成都市地鐵一號線控制網(wǎng)的布設(shè)[摘 要]本文介紹了成都市地鐵一號線平面及高程控制網(wǎng)布設(shè)的過程,通過對精度指標的分析,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。[關(guān)鍵詞]地鐵;GPS;精密導線;精密水準 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)項目,工程投資大,建設(shè)周期長,對社會和經(jīng)濟發(fā)展都具有深遠的影響。作為工程的前期準備,2001年11月成都市勘察測繪研究院承擔了成都地鐵一號線工程平面控制網(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月對該網(wǎng)進行了復測。控制網(wǎng)成果精度優(yōu)良,能夠滿足地鐵測量規(guī)范的要求。本文通過該工程,就地鐵控制網(wǎng)的特點與業(yè)內(nèi)同行進行交流探討,現(xiàn)將控制網(wǎng)布設(shè)的情況介紹如下。1工程概況 成都地鐵一號線工程規(guī)劃設(shè)計線路呈“Γ”形,沿南北方向貫穿市區(qū),全線長約25ｋｍ,沿線設(shè)有10余個車站。測區(qū)大部分為繁華地段,車輛眾多,行人擁擠,沿線高層建筑物林立,大功率信號源密布,使平面控制網(wǎng)選點和觀測極為困難。控制網(wǎng)的布設(shè)按照《地下鐵道、輕軌交通工程測量規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)的相關(guān)規(guī)定進行,網(wǎng)形沿地鐵走向呈帶狀分布。平面控制網(wǎng)分兩級布設(shè),首級為ＧＰＳ控制網(wǎng),二級為精密導線網(wǎng)。高程控制網(wǎng)為精密水準網(wǎng)。2控制網(wǎng)精度指標 《規(guī)范》總則中規(guī)定,地鐵橫向貫通中誤差應在±50ｍｍ之內(nèi),高程貫通中誤差應在±25ｍｍ之內(nèi)。分配到地面控制測量的橫向中誤差為±25ｍｍ,地面高程控制測量的中誤差為±16ｍｍ。在此基礎(chǔ)上《規(guī)范》制定了平面及水準控制網(wǎng)的主要技術(shù)指標, 作為本工程控制網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的依據(jù)。3 首級ＧＰＳ控制網(wǎng)3.1布網(wǎng)方案 平面控制網(wǎng)采用成都市坐標系統(tǒng),投影面采用城市平均高程面,選擇原城市坐標系統(tǒng)也便于地鐵成果與已有的城市勘測資料銜接。根據(jù)甲方要求,并結(jié)合本工程具體情況,地鐵一號線首級ＧＰＳ控制網(wǎng)在每個地鐵車站附近布設(shè)了至少1個ＧＰＳ點,每個ＧＰＳ點至少有2個通視方向,地鐵線路交叉地段至少布設(shè)一對ＧＰＳ點。同時,在測區(qū)范圍內(nèi)及周邊區(qū)域選擇了9個滿足ＧＰＳ觀測條件的原城市高等級控制點,作為起算數(shù)據(jù)選擇的依據(jù)或作為重合點。全網(wǎng)共由51點組成,其中新選點42個,共觀測93條基線。網(wǎng)中最短邊長:327ｍ(不作為精密導線起算邊),最長邊長:25617ｍ,平均邊長2285ｍ。控制網(wǎng)圖見圖1。
3.2觀測及基線數(shù)據(jù)處理 ＧＰＳ測量選用4臺Ｔｒｉｍｂｌｅ5700雙頻接收機進行觀測,同步觀測時間不小于60分鐘,對控制網(wǎng)中的長邊基線大地四邊形觀測時間為360分鐘。基線解算完成后經(jīng)同步環(huán)、異步環(huán)的檢驗,成果精度優(yōu)良。檢驗結(jié)果見表1。3.3 平差計算3.3.1 ＷＧＳ—84坐標系中的無約束平差 在ＷＧＳ—84坐標系中的無約束平差后,其相對精度最弱值為1/220871(327.241ｍ),最強值達到了1/4446382(25617.985ｍ),無約束平差的精度統(tǒng)計見表2。3.3.2成都坐標系中的約束平差 根據(jù)《規(guī)范》要求,地鐵控制網(wǎng)應按獨立網(wǎng)的原則進行布設(shè),ＧＰＳ控制網(wǎng)與原控制點坐標較差<50ｍｍ。本控制網(wǎng)中聯(lián)測的9個原城市高等級控制點,由于布網(wǎng)時間不同、觀測手段限制等歷史原因,其精度不可能全部達到地鐵規(guī)范要求。因此約束平差時,需要對聯(lián)測的已知點進行精度檢驗和篩選,使作為約束條件的已知點既能最大限度保證地鐵控制網(wǎng)與原城市坐標系統(tǒng)的兼容,又不會破壞ＧＰＳ網(wǎng)本身的精度。通過數(shù)據(jù)分析并結(jié)合建設(shè)單位專家組意見,決定固定一個基準點和一個基準方位作為約束條件進行平差。 起算點及起算方位選擇遵循以下原則: (1)對所有聯(lián)測點坐標進行精度分析:分別以各聯(lián)測點為位置基準進行無約束平差,分析其它聯(lián)測點的平差坐標值與已知值的較差。 (2)利用坐標較差和與基準點的距離,計算方位變化和尺度變化。可認為方位變化和尺度變化較小的聯(lián)測點與基準點精度較一致。 (3)選取精度較一致的點,按不同組合(一個基準點和一個方位)進行無約束平差,分析平差結(jié)果的單位權(quán)中誤差。選取單位權(quán)中誤差較小一組來進行最后成果輸出。 經(jīng)過以上過程篩選,以最后選定的起算點和方位角進行最終解算,約束平差后成果精度統(tǒng)計見表3、表4。 其中點位中誤差最大為±9.75ｍｍ;最小為±2.08ｍｍ;平均值為±5.68ｍｍ,均小于《規(guī)范》要求的±12ｍｍ。 其中,相對中誤差最弱為1/221007(327.267ｍ);最強為1/6093959(25620.028ｍ),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,故已知點篩選過程嚴格而繁瑣,對平差后的基線又用全站儀進行了反復檢核,以確保成果的正確。 4精密導線網(wǎng) 精密導線網(wǎng)沿地鐵一號線走向布設(shè),導線點起閉于首級ＧＰＳ控制點,采用附合導線或多結(jié)點導線網(wǎng)。為了便于定測和施工測量,精密導線點盡量設(shè)在地面,每個車站附近至少有3個精密導線點。精密導線網(wǎng)共由92點組成,網(wǎng)中新選導線點72點,最短邊138.689ｍ,最長邊527.115ｍ,平均邊長304.982ｍ。使用Ⅰ級全站儀ＬｅｉｃａＴＣ1800按照四等導線技術(shù)要求進行觀測,嚴密平差后精度統(tǒng)計見表5。 實際工作中,曾發(fā)生過導線超限的情況,經(jīng)用另一套Ｌｅｉｃａ1800對超限線路所有測站水平角進行重測,其觀測較差最大值為±1.0″,證明水平角觀測不存在粗差。經(jīng)過分析我們認為,地鐵《規(guī)范》中的精密導線總長度約3～5ｋｍ、平均邊長350ｍ,遠小于傳統(tǒng)四等導線長度10ｋｍ、平均邊長1.5ｋｍ的規(guī)格,長度的縮短使達到同樣相對精度的難度增大;本工程由于現(xiàn)場條件限制邊長則更短,一些地段相鄰邊長相差較大,且在鬧市區(qū)觀測條件極為困難,容易引起誤差超限。后又在該線路上另埋設(shè)兩個臨時點以增加圖形強度,重新觀測平差后,測角中誤差降低為2.29″,最終滿足了《規(guī)范》的要求。就本工程而言,《規(guī)范》規(guī)定的精度指標顯得比較苛刻,經(jīng)推算將測角中誤差放寬至2.9″、測距相對中誤差放寬至1/50000,即能滿足導線相鄰點相對中誤差±8ｍｍ、地面控制測量橫向中誤差±25ｍｍ的要求。5 精密水準網(wǎng)5.1布網(wǎng)方案 精密水準網(wǎng)采用成都市原有高程系統(tǒng)。每個車站及車輛段布設(shè)了2個以上水準點,共埋設(shè)24個深埋標石和22個墻標,另將沿線可利用的14個城市二等水準點和所有的地面精密導線點均納入水準觀測線路。為了提高圖形強度,確保相鄰車站高程的相對精度,設(shè)計了較多的閉合環(huán)線,共計形成水準環(huán)17個,線路長度約110ｋｍ。5.2 觀測及平差計算 精密水準網(wǎng)的觀測使用ＤＳ05級儀器ＺｅｉｓｓＮｉ004,按二等水準測量技術(shù)要求進行,經(jīng)檢核各項觀測精度指標均優(yōu)于地鐵《規(guī)范》要求。為了保證整個水準網(wǎng)精度不受起始數(shù)據(jù)誤差影響,本網(wǎng)按獨立網(wǎng)進行平差計算,沿線已有的二等水準點高程值作為本次成果的檢測值。嚴密平差后精度統(tǒng)計見表6。6控制網(wǎng)的復測 2001年控制網(wǎng)布設(shè)完成后,通過了專家的評審驗收,并向建設(shè)單位提交了成果。2004年,地鐵一號線工程開始局部啟動,為保證施工順利進行,我院按照原布網(wǎng)的精度要求對該控制網(wǎng)進行了復測。由于距首次布網(wǎng)已近3年,期間成都市諸多市政建設(shè)項目大規(guī)模實施,不可避免地對沿線原控制點造成一定程度的影響,其中地面埋石點破壞較多。在復測中,對控制網(wǎng)中局部被破壞的點位進行了重新補埋,對尚存的控制點進行了校核。復測的網(wǎng)形和線路及施測過程與2001年基本相同,復測后新成果與原成果較差統(tǒng)計見表7。 通過復測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)于地面的精密水準點由于各種因素影響,高程有正常的微小沉降。最后以復測的新成果提交建設(shè)單位作為施工控制依據(jù)。7 經(jīng)驗及體會 (1)地鐵控制網(wǎng)是針對特殊工程的專用獨立控制網(wǎng),精度要求高于同等級的城市控制網(wǎng)。布點時應認真了解建設(shè)單位需求,須綜合考慮線路走向、站點分布、控制點密度、長期保存性等因素,精心設(shè)計。 (2)地鐵首級ＧＰＳ網(wǎng)的規(guī)格,大致相當于傳統(tǒng)控制網(wǎng)中的四等網(wǎng),但精度指標卻高于傳統(tǒng)的三等網(wǎng)。盡管精度指標提高了一個等級,采用ＧＰＳ觀測還是比較容易滿足要求的。約束平差時應注意慎重選擇起算數(shù)據(jù),既要防止ＧＰＳ網(wǎng)變形,又應保證與原系統(tǒng)兼容。 (3)地鐵精密導線精度指標大致相當于傳統(tǒng)四等導線的要求,但邊長卻遠小于后者。地鐵線路大多經(jīng)過繁華鬧市區(qū),選點限制條件多,觀測條件也較差,要取得符合《規(guī)范》要求的精度是不容易的。 (4)地鐵精密水準網(wǎng)精度介于二、三等水準測量之間,因此只要嚴格按照二等水準觀測的技術(shù)要求作業(yè),平差后的精度比較容易滿足《規(guī)范》要求。 (5)由于地鐵建設(shè)周期較長,需要定期對控制網(wǎng)復測。布網(wǎng)選點時應充分考慮點位的長久保存, 特別對首級平面及高程控制點,應適當增加布點數(shù)量,即便建設(shè)過程中個別點位破壞,也不會影響控制網(wǎng)的使用。參考文獻[1]ＧＢ50308-1999,地下鐵道、輕軌交通工程測量規(guī)范[Ｓ] [2]ＣＪＪ8-99,城市測量規(guī)范[Ｓ] [3]ＣＪＪ73-97,全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程[Ｓ][4]劉永忠,鄭傳發(fā) 深圳地鐵一期工程地面控制測量技術(shù)規(guī)定的制定原則[Ｊ] 四川測繪,2000,(2).
3.2觀測及基線數(shù)據(jù)處理 ＧＰＳ測量選用4臺Ｔｒｉｍｂｌｅ5700雙頻接收機進行觀測,同步觀測時間不小于60分鐘,對控制網(wǎng)中的長邊基線大地四邊形觀測時間為360分鐘。基線解算完成后經(jīng)同步環(huán)、異步環(huán)的檢驗,成果精度優(yōu)良。檢驗結(jié)果見表1。3.3 平差計算3.3.1 ＷＧＳ—84坐標系中的無約束平差 在ＷＧＳ—84坐標系中的無約束平差后,其相對精度最弱值為1/220871(327.241ｍ),最強值達到了1/4446382(25617.985ｍ),無約束平差的精度統(tǒng)計見表2。3.3.2成都坐標系中的約束平差 根據(jù)《規(guī)范》要求,地鐵控制網(wǎng)應按獨立網(wǎng)的原則進行布設(shè),ＧＰＳ控制網(wǎng)與原控制點坐標較差<50ｍｍ。本控制網(wǎng)中聯(lián)測的9個原城市高等級控制點,由于布網(wǎng)時間不同、觀測手段限制等歷史原因,其精度不可能全部達到地鐵規(guī)范要求。因此約束平差時,需要對聯(lián)測的已知點進行精度檢驗和篩選,使作為約束條件的已知點既能最大限度保證地鐵控制網(wǎng)與原城市坐標系統(tǒng)的兼容,又不會破壞ＧＰＳ網(wǎng)本身的精度。通過數(shù)據(jù)分析并結(jié)合建設(shè)單位專家組意見,決定固定一個基準點和一個基準方位作為約束條件進行平差。 起算點及起算方位選擇遵循以下原則: (1)對所有聯(lián)測點坐標進行精度分析:分別以各聯(lián)測點為位置基準進行無約束平差,分析其它聯(lián)測點的平差坐標值與已知值的較差。 (2)利用坐標較差和與基準點的距離,計算方位變化和尺度變化。可認為方位變化和尺度變化較小的聯(lián)測點與基準點精度較一致。 (3)選取精度較一致的點,按不同組合(一個基準點和一個方位)進行無約束平差,分析平差結(jié)果的單位權(quán)中誤差。選取單位權(quán)中誤差較小一組來進行最后成果輸出。 經(jīng)過以上過程篩選,以最后選定的起算點和方位角進行最終解算,約束平差后成果精度統(tǒng)計見表3、表4。 其中點位中誤差最大為±9.75ｍｍ;最小為±2.08ｍｍ;平均值為±5.68ｍｍ,均小于《規(guī)范》要求的±12ｍｍ。 其中,相對中誤差最弱為1/221007(327.267ｍ);最強為1/6093959(25620.028ｍ),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,故已知點篩選過程嚴格而繁瑣,對平差后的基線又用全站儀進行了反復檢核,以確保成果的正確。 4精密導線網(wǎng) 精密導線網(wǎng)沿地鐵一號線走向布設(shè),導線點起閉于首級ＧＰＳ控制點,采用附合導線或多結(jié)點導線網(wǎng)。為了便于定測和施工測量,精密導線點盡量設(shè)在地面,每個車站附近至少有3個精密導線點。精密導線網(wǎng)共由92點組成,網(wǎng)中新選導線點72點,最短邊138.689ｍ,最長邊527.115ｍ,平均邊長304.982ｍ。使用Ⅰ級全站儀ＬｅｉｃａＴＣ1800按照四等導線技術(shù)要求進行觀測,嚴密平差后精度統(tǒng)計見表5。 實際工作中,曾發(fā)生過導線超限的情況,經(jīng)用另一套Ｌｅｉｃａ1800對超限線路所有測站水平角進行重測,其觀測較差最大值為±1.0″,證明水平角觀測不存在粗差。經(jīng)過分析我們認為,地鐵《規(guī)范》中的精密導線總長度約3～5ｋｍ、平均邊長350ｍ,遠小于傳統(tǒng)四等導線長度10ｋｍ、平均邊長1.5ｋｍ的規(guī)格,長度的縮短使達到同樣相對精度的難度增大;本工程由于現(xiàn)場條件限制邊長則更短,一些地段相鄰邊長相差較大,且在鬧市區(qū)觀測條件極為困難,容易引起誤差超限。后又在該線路上另埋設(shè)兩個臨時點以增加圖形強度,重新觀測平差后,測角中誤差降低為2.29″,最終滿足了《規(guī)范》的要求。就本工程而言,《規(guī)范》規(guī)定的精度指標顯得比較苛刻,經(jīng)推算將測角中誤差放寬至2.9″、測距相對中誤差放寬至1/50000,即能滿足導線相鄰點相對中誤差±8ｍｍ、地面控制測量橫向中誤差±25ｍｍ的要求。5 精密水準網(wǎng)5.1布網(wǎng)方案 精密水準網(wǎng)采用成都市原有高程系統(tǒng)。每個車站及車輛段布設(shè)了2個以上水準點,共埋設(shè)24個深埋標石和22個墻標,另將沿線可利用的14個城市二等水準點和所有的地面精密導線點均納入水準觀測線路。為了提高圖形強度,確保相鄰車站高程的相對精度,設(shè)計了較多的閉合環(huán)線,共計形成水準環(huán)17個,線路長度約110ｋｍ。5.2 觀測及平差計算 精密水準網(wǎng)的觀測使用ＤＳ05級儀器ＺｅｉｓｓＮｉ004,按二等水準測量技術(shù)要求進行,經(jīng)檢核各項觀測精度指標均優(yōu)于地鐵《規(guī)范》要求。為了保證整個水準網(wǎng)精度不受起始數(shù)據(jù)誤差影響,本網(wǎng)按獨立網(wǎng)進行平差計算,沿線已有的二等水準點高程值作為本次成果的檢測值。嚴密平差后精度統(tǒng)計見表6。6控制網(wǎng)的復測 2001年控制網(wǎng)布設(shè)完成后,通過了專家的評審驗收,并向建設(shè)單位提交了成果。2004年,地鐵一號線工程開始局部啟動,為保證施工順利進行,我院按照原布網(wǎng)的精度要求對該控制網(wǎng)進行了復測。由于距首次布網(wǎng)已近3年,期間成都市諸多市政建設(shè)項目大規(guī)模實施,不可避免地對沿線原控制點造成一定程度的影響,其中地面埋石點破壞較多。在復測中,對控制網(wǎng)中局部被破壞的點位進行了重新補埋,對尚存的控制點進行了校核。復測的網(wǎng)形和線路及施測過程與2001年基本相同,復測后新成果與原成果較差統(tǒng)計見表7。 通過復測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)于地面的精密水準點由于各種因素影響,高程有正常的微小沉降。最后以復測的新成果提交建設(shè)單位作為施工控制依據(jù)。7 經(jīng)驗及體會 (1)地鐵控制網(wǎng)是針對特殊工程的專用獨立控制網(wǎng),精度要求高于同等級的城市控制網(wǎng)。布點時應認真了解建設(shè)單位需求,須綜合考慮線路走向、站點分布、控制點密度、長期保存性等因素,精心設(shè)計。 (2)地鐵首級ＧＰＳ網(wǎng)的規(guī)格,大致相當于傳統(tǒng)控制網(wǎng)中的四等網(wǎng),但精度指標卻高于傳統(tǒng)的三等網(wǎng)。盡管精度指標提高了一個等級,采用ＧＰＳ觀測還是比較容易滿足要求的。約束平差時應注意慎重選擇起算數(shù)據(jù),既要防止ＧＰＳ網(wǎng)變形,又應保證與原系統(tǒng)兼容。 (3)地鐵精密導線精度指標大致相當于傳統(tǒng)四等導線的要求,但邊長卻遠小于后者。地鐵線路大多經(jīng)過繁華鬧市區(qū),選點限制條件多,觀測條件也較差,要取得符合《規(guī)范》要求的精度是不容易的。 (4)地鐵精密水準網(wǎng)精度介于二、三等水準測量之間,因此只要嚴格按照二等水準觀測的技術(shù)要求作業(yè),平差后的精度比較容易滿足《規(guī)范》要求。 (5)由于地鐵建設(shè)周期較長,需要定期對控制網(wǎng)復測。布網(wǎng)選點時應充分考慮點位的長久保存, 特別對首級平面及高程控制點,應適當增加布點數(shù)量,即便建設(shè)過程中個別點位破壞,也不會影響控制網(wǎng)的使用。參考文獻[1]ＧＢ50308-1999,地下鐵道、輕軌交通工程測量規(guī)范[Ｓ] [2]ＣＪＪ8-99,城市測量規(guī)范[Ｓ] [3]ＣＪＪ73-97,全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程[Ｓ][4]劉永忠,鄭傳發(fā) 深圳地鐵一期工程地面控制測量技術(shù)規(guī)定的制定原則[Ｊ] 四川測繪,2000,(2).