高速铁路CPIII控制网初探.docx
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高速铁路CPIII控制网初探
高速铁路CPIII控制网初探
周建伟何跃宝
（中国水利水电第七局工程局有限公司科研设计院四川郫县611370）
【摘要】：
为适应全面建设小康社会的目标要求，铁路网要扩大规模，到2020年，全国铁路营业里程达到10万公里，规划“四纵四横”铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统。
建设客运专线1.2万公里以上，客车速度目标值达到每小时200～350公里。
在高速铁路的建设中，德国是研制最早的国家之一，德国睿铁公司（RailOne）执行副总裁巴哈曼先生在总结无碴轨道铁路建设经验时说：
要成功地建设无碴轨道，就必须有一套完整、高效且非常精确的测量系统——否则必定失败。
而高速铁路的关键技术——CPIII控制网是高速铁路测量的核心技术。
下面就CPIII网的相关技术做一初步探索。
【关键词】高速铁路客运专线测量系统CPIII
1、高速铁路控制网的构成
高速铁路平面控制网一般由四级构成，分别为CP0框架基准网、CPI基础平面控制网、CPⅡ线路控制网和CPIII控制网。
2、CPIII布网要求
CPⅢ控制点距离布置一般为60m左右，且不应大于80m,离线路中线3-4米，且应成对布设。
CPⅢ控制点布设高度应比轨道面高度高30cm左右。
2.1桥梁段CPⅢ控制点的布设
桥梁段CPⅢ控制点的布设可直接在梁固定端的防撞墙顶面，对于标准32米简支箱梁每两孔布置一对CPⅢ点，相邻两对CPⅢ点在里程上相距约64米；24米简支箱梁每两孔布置一对CPⅢ点，相邻两对CPⅢ点在里程上相距约49米，对于32+48+32的连续梁布置形式可与32米简支箱梁相同；对于40+64+40米连续梁，在每孔梁的固定端设置CPⅢ点对；对于64+100+64米的连续梁，在64米跨固定端防撞墙处布置CPⅢ点，100米跨的在跨中和固定端布置CPⅢ点；其他类型的梁按不大于80米间距布置CPⅢ点。
2.2路基段CPⅢ控制点的布设
路基段CPⅢ可直接布置在接触网支柱上，若接触网未完成施工，在线路两侧的接触网底座上使用钢筋混凝土成对浇筑CPⅢ基桩，基桩直径25厘米为宜，基桩顶面高于外轨轨顶面30厘米左右，如图1所示；若接触网已完成施工，则可直接布置在接触网支柱上，如图2所示。
相邻两对CPⅢ基桩在里程上相距约50米，待基桩稳定后，在基桩顶面埋设，布置在接触网支柱上有以下几个优点：
（1）接触网支柱的基础安全稳定
（2）点位不易遭受破坏
（3）未来可用的控制点均匀分布在线路上（每隔50m）
（4）可以在线路两侧布置标记点
图1接触网基础上的CPⅢ点图2接触网支柱上的CPⅢ点
2.3隧道CPⅢ控制点的布设
隧道里一般布置在电缆槽顶面以上50~80厘米左右的边墙内衬上，相邻CPⅢ点对相距60米左右，布置形式见图3
图3隧道内CPⅢ控制点布置图
3、CPIII网观测方法
3.1CPⅢ平面网外业观测
3.1.1测量方法
CPⅢ控制网采用自由设站边角交会的方法测量，从每个自由测站，将以前后各2x3个CPⅢ-点为测量目标，每次测量应保证每个点测量3次，测量方法见下图。
测站（自由站点）
测量点
向CPⅢ点进行的测量（方向、角度和距离）
图4CPⅢ自由设站边角交会测量
CPⅢ控制点距离为60m左右，且不应大于80m，观测CPⅢ点的目标距离一般为150m左右，最大不超过180m。
每次测量开始前在全站仪初始行中输入起始点信息并填写自由测站记录表，每一站测量3组完整的测回。
应记录于每个测站的：
T温度、气压以及CPI、CPⅡ点上的目标点的棱镜高测量，并将温度、气压改正输入每个测站上。
对于线路有长短链时，应注意区分重复里程及标记的编号。
3.1.2精度指标控制
水平角测量的精度应按如下要求进行：
（1）水平方向：
3-4
（2）测站至CPⅢ标记点间的距离：
2测回。
（3）观测各项限差要求不应超过下表的规定，观测最后结果按等权进行测站平差。
表1CPⅢ平面网水平方向观测技术要求
控制网名称
仪器等级
测回数
半测回归零差
不同测回同一方向2C互差
归零后方向值较差
2C值
CPⅡI平面网
0.5″
3
6″
9″
6″
15″
1″
4
9″
9″
6″
15″
（4）距离的观测应与水平角观测同步进行，并由全站仪自动进行，并满足下表精度要求。
表2CPⅢ平面网距离观测技术要求
控制网名称
测回
半测回距离较差
测回间距离较差
CPⅢ平面网
3
±1mm
±1mm
距离测量一测回是全站仪盘左、盘右各测量一次
（5）平面测量可以根据测量需要分段测量，其测量范围内的CPI及CPⅡ点应联测。
表3CPⅢ平面网主要技术指标
控制网名
测量方法
方向观测中误差
距离观测中误差
相邻点相对点位中误差
同精度复测坐标较差
CPⅢ平面网
自由测站边角交会
±1.8″
±1.0mm
±1mm
±3mm
3.1.3与CPI、CPⅡ控制点联测
与上一级CPI、CPⅡ控制点联测时应600米左右的间隔联测一个。
（1）与上一级CPI、CPⅡ控制点联测，一般情况下应通过至少2个或以上线路上的自由测站，见图5。
图5CPⅢ与CPI、CPⅡ控制点联测示意图
（2）与上一级CPI、CPⅡ控制点联测时，应最少观测3个完整测回数据。
（3）由于CPⅢ网分区段测量，为了使相邻区段能够满足CPⅢ网络的测量高均匀性和高精确度，每个相邻区段至少要有5到6对CPⅢ点（约为360米的重合）一起测量，并且考虑平差，每个区域不宜小于4公里。
（4）现场记录
在现场测量时必须记录各测站的实际情况，它是测量中的重要数据，在进行外业测量时，应正确填写测站记录表。
3.1.4CPⅢ网相邻测段及不同投影带的衔接测量
（1）CPⅢ网相邻测段的衔接测量
CPⅢ测量可根据施工需要分段测量,且分段测量长度不宜小于4km。
为解决相邻测段的平顺衔接，保证CPⅢ网络的相对精度，各相邻测段衔接观测时应该重复观测不少于6对CPⅢ点，作为分段重叠观测区域以便进行测段衔接，重复观测的点对应该按照CPⅢ测量技术要求进行，保证每个点至少被观测三次。
测段之间衔接时，前后测段独立平差坐标差值应该满足≤±3mm。
满足该条件后，后一测段CPⅢ网平差时，应该采用本段联测的CPI、CPⅡ控制点及重叠区域前一测段的CPⅢ点坐标进行约束平差；高程数据处理时，前后测段独立平差高程差值应该满足≤±3mm，满足该条件后，采用与平面坐标相同的方法进行平差。
（2）CPⅢ网不同投影带的衔接测量
为解决相邻不同坐标系统的平顺衔接，保证CPⅢ网络的相对精度，不同坐标系统衔接观测时应该重复观测不少于800米CPⅢ点，作为分段重叠观测区域以便进行测段衔接，重复观测的点应该按照CPⅢ测量技术要求进行，保证每个点至少被观测三次。
坐标系统换带处CPⅢ平面网计算时，应分别采用相邻两个投影带的CPI、CPⅡ坐标进行约束平差，并分别提供相邻两个投影带两套CPⅢ网平面坐标成果。
两套坐标成果都应该满足CPⅢ相关测量精度要求，提供两套坐标的CPⅢ测段长度不小于800米。
3.2CPⅢ高程控制网测量
CPⅢ控制点高程测量采用国家二等水准方法进行，本文不再介绍。
4、CPIII网测量对仪器、人员、环境条件的要求
用于CPⅢ测量的仪器应通过国家定点机构的鉴定并在有效期内，且全站仪必须满足如下精度要求：
角度测量精确度：
≤±1″；
距离测量精确度：
≤±1mm+2ppm；
CPⅢ高程控制点与平面控制点共点，用于CPⅢ高程测量的水准仪应通过国家定点机构的鉴定并在有效期内，且水准仪必须满足如下精度要求：
仪器标称精度不低于DS1级，并配备相应的铟瓦尺。
全站仪应有自动气象改正设备或观测时适时输入气温、气压，每台仪器应至少配14个棱镜，使用前应对棱镜进行检测，并对每个棱镜编号，相同的点使用固定的棱镜进行观测。
4.1CPIII外业数据采集、内业计算
为了满足高速铁路施工测量中轨道控制网（CPⅢ）的建网与测设的要求，减少测量人员的工作强度，提高测量的工作效率，全站仪机载软件应该具备以下一些特点：
（1）可以设置CPⅢ控制网外业数据采集的各项限差，包括：
半测回归零差、2C差、指标差、2C互差、指标互差、水平角互差、竖直角互差、距离互差等；
（2）按照CPⅢ控制网外业数据采集数据的各项限差的规定，采集符合规范要求的质量合格的CPⅢ控制网原始数据；
（3）采集过程中建立了严格的实时质量控制体系，实时检核各项限差，对不合格超限的数据要求重测；
（4）按照CPⅢ控制网外业数据采集限差的要求，对采集数据进行筛选，最终将符合规范要求的质量合格的CPⅢ控制网观测数据保存在规定的数据文件中；
（5）同时也自动保存观测过程中的所有原始观测数据，供事后溯源分析；
（6）观测数据文件导入数据后处理软件时，CPⅢ网数据处理系统软件还要按照相关的限差规定，对原始观测数据进行再次的检查和筛选，保证最终参与CPⅢ平面控制网的平差计算的观测数据是满足各项限差规定的合格的数据。
（7）CPⅢ平面网观测应在气象条件相对比较稳定的天气下进行（温差变化较小，湿度较小，如阴天），夜间观测应避免强热光源对观测的影响。
观测时段的选择：
①应尽量选择无风的阴天进行；
②应完全避开日出，日落、日中天的前后1小时的时段进行观测；
③如果允许，首先应选择夜晚无风的时段观测。
5.1平面网平差计算
在自由设站CPⅢ测量中，测量时必须使用与全站仪能自动记录及计算的专用数据处理软件。
观测数据存储之前，必须对观测数据的质量进行检核。
包括如下内容：
仪器高、棱镜高；
观测者、记录者、复核者签名；
观测日期、天气等气象要素记录。
检核方法可以采用手工或程序检核。
观测数据经检核不满足要求时，及时提出重测，经检核无误并满足要求时，进行数据存储，提交给数据计算、平差处理。
CPⅢ网络平面闭合差限差应满足下表要求。
表4CPⅢ平面闭合差限差
控制网名称
闭合差
CPⅢ平面网
1/3500
自由设站点、CPⅢ点进行整体平差。
平差计算后精度应满足表5、表6要求。
表5CPⅢ平面网平差后主要技术要求
控制网名称
与CPI、CPⅡ联测
与CPⅢ联测
距离中误差
点位中误差
方向改正数
距离改正数
方向改正数
距离改正数
CPⅢ平面网
4.0″
4mm
3.0″
2mm
1mm
2mm
表6CPⅢ平面网平差计算取位
控制网名称
水平方向观测值（″）
水平距离观测值（mm）
方向改正数（″）
距离改正数（mm）
点位中误差（mm）
点位坐标（mm）
CPⅢ平面网
0.1
0.1
0.01
0.01
0.01
0.1
6、工程应用
京沪土建三标的西渴马2#隧道全长978米，是三标段最先进行轨道板精调的工点。
为保证CPIII网的平顺性，西渴马2#隧道和1#隧道统一建网，建网长度3.978km，本段平面网复测采用TCA2003全站仪测量，边长气象改正在仪器里进行，采用自由设站边角交会的方法进行测量。
仪器搭载CPIII测量软件，外业限差在仪器里自动控制，数据格式采用专用的*.TPT格式
观测数据采集完毕之后，使用测站平差软件对数据进行简单的预处理，主要是检查外业观测的限差是否满足要求，并将数据处理成平差软件规定的格式。
数据预处理完成之后就可以进行平差计算了，本次测量CPIII平面网的起算数据采用施工单位独自加密的CPII点作为起算点。
平差之前需对软件进行设置，包括先验精度设置、长度改化设置和平差设置。
先验精度设置一般采用软件默认的设置方式即可，长度改化设置应该特别注意，在数据预处理的时候已经进行了长度高程改化的计算，此时就不必再次进行改正，只需进行长度投影改正即可，平差设置先设置为经典平差模式，软件设置（见图6～图12）：
图6平差设置
完成平差设置之后，先进行CPIII网的坐标概算，生成各个点的概略坐标和网型图，此时可根据概略坐标和网型图大致判断有无点号错误。
顺利完成坐标概算后进行经典平差计算，并查看经典平差计算报告，若待定点的坐标改正数小于±1mm，可进行下一步严密平差计算。
西可马隧道CPIII网经典平差之后精度如下图：
图7经典平差后精度图
从图7可以看出，经典平差之后待定点的坐标改正数都小于±1mm，可以进行下一步的计算工作。
严密平差采用赫尔墨特严密公式进行方差分量估算，平差时进行如下设置：
图8严密平差设置
经过赫尔墨特严密平差之后精度如图9：
图9平差后点位坐标精度图
从图9可以看出，严密平差之后各个CPIII点的坐标绝对点位精度最大为0.7921mm，小于规范要求的2mm，说明点位的绝对坐标精度满足要求；
图10平差后距离精度图
从图10可以看出，严密平差之后与CPII联测的距离观测的最大改正数为-1.9854mm，小于规范要求的±4mm；与CPIII联测的距离最大改正数为1.6722mm，小于规范要求的±2mm，说明距离观测值的精度满足要求；
图11平差后相邻点相对精度图
从图11可以看出，严密平差之后CPIII相邻点的相对点位精度为0.6877mm，小于规范要求的1mm的限差，说明控制网相邻点的相对精度满足要求；
图12平差后方向精度图
通过图12可以看出，严密平差之后与CPII点联测的最大方向改正数为1.3780秒，远小于规范要求的±4秒，与CPIII点联测的最大方向改正数为-1.773秒，小于规范要求的±3秒，说明各点的方向精度满足要求；
综合上面各项精度指标可以看出，本段CPIII精度完全满足规范要求，目前测量成果已用来进行西渴马2#隧道的精调工作。
7、结束语
CPⅢ测量作为高速铁路施工的核心技术之一，控制网的建立与实施是一项复杂的系统工程。
作为一项全新的测量的技术，目前仅在京津、郑西、武广等少数项目上运用，测量过程劳动强度大，精度控制严格，对气象条件要求较高，从我们整个测量的过程来看，做好前期技术准备，配置满足要求的人员和仪器，按相关规范进行操作，测量精度还是有保证的，但其观测方法和技术指标是否可以再优化，还值得我们进一步去探讨。
参考文献
[1]《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》（铁建设[2006]158号）；
[2]《国家一、二等水准测量规范》GB12897-2007；
[3]《全球定位系统（GPS）铁路测量规程》（TB10054-1997）；
[4]《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314-2001）；
[5]《高速铁路测量规范》（TB10601-2009）；
作者简介：
周建伟（1964-）：
男，四川资中人，工程师，长期从事工程施工测量及管理工作。
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