彭 理

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

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下穿既有鐵路項目多技術(shù)融合監(jiān)測方法研究

彭 理

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

地鐵隧道等地下工程在下穿既有鐵路時，施工監(jiān)測對項目的安全保障至關(guān)重要。監(jiān)測的主要內(nèi)容為既有鐵路路基和構(gòu)筑物位移形變和既有軌道的幾何形變。以合肥地鐵下穿既有鐵路為例，詳細研究常規(guī)手段監(jiān)測、自動測量機器人以及靜力水準儀自動化監(jiān)測等多項技術(shù)融合監(jiān)測。

軌道位移監(jiān)測 自動化監(jiān)測 自動測量機器人 靜力水準儀

1 概述

隨著城市不斷發(fā)展擴張，城市內(nèi)的既有鐵路像一道屏障阻斷了鐵路兩側(cè)的交通，通過下穿隧道的方法能夠打通鐵路兩側(cè)的道路交通，為城市的發(fā)展提供新的空間。這樣就對下穿既有鐵路的施工安全提出了很高的要求，其中既有鐵路及附屬構(gòu)筑物的監(jiān)測對地鐵下穿施工的順利進行及既有鐵路運營安全保障有至關(guān)重要的作用。

2 監(jiān)測的主要內(nèi)容和目的

根據(jù)項目所處位置和地質(zhì)情況不同，監(jiān)測的內(nèi)容也不盡相同，主要有以下幾個重點的監(jiān)測內(nèi)容：

(1)鐵軌水平位移監(jiān)測；

(2)既有鐵路路基沉降監(jiān)測；

(3)構(gòu)筑物形變監(jiān)測，如鐵路橋、框構(gòu)等。

3 監(jiān)測精度指標要求

根據(jù)規(guī)范要求和中國鐵路總公司的相關(guān)管理辦法，基礎(chǔ)變形監(jiān)測精度指標應(yīng)滿足的要求如表1所示。

表1 基礎(chǔ)變形監(jiān)測精度 mm

4 監(jiān)測方案設(shè)計的主要內(nèi)容

4.1 基礎(chǔ)控制基準的設(shè)計

基準點的測設(shè)：包括水平位移基準點和沉降監(jiān)測基準點的布設(shè)。

水平位移監(jiān)測需要建立相對獨立的平面坐標系統(tǒng)；基準點應(yīng)選擇在遠離施工影響的區(qū)域；基準點間應(yīng)具備和前后點通視的條件。水平位移基準點采用導(dǎo)線的方法進行測量，精度等級為一等(如表2)。

表2 水平位移基準網(wǎng)的主要技術(shù)要求

沉降監(jiān)測基準網(wǎng)可建立獨立的高程基準，也可和當?shù)氐母叱袒鶞蔬M行聯(lián)測后確認?；鶞庶c應(yīng)設(shè)在遠離項目施工影響區(qū)的穩(wěn)固位置，布設(shè)位置滿足準確、方便測量的需要(如表3)。

表3 沉降監(jiān)測網(wǎng)主要技術(shù)要求和方法 mm

4.2 鐵軌幾何形態(tài)監(jiān)測方案設(shè)計

鐵軌幾何形態(tài)監(jiān)測方案包括監(jiān)測點的布設(shè)，自動測量機器人監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)實時傳輸、處理系統(tǒng)和網(wǎng)上發(fā)布系統(tǒng)。

(1)自動測量機器人連續(xù)測量先要選取置鏡點，保證置鏡點相對于監(jiān)測點的角度并能清晰看到棱鏡(視線不能穿越樹杈、鋼絲網(wǎng)等障礙物)。測量時需要使用正鏡和倒鏡分別觀測監(jiān)測點，兩次較差滿足限差要求后方可取用其值。如果自動測量機器人布設(shè)在露天環(huán)境，應(yīng)考慮到下雨、冰凍等影響，需要采取一定的防護措施(如制作防雨罩)，同時保證電力供應(yīng)。

選取的置鏡點可以是平面監(jiān)測的基準點或者是穩(wěn)固的非施工影響范圍的任意適合點，測量時可采用后方交會模式取得置鏡點坐標。

(2)鐵軌幾何形態(tài)監(jiān)測點用于監(jiān)測軌道的平面變化，故將監(jiān)測點使用扣件直接與軌道相連，將棱鏡通過鋼質(zhì)卡件與鐵路鋼軌牢固鎖定在一起，延長桿將棱鏡往鐵軌外側(cè)伸出足夠距離，以保證火車經(jīng)過時車輪與觀測棱鏡不會發(fā)生碰撞，棱鏡安裝在軌道上效果如圖1所示。

圖1 棱鏡頭安裝軌道后效果

監(jiān)測點布設(shè)要牢固可靠，避免鋼質(zhì)卡件松動給列車運營造成危害。同時，監(jiān)測點位需要在同里程處左右鋼軌各設(shè)置一個監(jiān)測棱鏡點，以便監(jiān)測鐵軌軌距及水平的變化。

(3)數(shù)據(jù)實時處理和網(wǎng)上發(fā)布系統(tǒng)BS：一是數(shù)據(jù)采集模塊，包含自動化測量全站儀、通信模塊，通過處理器實時將全站儀的數(shù)據(jù)導(dǎo)出并自動進行處理，刪除粗差，通過移動網(wǎng)數(shù)據(jù)采集控制模塊進行集成?？梢詫崟r采集各監(jiān)測點的監(jiān)測信息并發(fā)回數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。二是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實時處理采集器傳回來的數(shù)據(jù)，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)平臺進行實時發(fā)布。

4.3 既有鐵路路基沉降監(jiān)測

考慮到所監(jiān)測的鐵路線為既有運營鐵路，為避免上線監(jiān)測對正常鐵路運營帶來的干擾及滿足監(jiān)測精度、頻度的要求，決定采用液態(tài)靜力水準儀來完成該項監(jiān)測項目。靜力水準是一種精密液位測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計用于測量多個測點的相對沉降，其監(jiān)測沉降的精度可達0.1 mm，并可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、分析及成果發(fā)送，既可以在滿足監(jiān)測精度要求的條件下減少對鐵路運行的影響，同時也避免了作業(yè)人員因上線作業(yè)而帶來的人身風險。根據(jù)該工程的實際情況，決定在線路兩側(cè)路肩及兩條鐵路之間布設(shè)帶狀靜力水準儀系統(tǒng)(如圖2所示)。

圖2 靜力水準儀布設(shè)

4.4 周邊環(huán)境形變監(jiān)測

線路兩側(cè)地表沉降監(jiān)測采用人工水準測量方法來實現(xiàn)。使用高精度電子水準儀進行二等水準測量來獲取現(xiàn)場地表沉降點高程信息。

地表沉降監(jiān)測點的布設(shè)采用植入鋼筋、周邊用水泥砂漿固定的方法埋設(shè)。為保護測點不受破壞，地表沉降監(jiān)測點采用窖井埋設(shè)。

4.5 各監(jiān)測技術(shù)方案融合設(shè)計

針對不同的監(jiān)測目的，采用適合的監(jiān)測技術(shù)，利于對目標物形變的針對性分析。采用集成設(shè)計將各監(jiān)測技術(shù)進行融合，通過對采集到監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析，相互驗證和對比分析，以得到高精度、可靠的監(jiān)測成果。

(1)測量機器人自動化監(jiān)測與靜力水準監(jiān)測系統(tǒng)融合方案

兩個監(jiān)測系統(tǒng)有共同的數(shù)據(jù)采集和傳輸分析模式，具備系統(tǒng)模式融合的硬件基礎(chǔ)。需要在后臺數(shù)據(jù)服務(wù)器增加數(shù)據(jù)接收格式轉(zhuǎn)換的模塊及功能(即增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取源)。將兩套系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)放到一起，用相同的模型進行計算與分析：①在靜力水準儀安置墩上加設(shè)測量機器人監(jiān)測的觀測點位，同基礎(chǔ)上增加一個強制歸心棱鏡。靜力水準儀數(shù)據(jù)采集為每5 min一次，自動測量機器人數(shù)據(jù)采集為每2 h一次，所有自動測量機器人數(shù)據(jù)采集時刻靜力水準儀也將有觀測數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)采樣間隔時間段一致。對比分析中將采樣間隔設(shè)置一致，因受鐵路運營影響，部分軌道監(jiān)測點無法同期完成全部觀測，靜力水準采集在該時段內(nèi)也會受影響。數(shù)據(jù)處理時應(yīng)將該部分不合格數(shù)據(jù)剔除。③數(shù)據(jù)分析處理。

(2)常規(guī)精密水準測量與靜力水準監(jiān)測系統(tǒng)融合方案

在3條靜力水準儀觀測帶每一臺儀器的安裝墩上都預(yù)先埋設(shè)鋼質(zhì)沉降標，監(jiān)測人員定期進行二等水準測量。如此可以得到各靜力水準儀監(jiān)測點二等水準測量的沉降量，對比二者監(jiān)測數(shù)據(jù)即可相互驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

(3)測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)與常規(guī)精密水準融合

在3條靜力水準儀觀測帶每一臺儀器的安裝支架上都預(yù)先通過焊接的方法固定棱鏡。

這樣與預(yù)先埋設(shè)在靜力水準儀安裝墩上的沉降監(jiān)測標便為同一監(jiān)測位置，對比二者監(jiān)測數(shù)據(jù)即可相互驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5 多技術(shù)方案融合工程實例數(shù)據(jù)分析

各系統(tǒng)沉降曲線對比如圖3、圖4所示。

圖3 L307號沉降點自動測量機器人觀測

圖4 L307號沉降點靜力水準儀觀測

圖3、圖4為從2016年2月2號至3月15號同一觀測位置靜力水準儀及自動測量機器人兩套系統(tǒng)所測沉降曲線，其中靜力水準儀所測結(jié)果由于受溫度等外界情況影響會在每天固定時間出現(xiàn)較大波動(圖4中突出的單線)。對比兩圖可以看出，在這一時間段內(nèi)兩套監(jiān)測系統(tǒng)沉降趨勢都較為穩(wěn)定，到監(jiān)測結(jié)束均較2月2號有0.6 mm左右的回升，說明兩套自動化監(jiān)測系統(tǒng)所測結(jié)果滿足方案的精度要求。

圖5 鐵路路基沉降監(jiān)測點三種不同監(jiān)測手段監(jiān)測沉降量對比

從圖5可以看出，靜力水準儀及自動測量機器人監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)的二等水準測量所測結(jié)果差值均在1 mm以內(nèi)，說明本項目自動監(jiān)測系統(tǒng)測量精度較高且穩(wěn)定。

圖6 鐵軌209號監(jiān)測點位移曲線

209號監(jiān)測點為鐵軌幾何形態(tài)監(jiān)測點，位于隧道左線正上方，從圖6可以看出，該監(jiān)測點形變在整個監(jiān)測周期里較為穩(wěn)定。本項目線上5股道共布設(shè)100個鐵軌幾何形態(tài)變化監(jiān)測點，9個電氣化接觸桿沉降監(jiān)測點。在整個監(jiān)測周期內(nèi)各監(jiān)測點變形量不大，均未發(fā)生超限。

圖7 一條靜力水準儀觀測帶沉降曲線

圖7為鐵路東側(cè)路基靜力水準儀觀測帶在整個觀測周期內(nèi)的沉降曲線，從圖7可以看出，鐵路路基最大沉降在4 mm左右，到監(jiān)測后期趨小并略有回升，最終下沉量在3 mm左右。

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The Program of Deformation Monitoring About Underground Shield Machines Beneath the Existing Railway by Multiple Technologies

PENG Li

2016-08-25

彭 理(1982—)，男，2006年畢業(yè)于西南交通大學地理信息系統(tǒng)專業(yè)，工程師。

1672-7479(2016)06-0017-04

TU196+.1； TU433

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