客运专线铁路CPIII控制网设计.doc

摘 要高速铁路也称客运专线铁路，相比于传统铁路，客运专线铁路速度高达（200km/h350km/h），为了达到在高速行驶条件下，旅客列车的安全性和舒适性，要求客运专线铁路必须具有非常高的平顺性和精确的几何线性参数，精度要保持在毫米级的范围以内。这就需要对轨道的几何尺寸以及结构有一个较完美的设计。本文首先介绍高速铁路的研究背景，然后利用自由设站边角交会观测方法测量数据，并进行间接平差计算，最后进行精度评定。本文研究内容如下：1.高速铁路研究的背景和高速铁路的发展历程，以及中国高速铁路与传统铁路的区别 。2.对无砟轨道CPIII平面网测量，CPIII平面控制网布设，CPIII控制点测量方法与上一级控制网的关系进行研究，并对外业测量方法仔细研究和分析，指出了相关的要求。3.给出CPIII网网型图，已知数据和平差数据。重点讨论将CPIII点当作近似坐标进行角度平差和距离平差，进而进行整体平差，计算出平差结果，并给出精度评定方法。介绍设计所运用的软件及相关知识。4.总结本次论文和对中国高速铁路未来的发展做出了展望。关键词：无砟轨道；高速铁路；测量；间接平差；CPIIIAbstractHigh-speed railway is also called the passenger dedicated railway, compared to traditional railway, the passenger dedicated railway speed up to (200 km/h to 350 km/h), in order to achieve under the condition of high speed, safety and comfort of passenger train, for passenger dedicated railway must have a very high comfort and accurate geometric linear parameters, precision to keep within the range of millimeter. This requires the geometry size and structure of the orbit has a more perfect design. This paper introduces the research background of high speed railway, and then measurements with edges free intersection observation method, and the indirect adjustment calculation, and finally to evaluate accuracy。In this paper, the research content is as follows:1. The high speed railway research background and the development of high-speed railway, as well as the difference between the Chinese high speed railway and traditional railway.2. To measure without a frantic jumble rail CPIII plane network, CPIII plane control network, CPIII control point measurement and the relationship between the higher level control network and research, and foreign industry measurement careful study and analysis, points out the related requirements.3. Give CPIII network graph, known data difference of peace. Focus on CPIII point as the approximate coordinates to Angle adjustment and distance adjustment, then the overall adjustment, calculate the adjustment as a result, and accuracy evaluation method is given. Introduce design to use the software and related knowledge.4. Summary of the thesis and the future development of high-speed railway in China were discussed. keywords: without a frantic jumble orbit; High-speed railway; Measurement; Indirect adjustment; CPIII目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 高铁研究的背景和国内外发展历程11.1.1 研究的背景11.1.2 国内、外高铁建设发展历程11.2 传统的铁路工程测量方法及其不足之处2第2章 高速铁路测量技术与方法研究42.1 CPIII平面网测量42.1.1 CPIII平面控制网布设42.1.2 CP测量前工作要求42.1.3 CP布网及观测方法52.2 CPIII平面网观测52.2.1 自由设站边角交会观测方法52.2.2 CPIII观测要求6第3章 CP数据处理93.1 初始资料93.1.1 CPIII测量数据处理网形图93.2 CPIII平面控制网间接平差143.2.1 水平方向角观测值平差143.2.2测方向坐标平差的误差方程特点273.2.3 测距离平差283.3 计算坐标改正数563.4 精度评定683.4.1 单位权方差683.4.2 协因数阵693.4.3 协方差阵693.5 MATLAB简介723.5.1 MATLAB基础知识723.5.2 MATLAB数学计算73总结与展望74致 谢76参考文献77III第1章 绪论第1章 绪论1.1 高铁研究的背景和国内外发展历程1.1.1 研究的背景根据国际铁路联盟定义，高速铁路是指通过原有线路直线化、轨距标准化，使营运速率达到每小时200公里以上，或者专门修建新的“高速新线”，使营运速率达到每小时250公里以上的铁路系统。高速铁路除了列车营运速度达到一定标准外，车辆、路轨、操作都需要配合提升，广义的高速铁路还包含使用磁悬浮技术的高速轨道运输系统。与其他运输方式相比，高速铁路具有运载能力大、运行速度快、运输效率高、运载成本低、安全系数高的特点，优势明显。从各地运行状况看，高速铁路以客运为主，仅有少数线路开展货运业务。多数国家在高速铁路新线建设初期制定了修建高速铁路的全国规划；虽然建设高速铁路所需资金较大，但从社会效益、节约能源、治理环境污染等诸多方面分析，修建高速铁路对整个社会具有较好的效益，成为各国政府的共识；高速铁路促进地区之间的交往和平衡发展，欧洲国家已经将建设高速铁路列为一项政治任务，各国呼吁在建设中携手打破边界的束缚；高速铁路从国家公益投资转向多种融资方式筹集建设资金，建设高速铁路出现了多种形式融资的局面；高速铁路的技术创新正在向相关领域辐射和发展，形成了交通领域中铁路的一场复兴运动。1.1.2 国内、外高铁建设发展历程总体来看，世界高铁发展分为三个阶段。第一阶段：1964年1990年。世界上第一条真正意义上的高速铁路是日本东海道新干线。该线路从东京起始，途经名古屋、京都等地终至（新）大阪，全长515.4公里，运营速度高达210公里小时。1964年10月新干线的正式通车，标志着世界高速铁路新纪元的到来。第二阶段：1990年至90年代中期。这一时期高速铁路表现出新的特征。已建成高速铁路的国家进入高速铁路网规划建设阶段。这一时期，日、法、德等国对高速铁路网进行了全面规划。这次高速铁路的建设高潮，不仅仅是铁路提高内1第2章 高速铁路测量技术与方法研究部企业效益的需要，更多的是国家能源、环境、交通政策的需要。第三阶段：从90年代中期至今。1998年10月在德国柏林召开的第三次世界高速铁路大会，将当前高速铁路的发展定为世界高速铁路发展的第三次高潮。这次高潮波及到亚洲、北美、澳洲以及整个欧洲，形成了交通领域中铁路的一场复兴运动。与发达国家相比，我国高铁的规划和建设起步较晚，但是发展非常迅速。2003年10月12日，随着长春开往北京的T60次列车经由沈阳北站驶入秦沈客运专线，预示着中国建设的第一条高速客运“秦沈客运专线”正式开通，也标志着我国从此迈入高铁时代。不仅如此，我国还自行设计制造了“中华之星”高速列车，而其以每小时250公里的试验速度更是迈出了中国高铁建设的重要一步，奏响了我国高铁建设和运营的凯歌，揭开了我国高铁发展的序幕。北京至天津城际高速铁路。京津城际高速铁路是我国第一条具有自主知识产权和世界一流水平的高速铁路，全长120公里。2008年8月1日通车运营，运营时速达350公里，列车直达运行时间30分钟，列车最小追踪时间为3分钟。上海至南京城际高速铁路。全长301公里。2010年7月1日通车运营，运营时速达350公里，列车运行时间1小时13分钟。上海至南京高速铁路是目前中国开通运营的站点最密集、站间距最小、行车密度最高的高速铁路。广州至珠海城际铁路，全长177.3公里，设计时速200公里。广州至珠海最快只需72分钟。我做的设计就是其中的一段。总体上说，我国铁路已经掌握高速铁路线型精测精调、客站功能完善、路基沉降控制、长大梁制运架、大跨高桥长隧、无砟有砟轨道等设计与施工成套关键技术，实现了具有世界先进水平的客运动车组的国产化，形成了具有世界先进水平的中国高速铁路技术标准体系和成套工程技术。1.2 传统的铁路工程测量方法及其不足之处由于过去我国铁路建设的速度目标值较低，对轨道平顺性的要求不高，在勘测、施工中没有要求建立一套适应于勘测、施工、运营维护的完整的控制测量系统。各级控制网测量的精度指标主要是根据满足线下工程的施工控制要求而制定，没有考虑轨道施工和运营对测量控制网的精度要求，其测量作业模式和流程如下：1）初测：平面控制测量-初测导线：坐标系统：1954北京坐标系；测角中误差12.5（25），导线全长相对闭合差：光电测距1/6000，钢尺丈量1/2000。高程控制测量-初测水准：高程系统：1956年黄海高程/1985国家高程基准，测量精度：五等水准（30）。2）定测：以初测导线和初测水准点为基准，按初测导线的精度要求放出交点、直线控制桩、曲线控制桩（五大桩）。3）线下工程施工测量以定测放出交点、直线控制桩、曲线控制桩（五大桩）。作为线下工程施工测量的基准。4）铺轨测量 直线用经纬仪穿线法测量；曲线用弦线矢距法或偏角法进行铺轨控制。平面坐标系投影差大，采用1954年北京坐标系3带投影，投影带边缘边长投影变形值最大可达340/km，不利于采用采用GPS 、全站仪等新技术采用坐标法定位发法进行勘测和施工放线。没有采用逐级控制的方法建立完整的平面高程控制网，线路施工控制仅靠定测放出交点、直线控制桩、曲线控制桩（五大桩）进行控制，线路测量可重复性较差，当出现中线控制桩连续丢失后，就很难进行恢复。测量精度低，由于导线方位角测量精度要求较低（25），施工单位复测时，经常出现曲线偏角超限问题，施工单位只有以改变曲线要素的方法来进行施工。在普通速度条件下，不会影响行车安全和舒适度，但在高速行车条件下，就有可能影响行车安全和舒适度。轨道的铺设不是以控制网为基准按照设计的坐标定位，而是按照线下工程的施工现状采用相对定位进行铺设，这种铺轨方法由于测量误差的积累，往往造成轨道的几何参数与设计参数相差甚远。根据有关报道在浙赣线提速改造中已出现类似问题。（综上所述，过去的铁路测量规范及体系已不能适应中国铁路现代化建设的要求，必须建立一套适合中国铁路客运专线建设的工程测量体系。第2章 高速铁路测量技术与方法研究2.1 CPIII平面网测量2.1.1 CPIII平面控制网布设1布网原则：先整体后局部，分级布网，逐级控制。2平面控制网：高铁工程平面控制网应在框架控制网（CPO）的基础上分三级布设：第一级为基础平面控制网（CPI）主要为勘测、施工、运营维护提供坐标基准；第二级为线路平面控制网（CPII），主要为勘测和施工提供坐标基准；第三级为轨道控制网（CPIII），主要为轨道铺设、运营维护提供控制基准。3高程控制网：高程控制网分二级布设，第一级线路水准点控制网，为高速铁路工程勘察设计、施工提供高程基准；第二级轨道控制网CPIII，为高速铁路轨道施工、维护提供高程基准。CPIII平面网施测技术要求CPIII平面控制网主要技术要求应符合表2-1的规定：表2-1 CPIII平面网的主要技术要求控制网名称测量方法方向观测中误差距离观测中误差相邻点的相对中误差CPIII平面网自由测站边角交会1.81.0mm1.0mmCPIII控制网应采用自由测站边角交会法施测。CPIII平面网应附合于CPI或CPII控制点上，每600m左右应联测一个CPI或CPII控制点，采用固定数据平差。当CPII点位密度和位置不满足CPIII联测要求时，应按同精度内插方式加密CPII控制点。2.1.2 CP测量前工作要求轨道控制网CPIII建网测量前应对CPI、CPII和二等水准网进行全线全面复测。CPIII建网测量前应制定实施方案，经建设单位审批后执行，CPIII成果应进行评估，合格后用于无砟轨道铺设。CPIII控制网外业测量精度要求高，施测难度大，特别是采用自由设站边角交会测量，是一种全新的测量方式，技术要求高，工作量十分庞大，各施测单位应做好技术、人员、仪器设备等各方面的准备。2.1.3 CP布网及观测方法CP控制点测量方法采用自由测站边角交汇的测量方法8站与12站两种测量方式，图1是一般的构网方式，要求每个CP点应有3个方向交会图1为测站间距为120m的CP平面网观测网形示意图因遇施工干扰或观测条件稍差时，CP平面控制网可采用图2所示的构网形式，平面观测测站间距应为60m左右，每个CPIII控制点应有四个方向交会。图2 测站间距为60m的CP平面网构网形式2.2 CPIII平面网观测2.2.1 自由设站边角交会观测方法控制网沿线路纵向约60m布设1对点，自由站点宜设在相邻两对控制点的中间位置，自由站点之间的距离约为120m，每个自由站观测前后6对共12个CPIII点，观测视线长度不大于150m，每个点至少有3个观测方向；并且每个自由站点必须与通视的CPI点或CPII点进行联测。在自由测站点安置仪器以任意一控制点为零方向，按照全圆方向观测法观测2-3个测回，每一站加上CPII点可能超过13个方向，可以考虑分组观测以控制各项限差超限，每站测量完成后，经测站平差求出个观测方向的方向平差值和距离平差值。在CPIII网及其自由网平差时，可以把CPIII网视为一个二维的平面刚体，而作为CPIII网沿线控制基准也可视为一个二维的平面刚体，这两个二维的平面刚体如何匹配的最好，就是CPIII网的置平平差算法需要解决的问题。该算法的实质就是在不改变CPIII网网形刚体及其精度和不改变CPIII控制基准网网形刚体及其精度的前提下，通过坐标转换实现CPIII自由网与CPI、CPII网的最优匹配。2.2.2 CPIII观测要求(1) CPIII控制网水平方向应采用全圆方向观测法进行观测。当观测方向较多时，也可以采用分组全圆方向观测法。全圆方向观测应满足下表的规定。表2-2 CPIII平面网水平方向观测技术要求控制网名称仪器等级测回数半测回归零差不同测回同一方向2C互差同一方向归零后方向值较差CPIII平面网0.53696CPIII平面网13696(2) CPIII平面网距离测量应满足下表的规定。表2-3 CP平面网距离观测技术要求控制网名称测回半测回间距离较差测回间距离较差CPIII平面网=31mm1mm注：距离测量一测回是全站仪盘左、盘右各测量一次的过程。当CPIII平面网外业观测的水平方向和距离的技术要求不满足以上技术要求时，该测站外业观测值应部分或全部重测。(3) CPIII平面网可根据施工需要分段测量，分段测量的区段长度不宜小于4km且不宜大于10km，区段间重复观测不应少于6对CPIII点，每一独立测段首尾必须封闭，且首尾必须附合到CPI或CPII点上。区段接头不应位于连续梁、路基或车站范围内。(4) 在CPIII自由测站边角交会法测量中，必须与平差软件兼容的数据采集软件进行自动记录，采集软件必须通过铁道部相关部门正式鉴定。观测数据存储之前，必须对观测数据的质量进行检核。(5)外业记录须在现场测量时记录各测站的实际情况，它是CPIII测量的重要原始数据，CPIII测量结束后装订存档。测得的坐标数据见表2-4。表2-4测量坐标数据点名坐标X坐标YJMCPII212496081.08064504488.71098JMCPII252495590.85029504973.09591112C1102496167.61381504409.683711123322496100.81160504468.383931123302496143.04146504427.590121123292496150.69426504433.486901123312496107.70663504475.04637112C1112496129.16843504447.175501123332496064.41269504516.905901133012496021.37369504558.434441133022496014.51646504551.788021123342496057.66620504510.06504112C1122496039420671133042495971.26618504593.537611133032495978165601133052495935.35681504641.591551133062495928.38688504634.88367113C101_12495952.67045504617.968531133082495885.08440504676.797481133072495891.80300504683.646291133092495848.02124504725.903691133102495841.68489504718.71300113C102_12495866.51926504701.622131133122495798.95409504759.998971133112495805.74969504766.799751133132495762.38754504808.662271133142495755.68932504801.76421113C103_12495780.21650504785.243271133152495719.37541504850.296781133172495675.86470504892.326161133182495669.07210504885.248131133162495712.60909504843.38594113C104_12495694.52931504867.227601133192495632.73971504933.935081133212495588.29082504976.846481133222495581.61272504969.697581133202495625.95211504926.90017113C105_12495609.70979504952.933721133232495545.66119505018.008731133252495503.35338505058.897701133262495496.64080505051.869841133242495539.31825505010.65573第3章 CP数据处理第3章 CP数据处理3.1 初始资料3.1.1 CPIII测量数据处理网形图CPIII测量数据组成的平面网形，自由测站边角交会的测量结构，如图3-1。图3-1 CPIII测量数据网形3.1.2已知数据与观测数据表3-1已知数据点名坐标X坐标YJMCPII212496081.08064504488.71098JMCPII252495590.85029504973.09591观测数据是利用全站仪，通过自由设站边角交会的方法观测的角度和距离数据，具体数据见表3-2。表3-2测量角度与距离数据起点终点角度观测值距离观测值112C1101123320.00000088.92848112C1101123305.13282030.40449112C110112329346.42424029.20347112C110112331353.48449088.66327112C110JMCPII21358.540680117.18934112C1111123330.00000095.16095112C1111133011.124480154.91403112C1111133024.442330155.20629112C1111123345.47069095.22384112C111JMCPII216.17596063.54212112C11111233210.19300035.40997112C111112330172.25467024.00077112C111112329194.39558025.50922112C111112331354.42584035.17620112C1121133040.00000090.00307112C1121133025.51148030.12528112C112112334168.19453030.60526112C112JMCPII21173.36070062.04073112C112112332174.06168090.36136112C112112330175.155300149.03045112C112112329178.551930150.44545112C112112331180.10175090.70686112C112112333186.20386030.75501112C112113301347.32300029.86622112C112113303353.53395089.65497112C112113305355.081100149.18116112C112113306358.504480149.52401113C101_11133080.00000089.60267113C101_11133066.10389029.59379113C101_1113304168.18504030.70271113C101_1113302174.05542090.58000113C101_1112334175.151670150.55666113C101_1112333178.543670150.66529113C101_1113301180.07365090.90846113C101_1113303186.07183031.10365113C101_1113305347.16315029.28793113C101_1113307353.51369089.54532113C101_1113309355.090570150.33812113C101_1113310358.482270149.89124113C102_11133120.00000089.29072113C102_11133106.17306030.14688113C102_1113308167.37062030.99827113C102_1113306173.39307091.00316113C102_1113304174.554370150.51321113C102_1113303178.340230150.86630113C102_1113305179.44127091.33600113C102_1113307185.24570031.02207113C102_1113309348.07407030.52426113C102_1113311353.49220089.11242113C102_1113313355.021780149.33553113C102_1113314358.433850149.37156113C103_11133090.00000090.10330113C103_11133115.20562031.49740113C103_1113313168.28228029.43266113C103_1113315174.16278089.07056113C103_1113317175.270250149.51979113C103_1113318179.123920149.51290113C103_1113316180.29426089.17019113C103_1113314187.13394029.57198113C103_1113312347.46319031.43791113C103_1113310353.55348090.57950113C103_1113308355.134720150.85678113C103_1113307358.522520150.90913113C104_11133130.00000089.63575113C104_11133156.31273030.06597113C104_1113317167.25565031.27755113C104_1113319173.36144090.92742113C104_1113321174.535510152.65312113C104_1JMCPII25175.115040148.18063113C104_1113322178.342190152.48045113C104_1113320179.46036090.90462113C104_1113318185.30077031.18938113C104_1113316347.58118029.92147113C104_1113314353.50582089.58781113C104_1113312355.021250149.67482113C104_1113311358.425390149.85249113C105_11133180.00000090.02865113C105_11133161.572050150.29642113C105_11133155.384020150.20286113C105_11133176.15146089.72053113C105_11133199.13376029.85470113C105_1113321180.35579032.10263113C105_1JMCPII25181.50104027.60743113C105_1113323183.17339091.30690113C105_1113325183.511460150.13369113C105_1113326187.334340150.24341113C105_1113324189.23463091.03203113C105_1113322197.55345032.71770113C105_1113320350.42298030.68445113C106_11133280.00000090.13544113C106_11133265.45267029.83484113C106_1113324168.37171030.16357113C106_1113322174.12184088.82303113C106_1113320175.244960150.40029113C106_1113319179.081830150.41847113C106_1JMCPII25179.47456093.09057用上面的观测角度数据和观测距离数据对CPIII点进行间接平差。3.2 CPIII平面控制网间接平差3.2.1 水平方向角观测值平差在图3-2中，PS1为测站点，PS4(CPIII)为照准点，以一个方向值为零方向值，观测各角度。图3-2 CPIII平面控制网平差设其测站为j，观测点为k，观测值为，利用测量出的CPIII坐标算出各个方向的方位角，表示为，零方向方位角为，角度改正数位。零方向方位角 (3-1)改正后方位角 (3-2)每个测站有一个定向角，它们是方向坐标平差中的未知参数，设其平差值为。 (3-3)由上式可得方向是误差方程 (3-4)设、两点均为待定点，它们的近似坐标为、和、。根据这些近似坐标可以计算、两点间的近似坐标方位角、近似边长和定向角的近似值。由近似坐标改正数引起的近似坐标方位角的改正数为，即 (3-5)由坐标改正数与方位角改正数之间的线性关系。可以写出 (3-6)将上式右端按泰勒公式展开，得 (3-7)式中 (3-8)同理可得，； (3-9)将上式结果带入(3-9)式，并顾及全式的单位得 (3-10)令 ， (3-11)则有 (3-12)所以 (3-13)上式就是改正数与坐标方位角改正数间的一般关系式，称为坐标方位角改正数方程。其中以秒为单位。将(3-13)式以及 (3-14)代入(3-4)式，即得方向的误差方程。 (3-15)式中常数项 (3-16)由以上公式可知，首先要计算出角度观测值中起点坐标与终点坐标的方位角()、距离()、X坐标差()和Y坐标差()，在Excel将其计算公式输入，计算出结果见表3-4。 计算出的Dx、Dy、S0、a0起点终点DxDyS0a0112C110112332 -66.8022158.7002288.92834806318.6936853112C110112330 -24.5723517.9064130.40460333323.9183557112C110112329 -16.9195523.8031929.2038187305.4056017112C110112331 -59.9071865.3626688.66311261312.5063535112C110JMCPII21-86.5331779.02727117.1891587317.5958012112C111112333-64.7557469.730495.16109787312.8815866112C111113301-107.79474111.25894154.9137105314.093977112C111113302-114.65197104.61252155.2058426317.6215667112C111112334-71.5022362.8895495.22427808318.6668672112C111JMCPII21-48.0877941.5354863.54236104319.1814242112C111112332-28.3568321.2084335.41055366323.2067225112C11111233013.87303-19.5853824.00100146125.3113148112C11111232921.52583-13.688625.50958893147.5471033112C111112331-21.461827.87087355978578112C112113304-67.8657859.1169490.00320378318.9413284112C112113302-24.615517.3673530.12553213324.7952983112C11211233418.53424-24.3556330.60579627127.2705463112C112JMCPII2141.94868-45.7096962.04085359132.5432125112C11211233261.67964-66.0367490.3616568133.0460865112C112112330103.9095-106.83055149.0300326134.2058781112C112112329111.5623-100.93377150.4452482137.8634068112C11211233168.57467-59.374390.707182139.1128627112C11211233325.28073-17.5147730.75520245145.2853531112C112113301-17.7582724.0137729.86665872306.4830589112C112113303-60.9563365.7449389.65528422312.8355689112C112113305-103.77515107.17088149.1806934314.0777529112C112113306-110.74508100.463149.5235336317.7870851113C101_1113308-67.5860558.8289589.60312223318.9626983113C101_1113306-24.2835716.9151429.59415032325.1401929113C101_111330418.59573-24.4309230.70294817127.2767768113C101_111330261.84601-66.1805190.58028956133.0609187113C101_1112334104.99575-107.90349150.5565365134.2175123113C101_1112333111.74224-101.06263150.6651366137.8729771113C101_111330168.70324-59.5340990.90898228139.0897683113C101_111330325.50518-17.8029331.1039953145.0844837113C101_1113305-17.3136423.6230229.28838002306.2382065113C101_1113307-60.8674565.6777689.54560083312.8230869113C101_1113309-104.64921107.93516150.337806314.1144399113C101_1113310-110.98556100.74447149.8907694317.7691591113C102_1113312-67.5651758.3768489.29113979319.1727249113C102_1113310-24.8343717.09087304644754113C102_111330818.56514-24.8246530.99883338126.7910141113C102_111330661.86762-66.7384691.00343097132.8310096113C102_1113304104.74692-108.08452150.5130583134.1015665113C102_1113303111.65637-101.45653150.8660745137.7401533113C102_111330568.83755-60.0305891.33607625138.9095681113C102_111330725.28374-17.9758431.02254555144.5885259113C102_1113309-18.4980224.2815630.5249226307.3006385113C102_1113311-60.7695765.1776289.112641312.9955114113C102_1113313-104.13172107.04014149.3352158314.2109279113C102