成都市地鐵一號(hào)線(xiàn)控制網(wǎng)的布設(shè)

[摘要]本文介紹了成都市地鐵一號(hào)線(xiàn)平面及高程控制網(wǎng)布設(shè)的過(guò)程,通過(guò)對(duì)精度指標(biāo)的分析,總結(jié)了地鐵控制網(wǎng)區(qū)別于城市傳統(tǒng)控制網(wǎng)的特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]地鐵;ＧＰＳ;精密導(dǎo)線(xiàn);精密水準(zhǔn)

成都市地鐵工程是根據(jù)城市總體規(guī)劃擬建的重大建設(shè)項(xiàng)目,工程投資大,建設(shè)周期長(zhǎng),對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有深遠(yuǎn)的影響。作為工程的前期準(zhǔn)備,2001年11月成都市勘察測(cè)繪研究院承擔(dān)了成都地鐵一號(hào)線(xiàn)工程平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)的布設(shè)任務(wù),并于2002年1月布設(shè)完成,2004年11月對(duì)該網(wǎng)進(jìn)行了復(fù)測(cè)?？刂凭W(wǎng)成果精度優(yōu)良,能夠滿(mǎn)足地鐵測(cè)量規(guī)范的要求。本文通過(guò)該工程,就地鐵控制網(wǎng)的特點(diǎn)與業(yè)內(nèi)同行進(jìn)行交流探討,現(xiàn)將控制網(wǎng)布設(shè)的情況介紹如下。

1工程概況

成都地鐵一號(hào)線(xiàn)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)線(xiàn)路呈“?！毙?沿南北方向貫穿市區(qū),全線(xiàn)長(zhǎng)約25ｋｍ,沿線(xiàn)設(shè)有10余個(gè)車(chē)站。測(cè)區(qū)大部分為繁華地段,車(chē)輛眾多,行人擁擠,沿線(xiàn)高層建筑物林立,大功率信號(hào)源密布,使平面控制網(wǎng)選點(diǎn)和觀測(cè)極為困難。

控制網(wǎng)的布設(shè)按照《地下鐵道、輕軌交通工程測(cè)量規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行,網(wǎng)形沿地鐵走向呈帶狀分布。平面控制網(wǎng)分兩級(jí)布設(shè),首級(jí)為ＧＰＳ控制網(wǎng),二級(jí)為精密導(dǎo)線(xiàn)網(wǎng)。高程控制網(wǎng)為精密水準(zhǔn)網(wǎng)。

2控制網(wǎng)精度指標(biāo)

《規(guī)范》總則中規(guī)定,地鐵橫向貫通中誤差應(yīng)在±50ｍｍ之內(nèi),高程貫通中誤差應(yīng)在±25ｍｍ之內(nèi)。分配到地面控制測(cè)量的橫向中誤差為±25ｍｍ,地面高程控制測(cè)量的中誤差為±16ｍｍ。在此基礎(chǔ)上《規(guī)范》制定了平面及水準(zhǔn)控制網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo),作為本工程控制網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

3首級(jí)ＧＰＳ控制網(wǎng)

布網(wǎng)方案

平面控制網(wǎng)采用成都市坐標(biāo)系統(tǒng),投影面采用城市平均高程面,選擇原城市坐標(biāo)系統(tǒng)也便于地鐵成果與已有的城市勘測(cè)資料銜接。根據(jù)甲方要求,并結(jié)合本工程具體情況,地鐵一號(hào)線(xiàn)首級(jí)ＧＰＳ控制網(wǎng)在每個(gè)地鐵車(chē)站附近布設(shè)了至少1個(gè)ＧＰＳ點(diǎn),每個(gè)ＧＰＳ點(diǎn)至少有2個(gè)通視方向,地鐵線(xiàn)路交叉地段至少布設(shè)一對(duì)ＧＰＳ點(diǎn)。同時(shí),在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)及周邊區(qū)域選擇了9個(gè)滿(mǎn)足ＧＰＳ觀測(cè)條件的原城市高等級(jí)控制點(diǎn),作為起算數(shù)據(jù)選擇的依據(jù)或作為重合點(diǎn)。全網(wǎng)共由51點(diǎn)組成,其中新選點(diǎn)42個(gè),共觀測(cè)93條基線(xiàn)。網(wǎng)中最短邊長(zhǎng):327ｍ(不作為精密導(dǎo)線(xiàn)起算邊),最長(zhǎng)邊長(zhǎng):25617ｍ,平均邊長(zhǎng)2285ｍ?？刂凭W(wǎng)圖見(jiàn)圖1。

觀測(cè)及基線(xiàn)數(shù)據(jù)處理

ＧＰＳ測(cè)量選用4臺(tái)Ｔｒｉｍｂｌｅ5700雙頻接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè),同步觀測(cè)時(shí)間不小于60分鐘,對(duì)控制網(wǎng)中的長(zhǎng)邊基線(xiàn)大地四邊形觀測(cè)時(shí)間為360分鐘?；€(xiàn)解算完成后經(jīng)同步環(huán)、異步環(huán)的檢驗(yàn),成果精度優(yōu)良。檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

平差計(jì)算

ＷＧＳ—84坐標(biāo)系中的無(wú)約束平差

在ＷＧＳ—84坐標(biāo)系中的無(wú)約束平差后,其相對(duì)精度最弱值為1/220871(ｍ),最強(qiáng)值達(dá)到了1/4446382(ｍ),無(wú)約束平差的精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

成都坐標(biāo)系中的約束平差

根據(jù)《規(guī)范》要求,地鐵控制網(wǎng)應(yīng)按獨(dú)立網(wǎng)的原則進(jìn)行布設(shè),ＧＰＳ控制網(wǎng)與原控制點(diǎn)坐標(biāo)較差50ｍｍ。本控制網(wǎng)中聯(lián)測(cè)的9個(gè)原城市高等級(jí)控制點(diǎn),由于布網(wǎng)時(shí)間不同、觀測(cè)手段限制等歷史原因,其精度不可能全部達(dá)到地鐵規(guī)范要求。因此約束平差時(shí),需要對(duì)聯(lián)測(cè)的已知點(diǎn)進(jìn)行精度檢驗(yàn)和篩選,使作為約束條件的已知點(diǎn)既能最大限度保證地鐵控制網(wǎng)與原城市坐標(biāo)系統(tǒng)的兼容,又不會(huì)破壞ＧＰＳ網(wǎng)本身的精度。通過(guò)數(shù)據(jù)分析并結(jié)合建設(shè)單位專(zhuān)家組意見(jiàn),決定固定一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和一個(gè)基準(zhǔn)方位作為約束條件進(jìn)行平差。

起算點(diǎn)及起算方位選擇遵循以下原則:

(1)對(duì)所有聯(lián)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行精度分析:分別以各聯(lián)測(cè)點(diǎn)為位置基準(zhǔn)進(jìn)行無(wú)約束平差,分析其它聯(lián)測(cè)點(diǎn)的平差坐標(biāo)值與已知值的較差。

(2)利用坐標(biāo)較差和與基準(zhǔn)點(diǎn)的距離,計(jì)算方位變化和尺度變化?？烧J(rèn)為方位變化和尺度變化較小的聯(lián)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)精度較一致。

(3)選取精度較一致的點(diǎn),按不同組合(一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和一個(gè)方位)進(jìn)行無(wú)約束平差,分析平差結(jié)果的單位權(quán)中誤差。選取單位權(quán)中誤差較小一組來(lái)進(jìn)行最后成果輸出。

經(jīng)過(guò)以上過(guò)程篩選,以最后選定的起算點(diǎn)和方位角進(jìn)行最終解算,約束平差后成果精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3、表4。

其中點(diǎn)位中誤差最大為±ｍｍ;最小為±ｍｍ;平均值為±ｍｍ,均小于《規(guī)范》要求的±12ｍｍ。

其中,相對(duì)中誤差最弱為1/221007(ｍ);最強(qiáng)為1/6093959(ｍ),平均為1/1255285,均小于《規(guī)范》要求的1/90000。

由于使用起算數(shù)據(jù)較少,而需要兼顧的因素又較多,故已知點(diǎn)篩選過(guò)程嚴(yán)格而繁瑣,對(duì)平差后的基線(xiàn)又用全站儀進(jìn)行了反復(fù)檢核,以確保成果的正確。

4精密導(dǎo)線(xiàn)網(wǎng)

精密導(dǎo)線(xiàn)網(wǎng)沿地鐵一號(hào)線(xiàn)走向布設(shè),導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)起閉于首級(jí)ＧＰＳ控制點(diǎn),采用附合導(dǎo)線(xiàn)或多結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線(xiàn)網(wǎng)。為了便于定測(cè)和施工測(cè)量,精密導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)盡量設(shè)在地面,每個(gè)車(chē)站附近至少有3個(gè)精密導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)。精密導(dǎo)線(xiàn)網(wǎng)共由92點(diǎn)組成,網(wǎng)中新選導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)72點(diǎn),最短邊ｍ,最長(zhǎng)邊ｍ,平均邊長(zhǎng)ｍ。使用Ⅰ級(jí)全站儀ＬｅｉｃａＴＣ1800按照四等導(dǎo)線(xiàn)技術(shù)要求進(jìn)行觀測(cè),嚴(yán)密平差后精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

實(shí)際工作中,曾發(fā)生過(guò)導(dǎo)線(xiàn)超限的情況,經(jīng)用另一套Ｌｅｉｃａ1800對(duì)超限線(xiàn)路所有測(cè)站水平角進(jìn)行重測(cè),其觀測(cè)較差最大值為±″,證明水平角觀測(cè)不存在粗差。經(jīng)過(guò)分析我們認(rèn)為,地鐵《規(guī)范》中的精密導(dǎo)線(xiàn)總長(zhǎng)度約3～5ｋｍ、平均邊長(zhǎng)350ｍ,遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)四等導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度10ｋｍ、平均邊長(zhǎng)ｋｍ的規(guī)格,長(zhǎng)度的縮短使達(dá)到同樣相對(duì)精度的難度增大;本工程由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制邊長(zhǎng)則更短,一些地段相鄰邊長(zhǎng)相差較大,且在鬧市區(qū)觀測(cè)條件極為困難,容易引起誤差超限。后又在該線(xiàn)路上另埋設(shè)兩個(gè)臨時(shí)點(diǎn)以增加圖形強(qiáng)度,重新觀測(cè)平差后,測(cè)角中誤差降低為″,最終滿(mǎn)足了《規(guī)范》的要求。就本工程而言,《規(guī)范》規(guī)定的精度指標(biāo)顯得比較苛刻,經(jīng)推算將測(cè)角中誤差放寬至″、測(cè)距相對(duì)中誤差放寬至1/50000,即能滿(mǎn)足導(dǎo)線(xiàn)相鄰點(diǎn)相對(duì)中誤差±8ｍｍ、地面控制測(cè)量橫向中誤差±25ｍｍ的要求。

5精密水準(zhǔn)網(wǎng)

布網(wǎng)方案

精密水準(zhǔn)網(wǎng)采用成都市原有高程系統(tǒng)。每個(gè)車(chē)站及車(chē)輛段布設(shè)了2個(gè)以上水準(zhǔn)點(diǎn),共埋設(shè)24個(gè)深埋標(biāo)石和22個(gè)墻標(biāo),另將沿線(xiàn)可利用的14個(gè)城市二等水準(zhǔn)點(diǎn)和所有的地面精密導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)均納入水準(zhǔn)觀測(cè)線(xiàn)路。為了提高圖形強(qiáng)度,確保相鄰車(chē)站高程的相對(duì)精度,設(shè)計(jì)了較多的閉合環(huán)線(xiàn),共計(jì)形成水準(zhǔn)環(huán)17個(gè),線(xiàn)路長(zhǎng)度約110ｋｍ。

觀測(cè)及平差計(jì)算

精密水準(zhǔn)網(wǎng)的觀測(cè)使用ＤＳ05級(jí)儀器ＺｅｉｓｓＮｉ004,按二等水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)要求進(jìn)行,經(jīng)檢核各項(xiàng)觀測(cè)精度指標(biāo)均優(yōu)于地鐵《規(guī)范》要求。為了保證整個(gè)水準(zhǔn)網(wǎng)精度不受起始數(shù)據(jù)誤差影響,本網(wǎng)按獨(dú)立網(wǎng)進(jìn)行平差計(jì)算,沿線(xiàn)已有的二等水準(zhǔn)點(diǎn)高程值作為本次成果的檢測(cè)值。嚴(yán)密平差后精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6。

6控制網(wǎng)的復(fù)測(cè)

2001年控制網(wǎng)布設(shè)完成后,通過(guò)了專(zhuān)家的評(píng)審驗(yàn)收,并向建設(shè)單位提交了成果。2004年,地鐵一號(hào)線(xiàn)工程開(kāi)始局部啟動(dòng),為保證施工順利進(jìn)行,我院按照原布網(wǎng)的精度要求對(duì)該控制網(wǎng)進(jìn)行了復(fù)測(cè)。由于距首次布網(wǎng)已近3年,期間成都市諸多市政建設(shè)項(xiàng)目大規(guī)模實(shí)施,不可避免地對(duì)沿線(xiàn)原控制點(diǎn)造成一定程度的影響,其中地面埋石點(diǎn)破壞較多。在復(fù)測(cè)中,對(duì)控制網(wǎng)中局部被破壞的點(diǎn)位進(jìn)行了重新補(bǔ)埋,對(duì)尚存的控制點(diǎn)進(jìn)行了校核。復(fù)測(cè)的網(wǎng)形和線(xiàn)路及施測(cè)過(guò)程與2001年基本相同,復(fù)測(cè)后新成果與原成果較差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表7。

通過(guò)復(fù)測(cè)成果與原成果的比較,證明原成果精度是可靠的。由于ＧＰＳ控制點(diǎn)大多布設(shè)于不易破壞的房頂,雖歷經(jīng)3年,平面控制網(wǎng)未發(fā)生明顯變形。埋設(shè)于地面的精密水準(zhǔn)點(diǎn)由于各種因素影響,高程有正常的微小沉降。最后以復(fù)測(cè)的新成果提交建設(shè)單位作為施工控制依據(jù)。

7經(jīng)驗(yàn)及體會(huì)

(1)地鐵控制網(wǎng)是針對(duì)特殊工程的專(zhuān)用獨(dú)立控制網(wǎng),精度要求高于同等級(jí)的城市控制網(wǎng)。布點(diǎn)時(shí)應(yīng)認(rèn)真了解建設(shè)單位需求,須綜合考慮線(xiàn)路走向、站點(diǎn)分布、控制點(diǎn)密度、長(zhǎng)期保存性等因素,精心設(shè)計(jì)。

(2)地鐵首級(jí)ＧＰＳ網(wǎng)的規(guī)格,大致相當(dāng)于傳統(tǒng)控制網(wǎng)中的四等網(wǎng),但精度指標(biāo)卻高于傳統(tǒng)的三等網(wǎng)。盡管精度指標(biāo)提高了一個(gè)等級(jí),采用ＧＰＳ觀測(cè)還是比較容易滿(mǎn)足要求的。約束平差時(shí)應(yīng)注意慎重選擇起算數(shù)據(jù),既要防止ＧＰＳ網(wǎng)變形,又應(yīng)保證與原系統(tǒng)兼容。

(3)地鐵精密導(dǎo)線(xiàn)精度指標(biāo)大致相當(dāng)于傳統(tǒng)四等導(dǎo)線(xiàn)的要求,但邊長(zhǎng)卻遠(yuǎn)小于后者。地鐵線(xiàn)路大多經(jīng)過(guò)繁華鬧市區(qū),選點(diǎn)限制條件多,觀測(cè)條件也較差,要取得符合《規(guī)范》要求的精度是不容易的。

(4)地鐵精密水準(zhǔn)網(wǎng)精度介于二、三等水準(zhǔn)測(cè)量之間,因此只要嚴(yán)格按照二等水準(zhǔn)觀測(cè)的技術(shù)要求作業(yè),平差后的精度比較容易滿(mǎn)足《規(guī)范》要求。

(5)由于地鐵建設(shè)周期較長(zhǎng),需要定期對(duì)控制網(wǎng)復(fù)測(cè)。布網(wǎng)選點(diǎn)時(shí)應(yīng)充分考慮點(diǎn)位的長(zhǎng)久保存,