京沈客专北京段精密工程控制测量复测技术分析

杨志勇， 郭同鑫， 刘祥磊

(1.中国铁路设计集团有限公司上海分公司， 上海 200063； 2.北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院， 北京 100044)

近年来，我国经济高速发展、国民生活水平大幅提高，使得民众出行选择轨道交通的需求日益增加。对出行的效率以及舒适度需求也大大增加，高速铁路运输业由此迅速发展。高速铁路的运行速度较快，建设和运行标准较高，对线路有平顺性、稳定性的要求，一定量的轨道形变就会对列车运行的安全性与舒适性造成影响，严重时甚至会造成人员伤亡和财产损失。尤其是新建的铁路，还会有较明显的沉降。因此高速铁路的定期沿线形变监测是维护既有铁路运行安全的重要一环[1-3]。

郑雪峰[4]以京沪高铁工程为背景研究了铁路工程精密控制测量的具体实施方案。李明军[5]在高速铁路控制测量现有研究的基础上,为精密控制测量结合了无砟轨道工程测量技术、全球定位系统(GPS)测量等技术。刘家臣[6]利用长吉高铁实测数据进行斜轴墨卡托投影及其投影精度的研究,验证了斜轴墨卡托投影可以达到精密工程控制测量的高精度要求。张宇锋[7]在高速铁路建设实际过程中测试出高精度仪器和科学的技术方案能极大程度降低布网的误差,进而使施工控制网满足预期精度。雷毅[8]通过西安至成都客运专线的实测数据,对精密工程平面控制测量与高程控制测量的精度进行了分析。张志伟等[9]分析研究高速铁路精密工程控制测量精度,进一步提出高效的技术方案，完善了我国三维数字测量技术。本文以北京至沈阳铁路客运专线(简称京沈客专)北京段精密工程测量为实例，采用精密工程测量技术开展京沈客专北京段精密工程测量平面控制网与高程控制网复测工作。

1 工程概况

京沈客专是我国“四纵四横”客运专线主骨架的重要专线之一，京沈客专为东西走向，西起北京市，东至辽宁省沈阳市，沿线主要途径的县市有北京市顺义区、怀柔区、密云区，河北省兴隆县、承德市、平泉市，辽宁省凌源市、朝阳市、北票市、阜新市、新民市、沈阳市等，全长共709 km，列车设计标准时速为350 km/h，因此对于地基平整度有着较高的要求[10]。为满足京沈客专施工和运营需要，根据全线路基、桥梁、隧道等线下工程施工及无砟轨道施工对工程测量精度的要求，按照分级布网、逐级控制的原则，中国铁路设计集团有限公司建立了京沈客专高精度的平面和高程控制网，目前共对该路段进行了20次复测。

2 精密工程控制测量技术方法

精密工程测量技术是高速铁路施工、建设、运营、维护中不可或缺的关键技术之一[11]。精密工程测量控制网复测参照TB 10601—2009《高速铁路工程测量规范》、GB/T 12897—2016《国家一、二等水准测量规范》《新建铁路京沈客专精密工程控制测量技术方案(补充修改稿)》等规范严格执行；京沈客专北京段精密工程控制20次测量的各个阶段，选择了不同的规范、规定，体现了京沈客专北京段根据工程具体应用、不断完善发展测量技术的特点。

2.1 精密工程测量平面控制网技术

2.1.1 精密工程测量平面控制网工作内容

中国铁路设计集团有限公司于2014年5月建立了京沈客专高精度的全线基础平面控制网(CPⅠ)(DK 65—终点)段线路平面控制网(CPⅡ)和全线高程控制网；于2014年11月建立了(DK 0—DK 65)段CPⅡ控制网；于2015年12月对北京段精密工程控制网进行了第1次复测；2017年7月对北京段精密工程控制网进行了第2次复测。本文以第3次复测工作为典型，介绍平面控制网复测的工作内容，包括：

1)对北京段(星火站—DK 60)控制点桩位进行核查、补设。包括：对CPⅠ控制点进行点位核实；统计点位丢失破坏情况；根据施工的具体要求对原有控制点进行修复或补设。

2)严格按照规范的相关技术要求，对北京段控制网进行复测并进行资料整理工作。

2.1.2 分级布网与整体平差

高速铁路对轨道形变的毫米级精度要求，可依据不同级别控制网实现。一次建成高等级控制网，会消耗巨额资金，也会造成精度的浪费，不能发挥其全部作用。在此情况下，应根据分级控制的原则，进一步构建起合理的测量控制网。

本次精密工程控制测量平面控制网按分级布网的原则，分三级布设，第一级为框架控制网CP 0，第二级为CPⅠ，第三级为CPⅡ。

CP 0框架控制网点按50 km左右设置1个，可采用满足规范要求的CPⅠ控制桩，全线一次性布网，统一测量，统一平差，或利用国家A、B级GPS控制点。

CPⅠ级点(GPS 二等)最弱边相对中误差小于1/180 000，基线边方向中误差不大于1.3″，在铁路设计中线两侧50～1 000 m，按不大于4 000 m间隔布设1个点。在长大隧道(>1 km)于隧道进出口处布设一对相互通视的CPⅠ点，每对点两点间距800～1 000 m；在长大隧道辅助坑道处由施工单位在布设隧道独立网时进行加密；在隧道进出口困难地区通视条件受限的情况下，每对点间距不宜小于600 m；为兼顾GPS网形，在实地条件允许时，CPⅠ可在铁路中心线两侧错开布点。

CPⅡ级点(三等)最弱边相对中误差小于1/100 000，基线边方向中误差不大于1.7″，在铁路设计中线两侧50～200 m，最远不超过200 m，按400～800 m间隔布设1个点。使用GPS观测CPⅡ级点间距为600～800 m，要求前后至少有1个点与之通视，条件受限时可设方向点作为通视点；为兼顾GPS网形，在实地条件允许时，CPⅡ可在铁路中心线两侧错开布点,并必须考虑路基对通视的影响。当CPⅠ点位满足CPⅡ点位要求时，CPⅡ点可与CPⅠ共点。采用全站仪测量CPⅡ时，按三等导线要求施测，各级平面控制布网要求见表1。

表1 各级平面控制网布网要求

CPⅠ解算采用原始观测文件转换为RINEX文件，并对点号、天线量高方式、天线高复核后，采用广播星历和商用软件LGO进行基线解算。数据预处理后基线质量不符合要求或环闭合差超限的均进行了补测，环闭合差与无约束平差指标通过后进行约束平差，平差后各项指标均满足，满足要求后CPⅠ以联测的国家A/B级控制点为起算点整网平差计算。

CPⅡ以联测的CPⅠ为起算数据进行分段约束平差，CPⅠ、CPⅡ整网计算重复基线较差、独立环闭合差、无约束平差基线向量改正数、约束平差相邻点的相对点位中误差、基线边方向中误差、最弱边相对中误差均满足规范要求。

2.1.3 独立坐标系

表2 工程独立坐标系

17个工程独立坐标系均采用2 000国家大地坐标系椭球参数，与定测阶段采用的椭球参数一致。坐标系统的分界处布设GPS点对，并提供2套坐标系的成果。为了满足规划和利用其他测量部门的成果，各段的施工工程坐标系引入1954年北京坐标系，并将控制点成果提供设计专业使用。

2.1.4 测量结果分析

根据测区内CPⅠ共观测22个点，含联测国家A/B级卫星定位点2个，新埋点5个，利用CPⅡ点1个，有4个点坐标进行了更新。CPⅡ共观测120个点，含CPⅠ点20个，新埋点37个，有32个点坐标进行了更新。根据现场踏勘调研对该平面控制网5个被破坏CPⅠ控制点、37个被破坏CPⅡ控制点全部进行了补设。经过统计，全网CPⅠ控制点既有在用成果和复测成果坐标差有4处超限点。相邻点坐标差之差的相对精度无超限段落。进行综合对比判断，部分控制点既有在用成果和复测成果坐标差超限，经过整体分析，超限点基本位于沉降漏斗区内，受沉降影响较大。全网CPⅡ控制点既有在用成果和复测成果坐标差的超限点共有26个，占总点数(102个)的25.5%。相邻点坐标差之差的相对精度超限段落共有40段，占总段落(102段)的39.2%。经过整体分析，部分超限控制点坐标差较小并且复测与上次成果距离差值小于15 mm，其精度受距离长度影响明显；经过与高程成果对比来看，CPⅡ超限也多位于北京漏斗沉降严重区域，受沉降影响严重。因此考虑到施工资料的前后阶段平顺衔接，CPⅠ总共调整4个控制点成果，对被破坏或观测条件丧失的CPⅠ点重新进行埋点测设。CPⅡ点对本次复测中坐标差超限的控制点均进行坐标调整，对相邻点坐标差之差的相对精度超限且距离差值大于15 mm的控制点进行坐标调整，本次复测CPⅡ测量共有32个点需要调整坐标，新补设CPⅡ点37个，采用同精度内插法计算坐标。CPⅠ、CPⅡ部分超限，复测成果对比结果见表3。

表3 2次复测结果解算成果对比

本次复测方法合理、成果准确，成果可供勘测设计、建设施工、运营管理等方面应用，也可供研究参考。同时对丢失、破坏或受干扰不能测量的控制点进行了移设或补设，并对新设点进行同等级的测量，保证了控制网的完整性。对受外界干扰、原测与复测不符等造成成果超限的控制点进行了分析，并修正了部分控制点的成果资料，CPⅡ平面控制网布设如图1所示。

2.2 精密工程测量高程控制网技术

2.2.1 精密工程测量高程控制网工作内容

以京沈客专精密工程控制测量高程网第20次复测为例，介绍复测的工作内容包括：

1)对该段水准点桩位进行核查、补设。包括：对深埋水准点和线路水准基点进行点位核实；统计点位丢失破坏情况；根据施工的具体要求对原有高程网水准点进行修复或补设。

尽管“道”是多义的，但其中有一条主线，即首先将“道”作为“物”，指一种特殊的存在体。它存在于形上领域，由其运动或者说在展开存在的过程中开出了天然现象之“物”。规律、准则或典范都是由这层含义的“道”延伸出来的。

2)按规范相关技术要求，对北京段二等水准高程控制网进行复测并进行资料整理工作。

本次复测的总体原则是：同网形、同精度复测。复测时对遭破坏的水准点采取以下措施：

第一，如果相邻水准点间距满足小于2 km的要求，则跳过丢失、破坏的水准点直接联测下一个水准点。

第二 ，如果相邻水准点间距不满足小于2 km的要求，利用附近稳定的CPⅠ、CPⅡ控制点作为水准点或重新埋设水准点。

第三，无法满足以上2种情况时，对遭破坏、丢失的点按照建网水准基点标准进行选点、埋标和测量。

第四，分析并统计水准点高程变化情况，更新变化水准点的高程成果，保证京沈客专精密工程控制测量高程网的完整性与现势性。

实际完成二等水准测量往返223.45 km，联测国家水准点2个，联测深埋水准点4个，二等水准点31个。

2.2.2 数据处理

外业数据采集完成后，利用电子水准仪随机软件进行数据传输和预处理。首级水准网按照国家二等水准测量指标计算，以联测的基岩点和一等国家水准点为起算点，进行整体严密平差计算，采用科傻平差软件进行水准网平差计算，并使用清华山维NASEW智能图文网平差软件包等专业平差软件进行核算。高程成果保留到0.1 mm。

(1)

式中：MΔ为高差偶然中误差，Δ为水准路线测段往返高差不符值，L为水准测段长度，单位km，n为往返测得水准路线测段数。

表4 第20次复测高差数据对比

2.2.3 沉降结果分析

通过数据对比研究沉降较大的区域，发现此次沉降较大的区段在第19次复测数据中也发生沉降，因此本文用更多的数据验证该段落沉降规律与推论，对京沈客专北京段相关区域高程网国家水准点、深埋水准点建网高差和历次复测高差进行了统计，部分数据见表5。通过分析起算点的稳定情况，考虑施工衔接问题，采用稳定的I京通2和第18次更新后的SMBM 1004作为起算点，对本段落水准点的稳定性进行整体平差分析，分析结果如图3所示。

表5 建网高差和历次复测高差

由图3可见，从起点至DK 50段落水准点沉降严重，经过分析，本段落处于沉降漏斗区内,本次测量沉降趋势与所调查的沉降趋势大体一致，2013年京沈沿线地面沉降速率如图4所示。

3 结论

1)为满足京沈客专运营维护需要，根据相关工程测量精度的要求，对已建立的京沈客专精密工程平面控制网进行了3次复测，水准网进行了20次复测工作。核查北京段(星火站—DK 60)控制点桩位与水准点桩位，并对受损桩位进行增补与资料更新。同时全面总结了精密工程测量技术在运营中的综合应用，结果显示漏斗沉降区的剧烈沉降活动造成部分平面控制点与水准点精度下降，复测结果超限，部分点位被破坏。因此提出应重点关注漏斗沉降区域，在规定的复测周期基础上，必要时提高监测频率，缩短复测周期。本文应用精密工程控制测量技术进行复测，研究区域途经漏斗沉降区，通过分析沉降对平面控制测量与水准测量的影响起到指导复测工作的重要作用与意义，对类似工程应用有重要实用价值。

2)精密工程控制测量平面控制网分级布网，整体平差，建立了边长投影变形值不大于10 mm/km 的工程独立坐标系统。在国家A/B级卫星定位点的基础上，同网形、同精度复测CPⅠ平面控制网，复测时对丢失、破坏的控制点按原网同精度扩展补设，使全线控制网保持完整性、现势性。结果表明，部分超限结果的精度受距离长度影响明显；超限也多位于北京漏斗沉降严重区域，受沉降影响严重；且部分点位被破坏。因此对相关控制点进行了移设或补设，保证控制网的完整性，并对部分控制点修正了成果资料。

3)高程控制网复测利用附近稳定的CPⅠ、CPⅡ控制点作为水准分析并统计水准点高程变化情况，更新变化水准点的高程成果。保证京沈客专精密工程控制测量高程网的完整性与现势性。通过第20次二等水准测量数据与历史复测数据对比得到重点关注区域沉降趋势，结果与《京沈客专北京段(星火站—DK 60)地裂缝、地面沉降专项勘察报告》中所调查的沉降趋势大体一致。研究区域位于沉降漏斗区，沉降严重，最大沉降达到-117.77 mm。该区域年沉降量较大，为保证专线铁路运营安全，因此建议建设单位组织施工单位对区域沉降段落进行相关工程加强检测工作。

4)对部分平面控制网与高程控制网成果资料进行分析得出，漏斗沉降区剧烈沉降与测量标志被破坏相关联，因此建议建设及施工单位应采取一定的措施，加强精密工程控制测量标志的定期监测与保护工作，应重点关注漏斗沉降区域，在规定的复测周期基础上，必要时提高监测频率，缩短复测周期。

本文论述精密工程控制测量技术在复测中的应用，采用符合工程实际的线路水准基点控制网平差方案、合理利用CPⅠ、CPⅡ并总结经验，是合理利用精密工程控制测量技术的成功案例。项目研究了剧烈沉降问题对精密工程控制测量复测过程中实际应用的影响并提出整改建议，可供类似项目借鉴。