优秀毕业论文 高速铁路无砟轨道

1、摘 要:高速铁路无砟轨道要求具有良好的稳定性、连续性和高平顺性,施工中需采用高精度三维控制测量技术。结合高速铁路测量理论，介绍高速铁路控制网测量技术的特点、技术要求以及测量方法和数据处理以及测量成果的精度分析。关键词:高速铁路,无砟轨道,控制网,测量技术,作业方法,精度分析0 引 言 高速铁路客运专线无砟轨道是以钢筋混凝土或沥青混凝土整体式道床取代散粒体道砟道床的轨道结构,与有砟轨道相比,无砟轨道主要具有以下特点:良好的轨道稳定性、连续性和平顺性;良好的结构耐久性和少维修性能;工务养护、维修设施减少;减少客运专线特级道砟的需求;免除高速行车条件下有砟轨道的道砟飞溅;有利于适应地形选线,减少线路

2、的工程投资;可减轻桥梁二期恒载,降低隧道净空;一旦基础变形下沉,修复困难,要求有坚实、稳定的基础。 高速铁路对轨道稳定性、连续性、平顺性要求高，从勘测设计到工程施工、运营维护都必须按照“三网合一”的原则建立一套完整的控制测量系统，才能保证测量控制基准满足高速铁路的精度要求。无砟轨道施工的主要特点是施工工艺新、技术要求严、科技含量高，而国内引进无砟轨道铺设技术的时间较短，尚未形成成熟的理论和经验，要实现无砟轨道铺设精度满足高平顺性要求，精密控制网测量显得尤为重要。高速铁路测量采用全新的高精度三维控制技术，应用全球卫星定位系统进行、控制测量，建立高等级基础控制网和线路控制网，在此基础上应用自由设站

3、边角交会法建立轨道控制网，最终实现三位一体的高精度定位模式。1 概述 由于过去传统的铁路运行速度较低,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。以往的平面控制网测量等级分为一等、二等、三等、四等、五等,坐标系统可以采用国家坐标系,也可以局部假定坐标系。高速铁路平面测量控制网分为4级:CP0、 CP、CP、CP(CP为control points的缩写),统一采用国家坐标系统,这将更加规范化和系统化。各级平面控制网的布网要求见表1,其作用为:1) CP0主要为高速铁路工程勘测、施工和运营维护平面控制测量提供坐标基准；2) CP主要是为线

4、路平面控制网（CP）提供测量平面坐标起闭的基准；3) CP主要是线路勘测和线下工程施工阶段的平面控制网，也是轨道控制网（CP ）测量平面坐标起闭的基准； 4)CP主要是为轨道施工和运营维护提供平面坐标和高程基准。表1各级平面控制网布网要求 控制网测量方法测量等级点间距相邻点的相对 中误差（mm）备注CP0GPS50km20CPGPS二等4km一对点10点间距800mCPGPS三等600800m8导线三等400800m8附合导线网CP 自由测站边角交会5070m一对点1注：1、CP采用GPS测量时，CP可按4km一个点布设；2、相邻点的相对点位中误差为平面x、y坐标分量中误差。 3、当CP采用导

5、线测量时,CP的点间距为4 km一对相互通视的点。1.1 各级平面控制网的主要技术要求应符合下列规定: 1.1.1 CP0、CP、CP控制网GPS测量的精度指标应符合表2的规定：表2 CP0、CP、CP控制网GPS测量的精度指标控制网基线边方向中误差最弱边相对中误差CP01/2 000 000CP1/180 000CP1/100 000 1.1.2 CP控制网导线测量的主要技术要求应符合表3的规定：表3 CP控制网导线测量的主要技术要求控制网附合长度（km）边长（m）测距中误差（mm）测角中误差（）相邻点的相对中误差（mm）导线全长相对闭合差限差方位角闭合差限差（）导线等级CP5400800m

6、581/55 000±三等当同一测区内，导线环（段）数超过20个时，须按式（1.1-1）计算测角中误差： （1.1-1）式中 f导线环（段）的角度闭合差（）； N 导线环（段）的测角个数；N 导线环（段）的个数； 1.1.3 CP平面网的主要技术要求应符合表4的规定：表4 CP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CP平面网自由测站边角交会±±±1.2 各级平面控制网的平差计算应符合以下规定: 1.2.1 CP0控制网应以2000国家大地坐标系作为坐标基准，以IGS参考站 或国家A、B级GPS控制点作为约束点

7、，进行控制网整体三维约束平 差； 1.2.2 CP控制网应附合到CP0上，并采用固定数据平差； 1.2.3 CP控制网应附合到CP上，并采用固定数据平差； 1.2.4 CP控制网应附合到CP或CP上，并采用固定数据平差。1.3 增设或补设控制点可采用同精度扩展的方法测量。1.4 GPS控制测量应符合下列规定： 1.4.1 各等级GPS测量控制网的主要技术指标，应符合表5的规定。表5各等级GPS控制网测量的主要技术要求等级固定误差a（mm）比例误差系数b（mm/km）基线方位角中误差（）约束点间的边长相对中误差约束平差后最弱边边长相对中误差一等511/5000001/250000二等511/25

8、00001/180000三等511/1800001/100000四等521/1000001/70000五等1023.01/700001/40000注：当基线长度短于500m时，一、二、三等边长中误差应小于5mm，四等边长中误差应小于7.5mm，五等边长中误差应小于10mm。 1.4.2 各等级控制网相邻点间弦长精度应小于按式（1.4-1）计算的标准差。=± （1.4-1）式中 基线弦长标准差（mm）a 固定误差（mm）B 比例误差系数（mm/km）d 相邻点间距离（km） 1.4.3各等级GPS测量作业的基本技术要求，应符合表6的规定。表6 各等级GPS测量作业的基本技术要求等 级项

9、 目一等二等三等四等五等静态测量卫星截止高度角（°）1515151515同时观测有效卫星数44444有效时段长度（min）12090604540观测时段数2212121数据采样间隔（s）10601060106010301030接收机类型双频双频双频单/双频单/双频PDOP或GDOP6681010快速静态测量卫星截止高度角（°）1515有效卫星总数55观测时间（min）520520平均重复设站数数据采样间隔（s）520520PDOP（GDOP）7（8）7（8）注：平均重复设站数1.5是指至少有50%的点设站2次。 1.4.4 GPS测量除满足以上规定外，其余各项要求应执行现行

10、铁路工程卫星定位测量规范（TB10054）的相关规定。2 控制网测量方法及精度分析框架控制网（CP0）测量 CP0应在线路初测前采用GPS测量方法建立，要求全线一次性布网、测量和整网平差。CP0控制点应沿线路走向每50km左右布设一个点，在线路起点、终点或与其他线路衔接地段，应至少布设1个CP0控制点。当沿线国家既有GPS控制点的精度和位置满足CP0控制网要求时，可将其作为高速铁路的CP0控制点。 CP0构网联测时应与IGS参考站或国家A、B级GPS点进行联测。全线联测的已知站点数不应少于2个，且在网中均匀分布。每个CP0点与相邻的CP0点的基线连接数不得小于3条；作为已知点的IGS参考站或国

11、家A、B级GPS点与其相邻的CP0点的基线连接数不得小于2条。 CP0观测应使用标称精度不低于5mm±1ppm的双频GPS接收机进行多时段观测，同步观测的GPS接收机不应少于4台。观测时段分布宜昼夜均匀，夜间观测时段数不应少于1个。每个观测时段不宜跨越北京时间早8点（世界协调时0点）。CP0外业观测的各项技术要求应满足下列要求：卫星截止高度角15°、数据采样间隔宜为30s、同时观测有效卫星数4颗、有效卫星的最短连续观测时间15min、观测时段数4和有效时段长度300min CP0基线向量应采用精密星历多基线解算模式进行基线解算，解算结果应包括基线向量的各坐标分量及其协方差阵

12、等平差所需的元素。基线向量解算引入的起算点坐标位置基准应为国际地球参考框架（ITRF）中的坐标成果，该坐标框架应与采用的精密星历坐标框架保持一致。CP0起算点选用联测的IGS参考站或国家A、B级GPS点，其点位坐标误差应小于0.1m。 CP0基线解算完成后，应按下列要求进行CP0控制网基线处理结果的质量检核： 同一基线不同时段的基线向量各分量及边长较差应满足下式（2.1-1）的要求。dX dY dZ （2.1-1）dS 式中按下式计算： n同一基线重复观测的总时段数； i时段号；Cii时段基线的某一坐标分量或边长； Cm各时段基线的某一坐标分量或边长加权平均值； 相应于i时段基线的某一坐标分量

13、或边长的方差。上式中n为同一基线重复观测的总时段数，i为时段号，Ci为i时段基线的某一坐标分量或边长， Cm为各时段基线的某一坐标分量或边长加权平均值， 为相应于i时段基线的某一坐标分量或边长的方差。 2iC 基线向量的独立（异步）闭合环或附合线路的各坐标分量闭合差（Wx 、Wy 、Wz）应满足下式（2.1-2）的要求：Wx Wy （2.1-2） Wz 式中： j闭合环（线）中第j条基线；r闭合环（线）基线数；第j条基线C（C=X, Y Z）分量的方差。环线全长闭合差（W）应满足式（2.1-3）要求：W （2.1-3）式中： Dj闭合环（线）中第j条基线的方差协方差阵。基线质量检核满足要求后进

14、行CP0网的无约束平差和约束平差。CP0网无约束平差应在WGS-84坐标系中进行，平差后基线向量各分量的改正数绝对值应满足下式(-4)的要求： VX3、VY3 、VZ3 （-4） 式中为基线弦长标准差，按式=±2a+(b.d) 计算，计算时取a=5mm、b=0.2mm/km，d取各时段基线长度平均值（以km为单位计算）。 ×D×10-6。 CP0约束平差后基线向量各分量改正数，与无约束平差同一基线改正数较差的绝对值应满足下式(-5)的要求。 dVX2、dVY2 、dVZ2 （-5） CP0无约束平差应输出ITRF或IGS国际地球参考框架下各点的三维坐标、各基线向量

15、平差值、各基线的坐标分量、改正数及其精度。CP0约束平差应输出2000国家大地坐标系中各点的地心坐标、大地坐标、各基线向量平差值、各基线的坐标分量、改正数及其精度。要求约束平差后CP0相邻点间的相对点位中误差小于20mm，最弱边的相对中误差小于1/2000000。控制网（CPI）测量 CP控制网宜在线路初测阶段建立，特殊情况下也应在定测前完成，全线应一次布网、测量和整网平差。CP控制网应沿线路走向布设，CP点宜布设在距线路中线50500m范围内不易被施工破坏、稳定可靠、便于测量的地方，点位布设宜兼顾桥梁、隧道及其他大型建筑物布设施工控制网的要求。路基和桥梁段应每4公里布设一个CP点，隧道段应在

16、洞口处至少布设一对CP控制点，点对中CP点间的距离应为8001000m左右。CP控制网应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，并附合在CP0控制网上。在线路设计的起点、终点或与其它铁路平面控制网衔接地段，必须有2个及以上的CP控制点相重合，并在测量成果中反映出其相互关系。CP控制网测量应按高速铁路工程测量规范中所规定的二等GPS测量精度要求进行施测。 CP网观测应使用标称精度不低于5mm±1ppm的双频GPS接收机进行多时段观测，同步观测的GPS接收机不应少于4台。CP控制网外业测量应满足下列要求：卫星截止高度角15°、同时观测有效卫星数4颗、有效时段长

17、度90min、观测时段数2、数据采样间隔1060s、PDOP或GDOP6。 CP网外业观测结束后，可采用常用的基线解算软件进行基线解算。CP网基线向量解算应符合下列规定： 1) 同一时段观测值的数据剔除率宜小于10%； 2) 同一基线不同时段重复观测基线较差应满足式（2.2-1）的规定： （2.2-1） 基线弦长标准差（mm），计算时取a=5mm、b=1mm/km。（d取环平均边 长） 3)由若干条独立基线边组成的独立环或附合路线各坐标分量（Wx、Wy、Wz）及全长Ws闭合差应满足式（2.1-2）的规定： （2.2-2） n 闭合环的边数 基线质量检核满足要求后进行CP网的无约束平差和约束平差

18、。CP网无约束平差也应在WGS-84坐标系中进行，平差后基线向量各分量的改正数绝对值也应满足上式()的要求，计算时取a=5mm、b=1mm/km。CP网无约束平差合格后提供WGS-84坐标系中的空间直角坐标、基线向量及其改正数和精度信息。 CP网的三维约束平差应在2000国家大地坐标系中进行，起算点应该是所联测CP0点的三维坐标。三维约束平差后基线向量各分量改正数，与三维无约束平差同一基线改正数较差的绝对值应满足上式()要求，并提供约束平差后相应坐标系的空间直角坐标、基线向量及其改正数和精度信息。要求约束平差后CP相邻点间的相对点位中误差小于10mm，最弱边的相对中误差小于1/180000。

19、CP控制网的二维平面坐标应该是高速铁路线路工程独立坐标系中的坐标。高速铁路线路工程独立坐标系采用任意中央子午线和抵偿高程面的高斯分带投影方法建立，各投影带中央子午线和高程面的选择应确保该区域轨道面上投影长度的变形值不大于10mm/km。根据工程独立坐标系投影带的划分，将CP控制网在2000国家大地坐标系中的空间直角坐标，分别投影到相应的平面坐标投影带中，得到CP。 在实际工程建设中，为使高斯投影和高程归化改正引起的长度变形的综合影响控制在较小的范围内，常用以下的方法建立工程独立坐标系： 1）把中央子午线移到工程建设区域中央，归化高程面提高到该区域的平均高程面上，这样既可使该测区的高程归化改正较

20、小，并使测区中央的投影变形几乎为零。采用该方法建立的工程独立坐标系，其控制的东西跨度范围与测区的高差起伏有关，高差起伏越小，控制的东西跨度越大；高差起伏越大，控制的东西跨度越小。 2）采用抵偿高程面的方法建立工程独立坐标系，即中央子午线保持不变，选择某一高程面作为归化高程面，使高程归化变形和高斯投影变形相互抵偿，使测区内工程面上的两项投影变形的综合影响满足不大于10mm/km的要求。 由于高速铁路的线路较长，一般采用上述第二种方法建立分带的工程独立坐标系。控制网（CPII）测量 CP控制网宜在线路定测阶段建立，全线应一次布网、测量和整网平差。CP控制网应沿线路走向布设，CP点宜布设在距线路中线

21、50200m范围内不易被施工破坏、稳定可靠、便于测量的地方,路基和桥梁段应每600800m布设一个CP点,隧道洞内也应每300600m布设一对CP点。路基和桥梁段的CP控制网应采用GPS方式测量，隧道洞内的CP控制网应采用导线环网的方式测量。采用GPS方式进行CP控制网测量时，应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，并附合在沿线的CP控制点上。在线路设计的起点、终点或与其它铁路平面控制网衔接地段，必须有2个及以上的CP控制点相重合，并在测量成果中反映出其相互关系。采用导线环网方式进行CP控制网测量时，应采用四至六条边的环网方式构网，形成由环网构成的带状网，并附合在洞口的CP

22、控制点上。CP控制网测量应按表2和表3中所规定的三等GPS网或三等导线网测量精度要求进行施测。 CP网观测也应使用标称精度不低于5mm±1ppm的双频GPS接收机进行多时段观测，同步观测的GPS接收机不应少于4台。CP控制网外业测量应满足下列要求：卫星截止高度角15°、同时观测有效卫星数4颗、有效时段长度60min、观测时段数12、数据采样间隔1060s、PDOP或GDOP8。CP网外业观测结束后，可采用常用的基线解算软件进行基线解算。CP网基线向量解算应符合下列规定：（1）同一时段观测值的数据剔除率宜小于10%；（2）同一基线不同时段重复观测基线较差应满足式（）的规定：（

23、3）由若干条独立基线边组成的独立环或附合路线各坐标分量（Wx、Wy、Wz）及全长Ws闭合差应满足式（）的规定。 基线质量检核满足要求后进行CP网的无约束平差和约束平差。CP网无约束平差也应在WGS-84坐标系中进行，平差后基线向量各分量的改正数绝对值也应满足上式(-4)的要求，计算时取a=5mm、b=1mm/km。CP网无约束平差合格后提供WGS-84坐标系中的空间直角坐标、基线向量及其改正数和精度信息。 CP网的三维约束平差应在2000国家大地坐标系中进行，起算点应该是所联测CP点的三维坐标。三维约束平差后基线向量各分量改正数，与三维无约束平差同一基线改正数较差的绝对值也应满足上式(-5)要

24、求，并提供约束平差后相应坐标系的空间直角坐标、基线矢量及其改正数和精度信息。要求约束平差后CP相邻点间的相对点位中误差小于8mm，最弱边的相对中误差小于1/100000。CP控制网的二维平面坐标应该是高速铁路线路工程独立坐标系中的坐标，可将CP控制网在2000国家大地坐标系中的空间直角坐标，分别投影到相应的平面坐标投影带中，得到CP。隧道洞内 CP控制网应在隧道贯通后采用导线方式测量。洞内 CP导线测量应根据附合导线长度，按下表7要求进行测量。当 CP导线环数超过 20 个时，须按式（2.3-1）计算测角中误差： （2.3-1）式中 f导线环（段）的角度闭合差（）； n导线环（段）的测角个数；

25、CP导线成果计算应在方位角闭合差及导线全长相对闭合差满足要求后，以联测的洞口CP控制点坐标为起算数据，采用严密平差方法进行导线环网的平差计算。表7 符合导线长度规范表控制网级别附合长度（km） 测距中误差（mm）测角中误差（）相邻点位坐标中误差（mm）导线全长相对闭合差限差方位角闭合差限差（）对应导线等级备注CPL2 31/55 000 ±三等单导线CP 2L731/55 000 ±三等导线环网CP L7 351/100 000±隧道二等导线环网2.4 轨道控制网（CPIII）测量高速铁路线上工程施工期间建立的轨道控制网又称为 CP控制网，其主要作用是为无砟轨道板

26、的铺设施工和钢轨的铺设施工提供测量基准，也是高速铁路运营期间检测轨道平顺性的测量基准，因此称之为轨道控制网。CP控制网的合理布设及测量时间为线下工程施工结束和沉降评估通过以后，其上一级的测量控制基准是线路两侧的 CP或 CP控制网。CP控制网是平面和高程共点的三维控制网，其平面网是一种新型的边角控制网，高程网是采用精密水准仪和水准测量的方法测量的水准网。CP控制网是一种新型的施工控制网，是2005年随着我国高速铁路的兴建而从德国引进的一种专为无砟轨道和钢轨施工服务的精密工程测量控制网，其精度要求比较高，平面网要求相邻 CP点间的相对点位中误差应小于±1mm，高程网要求相邻 CP点间的

27、相对高差中误差应小于±0.5mm。首先研究轨道控制网的平面测量技术，然后再论述高程测量的新技术及数据处理的方法。 1）全新的作业方式 CPIII采用自由测站边角交会这一全新作业方式进行测量，比较普通控制网（有已知边）的测量，CPIII测量没有已知边提供起算数据，它通过作业过程中涵盖CPII或者CPI的自由交会来确定设站坐标，从而解算出各个CPIII的坐标。其测量距离短，网型繁杂，每个点的测量次数多，工作量十分庞大。 2）精度要求高 为满足列车高速行驶时的安全性和舒适性，要求客运专线铁路必须具有极高的精确性和平顺性，这就要求CPIII的精度必须满足毫米级的要求，以便为调轨及维护工作提供

28、可靠的依据。在CPIII平面网中，要求方向观测中误差不大于1.8，距离观测中误差以及相邻点相对中误差均不大于1.0mm，可重复测量精度不大于3mm。其中相邻点相对中误差是保证全网高平顺性最关键的精度指标。因此必须使用具有马达驱动、自动照准和数据自动记录功能的现代化全站仪进行测量，其标称精度不应大于：1,1mm+2ppm。如莱卡TCA2003，TCA1201，天宝TrimbleS6等。 3）施测难度大，工作量大 CPIII测量对环境要求很高，光线、气压、温度、粉尘、车辆行驶都能对测量产生影响，使测站数据作废，加之网型紧密，测站数多，每个CPIII点（包括已知的CPII或者CPI点）都要至少测量3

29、次，对一条线路来说任务相当繁重。观测应在气象条件相对比较稳定的天气下进行（温差变化较小、湿度较小，如阴天），夜间观测应避免强热光源对观测的影响。观测时测程内不能有任何遮挡物，哪怕一根细铁丝也会导致结果错误，场内不得有人体可以感受到的任何震动。 4）自动化程度高、可靠性强 由于采用了具有自动照准、自动记录、自动计算的全站仪进行观测，所以CPIII测量过程的自动化程度较高，操作相对简便。不仅节省了大量人力，并且避免了人员在操作过程中出现的疏漏，从而提高了数据的可靠性。从而能够为保证高速铁路的高平顺性提供了可能性，最终能够满足列车高速行驶时的安全性和舒适性。轨道控制网平面测量技术的实施 1）CPII

30、I测量前的准备工作 针对CPIII控制网高精度、高稳定性的特点，CP控制网测量必须在线下工程竣工、并通过沉降变形评估后施测。建网前应对全线的CP、CP控制网进行复测 ， 并根据高等级控制点采用 CPI 约束或CPII同精度插点方式进行CPII控制网加密，加密CPII控制网精度必须满足规范要求，最终采用复测和加密后并通过评审的CP、CP成果对CPIII网进行约束平差。平面控制网测量的全站仪，应具有自动搜索、自动照准、自动观测、自动记录功能，其标称精度应满足：方向测量中误差不大于±，距离测量中误差不大于±（×）。观测前须按要求对全站仪进行检校，作业期间仪器须在鉴定有效

31、期内。边长观测应进行温度、气象等气象元素改正，温度计量测精度应不低于±，气压计量测精度不低于±。每台仪器应至少配个棱镜，其重复性安装误差和各标志点之间的互换性安装误差，在、方向的误差应均小于±，在方向的误差应均小于±0.2。 2）CPIII平面测量的常规方法 铁路精密控制网中CPIII一般布设在电气化杆上,控制点间距离约为40-60m,点位标志外露尺寸易于在该点上套接棱镜。CPIII控制测量应在线路控制网CPII坐标成果基础上实施。常规作业方法有以下几种: 极坐标法。在一个 CPII控制点上设站 ,以另一个点定向 ,用极坐标方法直接测量CPIII控制点的

32、坐标。此时CPIII作为一个散点进行测量,其精度主要受制于对点、仪器等级、观测条件等限制,分析如下: a.CPII上对点误差:测站点和定向点各1mm; b.仪器等级:约束测角和测边达到的精度,以极坐标方法计算公式： ：P点的X坐标 ： P点的Y坐标 分析得知:1级1mm+1ppm的全站仪在平均边长为300m时引起的x坐标误差为： 点位误差 ： c.影响观测的主要因素为旁遮光、温度、气压等,但我们通过温度,气压的改正,尽量减小其影响,使影响值不大于1.5mm。综上,极坐标法进行CPIII控制点测量中的误差在5mm以内,满足铁路测量要求。但由于每个CPIII点均是独立求出的,因此CPIII的相关性

33、不强。 测角交会法。分别在两个CPII控制点上设站,观测同一CPIII控 制 点,通过CPII坐 标 以 及 观 测 的 角 度 值 进 行 交 会 计 算,得到CPIII控制点的坐标。在实际观测中,有以下几种情况影响此方法的施测: a.部分CPIII点不能在两个CPII方向上通视; b.带状线路的特性导致交会角过小,会影响交会点的精度。 测边交会法。同测角交会,分别在两个CPII控制点上设站, 观测同一CPIII控制点,通过CPII坐标以及观测的距离进行交会计算,得到CPIII控制点的坐标。此方法同样受部分观测条件的影响,旁遮光、仪器对中、仪器测距精度等对结果精度影响较大,需要进行大气折光、

34、仪器加乘常数等改正。 支距交会法。支距交会的原理是:利用两个CPII控制点建立一个定向方向,测量CPIII控制点到这个方向上的垂距D以及垂足到其中一个CPII控制点的距离S,从而计算出CPIII控制点的坐标。如图,具体操作如图1。图1 在CPII控制点A上架设全站仪,在B上架设定向棱镜,移动支距尺(如上图)上的游标,使其处于AB方向线上,读出支距尺上游标的支距D,测出游标到A的距离S,利用下式计算出CPIII控制点的坐标:已知测站A的坐标(Xa,Ya), 棱镜B的坐标(Xb,Yb),支距D和到测站的距离S,首先计算AB方向方位角: 此方法在操作上比较简单,精度较高。但因支距D不完全与定向视线垂

35、直,还需在铁路另一侧采用碎步测量方法测量CPIII点近似坐标。但这种法方法和极坐标法一样,各个CPIII的相关性不强。 3）CPIII平面测量的新技术及新测量方法的应用 CP平面网的测量方法与传统的边角网测量方法不一样，传统的边角网测量全站仪一般架设在一个控制点上向其他控制点上的棱镜进行方向和距离测量，距离测量一般要求往返测；而 CP平面网测量，则采用全站仪自由测站的方式向若干个 CP点上的棱镜进行方向和距离测量，距离测量只能单向观测。这里的自由测站指的是全站仪大致架设在四个 CP点的中间位置，地面没有测量标志，架设全站仪时只整平不对中，整平后的仪器中心就是测站中心，因此相对于测站强制对中，仪

36、器的安置尽量使前后视距相等,可以减小视距差过大带来的视距误差。 CP控制网采用自由设站交会网(客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定3称为“后方交会网”)的方法测量, CPIII控制点的点间距一般应为5060m 1对。第1站在起始的2对CPIII点中间自由设站,测量前后各1对(共2对计4个)CP点的角度和距离;第2站在4对(包括起始第1对点)CPIII点中间自由设站,测量前后各2对共8个点;第3站在6对CPIII之间自由设站,测量前后3对点共12个点。此后每一站都测量12个CP点,每个测站至少观测每个CPIII点2测回,距离的观测应与水平角观测同步进行,并由全站仪自动进行。最终保证每个CPIII

37、点至少被观测3次(一般情况)，这是由于后方交会法并不是一种很严密的测量方法,其自身会有较大的误差传递,因此在CP的测量中,必须保证每个CP控制点要达到重复测量3次以上,用专门的通过相关部门正式检定合格的软件进行数据的分析处理。每个测站最远测量长度约为150m。在1个测段结束的最后3站要按开始的相反顺序进行测量,即倒数第3站测量12个CP点,倒数第2站测量8个CPIII点,最后1站测量4个CP点(见图2)。若有多个测段,相邻的2个测量段间至少重叠测量3对CP点(约为180m的重叠测量距离),一般衔接4对CP点。与上一级CPII控制点联测时应保证600m左右的间隔联测1个,一般情况下应通过2个或2

38、个以上线路上的自由测站,见图3。联测高等级控制点时,应最少观测3个完整测回数据(其测量误差应在5mm以下)。图2 自动全站仪测量CPIII点示意图图3 与已知点的直接联测示意图 如上图3所示，全站仪在 CP点号为 5、7 和 6、8 的大致中间 Z4 自由测站，在1至12号CP点上及其邻近的CP点上安装棱镜，选择零方向，假设以 1 号点为零方向，然后按全圆方向观测的方法，依次向 1、3、5、7、9、11、12、10、8、CP、6、4、2、1 点上的棱镜观测水平方向值、斜距和竖直角，要求根据全站仪的标称精度进行多测回的自动观测。 一条长大线路的 CP网一般都是分区段分别进行观测，每个区段的 CP

39、网长度一般不短于4km，区段与区段之间应搭接不少于六对 CP点。图3为某一区段CP平面网，网中 CP点的纵向间距一般为60m左右，最小不得小于40m，最大不得大于80m；自由测站的间距一般为120m左右，除区段的头尾四个自由测站外，每个自由测站一般观测12个CP点，每个CP点均被三个自由测站对其进行方向、斜距和竖直角交会，因此 CP平面网是一个自由测站边角交会网，CP平面网的测量方法是自由测站全圆方向和距离观测。由于 CP平面网的精度要求高，而且每个自由测站一般要观测12个CP点，因此用于 CP平面网观测的全站仪，要求是标称测距精度不低于±（1mm+2ppm）和标称方向测量精度不低于

40、±1的高精度智能型全站仪。所谓智能型全站仪，指的是具有电子驱动、自动目标识别和在程序控制下能够进行自动观测的高性能全站仪。 4）CP控制网的概略坐标的平差计算CP网是引进德国高铁测量系统中的一种新的网型,其特殊性狭长且已知点(CP或CP)上不架设全站仪,自由设站上所观测的CP点均为未知点,属无定向边角交会网,故常规方法无法正确推算CP网点平差前的概略坐标。因此,要实现CP网坐标平差和精度计算的关键在于正确推算网点概略坐标。目前国内开发的CP网数据平差计算软件,是采用了分区无定向概略坐标算法来推算CP网点的概略坐标。CP网平差时,应将CP网分成若干区域进行平差,每个区域4 km为宜。为

41、了满足CP网的高均匀性和高精确度,每相邻区域间要有180m左右的重合区域(即有4对CP点)进行联测,重合区域中CP点的测量数据既要纳入到前一区域平差网进行平差,又要纳入至后一区域平差网中进行平差。图4为相邻区域段联测示意图。图4相邻段联测示意 5）分区无定向概略坐标计算方法 分区无定向概略坐标算法主要利用了极坐标计算、自由设站坐标计算、四参数坐标转换三部分来完成。极坐标计算是以每一个自由设站点为坐标原点,坐标假设为(0, 0),第一个设站点到其观测的第一个方向的方位角为0,建立独立坐标系。角度为边SSA、SSB的夹角, SA为SA方向的方位角,S点的坐标为(XS、YS),则可以计算B点的坐标为

42、：自由设站坐标计算是用来计算设站点的坐标,要求设站点对两个或两个以上CP点进行方向和距离的观测,且被观测的CP点的坐标已知。自由设站坐标计算的方法如图5所示。图5 CP网自由设站点坐标计算示意图 假设自由设站点S在仪器站心坐标系下的坐标为(0, 0),则CP点在该坐标系下的坐标为 XCP=S×cos YCP=S×sin 式中:、S分别为自由设站的方向、距离观测值。 仪器站心坐标系与CP网坐标系的坐标转换关系式为式中:XCPIII、YCPIII为CP点在CP网坐标系中的坐标,XS、YS为设站点S在CP网坐标系中的坐标,为自由设站仪器水平度盘零方向的坐标方位角。令CP点坐标转换

43、后的坐标为虚拟观测值,其与原始已知坐标之差为虚拟观测值的改正数,则可列出虚拟观测值的误差方程式： 式中X0CP、Y0CP为CP点在CP网坐标系中的已知坐标。 当观测CP点的数目大于2个时,按间接平差原理,令权阵P为单位阵,满足VTPV=min的原则进行参数估计,则可求出设站点S在CP网坐标系中的概略坐标。重复上述过程,则可完成全部CP点概略坐标的计算。 参数坐标转换: 按上述极坐标计算方法或自由设站坐标计算方法计算的CP的概略坐标为独立的CP网坐标,因在一个区段CP网中有一定数量的CP或CP点时,则采用四参数坐标转换的方法,就能实现将已推算的CP点独立坐标转换到原CP或CP点工程坐标系中。 四

44、参数坐标转换公式为： 式中:x,y为平移参数； k为尺度参数；为旋转参数。 将上式中的四个转换参数作为平差参数开列误差方程,利用网中多个CP和CP点原设计坐标和在CP网中的独立坐标对应关系,从而就能计算出x,y,k,四个参数,以及所有CP点的原设计工程坐标系下的坐标。具体计算方法如下：vx=x+(xocoso+yosino)k+(-xo(1+ko)sino+yo(1+ko)coso)-lxvy=y+(-xosino+yocoso)k+(-xo(1+ko)coso-yo(1+ko)sino)-lylx=x-(xo+(1+ko)(xocoso+yosino) ly=y-(yo+(1+ko)(-xo

45、sino+yocoso) 式中xo,yo,ko,o为平差参数的概略值。若公共点的个数大于2,则可根据最小二乘原理,满足VTPV=min的原则进行参数估计,求得无偏最优的转换参数x、y、k、。根据公共点求得的转换参数x、y、k、,利用四参数转换模型,即可将计算的CP坐标转换到以CP或CP点为基准的坐标系中。 分区无定向概略坐标算法是对常规无定向概略坐标算法的一种改进,该方法计算的概略坐标与其真值偏差较小,特别适用于CP网点概略坐标的计算。综上所述分区无定向概略坐标计算程序框图如图6所示。图6 分区无定向概略坐标计算程序2.5 高速铁路首级高程控制测量 高速铁路工程测量高程控制网也按分级布网的原则

46、分二级布设，第一级为线路水准基点控制网，也是高速铁路勘测设计、施工和运营维护的首级高程控制网；第二级为轨道控制网之高程网，也称为 CP高程控制网，为高速铁路轨道施工和维护提供高程基准；当采用博格无碴轨道系统时，需要建立第三级高程控制网，即轨道基准网之高程网。本文着重介绍高速铁路线路水准基点控制网的建网测量及其技术要求，以及复杂水网和山区利用智能型全站仪同时对向三角高程进行二等高程控制测量的方法和原理及轨道控制网之高程网的相关内容。 首级高程控制网采用国家高程系统，精度等级为二等水准，一般每隔 200300km左右与国家一、二等水准点联测一次，联测的附合水准路线长度要求小于 400km。首级高程

47、控制网由线路附近的国家一、二等水准点和线路水准基点组成，国家一、二等水准点是首级高程控制网的起算点，线路水准基点是沿高速铁路线路敷设的首级高程控制点。线路水准基点一般要求沿线路每2km左右布设一个，离线路中线的横向距离不大于500m。在平原地区，首级高程控制网一般采用二等水准的方法进行施测和精度控制；在复杂水网和山区，可采用精密三角高程测量的方法进行施测，用二等水准测量的往返测高差较差限差和附合路线高差闭合差限差控制其路线精度，用每公里高差偶然中误差和每公里高差全中误差衡量其是否达到二等高程控制网的精度要求。由于高速铁路对线下工程的稳定性要求很高，兼顾线下工程沉降监测的需要，线路水准基点常常作

48、为沉降监测的基准点，因此在软土和区域沉降地区，要求每隔10km左右设置一个深埋水准点，每隔 100km左右设置一个基岩水准点。深埋水准点采用钻孔桩的方式进行埋设，桩的深度根据当地的地质情况要求在3070m之间；基岩水准点要求水准点的基础设置在基岩上，在山区基岩水准点可直接埋设在裸露的基岩上，在软土和区域沉降地区，要求基岩水准点的桩头深入至基岩。 2.5.2 精密三角高程测量的方法和原理这里介绍的精密三角高程测量方法又称为智能型全站仪同时对向三角高程测量，下面介绍其测量原理和过程。为使一个测段高差的三角高程测量，既能够实现同时对向观测，又能够使各测段的仪器和棱镜高能够相互抵消，可采用如图 7所示

49、的不量仪器和觇标高的同时对向观测三角高程测量方法进行测量。图7 中，A、N 为放置在水准点上具有整平装置带棱镜的特制基座，Z1、Z2Zn为使用脚架安置的全站仪，B、CM 为使用脚架和普通基座安置的棱镜。该方法的测量原理及其过程如下： 1）在水准点 A 上，安置带棱镜的特制基座并整平，把前视棱镜B放置在测量前进的方向且通视条件好的地方，使用两台高精度智能型全站仪进行观测，Z1 摆放在离A点1020m 距离的地方，Z2 摆放在离B点1020m 距离的地方，AB 的间距可根据通视情况确定，通视条件差的地方AB间距可为 300500m，通视条件好的地方AB间距可为8001200m，然后两台全站仪对A、

50、B 两个棱镜同时进行多测回的自动观测，得到 AB 间的高差。图7 不测量仪器高和觇标高同时对向观测三角高程测量方法示意图 2）第一测站观测完成后，B 点棱镜不动，为节约搬站时间，Z2 站移到 Z4 站上，Z1 站移到Z3 站上，同样在测量的前进方向且通视条件好且 BC 距离适中的地方，架设前视棱镜 C，之后两台全站仪同时对 B、C 两个棱镜进行多测回观测，得到 BC 间的高差。 3)同理，采用相同的方法进行后续双测站的观测，只是在最后一个双测站，由于要附合到水准点 N(或是转点)上，此时 N 上的前视棱镜应使用和水准点 A 上同样的带棱镜的特制基座。 水准点A点和N点上摆放的是同一个带棱镜特制

51、基座，设其棱镜中心到水准点的高度为0 ；Z1 站上的仪器高为 iZ1 ,Z1观测棱镜A的竖直角为Vz1A和斜距为SZ1A，观测棱镜B的竖直角为VZ1B和斜距为SZ1B；Z2 站上的仪器高为iZ2 ，Z2 观测A点的竖直角为VZ2A和斜距为SZ2A，观测棱镜B的竖直角为VZ2B和斜距为SZ2B，棱镜B的高度为B ；后续测站的变量假设以此类推。基于上述的测量过程，不量仪器和觇标高的三角高程测量数据计算流程如下： 在 Z1 上的全站仪分别对 A 和 B 点棱镜观测斜距和竖直角，则可由下式（2.5-1）计算Z1点到A 和 B 点上的高差： （2.5-1）由式（2.5-1），可计算 A 到 B 的高差为

52、： 在 Z2 上的全站仪对 B 和 A 点棱镜观测斜距和竖直角，则可由下式（2.5-2）计算Z2点到B和A点位置上的高差： （2.5-2） 由式（2.5-2），可计算 B 到 A 的高差如下式所示： 由以上各式，可计算A到B点的往返测高差平均值为： 式中 =K·D/2R。K 为大气垂直折光系数，则有由测站 Z1 和测站 Z2 摆放的位置关系可知：DZ1ADZ2B，DZ 1 BDZ2A，而测区的范围不大，所以可以得到：KZ1AKZ1BKZ2AKZ2B )，则整理式（2.5-3）得：（2.5-4）可见按上式计算AB间的高差，不但抵消了大气折光的影响，而且消去了仪器高。 按步骤中的方法，同理可求得后续各双测站测量的高差分别为：（2.5-5）（2.5-6） （2.5-7） （2.5-8） 可见式（2.5-8）中没有了仪器高和棱镜高，所以按本文介绍的方法进行三角高程测