运营高铁CPⅡ复测成果异常分析及修正方法研究

刘锡钖 王 胜 郑旭东 李浩标 陈 铮 张献州,2

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 611756； 2.高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，成都 611756； 3.中国铁路上海局集团集团有限公司工务处，上海 200071)

1 概述

我国大部分高速铁路已从设计施工阶段迈入运营维护阶段，受列车荷载、环境变化、周边施工等多种因素影响，高铁路基、轨道会发生不同程度的变形[1]，为保证高铁的安全平稳运行，需要开展高铁精测网复测工作。

高速铁路测量平面控制网分三级布设，根据高级向低级布网的原则，分别为基础平面控制网(CPⅠ)、线路平面控制网(CPⅡ)、轨道控制网(CPⅢ)。以下主要针对CPⅡ控制网复测维护过程中，出现的CPⅡ控制点异常情况展开研究[2]。

线上CPⅡ复测时，由于CPⅡ控制网中存在部分不稳定、不兼容的CPⅡ点，这些不稳定CPⅡ点会降低GNSS网整体精度。根据(Q/CR-SHT0050—2020)运营高速铁路精密工程测量规范，CPⅡ复测应采用稳定性、兼容性合格的起算点进行约束平差[3]。因此，需要准确找出线上CPⅡ复测成果中不稳定点(即异常点或异常区段)，并对异常点或异常区段进行修正。

2 CPⅡ异常情况分析与修正方法

在起算点兼容性和稳定性分析研究方面，已有许多学者开展了相关研究，陈旭升采用单位权方差检验法、尺度分析法等分析起算点的兼容性，对于不兼容的起算点，采用同精度内插的方式处理，从而保证GNSS控制网成果质量的可靠性[4]；傅晓明提出单位权方差假设检验法，通过采用GPS网验后单位权方差构造检验统计量，从而判定起算点兼容性[5]；黄声享通过原理针对基线向量改正数的统计特性，提出一种检验、偏峰态检验、W检验等几种起算点兼容性分析方法[6]。

基于上述方法理论的研究基础，针对高铁测量CPⅡ复测成果异常分析时，提出一种更具实用性质的CPⅡ复测成果异常分析与修正方法[7]。具体做法是通过比较本次复测成果和原测成果做较差，当坐标较差大于15 mm，或坐标较差不大于15 mm但坐标较差的相对精度不满足表1时，判定为CPⅡ变动异常情况[8]。异常情况通常分为异常区段和异常点，异常修正前应先进行二次复测，确定控制点异常变动原因后，再对线上CPⅡ坐标成果进行修正[9]。

表1 复测相临点间坐标差之差的相对精度限差

2.1 异常点发现

首先需要准确找出线上CPⅡ复测成果异常点，比较线上CPⅡ复测和原测成果坐标较差，若较差小于15 mm但大于12 mm，判断为异常点。

找出异常点后，需要进行二次复测，再次检核变形情况是否正确，排除因误差、操作不当等造成的错误，再通过变形分析对线上CPⅡ点的进行坐标修正[10]。

2.2 异常点修正

异常点具体修正方法如下。

①选择线上CPⅡ点、异常区段相邻两侧2个以上相对稳定的线上CPⅡ点进行组网。

②用稳定的线上CPⅡ点作为约束点进行GNSS同精度内插，计算得到异常CPⅡ点的GNSS网二次复核坐标。

③用网中相对稳定的线上CPⅡ点作为约束点进行CPⅢ网的平差，计算得到异常CPⅡ点的CPⅢ网二次复核坐标。

④选异常CPⅡ点的GNSS网二次复核坐标和CPⅢ网二次复核坐标做较差，如果坐标较差大于±8 mm，则对异常CPⅡ点进行更新；若坐标较差小于±8 mm则不更新，即仍采用原测成果。

2.3 异常区段发现

首先准确找出线上CPⅡ复测成果异常区段。若线上CPⅡ复测与原测成果坐标较差中出现连续3个或以上同方向较差小于±15 mm且大于±12 mm的区段，定义为线上CPⅡ异常区段。

2.4 异常区段修正

异常区段修正流程如图1所示。

图1 异常点或区段修正方法

异常区段具体修正方法如下。

①首先，选取二次复测组网的控制点，组网选点构成如下：异常区段处联测CPⅠ点及相邻两侧的CPⅠ点；异常区段相邻两侧2个以上相对稳定(原复测坐标较差不大于10 mm)线上CPⅡ点。

②组网后，进行GNSS基线解算，二次复测方法及等级与CPⅠ网一致，基线解算结果中的重复基线较差、环闭合差及三维无约束平差应满足(TB10601—2009)高速铁路工程测量规范中对于CPⅠ基线解算结果限差要求[11]。

③选择网中稳定的CPⅠ作为约束点进行约束平差，得到整体GNSS网二次复测约束平差成果。

④将相邻异常区段线上CPⅡ点的第一、二次复测成果做较差。

若较差大于10 mm，则视为二次复测精度不满足变形分析要求，需再次复测；若较差不大于10 mm，则对异常区段中联测的CPⅠ做第一、二次复测成果较差比较。

⑤采用调整后最新CPⅠ成果重新平差，得到平差后的线上CPⅡ成果，再与原测成果做较差，较差大于15 mm或相邻点间坐标差之差的相对精度超限，则对CPⅡ异常区段进行同精度内插更新[12-15]。

3 工程案例

宁杭高铁线路运营长度为273.153 km，全线桥梁比例占74%，路基、隧道比例为26%，运营速度为300 km/h，本次实验选择宁杭高铁精测网复测采用GNSS观测的CPⅡ网观测数据，通过实际工程案例验证异常点、异常区段分析及修正方法的可行性。

3.1 异常点修正

选取宁杭高铁KXXX+000-KXXX+728段，选择与006P01点相邻两侧相对稳定的线上CPⅡ点组网。对本次复测与原测CPⅡ成果进行比较分析，如表2所示，通过较差分析可知，006P01处原复测较差的东坐标差值达到14.1 mm，达到了异常点条件(坐标差值小于15 mm但大于12 mm)，故判定006P01为异常点。

表2 006P01异常分析判定

按照修正方法对异常点进行修正，选取006P01点前后两侧相对稳定的线上CPⅡ点(001P01、002P01、003P01、004P01、005P01、007P01、009P01、009P02、010P01)进行组网，点位组网示意如图2。

图2 006P01附近稳定CPⅡ点组网

对与以上CPⅡ点进行联测的所有CPⅢ点进行组网，选定相对稳定的线上CPⅡ点作为约束点进行GNSS同精度内插计算，可以得到点CPⅡ006P01的二次GNSS复核坐标。

选取相对稳定的线上CPⅡ点约束CPⅢ并进行网平差计算，得到CPⅡ点006P01的二次CPⅢ复核坐标。

将CPⅡ点006P01的二次GNSS复核坐标与二次CPⅢ复核坐标进行对比，点006P01的东坐标差值达-9.0 mm，达到异常点更新条件(ΔY差值>±8 mm)，故给予更新。

表3 异常CPⅡ006P01坐标较差

3.2 异常区段修正

宁杭高铁某段出现3个异常区段，分别为035P02、036P01、036P02，对其进行异常区段进行变形分析。

选择与异常区段线上CPⅡ(035P02、036P01、036P02)联测的CPI点(CPⅠ010A)、异常区段相邻两侧的CPⅠ点(CPⅠ009、CPⅠ011D、CPⅠ012)、相邻两侧的不少于2个相对稳定的线上CPⅡ点(033P02、035P01、040P01、041P01、042P01)组网进行二次复测，复测精度与CPⅠ网保持一致。组网如图3所示。

二次复测后的重复基线较差、环闭合差以及三维无约束平差成果精度均满足(TB10601—2009)高速铁路工程测量规范中对CPⅠ基线解算结果限差要求。

选择网中稳定的CPⅠ作为约束点进行约束平差，得到整体组网GNSS网二次复测约束平差成果。

图3 异常区段组网

将异常区段相邻两侧的线上CPⅡ点的第一、二次复测成果进行比较，结果如表4所示。

由表4可知，异常区段相邻两侧的线上CPⅡ重复测量坐标较差不大于10 mm，则对异常区段处联测的CPI第一、二次复测成果坐标较差进行比较，如表5所示。

由表5可知，CPI010A的二次复核坐标与第一次复测坐标差值小于±10 mm，根据(Q/CR-SHT0050—2020)运营高速铁路精密工程测量规范，对于CPⅠ点CPI010A的坐标成果，依然采用第一次复测更新后的成果。

对更新后的CPⅠ重新平差，得到平差后的线上CPⅡ成果，再比较线上CPⅡ复测与原测成果坐标较差，如表6所示。

表4 线上CPⅡ第一、二次成果较差

表5 联测CPⅠ第一、二次成果较差

表6 异常区段CPⅡ分析

由表6可知，异常区段线上CPⅡ二次成果与原测成果坐标较差≤15 mm且相邻点间坐标差之差的相对精度均未超限，则对异常区段(035P02、036P01、036P02)不更新。

4 结语

对运营高速铁路CPⅡ控制网复测成果异常情况(异常点和异常区段)展开分析，并研究异常情况的修正方法。研究表明，修正异常区段和异常点，可最大程度减少外业观测错误对CPⅡ最终成果的影响。另外，检核联测的CPⅠ和CPⅡ第一次复测成果更新是否正确，可保证后续高速铁路轨道控制网(CPⅢ)复测成果的准确性、可靠性和时效性，从而为轨道维护提供基准数据，保证相对精度满足轨道维护要求。