楊興旺

摘? 要：基于運(yùn)營(yíng)高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目重點(diǎn)與難點(diǎn)，提出一種以北斗自動(dòng)化形變監(jiān)測(cè)技術(shù)為主，外加靜力水準(zhǔn)儀對(duì)路基進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的技術(shù)。具體以某運(yùn)營(yíng)高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為研究案例，重點(diǎn)從監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)要點(diǎn)及數(shù)據(jù)分析等方面對(duì)運(yùn)營(yíng)高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)作總結(jié)性分析。研究表明，北斗+靜力水準(zhǔn)儀的路基變形監(jiān)測(cè)技術(shù)可以開(kāi)展自動(dòng)化工作，實(shí)現(xiàn)路基沉降、位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，該監(jiān)測(cè)技術(shù)具有很強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，值得推廣于運(yùn)營(yíng)高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)工作中。

關(guān)鍵詞：運(yùn)營(yíng)高速鐵路;基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè);靜力水準(zhǔn)儀;北斗自動(dòng)化形變監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：U456.3? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

隨著高速鐵路建設(shè)范圍的日益擴(kuò)大，運(yùn)營(yíng)高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)的重要性也越來(lái)越凸顯。運(yùn)營(yíng)高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)的主要目的在于保證高速列車平穩(wěn)安全運(yùn)行，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可準(zhǔn)實(shí)時(shí)獲取路基的沉降、位移量，并可對(duì)未來(lái)沉降、位移進(jìn)行預(yù)測(cè)，以此為后續(xù)的基礎(chǔ)變形趨勢(shì)提供科學(xué)依據(jù)[1]。但是，高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)中涉及到行車安全，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性是鐵路運(yùn)營(yíng)部門最關(guān)心的。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)是采用人工監(jiān)測(cè)的方式進(jìn)行，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性得不到保障，導(dǎo)致變形地段安全隱患增大。因此，如何提升運(yùn)營(yíng)高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的適用性與實(shí)用性尤為關(guān)鍵。

1 研究背景

運(yùn)營(yíng)高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)、精測(cè)網(wǎng)測(cè)量與軌道線形復(fù)測(cè)項(xiàng)目屬于中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司專業(yè)部門管理，上海鐵路北斗測(cè)量工程技術(shù)有限公司具體實(shí)施的綜合性監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

項(xiàng)目涉及上海、浙江、安徽及江蘇等已經(jīng)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的高速鐵路，每年有1 500 km以上精密工程控制網(wǎng)、2 000 km以上軌道線形復(fù)測(cè)和150處重點(diǎn)地段監(jiān)測(cè)，項(xiàng)目工期為12個(gè)月。

就該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)難度來(lái)看，其主要面臨的難點(diǎn)是工作面廣、精度要求高、人員投入多、安全壓力大和協(xié)作單位類型多，需要對(duì)已經(jīng)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的高鐵2年進(jìn)行1次高程復(fù)測(cè)，4年進(jìn)行1次平面復(fù)測(cè)和軌道線形復(fù)測(cè)，并且需要每個(gè)月對(duì)一些重點(diǎn)地段進(jìn)行檢測(cè)。可以說(shuō)，整個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目實(shí)際實(shí)施過(guò)程中存在很大的難度，如何提升整體監(jiān)測(cè)質(zhì)量是關(guān)鍵之處?；谠擁?xiàng)目監(jiān)測(cè)需求，經(jīng)過(guò)初步分析決定特采取以北斗自動(dòng)化形變監(jiān)測(cè)技術(shù)為主外加靜力水準(zhǔn)儀的監(jiān)測(cè)技術(shù)，以此實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掌握鐵路路基形變安全信息的目的。

2 監(jiān)測(cè)方法

2.1 檢測(cè)方法

北斗自動(dòng)化形變監(jiān)測(cè)技術(shù)聯(lián)合靜力水準(zhǔn)儀的路基變形監(jiān)測(cè)技術(shù)屬于一種新型的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過(guò)在路基上布設(shè)北斗高精度監(jiān)測(cè)站，依靠監(jiān)測(cè)站的三維坐標(biāo)變化掌握路基的位移與沉降，同時(shí)布設(shè)靜力水準(zhǔn)儀對(duì)路基進(jìn)行差異沉降監(jiān)測(cè)，反應(yīng)出路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)垂向沉降。就實(shí)際監(jiān)測(cè)工作效果來(lái)看，線上可以對(duì)路基進(jìn)行自動(dòng)、實(shí)時(shí)與靜態(tài)毫米級(jí)的變形監(jiān)測(cè)，得到形變量隨時(shí)間的變化曲線圖，更為有利的一點(diǎn)是，該監(jiān)測(cè)技術(shù)可以建立實(shí)時(shí)多級(jí)報(bào)警機(jī)制，真正做到了鐵路路基形變安全信息的實(shí)時(shí)掌控。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

就該監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)來(lái)看，集中體現(xiàn)于以下5個(gè)方面。1）一次施工便可以做到長(zhǎng)期使用，自動(dòng)化水平高。2）不易受到天氣影響，可以全天候運(yùn)行，只需要借助相關(guān)的軟件即可以對(duì)路基沉降及位移進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)[2]。3）所得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，為數(shù)據(jù)分析和查詢提供了較大便利。4）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以圖形化顯示，且可以對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。5）如果得到的位移和沉降數(shù)據(jù)超出正常值則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

2.3 供電及通信系統(tǒng)保障

供電系統(tǒng)與通信系統(tǒng)是確保北斗監(jiān)測(cè)站與靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)工作順利開(kāi)展的重要基礎(chǔ)，該項(xiàng)目依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和電源分布情況，對(duì)二者均采用太陽(yáng)能進(jìn)行供電。該項(xiàng)目北斗監(jiān)測(cè)站供電采用100 W太陽(yáng)能板+100 Ah太陽(yáng)能板蓄電池監(jiān)測(cè)站設(shè)備供電，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組件、太陽(yáng)能控制器、蓄電池（組）組成。作為太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的核心部分，太陽(yáng)能電池組件在整個(gè)供電系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，優(yōu)勢(shì)在于其可以有效地將太陽(yáng)輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)，或推動(dòng)負(fù)荷工作。靜力水準(zhǔn)儀供電統(tǒng)一接入BD1所用的機(jī)箱中，供電主要通過(guò)BD1太陽(yáng)能板及蓄電池實(shí)現(xiàn)。除此之外，對(duì)于通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，該項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際需求和現(xiàn)狀，對(duì)北斗監(jiān)測(cè)站及靜力水準(zhǔn)儀均采用4G網(wǎng)絡(luò)傳輸對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收和存儲(chǔ)。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

3.1 測(cè)試環(huán)境選取及設(shè)備布設(shè)

該次監(jiān)測(cè)過(guò)程中布設(shè)了4套北斗監(jiān)測(cè)站，即BD1-BD4，每一個(gè)監(jiān)測(cè)站包括一個(gè)監(jiān)測(cè)墩和一個(gè)太陽(yáng)能供電墩，4個(gè)靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)墩有2個(gè)與北斗天線觀測(cè)墩共用一個(gè)觀測(cè)墩。

在測(cè)試環(huán)境選取中，將BD1布設(shè)于里程號(hào)K467+305即192號(hào)接觸網(wǎng)桿處附近;BD2布設(shè)于里程號(hào)K467+405即196號(hào)接觸網(wǎng)桿處附近;BD3布設(shè)于里程號(hào)K467+425即185號(hào)接觸網(wǎng)桿處附近，BD4布設(shè)于里程號(hào)K467+525即189號(hào)接觸網(wǎng)桿處附近。保證北斗天線觀測(cè)墩與接觸網(wǎng)桿基本保持在一條直線上，且地下、地上高度均保證在400 mm，太陽(yáng)能供電墩修建與電纜溝外側(cè)路基斜坡處，地上高度1 500 mm，地下高度500 mm，觀測(cè)主機(jī)機(jī)箱與太陽(yáng)能板通過(guò)抱箍的方式固定在供電墩上。天線與機(jī)箱通過(guò)饋線連接，并用PVC走線管固定。北斗監(jiān)測(cè)站布設(shè)點(diǎn)位衛(wèi)星示意圖如圖1所示

靜力水準(zhǔn)儀共計(jì)4個(gè)，安裝于北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)BD1-BD2之間，兩兩相距約為25 m，JL1與BD1，JL4與BD2共用同一觀測(cè)墩，JL2與JL3單獨(dú)施工觀測(cè)墩。在其監(jiān)測(cè)位置設(shè)置上，將靜力水準(zhǔn)儀觀測(cè)墩置于電纜溝與道砟間，與接觸網(wǎng)桿基本處于一條直線上，地下部分高度為300 mm，地上高度為200 mm。如圖2所示，靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)點(diǎn)布點(diǎn)衛(wèi)星示意。

北斗監(jiān)測(cè)站施工過(guò)程中的技術(shù)要點(diǎn)包括以下6點(diǎn)。1）電纜溝與道砟間垂直打入的鋼筋長(zhǎng)度保證在800 mm，且打入地下400 mm，所應(yīng)用的4根鋼筋直徑均為Φ25，間距控制在150 mm左右，充分保證與接觸網(wǎng)桿基礎(chǔ)位于同一直線之上。2）為了實(shí)現(xiàn)更好的固定作用，將直徑300 mm、高400 mm的PVC套筒放置于鋼筋外。3）每一根套筒均現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土，澆筑高度控制為200 mm，待充分振搗密實(shí)后澆筑下一層直至套筒頂部。4）向套筒中混凝土中插入事先預(yù)制好的鋼管（長(zhǎng)度400 mm），保證鋼管垂直，待混凝土完全凝固后安裝北斗天線。5）在監(jiān)測(cè)點(diǎn)機(jī)箱施工過(guò)程中，施工人員需要先對(duì)施工區(qū)域的雜草植被進(jìn)行修剪，并在電纜溝外側(cè)路基邊斜坡處挖500 mm×500 mm×500 mm基坑，并將事先預(yù)制好的機(jī)箱放入基坑之中，確保4個(gè)地腳螺栓可以露出地面。6）太陽(yáng)能蓄電池在放入基坑的過(guò)程中用蓄電池地埋箱保護(hù)。另外，混凝土澆筑完成后將預(yù)制機(jī)箱插入地腳并加以固定，機(jī)箱柱高度1 500 mm，用抱箍安裝固定機(jī)箱、太陽(yáng)能板。而后按照安裝圖紙連接天線與接收機(jī)，并對(duì)北斗接收機(jī)進(jìn)行參數(shù)配置。如圖3所示，施工完成后的太陽(yáng)能供電墩。

靜力水準(zhǔn)儀施工要點(diǎn)包括以下4點(diǎn)。1）電纜溝與道砟間垂直打入鋼筋的長(zhǎng)度控制為400 mm，打入地下300 mm，所選用的4根鋼筋按照正方形排列，且間距控制為100 mm左右，保證與接觸網(wǎng)桿處于同一直線上。2）在鋼筋外放置直徑為200 mm、高200 mm的PVC套筒并加以固定。3）待混凝土得到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后用膨脹螺絲對(duì)靜力水準(zhǔn)儀作固定處理，PVC行線槽用U型卡固定。4）靜力水準(zhǔn)儀電纜沿PVC行線槽連入BD1太陽(yáng)能供電墩機(jī)箱內(nèi)的數(shù)據(jù)采集儀中。

3.2 監(jiān)測(cè)方案

就該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用所要取得的目標(biāo)來(lái)說(shuō)，主要有以下4點(diǎn)。1）通過(guò)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確獲悉鐵路路基沉降和位移的真實(shí)情況。2）依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況及時(shí)推送預(yù)警信息。3）對(duì)鐵路路基兩側(cè)現(xiàn)有施工對(duì)路基變形影響情況進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)。4）對(duì)監(jiān)測(cè)地段與現(xiàn)有人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行同頻次對(duì)比，明確所用監(jiān)測(cè)技術(shù)的可行性[3]。

考慮到鐵路路基與上軌道結(jié)構(gòu)之間存在一定的差異，因而為了盡量保證路基底部混凝土縱向力的平衡，該項(xiàng)目在實(shí)際的監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)中采用了特殊摩擦板及端刺結(jié)構(gòu)作為鐵路路基與上軌道之間的過(guò)渡，端刺可以起到支撐錨梁的作用，且承受基底部分的大部分荷載。另外，摩擦板在此過(guò)程中起的作用是緩沖基底板向端刺傳遞縱向力。因此，在監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)中需要對(duì)端刺結(jié)構(gòu)受力變形的影響進(jìn)行重點(diǎn)分析。除此之外，針對(duì)數(shù)據(jù)信息化管理水平亟待提升的問(wèn)題，該項(xiàng)目專門研發(fā)設(shè)計(jì)了測(cè)量數(shù)據(jù)采集APP與運(yùn)營(yíng)鐵路技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，通過(guò)這種信息化手段實(shí)現(xiàn)了高程和平面原始數(shù)據(jù)采集，更為有利的一點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)上傳平臺(tái)與精測(cè)網(wǎng)、線形測(cè)量和重點(diǎn)地段基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理信息化，結(jié)束原有各項(xiàng)數(shù)據(jù)郵件傳輸和人工統(tǒng)計(jì)報(bào)表的歷史，極大提高了原始數(shù)據(jù)、整理數(shù)據(jù)、提交成果的檢查、評(píng)估、統(tǒng)計(jì)等工作效率和準(zhǔn)確率。

4 數(shù)據(jù)分析

在數(shù)據(jù)起算點(diǎn)選取中，采用與原網(wǎng)相同的坐標(biāo)基準(zhǔn)，一旦發(fā)現(xiàn)所使用的起算點(diǎn)遭到破壞，則立即選取另外一點(diǎn)作為新起算點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。起算點(diǎn)在使用前需要先對(duì)其適用性進(jìn)行檢查，就當(dāng)前起算點(diǎn)的檢查方式來(lái)看，最常用的有基線比較法、約束平差分析法及假設(shè)檢驗(yàn)方法等。在后續(xù)的數(shù)據(jù)分析中主要是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與原監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，但是在實(shí)際的數(shù)據(jù)分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)原有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計(jì)不全、精密度低的情況，因而為了進(jìn)一步保證該次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，經(jīng)過(guò)技術(shù)團(tuán)隊(duì)研究決定，決定開(kāi)發(fā)一套專門應(yīng)用于北斗+靜力水準(zhǔn)儀的路基變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的軟件，很大程度上優(yōu)化了整個(gè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，補(bǔ)齊部分計(jì)算軟件短板。另外，所開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)提升了數(shù)據(jù)采集、處理和分析的自動(dòng)化與精準(zhǔn)性，大大提升了數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查處理的效率與質(zhì)量。

5 結(jié)論

鐵路地基沉降與位移控制事關(guān)鐵路運(yùn)行的安全與穩(wěn)定，近年來(lái)隨著鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)工作中。北斗+靜力水準(zhǔn)儀的路基變形監(jiān)測(cè)技術(shù)可以對(duì)路基的沉降與位移等變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且可以對(duì)未來(lái)沉降與位移進(jìn)行預(yù)測(cè)。但是，需要注意的一點(diǎn)是，在借助北斗+靜力水準(zhǔn)儀的路基變形監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)展基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中，需要及時(shí)跟進(jìn)維修工作，確保其供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)不會(huì)因外界環(huán)境而被破壞，以此保證和提升鐵路運(yùn)行線路的安全性。

參考文獻(xiàn)

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