強(qiáng)小俊

（1.鐵科院（深圳）研究設(shè)計(jì)院有限公司，廣東深圳 518057；2.深圳地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)控工程實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518057）

高速鐵路運(yùn)行速度快，對(duì)線路的平順性有較高的要求，列車高速運(yùn)行的動(dòng)荷載作用、地下水過量開采等會(huì)引起線路橋梁、路基構(gòu)筑物的沉降變形［1］，對(duì)高速列車的運(yùn)行安全造成較大的威脅。因此，高速鐵路線下工程沉降變形監(jiān)測(cè)是運(yùn)營(yíng)維護(hù)的重要內(nèi)容之一。目前，高速鐵路沉降監(jiān)測(cè)主要依靠水準(zhǔn)測(cè)量，但水準(zhǔn)儀等光學(xué)測(cè)量?jī)x器僅適用于定期測(cè)量，且受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾影響大，尤其是在封閉式運(yùn)營(yíng)的高速鐵路中，檢測(cè)及維修天窗時(shí)間短，傳統(tǒng)的人工測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)對(duì)線路變形的大范圍長(zhǎng)期觀測(cè)［2-3］。

衛(wèi)星高精度定位技術(shù)和無線通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，為解決高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施變形的非接觸、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問題提供了可靠的技術(shù)支撐。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是我國(guó)正在應(yīng)用的自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、高精度定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要空間基礎(chǔ)措施。當(dāng)前正在運(yùn)行的北斗二號(hào)系統(tǒng)已具備在亞太地區(qū)提供導(dǎo)航定位服務(wù)能力，低緯度地區(qū)定位精度甚至優(yōu)于GPS［4］。隨著北斗系統(tǒng)建設(shè)的發(fā)展和服務(wù)能力的提升，北斗高精度定位技術(shù)已逐步應(yīng)用在各工程領(lǐng)域。由于其自動(dòng)化程度高、精度高、受外界影響小，可以連續(xù)、全天候觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化情況，在高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施變形監(jiān)測(cè)中具有良好的應(yīng)用前景。

本文依托某高速鐵路，對(duì)北斗技術(shù)應(yīng)用于高速鐵路線下工程沉降變形監(jiān)測(cè)的可靠性和精度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)，以期為該技術(shù)在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

北斗定位技術(shù)的基本原理是通過接收衛(wèi)星發(fā)送信息計(jì)算已知位置與地面接收機(jī)的距離，根據(jù)多個(gè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，其測(cè)量誤差主要來源于3方面：與衛(wèi)星有關(guān)的誤差、電離層延遲等信號(hào)傳播誤差以及接收機(jī)的固有誤差［5］。

北斗高精度定位技術(shù)采用相對(duì)定位的方式，即將一臺(tái)北斗設(shè)備保持靜止作為基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)的北斗接收機(jī)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。多臺(tái)設(shè)備同時(shí)定位觀測(cè)，利用載波相位信息和載波相位差分技術(shù)，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)和各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，消除或減小上述誤差影響，從而大幅度提高相對(duì)定位精度，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的高精度測(cè)量［6-8］。

北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含北斗接收機(jī)和天線、數(shù)據(jù)傳輸模塊、太陽能供電系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理中心，如圖1所示。北斗接收機(jī)采集原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸?shù)皆品?wù)器，經(jīng)差分處理得到測(cè)試點(diǎn)位置坐標(biāo)信息，并在北斗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)傳輸包括4G、寬帶衛(wèi)星（LoRa）等方式。

圖1 北斗變形監(jiān)測(cè)示意

2 高速鐵路沉降變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

2.1 工程概況

該高速鐵路為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)、客貨共線、雙線電氣化有砟軌道線路，設(shè)計(jì)速度250 km/h，列車初期運(yùn)營(yíng)速度200 km/h。開通運(yùn)營(yíng)后，局部路段出現(xiàn)不均勻沉降，沉降段全長(zhǎng)5.3 km，包括兩處跨江橋梁段及中間的區(qū)間路基。截止到2017年12月，水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果顯示：兩處橋梁段最大沉降近160 mm，路基周邊地表最大沉降近60 mm，沿線構(gòu)筑物最大沉降近120 mm。

2.2 北斗定位的精度驗(yàn)證試驗(yàn)

高速鐵路接觸網(wǎng)27.5 kV高壓線等現(xiàn)場(chǎng)干擾因素可能會(huì)使北斗定位技術(shù)產(chǎn)生較大測(cè)量誤差。為了確定高速鐵路接觸網(wǎng)高壓線對(duì)北斗定位技術(shù)監(jiān)測(cè)精度的影響，緊鄰線路外側(cè)安裝一套北斗接收機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)點(diǎn)布設(shè)位置選擇在區(qū)間路基段沿線，距離基準(zhǔn)點(diǎn)約350 m，場(chǎng)地周邊視野較為開闊，以旱地、荒草地為主，土質(zhì)較為堅(jiān)硬，車輛、人流相對(duì)較少。

試驗(yàn)裝置見圖2。在北斗接收機(jī)底部安裝高程可調(diào)節(jié)的支座，通過調(diào)整支座高程產(chǎn)生豎直方向上的位移變化，將北斗測(cè)試點(diǎn)測(cè)量的豎直位移與實(shí)際調(diào)整位移進(jìn)行對(duì)比，分析得到北斗定位技術(shù)的沉降觀測(cè)精度。

圖2 北斗定位的精度驗(yàn)證試驗(yàn)裝置

2.3 變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方案

根據(jù)相關(guān)研究成果［9］，北斗相對(duì)定位精度與基線長(zhǎng)度相關(guān)，基線長(zhǎng)度在5 km以內(nèi)時(shí)垂直位移精度的差異較小。因此，為保證北斗相對(duì)定位技術(shù)的精度，沉降變形監(jiān)測(cè)的基線長(zhǎng)度控制在5 km內(nèi)。結(jié)合前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)線路結(jié)構(gòu)形式，基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在沉降段的中部，澆筑混凝土觀測(cè)墩并固定于周邊山體的穩(wěn)定地層，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿線路縱向以500～1 000 m間距布設(shè)，橋梁段共布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為BDS1—BDS4和BDS7，BDS8，路基段布設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為BDS5，BDS6，布設(shè)位置如圖3所示。

圖3 北斗變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意

北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝既要保證不影響線路正常運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)，同時(shí)也要避免列車運(yùn)行對(duì)北斗接收機(jī)數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性的影響。

跨江橋梁段北斗接收機(jī)及數(shù)據(jù)采集儀機(jī)柜布設(shè)在橋梁護(hù)欄位置，通過膨脹螺絲固定在橋梁遮板和豎墻上，太陽能供電系統(tǒng)通過膨脹螺絲固定在橋梁擋砟墻外側(cè)，太陽能板、蓄電池安裝高度不超過擋砟墻。區(qū)間路基段北斗接收機(jī)安裝在路基兩級(jí)邊坡之間的平臺(tái)上，路肩位置挖開片石澆筑混凝土墩，太陽能供電系統(tǒng)安裝在路基斜坡邊墻外側(cè)，用防護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)。

北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式采用4G和LoRa兩種方式。在有通信信號(hào)覆蓋區(qū)域使用4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在無通信覆蓋區(qū)域可以自動(dòng)切換到LoRa模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，避免北斗測(cè)量數(shù)據(jù)因通信信號(hào)未覆蓋而出現(xiàn)缺失。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 北斗定位精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)完成后，對(duì)線外試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行精度驗(yàn)證試驗(yàn)的連續(xù)觀測(cè)，測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 北斗定位精度試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，北斗設(shè)備測(cè)量的豎直位移與實(shí)際調(diào)整位移絕對(duì)差值為0.6～3.0 mm，其中第3 d至第4 d受臺(tái)風(fēng)天氣影響，測(cè)試區(qū)域上方電離層較為活躍，測(cè)量誤差相對(duì)較大，在氣候條件較好時(shí)測(cè)量絕對(duì)誤差不超過2 mm，與北斗定位技術(shù)標(biāo)定豎直位移精度（±3 mm）［10］吻合。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：高速鐵路接觸網(wǎng)高壓線對(duì)北斗定位測(cè)試精度的影響可以忽略；臺(tái)風(fēng)天氣對(duì)北斗定位測(cè)試結(jié)果有一定影響，分析長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)注意對(duì)臺(tái)風(fēng)天氣引發(fā)的異常值進(jìn)行識(shí)別和處理。

3.2 沉降變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)間從2018年9月開始持續(xù)約60 d，監(jiān)測(cè)期間歷經(jīng)多次臺(tái)風(fēng)及暴雨惡劣天氣，北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保持運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)完成后，取5～6組互差小于5 mm的測(cè)量值，以其平均值作為初始值，得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化曲線，見圖4。

圖4 不同區(qū)段的沉降變化曲線

由圖4可知：各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降曲線變化趨勢(shì)較為平緩，累計(jì)沉降量較小，均在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，表明該高速鐵路線下工程在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)沉降基本穩(wěn)定。對(duì)上述各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化曲線波動(dòng)范圍比較分析可知，沉降變化波動(dòng)幅度與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的基線長(zhǎng)度有關(guān)，基線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，沉降監(jiān)測(cè)的波動(dòng)范圍越大，其中基線長(zhǎng)度最大的BDS1監(jiān)測(cè)點(diǎn)波動(dòng)范圍為-8.4～7.1 mm，基線長(zhǎng)度最小的BDS5監(jiān)測(cè)點(diǎn)波動(dòng)范圍為-0.6～2.3 mm。

結(jié)合各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離，通過式（1）計(jì)算其測(cè)量中誤差δ，整理分析得到不同基線長(zhǎng)度下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量中誤差，見表2。

式中：n為觀測(cè)值個(gè)數(shù)；Δi為第i個(gè)觀測(cè)值誤差。

表2 不同基線長(zhǎng)度下北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量中誤差

對(duì)不同基線長(zhǎng)度下北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量中誤差進(jìn)行擬合，得到擬合直線，見圖5。

圖5 測(cè)量中誤差與基線長(zhǎng)度的擬合直線

由圖5可知，北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量中誤差與基線長(zhǎng)度呈線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.9，基線長(zhǎng)度越大，測(cè)量中誤差越大，與前述數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致。基線長(zhǎng)度為3 km時(shí)測(cè)量中誤差為3 mm，基線長(zhǎng)度為1 km時(shí)測(cè)量中誤差為1.6 mm。

根據(jù)TB 10601—2009《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》、鐵總運(yùn)〔2015〕60號(hào)《高速鐵路路基修理規(guī)則》規(guī)定，高速鐵路變形監(jiān)測(cè)的測(cè)量中誤差應(yīng)小于允許變形值的1/10～1/20。有砟軌道路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)見表3。因此，基線長(zhǎng)度在3 km以內(nèi)時(shí)，北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度可滿足高速鐵路有砟軌道的沉降觀測(cè)技術(shù)要求，在監(jiān)測(cè)精度要求較為嚴(yán)格的情況下，建議基線長(zhǎng)度控制在1 km以內(nèi)。

表3 路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論

采用北斗高精度定位技術(shù)對(duì)一高速鐵路線下工程進(jìn)行了沉降變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)方式不僅實(shí)現(xiàn)了沉降變形的有效監(jiān)測(cè)，而且避免了對(duì)線路正常運(yùn)營(yíng)的影響；試驗(yàn)中采用的4G和LoRa數(shù)據(jù)傳輸方式穩(wěn)定可靠，特別適合于川藏線等通信信號(hào)無覆蓋區(qū)域的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高速鐵路線下工程沉降變形的連續(xù)、全天候、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，應(yīng)用北斗高精度定位技術(shù)的高速鐵路沉降變形監(jiān)測(cè)方法可行。

2）現(xiàn)場(chǎng)北斗驗(yàn)證試驗(yàn)表明，基線長(zhǎng)度為350 m時(shí)，高速鐵路線路沉降觀測(cè)絕對(duì)誤差不超過3 mm；高速鐵路接觸網(wǎng)高壓線對(duì)北斗定位測(cè)試精度的影響可以忽略，臺(tái)風(fēng)天氣對(duì)北斗測(cè)量結(jié)果有一定影響，分析長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)注意對(duì)臺(tái)風(fēng)天氣引發(fā)的異常值進(jìn)行識(shí)別和處理。

3）北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量中誤差與基線長(zhǎng)度呈線性正相關(guān)，基線長(zhǎng)度越大，測(cè)量中誤差越大；基線長(zhǎng)度在3 km以內(nèi)時(shí)，測(cè)量中誤差不超過3 mm，可以滿足高速鐵路有砟軌道的沉降觀測(cè)技術(shù)要求，在監(jiān)測(cè)精度要求較為嚴(yán)格時(shí)，建議基線長(zhǎng)度控制在1 km以內(nèi)。