楊興旺

摘? 要：基于運營高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測項目重點與難點，提出一種以北斗自動化形變監(jiān)測技術(shù)為主，外加靜力水準儀對路基進行實時自動化監(jiān)測的技術(shù)。具體以某運營高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測項目為研究案例，重點從監(jiān)測方法應(yīng)用、現(xiàn)場實測要點及數(shù)據(jù)分析等方面對運營高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測技術(shù)作總結(jié)性分析。研究表明，北斗+靜力水準儀的路基變形監(jiān)測技術(shù)可以開展自動化工作，實現(xiàn)路基沉降、位移自動化監(jiān)測，該監(jiān)測技術(shù)具有很強的應(yīng)用優(yōu)勢，值得推廣于運營高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測工作中。

關(guān)鍵詞：運營高速鐵路;基礎(chǔ)變形監(jiān)測;靜力水準儀;北斗自動化形變監(jiān)測

中圖分類號：U456.3? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0引言

隨著高速鐵路建設(shè)范圍的日益擴大，運營高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測的重要性也越來越凸顯。運營高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測的主要目的在于保證高速列車平穩(wěn)安全運行，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可準實時獲取路基的沉降、位移量，并可對未來沉降、位移進行預測，以此為后續(xù)的基礎(chǔ)變形趨勢提供科學依據(jù)[1]。但是，高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測中涉及到行車安全，監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時性、準確性是鐵路運營部門最關(guān)心的。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)變形監(jiān)測是采用人工監(jiān)測的方式進行，監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時性得不到保障，導致變形地段安全隱患增大。因此，如何提升運營高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測技術(shù)的適用性與實用性尤為關(guān)鍵。

1 研究背景

運營高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測、精測網(wǎng)測量與軌道線形復測項目屬于中國鐵路上海局集團有限公司專業(yè)部門管理，上海鐵路北斗測量工程技術(shù)有限公司具體實施的綜合性監(jiān)測項目。

項目涉及上海、浙江、安徽及江蘇等已經(jīng)開通運營的高速鐵路，每年有1 500 km以上精密工程控制網(wǎng)、2 000 km以上軌道線形復測和150處重點地段監(jiān)測，項目工期為12個月。

就該項目監(jiān)測難度來看，其主要面臨的難點是工作面廣、精度要求高、人員投入多、安全壓力大和協(xié)作單位類型多，需要對已經(jīng)開通運營的高鐵2年進行1次高程復測，4年進行1次平面復測和軌道線形復測，并且需要每個月對一些重點地段進行檢測?？梢哉f，整個監(jiān)測項目實際實施過程中存在很大的難度，如何提升整體監(jiān)測質(zhì)量是關(guān)鍵之處?；谠擁椖勘O(jiān)測需求，經(jīng)過初步分析決定特采取以北斗自動化形變監(jiān)測技術(shù)為主外加靜力水準儀的監(jiān)測技術(shù)，以此實現(xiàn)動態(tài)掌握鐵路路基形變安全信息的目的。

2 監(jiān)測方法

2.1 檢測方法

北斗自動化形變監(jiān)測技術(shù)聯(lián)合靜力水準儀的路基變形監(jiān)測技術(shù)屬于一種新型的自動化監(jiān)測技術(shù)。通過在路基上布設(shè)北斗高精度監(jiān)測站，依靠監(jiān)測站的三維坐標變化掌握路基的位移與沉降，同時布設(shè)靜力水準儀對路基進行差異沉降監(jiān)測，反應(yīng)出路基監(jiān)測點之間的相對垂向沉降。就實際監(jiān)測工作效果來看，線上可以對路基進行自動、實時與靜態(tài)毫米級的變形監(jiān)測，得到形變量隨時間的變化曲線圖，更為有利的一點是，該監(jiān)測技術(shù)可以建立實時多級報警機制，真正做到了鐵路路基形變安全信息的實時掌控。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢

就該監(jiān)測技術(shù)設(shè)計優(yōu)勢來看，集中體現(xiàn)于以下5個方面。1）一次施工便可以做到長期使用，自動化水平高。2）不易受到天氣影響，可以全天候運行，只需要借助相關(guān)的軟件即可以對路基沉降及位移進行自動化監(jiān)測[2]。3）所得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以自動存入數(shù)據(jù)庫中，為數(shù)據(jù)分析和查詢提供了較大便利。4）監(jiān)測數(shù)據(jù)可以圖形化顯示，且可以對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時分析。5）如果得到的位移和沉降數(shù)據(jù)超出正常值則系統(tǒng)會自動報警。

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)測站與靜力水準儀監(jiān)測工作順利開展的重要基礎(chǔ)，該項目依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和電源分布情況，對二者均采用太陽能進行供電。該項目北斗監(jiān)測站供電采用100 W太陽能板+100 Ah太陽能板蓄電池監(jiān)測站設(shè)備供電，太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池組件、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。作為太陽能供電系統(tǒng)的核心部分，太陽能電池組件在整個供電系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，優(yōu)勢在于其可以有效地將太陽輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負荷工作。靜力水準儀供電統(tǒng)一接入BD1所用的機箱中，供電主要通過BD1太陽能板及蓄電池實現(xiàn)。除此之外，對于通信系統(tǒng)的實現(xiàn)，該項目根據(jù)實際需求和現(xiàn)狀，對北斗監(jiān)測站及靜力水準儀均采用4G網(wǎng)絡(luò)傳輸對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時接收和存儲。

3 現(xiàn)場實測

3.1 測試環(huán)境選取及設(shè)備布設(shè)

該次監(jiān)測過程中布設(shè)了4套北斗監(jiān)測站，即BD1-BD4，每一個監(jiān)測站包括一個監(jiān)測墩和一個太陽能供電墩，4個靜力水準監(jiān)測墩有2個與北斗天線觀測墩共用一個觀測墩。

在測試環(huán)境選取中，將BD1布設(shè)于里程號K467+305即192號接觸網(wǎng)桿處附近;BD2布設(shè)于里程號K467+405即196號接觸網(wǎng)桿處附近;BD3布設(shè)于里程號K467+425即185號接觸網(wǎng)桿處附近，BD4布設(shè)于里程號K467+525即189號接觸網(wǎng)桿處附近。保證北斗天線觀測墩與接觸網(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，觀測主機機箱與太陽能板通過抱箍的方式固定在供電墩上。天線與機箱通過饋線連接，并用PVC走線管固定。北斗監(jiān)測站布設(shè)點位衛(wèi)星示意圖如圖1所示

靜力水準儀共計4個，安裝于北斗監(jiān)測點BD1-BD2之間，兩兩相距約為25 m，JL1與BD1，JL4與BD2共用同一觀測墩，JL2與JL3單獨施工觀測墩。在其監(jiān)測位置設(shè)置上，將靜力水準儀觀測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，靜力水準儀監(jiān)測點布點衛(wèi)星示意。

北斗監(jiān)測站施工過程中的技術(shù)要點包括以下6點。1）電纜溝與道砟間垂直打入的鋼筋長度保證在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)場澆筑混凝土，澆筑高度控制為200 mm，待充分振搗密實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制好的鋼管（長度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)測點機箱施工過程中，施工人員需要先對施工區(qū)域的雜草植被進行修剪，并在電纜溝外側(cè)路基邊斜坡處挖500 mm×500 mm×500 mm基坑，并將事先預制好的機箱放入基坑之中，確保4個地腳螺栓可以露出地面。6）太陽能蓄電池在放入基坑的過程中用蓄電池地埋箱保護。另外，混凝土澆筑完成后將預制機箱插入地腳并加以固定，機箱柱高度1 500 mm，用抱箍安裝固定機箱、太陽能板。而后按照安裝圖紙連接天線與接收機，并對北斗接收機進行參數(shù)配置。如圖3所示，施工完成后的太陽能供電墩。

靜力水準儀施工要點包括以下4點。1）電纜溝與道砟間垂直打入鋼筋的長度控制為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)計強度后用膨脹螺絲對靜力水準儀作固定處理，PVC行線槽用U型卡固定。4）靜力水準儀電纜沿PVC行線槽連入BD1太陽能供電墩機箱內(nèi)的數(shù)據(jù)采集儀中。

3.2 監(jiān)測方案

就該項目監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用所要取得的目標來說，主要有以下4點。1）通過監(jiān)測準確獲悉鐵路路基沉降和位移的真實情況。2）依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況及時推送預警信息。3）對鐵路路基兩側(cè)現(xiàn)有施工對路基變形影響情況進行系統(tǒng)評價。4）對監(jiān)測地段與現(xiàn)有人工監(jiān)測數(shù)據(jù)進行同頻次對比，明確所用監(jiān)測技術(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，該項目在實際的監(jiān)測方案設(shè)計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)測方案設(shè)計中需要對端刺結(jié)構(gòu)受力變形的影響進行重點分析。除此之外，針對數(shù)據(jù)信息化管理水平亟待提升的問題，該項目專門研發(fā)設(shè)計了測量數(shù)據(jù)采集APP與運營鐵路技術(shù)服務(wù)平臺，通過這種信息化手段實現(xiàn)了高程和平面原始數(shù)據(jù)采集，更為有利的一點是可以實現(xiàn)實時上傳平臺與精測網(wǎng)、線形測量和重點地段基礎(chǔ)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理信息化，結(jié)束原有各項數(shù)據(jù)郵件傳輸和人工統(tǒng)計報表的歷史，極大提高了原始數(shù)據(jù)、整理數(shù)據(jù)、提交成果的檢查、評估、統(tǒng)計等工作效率和準確率。

4 數(shù)據(jù)分析

在數(shù)據(jù)起算點選取中，采用與原網(wǎng)相同的坐標基準，一旦發(fā)現(xiàn)所使用的起算點遭到破壞，則立即選取另外一點作為新起算點進行監(jiān)測。起算點在使用前需要先對其適用性進行檢查，就當前起算點的檢查方式來看，最常用的有基線比較法、約束平差分析法及假設(shè)檢驗方法等。在后續(xù)的數(shù)據(jù)分析中主要是對監(jiān)測數(shù)據(jù)與原監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析對比，但是在實際的數(shù)據(jù)分析過程中發(fā)現(xiàn)原有監(jiān)測數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計不全、精密度低的情況，因而為了進一步保證該次監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準性，經(jīng)過技術(shù)團隊研究決定，決定開發(fā)一套專門應(yīng)用于北斗+靜力水準儀的路基變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的軟件，很大程度上優(yōu)化了整個數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，補齊部分計算軟件短板。另外，所開發(fā)的軟件系統(tǒng)提升了數(shù)據(jù)采集、處理和分析的自動化與精準性，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)鐵路運行的安全與穩(wěn)定，近年來隨著鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，越來越多的監(jiān)測技術(shù)開始應(yīng)用于實際檢測工作中。北斗+靜力水準儀的路基變形監(jiān)測技術(shù)可以對路基的沉降與位移等變化情況進行實時監(jiān)測，而且可以對未來沉降與位移進行預測。但是，需要注意的一點是，在借助北斗+靜力水準儀的路基變形監(jiān)測技術(shù)開展基礎(chǔ)變形監(jiān)測過程中，需要及時跟進維修工作，確保其供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)不會因外界環(huán)境而被破壞，以此保證和提升鐵路運行線路的安全性。

參考文獻

[1]張拯，莫傲然，王軻軒.運營高速鐵路隧道實時變形監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用[J].國防交通工程與技術(shù)，2020，18（1）：40-42.

[2]高至飛.運營高速鐵路路基變形段軌道幾何狀態(tài)自動監(jiān)測技術(shù)[J].鐵道建筑，2018，58（7）：137-141.

[3]王翔，王波，汪正興.高速鐵路運營期基礎(chǔ)沉降長期監(jiān)測技術(shù)研究[J].鐵道工程學報，2017，34（5）：11-14.