成都市地铁一号线控制网的布设[摘 要]本文介绍了成都市地铁一号线平面及高程控制网布设的过程,通过对精度指标的分析,总结了地铁控制网区别于城市传统控制网的特点。[关键词]地铁;GPS;精密导线;精密水准 成都市地铁工程是根据城市总体规划拟建的重大建设项目,工程投资大,建设周期长,对社会和经济发展都具有深远的影响。作为工程的前期准备,2001年11月成都市勘察测绘研究院承担了成都地铁一号线工程平面控制网和高程控制网的布设任务,并于2002年1月布设完成,2004年11月对该网进行了复测。控制网成果精度优良,能够满足地铁测量规范的要求。本文通过该工程,就地铁控制网的特点与业内同行进行交流探讨,现将控制网布设的情况介绍如下。1工程概况 成都地铁一号线工程规划设计线路呈“Γ”形,沿南北方向贯穿市区,全线长约25ｋｍ,沿线设有10余个车站。测区大部分为繁华地段,车辆众多,行人拥挤,沿线高层建筑物林立,大功率信号源密布,使平面控制网选点和观测极为困难。控制网的布设按照《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》(以下简称《规范》)的相关规定进行,网形沿地铁走向呈带状分布。平面控制网分两级布设,首级为ＧＰＳ控制网,二级为精密导线网。高程控制网为精密水准网。2控制网精度指标 《规范》总则中规定,地铁横向贯通中误差应在±50ｍｍ之内,高程贯通中误差应在±25ｍｍ之内。分配到地面控制测量的横向中误差为±25ｍｍ,地面高程控制测量的中误差为±16ｍｍ。在此基础上《规范》制定了平面及水准控制网的主要技术指标, 作为本工程控制网技术设计的依据。3 首级ＧＰＳ控制网3.1布网方案 平面控制网采用成都市坐标系统,投影面采用城市平均高程面,选择原城市坐标系统也便于地铁成果与已有的城市勘测资料衔接。根据甲方要求,并结合本工程具体情况,地铁一号线首级ＧＰＳ控制网在每个地铁车站附近布设了至少1个ＧＰＳ点,每个ＧＰＳ点至少有2个通视方向,地铁线路交叉地段至少布设一对ＧＰＳ点。同时,在测区范围内及周边区域选择了9个满足ＧＰＳ观测条件的原城市高等级控制点,作为起算数据选择的依据或作为重合点。全网共由51点组成,其中新选点42个,共观测93条基线。网中最短边长:327ｍ(不作为精密导线起算边),最长边长:25617ｍ,平均边长2285ｍ。控制网图见图1。
3.2观测及基线数据处理 ＧＰＳ测量选用4台Ｔｒｉｍｂｌｅ5700双频接收机进行观测,同步观测时间不小于60分钟,对控制网中的长边基线大地四边形观测时间为360分钟。基线解算完成后经同步环、异步环的检验,成果精度优良。检验结果见表1。
3.3 平差计算3.3.1 ＷＧＳ—84坐标系中的无约束平差 在ＷＧＳ—84坐标系中的无约束平差后,其相对精度最弱值为1/220871(327.241ｍ),最强值达到了1/4446382(25617.985ｍ),无约束平差的精度统计见表2。
3.3.2成都坐标系中的约束平差 根据《规范》要求,地铁控制网应按独立网的原则进行布设,ＧＰＳ控制网与原控制点坐标较差<50ｍｍ。本控制网中联测的9个原城市高等级控制点,由于布网时间不同、观测手段限制等历史原因,其精度不可能全部达到地铁规范要求。因此约束平差时,需要对联测的已知点进行精度检验和筛选,使作为约束条件的已知点既能最大限度保证地铁控制网与原城市坐标系统的兼容,又不会破坏ＧＰＳ网本身的精度。通过数据分析并结合建设单位专家组意见,决定固定一个基准点和一个基准方位作为约束条件进行平差。 起算点及起算方位选择遵循以下原则: (1)对所有联测点坐标进行精度分析:分别以各联测点为位置基准进行无约束平差,分析其它联测点的平差坐标值与已知值的较差。 (2)利用坐标较差和与基准点的距离,计算方位变化和尺度变化。可认为方位变化和尺度变化较小的联测点与基准点精度较一致。 (3)选取精度较一致的点,按不同组合(一个基准点和一个方位)进行无约束平差,分析平差结果的单位权中误差。选取单位权中误差较小一组来进行最后成果输出。 经过以上过程筛选,以最后选定的起算点和方位角进行最终解算,约束平差后成果精度统计见表3、表4。
其中点位中误差最大为±9.75ｍｍ;最小为±2.08ｍｍ;平均值为±5.68ｍｍ,均小于《规范》要求的±12ｍｍ。 其中,相对中误差最弱为1/221007(327.267ｍ);最强为1/6093959(25620.028ｍ),平均为1/1255285,均小于《规范》要求的1/90000。 由于使用起算数据较少,而需要兼顾的因素又较多,故已知点筛选过程严格而繁琐,对平差后的基线又用全站仪进行了反复检核,以确保成果的正确。 4精密导线网 精密导线网沿地铁一号线走向布设,导线点起闭于首级ＧＰＳ控制点,采用附合导线或多结点导线网。为了便于定测和施工测量,精密导线点尽量设在地面,每个车站附近至少有3个精密导线点。精密导线网共由92点组成,网中新选导线点72点,最短边138.689ｍ,最长边527.115ｍ,平均边长304.982ｍ。使用Ⅰ级全站仪ＬｅｉｃａＴＣ1800按照四等导线技术要求进行观测,严密平差后精度统计见表5。
实际工作中,曾发生过导线超限的情况,经用另一套Ｌｅｉｃａ1800对超限线路所有测站水平角进行重测,其观测较差最大值为±1.0″,证明水平角观测不存在粗差。经过分析我们认为,地铁《规范》中的精密导线总长度约3～5ｋｍ、平均边长350ｍ,远小于传统四等导线长度10ｋｍ、平均边长1.5ｋｍ的规格,长度的缩短使达到同样相对精度的难度增大;本工程由于现场条件限制边长则更短,一些地段相邻边长相差较大,且在闹市区观测条件极为困难,容易引起误差超限。后又在该线路上另埋设两个临时点以增加图形强度,重新观测平差后,测角中误差降低为2.29″,最终满足了《规范》的要求。就本工程而言,《规范》规定的精度指标显得比较苛刻,经推算将测角中误差放宽至2.9″、测距相对中误差放宽至1/50000,即能满足导线相邻点相对中误差±8ｍｍ、地面控制测量横向中误差±25ｍｍ的要求。5 精密水准网5.1布网方案 精密水准网采用成都市原有高程系统。每个车站及车辆段布设了2个以上水准点,共埋设24个深埋标石和22个墙标,另将沿线可利用的14个城市二等水准点和所有的地面精密导线点均纳入水准观测线路。为了提高图形强度,确保相邻车站高程的相对精度,设计了较多的闭合环线,共计形成水准环17个,线路长度约110ｋｍ。5.2 观测及平差计算 精密水准网的观测使用ＤＳ05级仪器ＺｅｉｓｓＮｉ004,按二等水准测量技术要求进行,经检核各项观测精度指标均优于地铁《规范》要求。为了保证整个水准网精度不受起始数据误差影响,本网按独立网进行平差计算,沿线已有的二等水准点高程值作为本次成果的检测值。严密平差后精度统计见表6。
6控制网的复测 2001年控制网布设完成后,通过了专家的评审验收,并向建设单位提交了成果。2004年,地铁一号线工程开始局部启动,为保证施工顺利进行,我院按照原布网的精度要求对该控制网进行了复测。由于距首次布网已近3年,期间成都市诸多市政建设项目大规模实施,不可避免地对沿线原控制点造成一定程度的影响,其中地面埋石点破坏较多。在复测中,对控制网中局部被破坏的点位进行了重新补埋,对尚存的控制点进行了校核。复测的网形和线路及施测过程与2001年基本相同,复测后新成果与原成果较差统计见表7。
通过复测成果与原成果的比较,证明原成果精度是可靠的。由于ＧＰＳ控制点大多布设于不易破坏的房顶,虽历经3年,平面控制网未发生明显变形。埋设于地面的精密水准点由于各种因素影响,高程有正常的微小沉降。最后以复测的新成果提交建设单位作为施工控制依据。7 经验及体会 (1)地铁控制网是针对特殊工程的专用独立控制网,精度要求高于同等级的城市控制网。布点时应认真了解建设单位需求,须综合考虑线路走向、站点分布、控制点密度、长期保存性等因素,精心设计。 (2)地铁首级ＧＰＳ网的规格,大致相当于传统控制网中的四等网,但精度指标却高于传统的三等网。尽管精度指标提高了一个等级,采用ＧＰＳ观测还是比较容易满足要求的。约束平差时应注意慎重选择起算数据,既要防止ＧＰＳ网变形,又应保证与原系统兼容。 (3)地铁精密导线精度指标大致相当于传统四等导线的要求,但边长却远小于后者。地铁线路大多经过繁华闹市区,选点限制条件多,观测条件也较差,要取得符合《规范》要求的精度是不容易的。 (4)地铁精密水准网精度介于二、三等水准测量之间,因此只要严格按照二等水准观测的技术要求作业,平差后的精度比较容易满足《规范》要求。 (5)由于地铁建设周期较长,需要定期对控制网复测。布网选点时应充分考虑点位的长久保存, 特别对首级平面及高程控制点,应适当增加布点数量,即便建设过程中个别点位破坏,也不会影响控制网的使用。参考文献[1]ＧＢ50308-1999,地下铁道、轻轨交通工程测量规范[Ｓ] [2]ＣＪＪ8-99,城市测量规范[Ｓ] [3]ＣＪＪ73-97,全球定位系统城市测量技术规程[Ｓ][4]刘永忠,郑传发 深圳地铁一期工程地面控制测量技术规定的制定原则[Ｊ] 四川测绘,2000,(2).
