CPⅢ控制网在城市轨道交通中的试验研究
孟峰陈大勇李响
（北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京100101）
摘要CPⅢ控制网是高速铁路建设过程中所布设的第三级测量控制网，采用自由设站、边角交会网的测量方法，具有外业观测自动化程度高、设站灵活、多余观测条件多、观测精度高的特点，在我国高铁建设过程中得到了广泛的应用。
本文探讨了在北京地铁6号线一期工程中，CPⅢ控制网的试验测设情况。对于隧道内CPⅢ控制点位置确定、控制网布设、外业数据采集及数据处理做了详细说明介绍。本文通过四种方法的对比，提出了一种适用于城市轨道交通的CPⅢ控制网测量方法。
关键词工程测量；CPⅢ控制网；城市轨道交通；试验
The Test of CPⅢControl Network in the Urban Rail Transit
Mange Feng,Chen Da-yong，Li Xiang
（Beijing Urban Construction Exploration ＆Surveying Design Research Institute Co., Ltd,Beijing 100101）
Abstract :The CPⅢ Control Network is the third level survey control network in the High-Speed Railway construction,using Free Station and Linear-Angular Intersection Network survey method. The CPⅢControl Network has the following characteristic: the degree automation of field observation is high,it is free station, it has more redundant observation, the observation precision is high. It has been widely used in the High-Speed Railway construction in our country.
This paper discusses the CPⅢ control network survey test in the first phase project of Beijing Subway Line 6. This paper gives detailed introduction of CPⅢ control point position determination, CPⅢ control network survey, field data collection and data processing. Based on the comparision of four methods, this paper puts forward one method of CPⅢ control network survey which is applicable to the Urban Rail Transit.
Keyword: Engineering Survey; CPⅢ Control Network; Urban Rail Transit;Test
1 引言
CPⅢ控制网是高速铁路建设过程中所布设的第三级测量控制网，一般在线下工程施工完成后施测，主要为无砟轨道铺设和运营维护提供控制基准[1]。CPⅢ控制网采用自由设站、边角交会网的测量方法，改变了传统控制网测量需要提供起始边的作业模式[2]。CPⅢ控制网测量通过相邻测站重叠观测多个CPⅢ点，获得测站和CPⅢ点间的强相关性，在每个测站点进行多目标多测回测量，以减小观测误差，从而实现CPⅢ控制点间较高的相对精度[3]。同时由于采用了具有自动照准、自动记录、自动计算的全站仪进行观测，CPⅢ测量自动化程度较高，操作也相对简便。CPⅢ测量技术已经在我国高铁领域得到了广泛应用。
当前，我国城市轨道交通处在一个快速发展的时期。为了提高城市轨道交通铺轨精度，保证轨道平顺性和列车运行的稳定性，开展CPⅢ控制网测量技术在城市轨道交通测量领域的应用研究、利用高速铁路轨道精密测量技术指导城市轨道交通施工，具有积极的意义。
基于此，在北京地铁6号线一期工程中，进行了高速铁路精密测量应用于城市轨道交通的试验工作，本文主要讨论试验段CPⅢ控制网的测设工作。
2 工程概况
本次试验段为北京地铁6号线一期工程白石桥南站～三里河路北口站区间右线。该区间里程为K4+470～K5+070，全长约600m，含一半径2000m、曲线全长约109.4m的曲线和一半径2500m、曲线全长约108m的曲线，上述两曲线分别位于线路两端。该区间含一组人防门，里程为K4+605。
该试验区间采用暗挖法施工，为马蹄形断面结构形式，区间已经贯通，二衬已经施工完毕，人防门已经安装完毕，其中轨道已经铺设至人防门前20m处。隧道内已完成了设备安装一米线的测设，但隧道内的设备安装还未进行。
隧道贯通后，对该区间进行了贯通测量，贯通测量所使起始点为隧道内控制点（由联系测量测设）。本次CPⅢ控制网测量所使用起算点为贯通测量控制点，经检核起始点之间关系良好，点位稳固可靠。其中平面点为钢板桩，里程与线路中线点基本重合。
3 CPⅢ控制网布设
3.1 CPⅢ点位置确定
地铁隧道相比高铁，隧道的半径较小，所留限界较小，而两侧隧道壁上各种管线、电缆、支架等较多。考虑点位的保护，不与后续设备安装相冲突，易于观测，视线不受其他设备阻挡，本次CPⅢ点位选择在设备安装线一米线以上60cm处。点位距离轨面1.6m，距离隧道底部2.25m，见图1。
图1 CPⅢ点位埋设位置
3.2 CPⅢ点间距
由于隧道内光线条件较差，灰尘较大，各种设备较多，通视条件较差，为了保证观测精度，将CPⅢ控制点间距缩小，直线段为50m，曲线段为40m。
为了减少人防隔断门对测量通视影响，在隔断门两侧25m处对称布设一对CPⅢ控制点。同时为了验证已知点之间的相对关系，将隧道内布设的线路中线点与自由设站点重合，即在线路中线点两侧对称布设CPⅢ控制点。全网共布设13对CPⅢ控制点。
3.3 CPⅢ控制点
CPⅢ控制点为不锈钢强制对中标志，埋设于隧道壁上，由预埋件和连接杆两部分组成，见图2。其中基座部分为长60mm、内径14mm、外径20mm的套筒，加工误差小于0.05mm；连接杆下部分与套筒相配合，上部分与Leica棱镜相配合，间隙均小于0.2mm。
图2 CPⅢ控制点
4 CPIII网外业观测
由于CPⅢ点一般布设于线路中线点两侧，当自由设站点位于中线点附件时，将两者重合，同时将相邻已知点当作前后视点进行观测，以便检验CPⅢ控制网测量精度。本次CPⅢ控制网测量，自由设站共重合四个已知平面点。
4.1 平面测量
（1）采用自由测站边角交会法测量
每个自由测站，以前后各2对CPⅢ点为测量目标，每个CPⅢ点至少从3个测站上分别联测，全线共设站14次。隧道内CPⅢ网观测见图3.
图3 隧道内CPⅢ控制网观测
（2）观测前应对仪器进行常规电子检校（每天检查），检查仪器内存、电源、温度计、气压计是否满足要求。
（3）观测时应先将仪器在外搁置5分钟左右，使之与周围环境温度一致。并随时注意温度、气压等气象条件的变化，保证仪器气象参数及时更新。在自动观测前，还应对点号进行核实，保证现场点号与仪器记录点号一致，发现错误及时修改，对已经存储的错误点号，要做好观测日志，内业修改整理。
（4）观测前应将CPⅢ控制点基座顶帽取下，插入连接杆，连接杆上端插棱镜。保证连接杆和基座连接正确，中间无缝隙，棱镜和连接杆连接正确。
（5）当天外业结束后，及时将数据整理备份，并按照要求的CPⅢ数据格式连同观测日志一并传给内业计算人员。
（6）CPⅢ网观测技术精度指标。按照全站仪机载程序进行观测，每一测站仪器测完后，均进行精度检核，对于超限情况当场进行重测。
4.2 三角高程测量
由于CPⅢ控制点位于两侧隧道壁上，距离轨面有1.6m，隧道底部2.25m。采用传统的水准测量方法，仪器必须架设足够高，由于点位上方有电缆、各种管线等，水准尺立放比较困难。同时由于隧道的视线条件较差，无论采用光学水准亦或电子水准仪，读数、记录均有一定的影响，效率不高。本次CPⅢ控制点高程测量采用自由设站三角高程测量与CPⅢ平面控制测量一起进行。
大量的研究和成功经验证明，只要满足一定的前提条件，三角高程测量可以达到一、二等高程测量的精度[4]。本次平面网测量时，通过全站仪读取视线高，同步测量所有CPⅢ点高程，免去了量取仪器高和棱镜高过程，减少工作流程，提高测量效率和测量精度。
5 CPIII网数据处理
5.1 测站平差
将仪器记录的外业观测文件，导入到计算机中，由CPⅢ测站平差软件进行测站数据的检核，见图4，经检核全部测站数据均满足限差要求。
图4 软件测站平差界面
5.2 平面测量平差
此次试验，对于平面测量数据处理采用四种方法进行比对计算。
（1）经典CPⅢ控制网平差
去除YX1、YX、YHY、YHZ四个已知点设站时前后视观测量（即中间各站前后的观测量方向为8个），固定两端的YX2和Y_1，进行自由网平差和约束网平差，见图5。
图5 经典CPⅢ控制网平差
（2）固定三个点的CPⅢ控制网平差
CPⅢ控制网图形如图5，除固定两端的YX2、Y_1外，将中间点YX点也固定，进行自由网平差和约束网平差。
（3）附有主导线的CPⅢ控制网平差
将已知点设站的前后视观测量（即主导线）一起纳入CPⅢ控制网进行平差，固定两端的YX2、Y_1和中间点YX，进行自由网平差和约束网平差，见图6。
图6 附有主导线的CPⅢ控制网平差
（4）地铁CPⅢ控制网平差
去除中间自由设站点（650、750、840、925测站）观测数据，固定两端的YX2、Y_1和中间点YX，进行自由网平差和约束网平差，见图7。
图7 地铁CPⅢ控制网平差
四种平差方法结果精度比较见表1：
由上表比较结果可知自由网平差的最大距离改正数均超过2mm（高速铁路工程测量规范要求限差），约束网最大方向改正数和距离改正数均能满足高速铁路工程测量规范要求，同样也满足城市轨道交通测量规范要求。但是最大改正数都比较大，特别是距离改正数，接近4mm的限差要求。由平差文件得知，距离改正数较大的边都是与已知点相关的边，由于隧道内平面控制点的点位相对误差较大，造成CPⅢ控制网的最大距离改正数较大。四种方法平差后，最大点位中误差为1.02mm，最大相对点位中误差为1.29mm，均满足规范要求。
相比固定两个已知点的CPⅢ控制网平差方法（第一种方法），固定三个已知点（第二、三、四种方法）进行平差，最大方向改正数均有效减少。考虑隧道内控制点精度比高铁CPⅡ或CPⅠ控制点要低，联测已知点应多于两个。一方面，可以相互检核隧道内控制点之间的相对关系，判定已知点的稳定性；另一方面，还可以通过反算已知点，检测CPⅢ控制网的精度。
基于以上分析，第四种测量方法（地铁CPⅢ控制网测量方法）较之传统高速铁路CPⅢ控制网测量，观测量少且重合隧道内中线点，具有一定的优势。
5.3 高程测量平差
首先检核相邻测站测得同名点的高差数据是否符合规范要求，将CPⅢ控制点与已知水准点高差数据导入到清华山维平差软件，进行距离加权平差处理。最大高程中误差为±0.6mm，最大高差中误差为±0.6mm。均符合城市轨道交通工程测量规范要求。
6 结论及建议
6.1 结论
经验证，本次城市轨道交通CPⅢ控制网精度与可靠性较高，无论平面精度和高程精度，均能满足隧道铺轨等要求。
本次试验验证了CPⅢ控制网在地铁隧道中应用的技术路线可行性。但本次CPⅢ控制网只是验证了在直线段、测量观测条件较好、隧道内环境较好的情况下布设CPⅢ控制网的可行性，而在小半径、道岔、站台及搭接部位等条件下需要进一步开展试验进行验证。
6.2 建议
由于隧道内设备较多，CPⅢ控制点位置选取要充分考虑设备的安装。同时由于隧道内通视环境较差应缩短，应尽量缩短CPⅢ控制点间距，以30～60m（曲线稍短）为宜，布网
时充分考虑区间设备（人防门等）对通视的影响。为了提高地铁CPⅢ控制网观测效率，建议平面和高程同时进行观测。自由设站点尽量与隧道内已知点相重合。由于隧道内观测条件较差，应严格遵守观测技术要求，及时检核数据观测质量。由于隧道内控制点较之高铁，精度低，所以内业数据处理要充分考虑已知点的相关性和稳定性。
参考文献：
[1] TB10601-2009.高速铁路工程测量规范[S].
[2] 谢辉等.高速铁路无砟轨道控制网（CPⅢ）平面测量技术[J].科技信息,2011年,第3期:50-50.
[3] 张绪丰.CPⅢ平面网外业测量若干技术问题的探讨及其软件的研制[D].成都：西南交通大学, 2008.1-2.
[4] 付建斌等.基于自由测站的高速铁路CPⅢ高程控制网建网方法研究[J].铁道工程学报,2010年,第11期：33-37.
作者简介：孟峰、男、硕士、工程师、研究方向：城市轨道交通工程测量、158********、邮箱：mfcasm@https://www.doczj.com/doc/d73222516.html,.