兰新客运专线风区CPⅢ网半盘位测量方法可行性研究

宋志雄

(乌鲁木齐铁路局，新疆乌鲁木齐830011)

兰新客运专线风区CPⅢ网半盘位测量方法可行性研究

宋志雄

(乌鲁木齐铁路局，新疆乌鲁木齐830011)

兰新客运专线百里风区、三十里风区由于常年风沙大，气候条件恶劣，致使CPⅢ网外业测量困难，给兰新客运专线无砟轨道控制网的维护和复测带来了极大不便。受国外轨道基准网外业测量方法的启发，本文对CPⅢ网半盘位测量方法的可行性进行了研究。通过理论分析和试验结果分析发现，采用CPⅢ网半盘位测量方法能够满足兰新客运专线风区CPⅢ网测量的技术要求，为兰新客运专线风区CPⅢ网测量提供了新方法和技术依据，可供我国其他风区CPⅢ网测量参考。

客运专线;风区;CPⅢ网;半盘位测量;精度指标;可行性分析

1 概述

我国无砟轨道控制网(CPⅢ)一般是在微风和天气良好的条件下进行测量的。兰新客运专线是我国首条处在大漠风区的高速铁路，新疆境内的百里风区、三十里风区，全年有风天气多达半年以上，致使兰新客运专线运营期间CPⅢ网外业测量困难，而其所占里程是乌鲁木齐铁路局管辖客运专线的近1/3，给兰新客运专线运营期间轨道维护带来了极大不便。

如何在风区天气条件下开展无砟轨道控制网的维护和复测工作，是需要研究的技术难题。我国CPⅢ网外业数据基本上都是在夜间采集的。其原因主要是白天气象条件不够稳定，测站或者棱镜附近有阳光或旁折光。这些因素极易导致CPⅢ网外业观测值中2C互差等限差指标超限，须重测或补测，因此显著降低了测量效率［1］。兰新客运专线常年风大的情况同样也会导致CPⅢ网外业观测数据经常超限，或者根本无法及时获得合格的观测数据。

在德国的轨道基准网测量方法中，只要求用全站仪进行盘左观测即可达到轨道基准网平面精度0.2 mm和高程精度0.1 mm的要求［2］。而我国高速铁路轨道控制网的测量，往往通过全站仪盘左和盘右观测值取均值的方法来消除或减弱全站仪系统误差带来的影响，类似于德国采用的轨道基准网半盘位的测量方法从未被使用过。

若我国的高速铁路轨道控制网在满足精度要求的前提下，同样采用半盘位观测方法，则可以避开2C互差等限差指标的限制，从而针对兰新地区常年风沙大、气候条件恶劣的情况实现全天候的观测并极大地提高工作效率。本文针对CPⅢ平面网和CPⅢ自由测站三角高程网半盘位测量方法的可行性进行理论研究，并通过分析兰新客运专线既有线一段600 m长的CPⅢ网半盘位测量试验数据的精度指标，对CPⅢ网半盘位测量方法在兰新客运专线风区应用的可行性进行研究，供我国其他地区高速铁路轨道控制网测量参考。

2 CPⅢ网半盘位外业观测技术要求

CPⅢ网外业观测时，需首先对全站仪外业观测数据的质量进行控制。只有符合《高速铁路工程测量规范》(TB 10601—2009)要求的外业观测数据才能用来进行精度评定。CPⅢ网采用全站仪全圆方向观测法进行观测，具有网形规则对称、多余观测数多、可靠性强等特点［3］。根据TB 10601，CPⅢ平面网和三角高程网全圆方向外业观测技术要求见表1。

表1 CPⅢ平面网和三角高程网全圆方向外业观测技术要求

如果采用CPⅢ网半盘位观测方法，只利用全站仪的盘左观测方式进行观测，则没有不同测回同一方向2C互差、测回间距离较差、测回间竖盘指标差互差、测回间竖直角互差这4个限差指标的要求。若CPⅢ网半盘位测量的观测方法能够满足CPⅢ网验后精度指标，则可在外业观测时省略对于上述4个精度指标的控制。CPⅢ平面网和三角高程网半盘位外业观测的技术要求见表2。

表2 CPⅢ平面网和三角高程网半盘位外业观测技术要求

3 CPⅢ网半盘位观测方法可行性分析

根据TB 10601:CPⅢ平面网应满足方向测量中误差≤1.8″和距离测量中误差≤1.0 mm的技术要求; CPⅢ自由测站三角高程网应满足高差观测值的中误差≤0.5 mm的技术要求。

假设使用标称精度为一测回方向测量中误差1″，测距固定误差1 mm，比例误差1 mm/km的仪器进行3次半盘位观测。下文对最不利观测条件下CPⅢ平面网和CPⅢ自由设站三角高程网的上述精度指标进行估算，从而对CPⅢ网半盘位测量方法的可行性进行分析。

3.1 平面网

根据误差传播定律可得，由全站仪一测回方向测量中误差mL可推知全站仪1次半盘位方向测量中误差m半L为

对CPⅢ平面网采用半盘位观测方法观测3次，所得3次半盘位方向测量均值的中误差为

即

同理，由全站仪1次测距中误差mS可推知全站仪3次半盘位测距中误差均值为

即

式中，S为观测距离，km。

由CPⅢ网布网形式可知，CPⅢ平面网观测，自由测站点到CPⅢ点的最远观测距离≤180 m［4］。以极限情况进行分析，将S=180 m带入式(5)，得

3.2 自由测站三角高程网

CPⅢ自由测站三角高程网测量原理如图1所示。在自由测站点O处安置仪器，在CPⅢ桩A，B点上安放棱镜后利用全站仪中间法三角高程测量原理，分别观测O点至A，B点的斜距SA，SB以及竖直角αA，αB。

图1 CPⅢ自由测站三角高程网测量原理

由于CPⅢ点均采用特殊的强制固定装置，故可认为棱镜中心与CPⅢ桩面的高程相等，即vA=vB。这样，既保证了目标点重复安装的精度，又可在进行CPⅢ自由测站三角高程测量时避免棱镜高的测量，从而避免因测量棱镜高带来的精度损失［5］。全站仪O点至A，B点的平距分别为DA=SAcosαA，DB= SBcosαB，设地球曲率半径为R，大气折光系数为kA，kB，则CPⅢ自由测站三角高程测量A，B点间的高差为［6］

由于CPⅢ自由测站三角高程网观测的前后距离基本相等且范围较小，因此由地球曲率和大气折光对高差误差造成的影响可忽略不计，则式(7)可简化为

根据误差传播定律可得A，B点间的高差中误差mhAB为

式中:mSA，mSB分别为A，B点的距离测量中误差;mαA，mαB分别为A，B点竖直线的测量中误差。

以极限情况进行分析，将SA=SB=180 m，αA=αB=15°带入式(9)，得

综上分析，可以认为采用方向测量中误差≤1″，测距中误差≤1 mm+1 mm/km标称精度的全站仪，进行CPⅢ平面网和自由测站三角高程网3次半盘位测量，能够满足TB 10601的要求，从而在理论上说明CPⅢ网半盘位测量是可行的。

4 实测数据精度分析

采用CPⅢ网半盘位外业观测方法，在兰新客运专线既有线上对一段600 m长的CPⅢ网进行了3次半盘位测量。外业测量过程中只对表2中的精度指标进行控制。将满足外业观测技术要求的试验数据作平差计算，统计出CPⅢ网半盘位测量的精度，从而分析兰新客运专线CPⅢ网半盘位测量的可行性。

4.1 CPⅢ网平差计算精度指标

根据TB 10601，CPⅢ平面网和三角高程网平差后的精度指标应满足以下要求:

1)CPⅢ平面自由网平差后，各方向改正数应小于±3″;距离改正数应小于±2 mm。

2)CPⅢ平面网约束平差后，各项精度指标见表3。

表3 CPⅢ平面网约束平差后的精度指标

3)CPⅢ自由测站三角高程网平差后，各项精度指标见表4。

表4 CPⅢ自由测站三角高程网平差后的精度指标

4.2 CPⅢ半盘位测量平面自由网和约束网精度分析

对兰新客运专线CPⅢ网半盘位测量平面网的实测数据分别进行自由网平差和约束网平差计算后，分别统计方向改正数和距离改正数分布的取值区间，统计结果见表5。可知:兰新客运专线CPⅢ平面网半盘位测量试验约束网平差方向改正数有3.3%的超限，超限比例较小且符合偶然误差的特性;其余指标均未超限，说明兰新客运专线CPⅢ平面网半盘位测量的平差结果的方向改正数和距离改正数基本满足TB 10601的精度指标要求。

4.3 CPⅢ半盘位测量自由测站三角高程网精度分析

对兰新客运专线CPⅢ半盘位测量自由测站三角高程网的实测数据作平差计算后，分别判断表4中各精度指标是否得到满足，统计及判断结果见表6。

表5 CPⅢ半盘位测量自由网及约束网平差方向和距离改正数分布

表6 CPⅢ半盘位测量自由测站三角高程网试验平差计算精度判断

由表6可知:兰新客运专线CPⅢ自由测站三角高程网半盘位测量试验高差改正数有5.0%的超限，超限比例较小且符合偶然误差的特性;其余精度指标均未超限，说明兰新客运专线CPⅢ自由测站三角高程网半盘位测量方法基本满足TB 10601的精度指标要求。

5 结论

本文对CPⅢ平面网和自由测站三角高程网半盘位测量方法的可行性进行了研究，并通过在兰新客运专线进行CPⅢ网半盘位测量试验，得到以下主要结论:

1)采用CPⅢ网半盘位的测量方法，其约束平差后的精度能够满足TB 10601对于CPⅢ平面网及CPⅢ自由测站三角高程网的技术要求。

2)采用CPⅢ网半盘位的观测方法进行外业观测时，可以不考虑不同测回同一方向2C互差、测回间距离较差、测回间竖盘指标差互差、测回间竖直角互差这4个限差指标的要求，极大地提高了CPⅢ网外业测量的工作效率，对类似兰新风区这样气候条件恶劣的地区极为有利。

3)在兰新客运专线上进行CPⅢ网半盘位测量试验时，虽然CPⅢ平面约束网方向改正数和CPⅢ自由测站三角高程网高差改正数有个别超限情况出现，但是超限比例较小，均在5%以内，符合偶然误差出现规律，并且约束平差的精度指标均达到要求，说明CPⅢ网半盘位测量方法具有可行性。

在兰新客运专线百里风区、三十里风区所作试验表明，传统观测方法一个天窗4 h内只能采集300 m的数据。而半盘位测量方法可采集400～500 m的数据，提高效率30%以上，综合经济效益显著。

［1］赵梦杰，刘成龙，王化光，等．CPⅢ平面网半盘位观测的可行性研究与分析［J］．铁道工程学报，2011，28(1):20-24．

［2］周芳洪，刘成龙，李书亮，等．德国轨道基准网平面网测量与数据处理方法研讨［J］．铁道勘察，2013(4):29-32．

［3］马洪磊，刘成龙，宋韬，等．自由测站方法在平面控制网测量中的应用［J］．测绘工程，2014(5):51-54．

［4］蔡跃辉．CPⅢ平面网半测回观测方法实验研究［D］．成都:西南交通大学，2012．

［5］刘成龙，杨友涛，徐小左．高速铁路CPⅢ交会网必要测量精度的仿真计算［J］．西南交通大学学报，2008，43(6):718-723．

［6］王文杰，田丽亚，刘立臣，等．中间法三角高程测量在高铁CPⅢ控制网中的应用［J］．测绘地理信息，2014(1):29-32．

Feasibility Research on CPⅢNetwork Half-face Observation Method Used for Lanzhou－Xinjiang Passenger Dedicated Railway Wind Area

SONG Zhixiong
(Urumqi Railway Administration，Urumqi Xinjiang 830011，China)

Heavy wind blows almost all of the year in the Lanzhou－Xinjiang wind area，and the climatic conditions are harsh．So it is difficult for CPⅢnetwork observation in Lanzhou－Xinjiang passenger dedicated railway wind area，which brings lots of inconvenience to the maintenance and retest of ballastless track control network．Drawing on the experience of the observation method of foreign track reference network，the feasibility of CPⅢnetwork halfface observation method was analyzed．T hrough the theoretical analysis and test results analysis，the CPⅢnetwork half-face observation method is able to meet the technical requirements for Lanzhou－Xinjiang passenger dedicated railway wind area，which provides a new CPⅢnetwork observation method and could be used in other wind areas of China．

Passenger dedicated railway;W ind area;CPⅢnetwork;Half-face observation;Precision index; Feasibility research

U216．42+6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．32

1003-1995(2016)12-0121-04

(责任审编李付军)

2016-07-03;

2016-08-25

宋志雄(1964—)，男，高级工程师。