成都市地鐵一號線控制網的布設[摘 要]本文介紹了成都市地鐵一號線平面及高程控制網布設的過程,通過對精度指標的分析,總結了地鐵控制網區別于城市傳統控制網的特點。[關鍵詞]地鐵;GPS;精密導線;精密水準 成都市地鐵工程是根據城市總體規劃擬建的重大建設項目,工程投資大,建設周期長,對社會和經濟發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和高程控制網的布設任務,并于2002年1月布設完成,2004年11月對該網進行了復測。控制網成果精度優良,能夠滿足地鐵測量規范的要求。本文通過該工程,就地鐵控制網的特點與業內同行進行交流探討,現將控制網布設的情況介紹如下。1工程概況 成都地鐵一號線工程規劃設計線路呈“Γ”形,沿南北方向貫穿市區,全線長約25ｋｍ,沿線設有10余個車站。測區大部分為繁華地段,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,使平面控制網選點和觀測極為困難。控制網的布設按照《地下鐵道、輕軌交通工程測量規范》(以下簡稱《規范》)的相關規定進行,網形沿地鐵走向呈帶狀分布。平面控制網分兩級布設,首級為ＧＰＳ控制網,二級為精密導線網。高程控制網為精密水準網。2控制網精度指標 《規范》總則中規定,地鐵橫向貫通中誤差應在±50ｍｍ之內,高程貫通中誤差應在±25ｍｍ之內。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。在此基礎上《規范》制定了平面及水準控制網的主要技術指標, 作為本工程控制網技術設計的依據。3 首級ＧＰＳ控制網3.1布網方案 平面控制網采用成都市坐標系統,投影面采用城市平均高程面,選擇原城市坐標系統也便于地鐵成果與已有的城市勘測資料銜接。根據甲方要求,并結合本工程具體情況,地鐵一號線首級ＧＰＳ控制網在每個地鐵車站附近布設了至少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一對ＧＰＳ點。同時,在測區范圍內及周邊區域選擇了9個滿足ＧＰＳ觀測條件的原城市高等級控制點,作為起算數據選擇的依據或作為重合點。全網共由51點組成,其中新選點42個,共觀測93條基線。網中最短邊長:327ｍ(不作為精密導線起算邊),最長邊長:25617ｍ,平均邊長2285ｍ。控制網圖見圖1。
3.2觀測及基線數據處理 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。基線解算完成后經同步環、異步環的檢驗,成果精度優良。檢驗結果見表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計見表2。3.3.2成都坐標系中的約束平差 根據《規范》要求,地鐵控制網應按獨立網的原則進行布設,ＧＰＳ控制網與原控制點坐標較差<50ｍｍ。本控制網中聯測的9個原城市高等級控制點,由于布網時間不同、觀測手段限制等歷史原因,其精度不可能全部達到地鐵規范要求。因此約束平差時,需要對聯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與原城市坐標系統的兼容,又不會破壞ＧＰＳ網本身的精度。通過數據分析并結合建設單位專家組意見,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)對所有聯測點坐標進行精度分析:分別以各聯測點為位置基準進行無約束平差,分析其它聯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,分析平差結果的單位權中誤差。選取單位權中誤差較小一組來進行最后成果輸出。 經過以上過程篩選,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《規范》要求的1/90000。 由于使用起算數據較少,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 精密導線網沿地鐵一號線走向布設,導線點起閉于首級ＧＰＳ控制點,采用附合導線或多結點導線網。為了便于定測和施工測量,精密導線點盡量設在地面,每個車站附近至少有3個精密導線點。精密導線網共由92點組成,網中新選導線點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按照四等導線技術要求進行觀測,嚴密平差后精度統計見表5。 實際工作中,曾發生過導線超限的情況,經用另一套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。經過分析我們認為,地鐵《規范》中的精密導線總長度約3～5ｋｍ、平均邊長350ｍ,遠小于傳統四等導線長度10ｋｍ、平均邊長1.5ｋｍ的規格,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《規范》的要求。就本工程而言,《規范》規定的精度指標顯得比較苛刻,經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5.1布網方案 精密水準網采用成都市原有高程系統。每個車站及車輛段布設了2個以上水準點,共埋設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,設計了較多的閉合環線,共計形成水準環17個,線路長度約110ｋｍ。5.2 觀測及平差計算 精密水準網的觀測使用ＤＳ05級儀器ＺｅｉｓｓＮｉ004,按二等水準測量技術要求進行,經檢核各項觀測精度指標均優于地鐵《規范》要求。為了保證整個水準網精度不受起始數據誤差影響,本網按獨立網進行平差計算,沿線已有的二等水準點高程值作為本次成果的檢測值。嚴密平差后精度統計見表6。6控制網的復測 2001年控制網布設完成后,通過了專家的評審驗收,并向建設單位提交了成果。2004年,地鐵一號線工程開始局部啟動,為保證施工順利進行,我院按照原布網的精度要求對該控制網進行了復測。由于距首次布網已近3年,期間成都市諸多市政建設項目大規模實施,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控制點大多布設于不易破壞的房頂,雖歷經3年,平面控制網未發生明顯變形。埋設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單位作為施工控制依據。7 經驗及體會 (1)地鐵控制網是針對特殊工程的專用獨立控制網,精度要求高于同等級的城市控制網。布點時應認真了解建設單位需求,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,精心設計。 (2)地鐵首級ＧＰＳ網的規格,大致相當于傳統控制網中的四等網,但精度指標卻高于傳統的三等網。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據,既要防止ＧＰＳ網變形,又應保證與原系統兼容。 (3)地鐵精密導線精度指標大致相當于傳統四等導線的要求,但邊長卻遠小于后者。地鐵線路大多經過繁華鬧市區,選點限制條件多,觀測條件也較差,要取得符合《規范》要求的精度是不容易的。 (4)地鐵精密水準網精度介于二、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要求作業,平差后的精度比較容易滿足《規范》要求。 (5)由于地鐵建設周期較長,需要定期對控制網復測。布網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,應適當增加布點數量,即便建設過程中個別點位破壞,也不會影響控制網的使用。參考文獻[1]ＧＢ50308-1999,地下鐵道、輕軌交通工程測量規范[Ｓ] [2]ＣＪＪ8-99,城市測量規范[Ｓ] [3]ＣＪＪ73-97,全球定位系統城市測量技術規程[Ｓ][4]劉永忠,鄭傳發 深圳地鐵一期工程地面控制測量技術規定的制定原則[Ｊ] 四川測繪,2000,(2).
3.2觀測及基線數據處理 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。基線解算完成后經同步環、異步環的檢驗,成果精度優良。檢驗結果見表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計見表2。3.3.2成都坐標系中的約束平差 根據《規范》要求,地鐵控制網應按獨立網的原則進行布設,ＧＰＳ控制網與原控制點坐標較差<50ｍｍ。本控制網中聯測的9個原城市高等級控制點,由于布網時間不同、觀測手段限制等歷史原因,其精度不可能全部達到地鐵規范要求。因此約束平差時,需要對聯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與原城市坐標系統的兼容,又不會破壞ＧＰＳ網本身的精度。通過數據分析并結合建設單位專家組意見,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)對所有聯測點坐標進行精度分析:分別以各聯測點為位置基準進行無約束平差,分析其它聯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,分析平差結果的單位權中誤差。選取單位權中誤差較小一組來進行最后成果輸出。 經過以上過程篩選,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《規范》要求的1/90000。 由于使用起算數據較少,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 精密導線網沿地鐵一號線走向布設,導線點起閉于首級ＧＰＳ控制點,采用附合導線或多結點導線網。為了便于定測和施工測量,精密導線點盡量設在地面,每個車站附近至少有3個精密導線點。精密導線網共由92點組成,網中新選導線點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按照四等導線技術要求進行觀測,嚴密平差后精度統計見表5。 實際工作中,曾發生過導線超限的情況,經用另一套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。經過分析我們認為,地鐵《規范》中的精密導線總長度約3～5ｋｍ、平均邊長350ｍ,遠小于傳統四等導線長度10ｋｍ、平均邊長1.5ｋｍ的規格,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《規范》的要求。就本工程而言,《規范》規定的精度指標顯得比較苛刻,經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5.1布網方案 精密水準網采用成都市原有高程系統。每個車站及車輛段布設了2個以上水準點,共埋設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,設計了較多的閉合環線,共計形成水準環17個,線路長度約110ｋｍ。5.2 觀測及平差計算 精密水準網的觀測使用ＤＳ05級儀器ＺｅｉｓｓＮｉ004,按二等水準測量技術要求進行,經檢核各項觀測精度指標均優于地鐵《規范》要求。為了保證整個水準網精度不受起始數據誤差影響,本網按獨立網進行平差計算,沿線已有的二等水準點高程值作為本次成果的檢測值。嚴密平差后精度統計見表6。6控制網的復測 2001年控制網布設完成后,通過了專家的評審驗收,并向建設單位提交了成果。2004年,地鐵一號線工程開始局部啟動,為保證施工順利進行,我院按照原布網的精度要求對該控制網進行了復測。由于距首次布網已近3年,期間成都市諸多市政建設項目大規模實施,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控制點大多布設于不易破壞的房頂,雖歷經3年,平面控制網未發生明顯變形。埋設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單位作為施工控制依據。7 經驗及體會 (1)地鐵控制網是針對特殊工程的專用獨立控制網,精度要求高于同等級的城市控制網。布點時應認真了解建設單位需求,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,精心設計。 (2)地鐵首級ＧＰＳ網的規格,大致相當于傳統控制網中的四等網,但精度指標卻高于傳統的三等網。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據,既要防止ＧＰＳ網變形,又應保證與原系統兼容。 (3)地鐵精密導線精度指標大致相當于傳統四等導線的要求,但邊長卻遠小于后者。地鐵線路大多經過繁華鬧市區,選點限制條件多,觀測條件也較差,要取得符合《規范》要求的精度是不容易的。 (4)地鐵精密水準網精度介于二、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要求作業,平差后的精度比較容易滿足《規范》要求。 (5)由于地鐵建設周期較長,需要定期對控制網復測。布網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,應適當增加布點數量,即便建設過程中個別點位破壞,也不會影響控制網的使用。參考文獻[1]ＧＢ50308-1999,地下鐵道、輕軌交通工程測量規范[Ｓ] [2]ＣＪＪ8-99,城市測量規范[Ｓ] [3]ＣＪＪ73-97,全球定位系統城市測量技術規程[Ｓ][4]劉永忠,鄭傳發 深圳地鐵一期工程地面控制測量技術規定的制定原則[Ｊ] 四川測繪,2000,(2).
