高速铁路无砟轨道CPⅢ控制网建立与精度控制

2010-01-25李明领

铁道标准设计 2010年1期

李明领

(武广铁路客运专线有限责任公司,武汉 430060)

1 概述

《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》(铁建设[2006]189号)规定CPⅢ控制网的作用为：CPⅢ主要为铺设无砟轨道和运营维护提供控制基准。为保证高速列车在高速客运专线上运行时的安全性,以及乘坐旅客的舒适度,高速客运专线的轨道必须具备高平顺性和高稳定性。轨道具备高平顺性和高稳定性的条件,除轨道结构的合理外形尺寸、良好的材质和制造工艺外,轨道的高精度铺设是实现轨道初始高平顺性的保证。因此,CPⅢ控制网的建立必须满足铺设无砟轨道平顺性的要求,并为日后运营维护提供控制基准。

本文将根据铺设无砟轨道平顺性的要求,讨论CPⅢ控制网建立的必要精度。

2 CPⅢ控制网的布设

客运专线无砟轨道CPⅢ控制网布设,在线路两侧(接触网杆、防撞墙、隧道壁上)每隔50～60 m布置一对CPⅢ点,平面和高程控制点为同一标志。平面控制网采用自由设站边角交会方法建立,即在两对点之间,相隔100～120 m布置自由测站点,对前后各3对点(共12个CPⅢ点)进行边角交会,如图1所示。CPⅢ平面控制网附合在CPⅠ、CPⅡ或加密的高级控制点上,约相隔800～1 000 m在自由设站点上对附近的高级控制点进行方向、边长联测,以传递坐标和控制误差积累。CPⅢ高程控制网采用精密水准测量方法建立,相邻两对点构成闭合环,相隔2～3 km附合到线路的二等水准点上,如图2所示。

图1 CPⅢ平面控制网布设(单位：m)

图2 CPⅢ高程控制网测量

3 轨道调整测量

在CPⅢ控制网建立后,可进行无砟轨道调整。利用高精度全站仪和轨道测量小车测量轨道中线位置。全站仪靠近中线架设,后视前、后8个CPⅢ点(图3),按自由设站方法观测距离、水平方向和高度角,计算全站仪中心的坐标和高程。然后按极坐标测量方法观测轨道测量小车上的棱镜,由全站仪中心的坐标、高程和观测值及轨道测量小车的几何参数,推算轨道中线位置。

图3 自由设站

4 轨道短波不平顺性和测量误差的关系

4.1 一个测站上全站仪测量轨道各点的误差

全站仪按极坐标测量方法测量轨道测量小车位置,计算公式为

式中,X0、Y0、H0为全站仪中心的坐标、高程,S为观测距离,β为方位角,α为观测高度角。

由式(1)可知,一个测站上测量的轨道各点,在竖直方向的不平顺性与观测高度角的误差有关；在水平方向的不平顺性与观测水平方向的误差有关。图4中A、B、C是由同一个测站测量的3个轨道点,其正矢V的误差与观测方向误差之间有以下关系

图4 三个轨道点之间的正矢

由式(2)可知,正矢V的误差与测角误差及观测距离成正比。假如在一个测站上,全站仪测量轨道各点所产生的不平顺性要求不大于1 mm,则观测方向误差不应大于2″,观测距离范围不应超过70 m。

4.2 两相邻测站的相对点位误差在轨道测量连接处产生的不平顺性

由于两相邻测站在平面位置和高程存在相对误差,即使全站仪测量没有误差,由两相邻测站测量的同一点坐标和高程也不相同。假如在轨道测量连接处测量了3个公共点P1、P2、P3,如图5所示，通常取2次测量值的平均值。由图5可看出,相邻测站在垂直线路方向上的相对误差所产生的不平顺性f,等于相对误差的1/4。

图5 两相邻测站的相对点位误差在连接处产生的不平顺性

假如,要使相邻测站在垂直线路方向上的相对误差所产生的不平顺性f小于0.5 mm,则两相邻测站在垂直线路方向上的相对误差不应大于2 mm。

测站点的位置不是根据一个CPⅢ点来确定的,而是后视8个CPⅢ点按自由设站来计算测站点的坐标和高程。并且两相邻测站的8个后视CPⅢ点中至少有4个CPⅢ点是公共点,这对减小两相邻测站的相对点位误差是有利的。在评价CPⅢ控制网精度时,最好用测站点的相对点位中误差来评价,而不用CPⅢ的相对点位中误差来评价。

4.3 自由设站精度

根据无砟轨道调整测量实际情况,全站仪后视8个CPⅢ点按自由设站来计算测站点的坐标,如图6所示。

图6 8个方向自由设站(单位：m)

假定,方向中误差为3″,边长中误差为3 mm,在不顾及CPⅢ点位误差的情况下,通过平差计算可得测站点的点位中误差为±0.22 mm(Mx=±0.05 mm,My=±0.22 mm)。可见,由于观测值误差所产生的自由设站点位误差是很小的,而且主要由方向观测误差所引起。

5 轨道长波不平顺性和测量误差的关系

轨道长波不平顺性与CPⅡ、CPⅢ控制网的测量误差有关。按照《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》要求,CPⅡ控制点间距为800～1 000 m,当CPⅢ控制网观测方向中误差为±2″,边长中误差为±2 mm,最弱点点位中误差为±4 mm，完全能够满足10 mm/150 m/300 m长波平顺性的要求。相邻CPⅡ控制点的相对点位中误差约为10 mm,因此CPⅢ控制网联测CPⅡ控制点的间隔不宜过短,即CPⅡ控制点间距宜为600～1 200 m。