陳 濤

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300251)

近年來，隨著城市化進程加快，新建公路、鐵路、地鐵、管線等穿越既有鐵路的工程日漸增多[1]，涉鐵工程施工均可能對既有鐵路設(shè)備安全及行車安全產(chǎn)生影響，甚至?xí)?dǎo)致鐵路安全事故[2-4]。 為了確保鐵路運輸安全，需要監(jiān)測涉鐵工程施工對既有鐵路橋梁、路基等鐵路設(shè)備的影響，同時根據(jù)監(jiān)測反饋的信息，及時采取措施進行防護和控制，做到全過程施工管理信息化[5]。 若采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測，將面臨工作量大、上道作業(yè)安全風(fēng)險大等問題[6]，且監(jiān)測頻率達不到要求，監(jiān)測數(shù)據(jù)也容易受雨雪等天氣影響。此外，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測無法及時采集鐵路軌道、路基等變形數(shù)據(jù)和變形動態(tài)，同時也難以滿足高頻次監(jiān)測、預(yù)警等要求。

為了彌補傳統(tǒng)人工監(jiān)測存在的缺陷，在沉降變形自動化監(jiān)測領(lǐng)域，許多學(xué)者采用GNSS 技術(shù)實現(xiàn)了對鐵路路基的監(jiān)測，然而，GNSS 技術(shù)不易監(jiān)測鐵軌等鐵路設(shè)備的變形。 因此，研制一種“鐵路立交工程施工形變控制綜合自動化監(jiān)測系統(tǒng)”，實現(xiàn)施工形變的自動化監(jiān)測很有必要。

1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

鐵路立交工程施工形變控制綜合自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要包括4 部分:全站儀自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理平臺、自動化監(jiān)測系統(tǒng)信息發(fā)布平臺以及所需的硬件設(shè)備。

1.1 全站儀自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)了全站儀自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，形成了自動化采集全套軟硬件技術(shù)。 利用全站儀實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集，本系統(tǒng)安裝于CRDC 監(jiān)測機中(如圖1)。 該系統(tǒng)可定期啟動全站儀，對變形監(jiān)測點進行水平角、垂直角、斜距等數(shù)據(jù)采集；同時，還可對氣象值進行采集，對數(shù)據(jù)進行初步處理，以及將數(shù)據(jù)上傳至自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理平臺。

圖1 全站儀自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.2 自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理平臺

基于云計算技術(shù)，開發(fā)了數(shù)據(jù)解算分析平臺。 接收到采集系統(tǒng)上傳的原始數(shù)據(jù)后，經(jīng)過粗差剔除、聯(lián)合平差、形變計算等處理[12-13]，再采用多期數(shù)據(jù)得出各監(jiān)測點的初始坐標、高程，采用后續(xù)每一期數(shù)據(jù)求得當(dāng)期各監(jiān)測點的坐標、高程，并與初始值作差，可得到各監(jiān)測點在該階段的三維形變情況。

1.3 自動化監(jiān)測系統(tǒng)信息發(fā)布平臺

基于云計算技術(shù)，開發(fā)了數(shù)據(jù)發(fā)布平臺。 經(jīng)數(shù)據(jù)處理平臺的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)在信息發(fā)布平臺上進行發(fā)布，基于該發(fā)布平臺可在與互聯(lián)網(wǎng)連接的電腦、手機、平板等電子設(shè)備隨時隨地查看監(jiān)測信息，便于不同用戶對現(xiàn)場施工形變數(shù)據(jù)的獲取與掌控。

1.4 硬件設(shè)備

為滿足該自動化系統(tǒng)需要，研發(fā)了一套適用于自動化監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)備，包括軌道監(jiān)測棱鏡固定裝置、防雨罩、全站儀支架等。 自動化監(jiān)測的設(shè)備集成滿足了自動化監(jiān)測系統(tǒng)的供電、通信需求，保障了自動化監(jiān)測系統(tǒng)的正常、安全運轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)功能

鐵路立交工程施工形變控制綜合自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要通過信息發(fā)布平臺來實現(xiàn)監(jiān)測成果網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、形變超限自動報警等功能。 該發(fā)布平臺主要包含監(jiān)測信息總覽、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)管理及監(jiān)測配置6 個功能。 軟件架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 軟件架構(gòu)

2.1 監(jiān)測信息總覽

在監(jiān)測信息總覽-監(jiān)測點位圖中，可以查看到當(dāng)前項目的布點平面和實景。

監(jiān)測點位圖中可實現(xiàn)點位與數(shù)據(jù)查詢，點擊其中任意點，可跳轉(zhuǎn)到該點橫向、縱向、垂直3 個方向上的數(shù)據(jù)查詢界面。

2.2 數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢界面用于查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)及監(jiān)測曲線，主要包含以下幾方面。

(1)可查詢所有監(jiān)測點隨時間的位移量及坐標變化量曲線。

(2)可查詢軌向、高低、軌距、水平變化量隨時間的變化曲線。

(3)可查詢軌向、高低、軌距、水平變化量、三角坑在某一時刻空間上的變化曲線。

(4)可查詢單點的監(jiān)測坐標及原始監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)報表

數(shù)據(jù)報表界面用于下載監(jiān)測數(shù)據(jù)和報表，主要有以下3 種形式。

(1)可以下載位移量、軌向、高低等隨時間的變化曲線和監(jiān)測數(shù)據(jù)，下載格式為word，適用于一段時間內(nèi)位移量、軌向、高低變化量的數(shù)據(jù)分析及報表輸出。

(2)可以下載單點位移、單點坐標、組合數(shù)據(jù)(軌道幾何尺寸偏差)等隨時間的變化曲線和監(jiān)測數(shù)據(jù)。下載格式為excel，適用于對單點或點對在一定時間內(nèi)的變化量分析。

(3)可以下載某一時刻組合數(shù)據(jù)(軌道幾何尺寸偏差)在空間上的變化曲線和監(jiān)測數(shù)據(jù)。 下載格式為excel，與《工務(wù)段線路檢查薄》一致，便于現(xiàn)場養(yǎng)護作業(yè)人員對點檢查和養(yǎng)護維修作業(yè)，便于專業(yè)人員資料查閱及資料歸檔。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)統(tǒng)計界面用于統(tǒng)計監(jiān)測數(shù)據(jù)。 主要有以下3 種形式。

(1)統(tǒng)計單點的三維位移量數(shù)值分布情況。

(2)統(tǒng)計超限預(yù)警的監(jiān)測點數(shù)量。

(3)統(tǒng)計一段時間內(nèi)指定監(jiān)測點三維位移量的具體變化情況。

2.5 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理主要包含測站數(shù)據(jù)管理、消息數(shù)據(jù)管理和狀態(tài)數(shù)據(jù)管理三方面。 測站數(shù)據(jù)管理界面用于查看測站數(shù)據(jù)是否合格，消息數(shù)據(jù)管理可查看詳細的系統(tǒng)消息。 狀態(tài)數(shù)據(jù)管理界面可查看監(jiān)測過程中由于施工或外界其他原因造成的突變現(xiàn)象，并做好備注，便于管理。

2.6 監(jiān)測配置

監(jiān)測配置界面用于對監(jiān)測系統(tǒng)進行配置，主要包括通用配置和全站儀自動化監(jiān)測的配置。 通用配置是對監(jiān)測點位圖、監(jiān)測點分類進行配置。 全站儀自動化監(jiān)測是對全站儀、測點、測量點組、測量周期、軌道靜態(tài)幾何尺寸偏差及預(yù)警閾值進行配置。

3 現(xiàn)場試驗

鐵路立交工程施工形變控制綜合自動化監(jiān)測系統(tǒng)先后在安徽省多個公路下穿普鐵、高鐵立交工程進行了試驗。 圖3 和圖4 分別為蚌埠市司馬莊路下穿京滬鐵路立交工程及肥東縣龍興大道下穿滬蓉鐵路立交工程的現(xiàn)場監(jiān)測照片。

圖3 司馬莊路下穿京滬鐵路立交工程監(jiān)測

圖4 龍興大道下穿滬蓉鐵路立交工程監(jiān)測

以蚌埠市司馬莊路下穿京滬鐵路立交工程監(jiān)測為例，為了滿足監(jiān)測頻率的需要，采用了自動化監(jiān)測系統(tǒng)，定時采集施工區(qū)及兩端各30 m 范圍內(nèi)相關(guān)的鋼軌、路基、條基、支墩、便梁、接觸網(wǎng)立柱等的變形數(shù)據(jù)。如圖5，在靠近京貨下行的路肩上設(shè)置了2 臺全站儀對向觀測，可以觀測到所有監(jiān)測點。 在施工影響范圍外均勻布置了4 個基準點。 在條基、便梁以及軌道上均布設(shè)了監(jiān)測點，每2 h 測一次，通過網(wǎng)絡(luò)實時傳輸數(shù)據(jù)，并在軟件平臺實時處理，得到各監(jiān)測點的動態(tài)變化。 條基監(jiān)測點通過膨脹螺絲直接布設(shè)在條基上，便梁監(jiān)測點通過植筋膠粘在便梁上，軌道幾何形態(tài)監(jiān)測點布設(shè)于便梁左右兩側(cè)受影響的30 m 范圍內(nèi)，斷面間距為5 m。

下穿施工前，應(yīng)對各項監(jiān)測內(nèi)容進行全面初始值采集。 然后針對每項監(jiān)測內(nèi)容進行監(jiān)測預(yù)、報警值的設(shè)定。 根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容的不同，可分為軌道幾何尺寸偏差和路基、便梁、條基等報警。 軌道幾何尺寸偏差報警值參考2019 年《工務(wù)維修規(guī)則》規(guī)定的線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差[14]，計劃按Ⅱ級偏差來設(shè)定，如表1。

圖5 自動化監(jiān)測現(xiàn)場監(jiān)測點布設(shè)平面

表1 軌道幾何尺寸偏差的監(jiān)測報警值 mm

路基、便梁及條基的監(jiān)測報警值如表2 所示。

表2 路基、便梁及條基的監(jiān)測報警值

各項監(jiān)測內(nèi)容的預(yù)警值一般可取報警值的70%作為黃色預(yù)警，報警值的85%作為橙色預(yù)警，報警值的100%作為紅色預(yù)警[15]。 當(dāng)軌道幾何尺寸偏差達到黃色/橙色/紅色預(yù)警，系統(tǒng)會自動給預(yù)先設(shè)置好的短信接收人員發(fā)送監(jiān)測預(yù)警短信，實現(xiàn)了現(xiàn)場形變情況的遠程掌控，如圖6 所示。

圖6 軌道幾何尺寸偏差的預(yù)警界面

4 結(jié)論

(1)該系統(tǒng)只需在設(shè)備安裝和拆除時上線作業(yè)，解決了人工監(jiān)測工作量大、上道作業(yè)安全風(fēng)險大等缺點。

(2)該系統(tǒng)可以達到設(shè)計要求的監(jiān)測頻率，監(jiān)測頻率可人為設(shè)定和修改，實現(xiàn)24h 自動化監(jiān)測。

(3)該系統(tǒng)具備監(jiān)測成果網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、形變超限自動報警等功能，實現(xiàn)現(xiàn)場形變情況的遠程、便捷查詢及掌控，確保了工程施工期間鐵路運輸安全。