起 算 点 GJ05 G2013 G02 G03 G04 G05 G07G06G2031 G2039 G01 华 夏 东 路 站龙 阳 路 站 张 江 高 科 站 浦 东 机 场 站海 天 路 站 申 江 路 站金 科 路 站 唐 兴 路 站唐 镇 站 凌 空 路 站川 沙 镇 站 北 b. 精度指标测绘信息网 内业计算时利用 Balnet 基线解算和网平差软件进行数据处理，首先分时段 对整个 GPS 控制网在 WGS-84 坐标系中进行无约束平差，经检验，所有基线向量 改正数绝对值 v3，计算出各时段的基线文件后，再把 6 个时段的所有基线 固定起算点 GJ05、G2013、G2031、G2039 四点坐标进行约束平差。数据处理时 我们合理选择了基线，平差后指标及精度分析如下： 最弱闭合环相对误差：G002-G003-G001-G002，W/S（ppm）=4.49；尺度因 子 K=-12.7723；旋转因子=0.2156；平面坐标最大点位误差：MP(G001) =0.38cm；最弱边相对误差：G007-G006 为：0.46ppm。以上数据质量可靠， 计算结果优良，能够满足施工测量的精度要求。 c. 成果比较测绘信息网 从经济原因考虑，GPS 首级网均利用原有城市平面控制网点位，无需另行 埋设。所以首级控制点均有本工程控制网和原有城市控制网两套成果资料，现 将两套成果比较如下： 差 值(mm) 差 值(mm) 点 号 X Y S 点 号 X Y S G001 +7.0 -4.0 +8.1 G005 -34.0 -16.0 +37.6 G002 -12.0 +4.0 +12.6 G006 +20.0 +2.0 +20.1 G003 -22.0 +20.0 +29.7 G007 -34.0 -2.0 +34.1 G004 -8.0 +15.0 +17.0 表中所显示数据表明本次测量数据和原有数据的差值h 最大为3.76mm， 小于设计中与原有控制点坐标较差数据50mm 的要求，说明本次 GPS 首级网 的数据具有较强的可靠性。 2.3.2. GPS 加密网测绘信息网 a. 外业观测 外业观测采用静态观测和“边连接”的方式进行同步图形的扩展,设计分 9 个时段完成。使用 6 台双频 GPS 接收机测量，同步观测时段按 CJJ73-97全球 定位系统城市测量技术规程执行。观测路径由多边形环组成，每个多边形环 独立观测边数为 4-5 条，每条连接边上的两点重复设站数不少于 2 次。在 GPS 施测完成后，使用 Leica TC2003 全站仪对加密点间的距离进行实测，对 GPS 反 算边长进行检核。 b. 精度指标测绘信息网 内业计算时利用基线解算和网平差软件进行数据处理，首先分时段对整个 GPS 控制网在 WGS-84 坐标系中进行无约束平差，经检验，所有基线向量改正数 绝对值 v3，计算出各时段的基线文件后，再把 9 个时段的所有基线固定起 算点进行约束平差，平差后指标及精度分析如下。 复测基线检核见下表： 复测基线 长度较差 （m） 限差（m） 复测基线 长度较差 （m） 限差（m） G001-G104 0.0156 0.0445 G005-G006 0.0067 0.0444 G002-G104 0.0068 0.0415 G005-G006 0.0136 0.0444 G002-G107 0.0140 0.0400 G005-G116 0.0141 0.0445 测绘信息网 网友测绘人提供 G003-G110 0.0134 0.0287 G005-G121 0.0096 0.0287 G004-G111 0.0260 0.0414 G005-G123 0.0097 0.0307 G004-G005 0.0308 0.0432 G005-G117 0.0300 0.0405 G004-G116 0.0201 0.0297 G006-G121 0.0212 0.0416 G006-G123 0.0022 0.0416 由上表可见，复测基线的长度较差均小于限差规定。 闭合环统计表见下表（部分数据）： 闭合环 闭合差(m) 限差 (m) 闭合环 闭合差(m) 限差 (m) G101-G001-G102-G101 0.0033 0.0758 G107-G002-G109-G107 0.0167 0.0804 G002-G001-G102-G002 0.0079 0.0963 G109-G002-G110-G109 0.0022 0.0784 G102-G001-G104-G102 0.0032 0.0796 G111-G003-G112-G111 0.0160 0.0635 G103-G001-G104-G103 0.0054 0.0784 G111-G004-G116-G111 0.0192 0.0737 G003-G002-G109-G003 0.0228 0.0776 G115-G004-G116-G115 0.0034 0.0628 G004-G003-G113-G004 0.0065 0.0829 G117-G004-G118-G117 0.0046 0.0634 G105-G001-G106-G105 0.0014 0.0848 G121-G005-G123-G121 0.0029 0.0625 G005-G004-G115-G005 0.0197 0.0829 G123-G005-G124-G123 0.0110 0.0634 G005-G004-G119-G005 0.0300 0.0757 G006-G005-G117-G006 0.0362 0.0925 G006-G005-G123-G006 0.0026 0.0809 G117-G005-G121-G117 0.0292 0.0753 G006-G005-G126-G006 0.0055 0.0839 G120-G005-G121-G120 0.0028 0.0613 G107-G002-G108-G107 0.0165 0.0756 G121-G005-G125-G121 0.0024 0.0724 由上可见环闭合差均小于限差规定，基线质量良好，可以进行平差计算。 GPS 加密点点位精度见下表： 点号 Md(cm) 点号 Md(cm) 点号 Md(cm) 点号 Md(cm) G101 0.24 G108 0.23 G115 0.21 G122 0.24 G102 0.24 G109 0.23 G116 0.17 G123 0.20 G103 0.23 G110 0.18 G117 0.18 G124 0.26 G104 0.19 G111 0.20 G118 0.22 G125 0.25 G105 0.30 G112 0.24 G119 0.22 G126 0.24 G106 0.27 G113 0.24 G120 0.28 G107 0.19 G114 0.22 G121 0.19 网平差后加密点平均点位误差为0.23cm，最大点位误差 G105 为 0.30cm；边长相对误差平均为 1/1818182，最大相对误差为 1/255754，满足 最弱边相对中误差 1/90000 的要求。 c. 光电测距检测测绘信息网 全站仪实测距离经过归化改正后与 GPS 边长进行比较，实测边长与 GPS 反 算边长比较平均误差为-4.1mm，最大误差为-12.8mm，最小误差为+0.4mm。误差 比例平均为 1/310860，最大比例为 1/69208，最小比例为 1/3014493。设计要 求最弱边相对中误差满足 1/90000，按高精度检测要求不大于 2 倍中误差要求， 最大误差 1/692081/45000，说明了本平面控制完全满足施工控制的要求。 3 高程控制网测绘信息网 3.1. 布设难点 上海部分地区沉降比较明显，而轨道交通的建设时间一般都在几年左右， 如何确保点位的可靠性是建网必须考虑的问题。由于轨道交通的带状特点，使 得高程控制网一般也呈单线分布，如何确保最弱点的精度达到控制要求也是我 们要确保的重点。并且客户对于时间节点的要求非常紧迫，而且高程控制点在 建好后必须经过一段时间的稳定后方可进行观测，所以如何有限安排人员，提 高单位时间的工作效率，也对项目负责人提出较高要求。 3.2. 解决方法 综合考虑，本高程控制网设计为二等附合水准路线。虽然路线较短，但为 了确保最弱点的精度指标，将三个一等精度的基岩标 J22、J24 和 J25 作为起算 点，均匀等分路线长度。具体路线由北蔡基岩标 J22 起始，至地铁二号线龙阳 路站后沿二号线方向依次测量各车站高程控制点，中间连测至唐镇基岩标 J24，后继续沿二号线方向测至浦东国际机场站后，水准路线附合至浦东国际机 场基岩标 J25 止。具体每个车站附近测设一个浅埋点、一个深埋点，车站间适 当加设点位。并且由于上海沉降的地质特点，所以设计要求首次初测后半年内 进行一次复测，以后每隔半年复测一次，直至工程结束，确保点位准确性。 结合作业单位的仪器设备情况，本工程统一采用电子水准仪进行观测，减 少了观测人员的人为误差，有效提高工作效率，满足施工进度要求。并且在作 业时严格执行规范要求，保证观测时间的对称性，而且由于电子水准的观测原 理，外业观测时尽量选在受太阳折光影响较小的位置观测，确保观测数据的可 靠性。 3.3. 具体实现 3.2.1. 精度指标测绘信息网 外业采用 Zeiss