高速铁路精密测量平面控制网数据质量研究

DOI：10.15913/ki.kjycx.2024.02.054
高速铁路精密测量平面控制网数据质量研究
郝利涛
（中铁隧道局集团有限公司，广东广州511458）
摘要：铁路线路属于长大带状性结构，对应精密测量控制网具有大跨度及多形态的网形结构，同时线路施工与维护阶段必须有严格的测量基准，因此精密测量控制网的建立对高速铁路的成功建设有重要的指导作用。

结合某段新建铁路，设定高速铁路线路三级控制网并分析网型设计，通过对现有各阶段外业数据采集提高要求，达到一次性合格采集。

在内业数据处理过程中，通过数据预处理、基线解算且在不同阶段综合三维平差与二维约束平差，选取部分数据进行较差等指标检核。

结果满足规范相应要求，进而提高平面控制网数据质量，为高速铁路建设提供可靠基准。

关键词：高速铁路；平面控制网；精密采集；数据检核
中图分类号：U212.24 文献标志码：A 文章编号：2095-6835（2024）02-0181-04
高速铁路的安全平稳运行，要求高铁线路具有高速度、结构连续、平顺性强、稳定耐久、少维修的性能[1]，因此在线路施工与维护阶段必须有严格的测量基准。

精密测量控制网的建立对高速铁路的成功建设有重要的指导作用，直接影响轨道几何平顺性及其运营维护。

铁路线路属于长大带状性结构，对应精密测量控制网具有大跨度及多形态的网形结构。

精密测量控制网的建立是在框架控制网（CP0）的基础上分三级阶梯布设，依次为基础平面控制网（CPⅠ）、线路平面控制网（CPⅡ）及轨道控制网（CPⅢ）[2]，结合高速铁路工程测量平面及高程控制网的不同施工阶段，其主要分为“三网”，即勘测控制网、施工控制网和运营维护控制网。

为了确保不通用阶段精密测量控制网满足对应要求，保证高速铁路轨道空间几何形位的一致性，同时满足建设及运营的需要，需要求各阶段的平面、高程控制网必须为同一坐标系。

“三网”均以CPⅠ为基础平面控制网，以二等水准基点为高程控制网，称为“三网合一”[3]。

高速铁路在勘察设计、施工建设及运营维护的任何阶段都必须考虑数据的复测及点位的恢复，同时均需保证等级控制网的一致性、稳定性、可恢复性[4]。

蔡子民（2022）[5]从高速铁路施工期间参与各方出发，以建设方合理布设CPⅢ轨道控制网，构建全线测量的轨道线形网络，提高精密控制网测量技术，奠定高速铁路线的精准测量基础，为中国高速铁路建设事业的可持续发展提供了技术支持。

汪学洋（2018）[6]依据高速铁路对线路平顺性、舒适性的高要求，从施工底座板、铺设轨道板、精调无砟轨道施工顺序出发，先阐述了高速铁路各施工阶段平面控制测量的基本要求，后以点位埋设与控制网测设为重点进行分析，为行业施工提供借鉴性参考。

赵洪章（2022）[7]以探讨CPⅠ、CPⅡ精密控制网测量技术在高铁精密控制网中的应用情况为出发点，结合实际新建线路张家界—吉首—怀化铁路站前工程ZJHZQ-6标段，分析CPⅠ和CPⅡ控制网复测采用方法和精度指标，利用研究方法复测点位并进行数据处理，结果显示满足高程控制网技术要求，为其他高铁工程提供参考。

王晓明等（2019）[8]结合实际工程虎门二桥，将GNSS（全球卫星导航系统）精密定位技术应用在特大型桥梁中，数据处理基线解算时，通过提高概略坐标精度、选定合理的约束条件等来提高控制网数据质量。

根据研究方法，汇总虎门二桥8期测量成果，对比计算部分点位坐标，根据单点检验法评定控制点稳定性，进而验证了控制网的测量精度。

刘明（2021）[9]分析了全站仪三角高程测量在CPⅢ高程控制网测量中的优缺点，通过分析研究全站仪竖轴倾斜误差对高差的影响，提出多次观测同边高差取平均消除三角高程误差影响，采用三角高程及水准高程2种方法观测数据并进行平差分析，验证采用本文数据处理方法的全站仪三角高程测量成果能够满足规范要求。

何林烜（2023）[10]通过对比高速磁浮列车与目前高铁的运行速度、轨道梁及其他部件的安装精度、轨道的平顺性要求，提出如何建立高精度CPⅢ轨道平面控制网的问题。

结合自由设站边角交会的测量方法及新型测量设备激光跟踪仪，提出一种新的CPⅢ平面控制网测量方法，验证得出其可大幅提高高速磁浮轨道平顺性测量效率和精度。

综上所述，高速铁路在施工过程中需要设定高标准基础控制网，外业采集阶段各阶段使用不同仪器获取数据，内业处理经过复杂的过程会影响各控制点精度评定，最终会对高速铁路轨道的高平顺性进行误判。

因此，高速铁路精密控制网在各阶段不同等级的数据
·
·181
质量问题尤为重要。

本文结合中国北方某新建实际线路，设定线路3级控制网，严格要求各阶段外业数据采集的实施过程，通过内业基线解算、三维平差等方式进行数据分析，选取本标段部分控制网的重复基线与异步环闭合差进行对比，根据主要技术要求，确定数据质量是否满足要求，为同行工程提供借鉴方法。

1 工程概况
位于内蒙古自治区察哈尔右翼前旗的某段新建铁路先期线路起点里程DK32+127.39，隧道进出口段为路基，至先期开工段终点DK36+813.47。

线路正线长度4.686 km。

其中隧道1座，起止里程为DK32+380—DK36+649，全长4 269 m，占标段总长的91.1%。

进口段路基长252.61 m，出口段路基长164.47 m，路基总长417.08 m，占标段总长的8.9%。

路基工程基底采用CFG桩、水泥土挤密桩加固处理，CFG 桩正方形布置。

路堤基床表层厚0.7 m，采用级配碎石填筑；基床底层厚2.3 m，采用非冻胀A、B组土填筑；基床底以下采用A、B、C1或C2组土填筑。

隧道进、出口均采用帽檐斜切式缓冲结构洞门（B型），洞身围岩等级分别为：Ⅲ级围岩1 315.00 m，占隧道总长30.80%；Ⅳ级围岩620.00 m，占隧道总长14.52%；Ⅴ级围岩2 264.00 m，占隧道总长53.03%；明洞10.00 m，占隧道总长0.23%；洞门60.00 m，占隧道总长1.41%。

隧道洞身采用复合式衬砌进行支护。

隧道内DK32+450—DK36+619段采用无砟轨道，道床板为单元结构。

隧道内设有砟～无砟过渡段。

线路位于中低山区，地形起伏较大，山势平缓，山体多呈缓丘状、山间冲沟发育，并有山间洼地相间，大部分地段表面覆盖低矮植被，地面高程1 389.10～1 540.23 m，最大高差151.13 m。

铁路设计等级为双线高速铁路，设计速度为250 km/h，正线线间距为4.8 m，到发线有效长度为650 m，电力牵引。

2 测量内容及网型布设
2.1 任务依据
依据TB 10601—2009《高速铁路工程测量规范》开展新建某铁路标段先期开工站前工程标接桩复测工作。

平面坐标系统采用2000国家大地坐标系基本椭球参数，高程系统采用1985国家高程基准，中央子午线经度、投影抵偿面高，CGCS 2000坐标系基本参数如表1所示。

表1 CGCS 2000坐标系基本参数表
坐标系CGCS 2000
中央
子午线
113°12′
高程异常
取值/m
投影面大
地高/m
1 360
起止里程
DK32+127.39—
DK36+813.47
2.2 测量内容
本次复测内容包含CPⅠ平面控制网、加密平面控制
网、线路水准基点网，各项复测内容及工作量如下：
①基础平面控制网（CPⅠ）复测。

设计交桩6点，本次复
测6点。

②线路水准基点网复测。

设计交桩8点，本次
复测8点。

③加密网平面网执行CPⅡ技术标准。

桩位
16点，本次复测16点。

④加密高程控制网复测。

桩位
10点，本次复测10点。

⑤搭接联测，轨道控制网
（CPⅢ）点位测量。

2.3 网型布设
为了方便CPⅢ轨道控制网的观测，同时避免CPⅠ
和CPⅡ点之间距离过大无法使用，需对CPⅡ进行加密，
本标段设置加密网型布设，同时与CPⅠ点及CPⅡ点进行
联测，提高观测数据精度，具体网型布设如图1
所示。

图1 CPⅢ轨道控制网加密图
CPⅠ GPS网采用同步静态观测模式，同步环之间采
用边联接方式组网。

与相邻标段搭接联测2对CPⅠ点，
搭接联测布设情况如图2
所示。

图2 平面复测与相邻标段联测情况示意图
线路水准基点网复测与相邻标段通过一对共用点
进行搭接，其中与N－1标段搭接共用点为CPⅠ2017和
CPⅠ2018，与N+1标段搭接共用点为CPⅠ2021和
CPⅠ2022，搭接联测布设情况如图3
所示。

图3 高程复测与相邻标段联测情况示意图
3 外业数据采集
3.1 仪器设备配置
根据规范的相关要求，本标段施工复测拟使用的
主要测量仪器如表2所示。

所有仪器均经省级以上计
··182
量检定部门检定合格并在检定有效期内，仪器的标称精度及技术状态均满足复测要求。

表2 拟投入的主要仪器设备
序号123
设备名称双频GPS 接收机全站仪精密水准仪
型号R8型、5800型
TM60Dini03
数量/台1211
备注
配套水准测量
其余辅助设备
本标段复测数据处理软件清单如表3所示。

3.2 外业施测要求
本文涉及新建线路标段的外业复测包括CP Ⅰ、CP Ⅱ控制网，在外业实施复测前，需对线路上前期控制点进行检测，确保各点位符合控制点埋设要求。

线路上包含不同基础结构，因此本节内容主要介绍区分不同基础的控制网施测要求。

CP Ⅰ控制网GPS 测量作业要求如表4所示。

表3 数据处理软件清单表
序号1234
名称Convrt to rinex Leica Geo office 铁路工程精密控制网SYGPS 铁路工程精密控制网SYADJ 数量/套1111
表4 CP ⅠGPS外业测量基本技术要求等级
静态
测量项目
卫星高度截止角/（°）同时观测有效卫星数
有效时段长度/min 观测时段数数据采样间隔/s 接收机类型PDOP 或GDOP
二等≥15≥4
≥90≥210～60双频≤6
备注与CP Ⅱ有区别与CP Ⅱ有区别
与CP Ⅱ有区别
隧道内CP Ⅱ导线测量的主要技术标准如表5所示。

表5 洞内CP
导线外业测量主要技术要求
4 数据内业处理
4.1 观测数据质量检核
外业工作结束后，对观测数据的质量进行检核，检核的主要内容包括测站数据、水准路线数据、附合路线的高差闭合差[11]。

数据质量检查合格后，才能进行后续的平差计算。

为方便后续数据计算，外业观测数据文件命名为CP Ⅰ 009 298 1 2，其中CP Ⅰ 009为点号，298为年积日，1为该点同步环流水号，2为时段号。

4.2 数据预处理及平差
本节根据新建线路实际获取CP Ⅰ、CP Ⅱ数据为初始数据，具体分析如下。

4.2.1 数据预处理
一级及以上导线的计算，应符合导线全长相对闭合差及方位角闭合差要求，采用严密平差法进行平差计算，并根据单位权中误差、测角中误差、点位中误差、边长相对中误差、点位误差椭圆参数和相对点位误差椭圆参数等指标进行精度评定[12]。

测距边长的归化投影计算根据不同要求精算过程如下。

归算到测区投影高程面上的测距边长，公式如下：
D =D 0()
1+
H 0－H m
R A
（1）式中：D 0为测距边两端平均高程面上的平距的数值；H 0为投影面高程的数值；H m 为测距边两端的平均高程的
数值；R A 为参考椭球体在测距边方向的法截弧曲率半径的数值。

归算到参考托球面上的测距边长，公式如下：
D 1=D 0(
)
1－
H m +h m
R A +H m +h m
（2）
式中：h m 为测区大地水准面高出参考椭球面的高差。

测距边在高斯投影面上边长，公式如下：
D 2=D 1()
1+Y 2
m 2R 2m +Δy 2
24R 2
m
（3）式中：Y m 为测距边中点横坐标；
Δy 为测距边中点横坐标增量；R m 为测距边中点处在参考椭球面上的平均曲率半径的数值。

4.2.2 基线解算及平差
基线解算。

CP Ⅰ基线解算需满足检核统计工作要求，计算同一时段观测值的资料剔除率小于10%，同一基线不同时段重复观测基线小于22σ，独立边闭合环各坐标分量闭合差符合以下要求：
ìí
îï
ïïïïïW x ≤3n σW y ≤3n σ
W z ≤3n σW D ≤3
3n σ
（4）
·
·183
式中：n为闭合环的边数；σ=±a2+（bd）2，其中a= 5 mm，b=1 mm/km。

根据实际计算检核，未发现不满足各指标的时段外业观测数据。

分析该新建线路本次观测数据，统计本标段CPⅠ控制网的重复基线与异步环闭合差，统计情况如表6与表7所示。

由表6与表7可知，该标段基线质量检验合格，可继续进行网平差计算，综合数据处理所有阶段成果，在外业施测过程中严格按照数据采集要求提升数据质量，避免返工。

同时，在内业数据处理过程中，采用数据预处理及基线解算，且在不同阶段三维无约束平差结合二维约束平差可提高数据质量，有助于后续高速铁路建设，为同行工程提供借鉴。

表6 CPⅠ控制网重复基线最大较差统计表
序号2017 2018 2021 2022
D
x
/m
2 463.745 2
2 463.739 3
2 463.745 7
2 463.735 3
D
y
/m
﹣4 078.792 1
﹣4 078.791 6
﹣4 078.789 6
﹣4 078.792 0
D
z
/m
6 436.771 6
6 436.780 1
6 436.806 6
6 436.802 4
D/mm
30.362 1
—
—
—
D限差/mm
—
4.235 1
23.542 3
16.176 0
检核结果
合格
合格
合格
合格表7 CPⅠ控制网异步环最大较差统计表
检核指标闭合差/mm 限差/mm
Δx
﹣1.80
27.23
Δy
﹣21.40
27.23
Δz
﹣4.40
27.23
Δ
22.65
47.34
检核结果
合格
合格
5 结论
本文结合位于内蒙古自治区察哈尔右翼前旗的某段新建铁路，设定高速铁路线路三级控制网，通过提高现有各阶段外业数据采集要求，达到一次性合格采集。

在内业数据处理过程中，通过数据预处理、基线解算且在不同阶段综合三维平差与二维约束平差，对选取部分数据进行较差等对比，根据主要技术要求，满足规范相应要求，有助于后续建设及维护施工，为高速铁路建设提供可靠基准。

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作者简介：郝利涛（1986—），男，河南新乡人，本科，从事工程施工技术与管理工作。

（编辑：王雨茜）
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