客运专线无碴轨道CPIII测量研究
铁路客运专线无碴轨道 CPIII自由设站边角交会 测量方法和数据处理探讨 中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉高校 中铁三局集团 二○○八年五月 铁路客运专线无碴轨道 CPIII自由设站边角交会测量方法和数据处理探讨 一.CPIII自由设站边角交会测量方法 我国以前的铁路常规测量,基本上以导线测量为主,因其观测、计算简洁,设计和施工单位都已经驾驭,而自由设站边角交会测量方法,对于勘察设计、施工单位来说,是一种新的方法,其测量方法、观测数据检验、内业计算,都须要探讨。 依据《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》(铁建设[2006]189号),对CPIII自由设站边角交会测量方法(暂规中称为后方交会)已有相应的规定,但在测量精度要求上并不很明确。这种测量方法在客运专线无碴轨道施工测量中应用,对保证轨道的精确位置起到关键作用。因此,有必要对CPIII自由设站边角交会测量方法作深化探讨,明确规定CPIII自由设站边角交会测量的精度等级、测量方法、观测数据的检验和CPIII自由设站边角交会限制网的平差计算,使CPIII自由设站边角交会测量既满意要求,又做到经济合理。 为保证旅客列车高速运行时的平安性和舒适度,铁路轨道的平顺度是重要指标。轨道平顺度包含线路方向和纵向方向两个重量,线路方向的不平顺是指钢轨头内侧与钢轨方向垂直的凸凹不平顺。高速铁路平顺度要求在线路方向每10米弦实测正矢与理论正矢之差为2毫米。同时要求无渣轨道铺设150米长波不能大于10。CPIII自由设站边角交会测量等级和精度必需满意无渣轨道铺设短波和长波平顺度的要求。 1. CPIII自由设站边角交会限制网的布设 CPIII自由站边角交会限制网的固定点沿线布置在路基两侧的接触网杆、桥梁防撞墙、隧道壁上,依据建筑物的结构状况,每隔50 - 60米布置一对点。在两对点之间,相隔100 - 120米布置自由测站点,对前后各三对点(共12个CPIII平面限制点)进行边角交会。这样,每个CPIII限制点有三个自由设站点的交会方向。CPIII平面限制网附合在CPI、CPII或加密的高级限制点上,约相隔500 - 1000米在自由设站点上对旁边的高级限制点进行方向、边长联测,以传递坐标和限制误差积累。正常的CPIII自由设站边角交会限制网如图1所示。 图 1 CPIII自由设站边角交会限制网 当在自由设站点上不能干脆观测高级限制点时,可设协助设站点,如图2。 图 2 协助设站点 布设自由设站点当遇到特别状况时,可隔60米加设一个测站点, 在加站点上可仍观测12个方向,如图3所示。 图 3 加设测站点 CPIII自由设站边角交会限制网按分段观测计算,在连接处部分应有三条边8个CPIII限制点作为公共点进行观测,如图4所示。 图 4 分段观测连接处 2. CPIII限制点测量精度分析 CPIII限制点是铺轨时测量的依据。铺轨时依据CPIII限制点按自由设站方法测定测站的坐标和高程,对轨道进行测量。对于轨道铺设的短波误差主要是由一个测站的放样测量引起的,但在两个相邻测站中间连接处不应产生过大的台阶误差。对于轨道铺设的长波误差主要是由CPIII的点位误差引起的,而放样测量引起的误差影响较小,甚至可以忽视不计。 2.1 轨道正矢误差和测量轨道点位误差的关系 中间点到两端点连线的距离称为正矢。正矢误差由三点的点位误差产生,如图5所示。假定A、B、C三点的坐标为xa、ya,xb、yb,xc、yc,正矢长为V。 图 5 轨道正矢和测量点位的关系 则 转换成真误差关系式 换成中误差关系式 假设各点的、相等,都等于点位中误差的,则可得正矢的中误差为 则 假如利用全站仪放样A、B、C三点,全站仪在AB方向线上安置,则点位中误差对正矢的影响主要由方向中误差产生。则 假设 米,方向中误差 秒,则毫米。 2.2 测量轨道设站点相对横向误差对轨道正矢误差的影响 假设由两个相邻测站各放样测量中间连接处三个点,分别为P11、P12、P13和P21、P22、P23。不考虑放样测量误差,这时点位在线路横向上的误差等于相邻测站的相对横向误差。取放样测量点的平均位置来确定轨道位置。由图6可看出,产生的正矢误差f等于相邻测站相对横向误差的1/4。 图 6 设站点相对横向误差对轨道正矢的影响 2.3 测量轨道设站点相对横向误差的确定 轨道正矢的允许误差为2毫米,以2倍中误差为允许限差,则轨道正矢的中误差应为1毫米。轨道正矢误差由设站误差、测量放样误差以及轨检小车的检测误差产生,按等影响原则安排,则每一项中误差为: (毫米) 测量轨道设站点相对横向误差对轨道正矢误差的影响等于相邻测站相对横向误差的1/4,因此,设站点相对横向中误差应不大于2毫米。 由以上2.1中探讨可知,按120米间隔设站,假如放样测量的方向中误差不大于2.0秒,由方向中误差所产生的正矢中误差为0.50毫米,即小于0.57毫米,完全可以满意轨道测量的精度要求。 3. CPIII自由设站边角交会限制网的等级和精度 CPIII自由设站边角交会限制网附合于CPI或CPII点上,其测量等级应低于CPII平面限制网。CPII如采纳导线测量方法建立,测角中误差为2.5秒,最弱边相对中误差1/100000(允许相对中误差1/50000),导线全长闭合差限差为1/40000。由此而来,可依据最靠近的一个等级作为CPIII自由设站边角交会限制网的等级,其测角中误差为3.5秒(方向中误差为2.5秒),附合于CPI或CPII点上,附合长度500-1200米,相对闭合差不大于1/20000。 3.1 CPIII的观测 CPIII自由设站边角交会是在自由设站点上对CPIII点进行方向和边长观测。CPIII自由设站边角交会限制网观测宜采纳带自动照准功能的全站仪,全站仪的测角标称精度不低于1″,测距标称精度不低于2mm + 2ppm。按测角中误差和测回数统计,用全圆方向法观测2个测回可达到3.5秒测角中误差的要求。观测的技术要求:半测回来零差不大于6秒,一测回中2倍照准差变动不大于9秒,同一方向值各测回较差不大于6秒,同一方向距离值各测回较差不大于3毫米。 CPIII在一个测站上观测方向一般为12个,为削减外界对观测的影响,可进行分组观测。 3.2 CPIII的测量标记 CPIII的相对精度要求较高,并且边长较短,因此测量标记采纳强制对中标记。水平角观测误差主要来源:仪器误差、目标偏心误差和外界条件的影响。按最短边考虑,由于测量标记对中误差引起的方向中