徐幼成

(安徽上鐵地方鐵路開發(fā)有限公司,合肥 230094)

近年來,隨著我國城市化的快速式發(fā)展,涉及既有鐵路的上跨、下穿鐵路立交工程建設(shè)項目呈現(xiàn)爆發(fā)性增長。為避免鐵路立交工程施工引起既有鐵路軌道產(chǎn)生較大形變,必須對施工區(qū)域的既有鐵路橋梁、路基、軌道等鐵路設(shè)備進行實時監(jiān)測。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測無法實時采集鐵路軌道幾何尺寸偏差、路基形變等動態(tài)數(shù)據(jù)信息,同時也無法滿足高頻次監(jiān)測和形變的實時預(yù)警需求[1-2]。因此,研發(fā)一種自動化監(jiān)測系統(tǒng)很有必要。

目前,很多學(xué)者在鐵路沉降變形自動化監(jiān)測領(lǐng)域也開展研究,劉丙強總結(jié)幾種自動化監(jiān)測技術(shù)(沉降計、磁環(huán)沉降儀、光纖光柵式靜力水準儀、布里淵光時域分析儀、光纖式電水平梁和陣列式位移傳感器等) 的適用范圍[2];馬卓然等通過對長期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,建立多種數(shù)學(xué)模型對監(jiān)測指標與溫度、監(jiān)測指標與空間位置的相關(guān)關(guān)系進行研究,并基于此提出一套針對高架站軌道系統(tǒng)的測點優(yōu)化布置建議[3];禚一等研發(fā)出一套基于傳感器技術(shù)的“高速鐵路沉降自動化監(jiān)測系統(tǒng)SMAIS”,并在京津城際等高鐵進行應(yīng)用[4];陸曉勇等采用全站儀自動化監(jiān)測的方法對高鐵結(jié)構(gòu)變形進行實時監(jiān)測[5];?；莸纫员本┑罔F9號線為例,采用光纖光柵傳感器對典型區(qū)段的軌道不平順狀態(tài)進行監(jiān)測,運用數(shù)理統(tǒng)計的方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行權(quán)重統(tǒng)計和超限分析[6];劉大玲利用光纖光柵傳感技術(shù)建立高鐵無砟軌道系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測平臺,提出監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測點布置方案[7]。

為了滿足高頻次監(jiān)測和形變的實時預(yù)警需求,彌補傳統(tǒng)人工監(jiān)測的缺陷,研發(fā)了“鐵路立交工程施工形變控制綜合自動化監(jiān)測系統(tǒng)”,以期實現(xiàn)從外業(yè)數(shù)據(jù)采集到監(jiān)測成果反饋的全程自動化、智能化。以下對自動化監(jiān)測系統(tǒng)如何實現(xiàn)軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換與偏差分析進行闡述。

1 外業(yè)數(shù)據(jù)測量

軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)包括軌距、水平、軌向、高低、軌距變化率、三角坑等(見圖1)[8]。為實現(xiàn)對軌道幾何尺寸的數(shù)據(jù)采集,采用特制扣件使監(jiān)測棱鏡固定在軌頭下方(見圖2)。線路幾何尺寸檢查中,一般以線路一定范圍內(nèi)(18m)相鄰兩點或三點的水平正負偏差值代數(shù)差的絕對值來表示三角坑值[9]。為了便于計算,在施工區(qū)域左右兩側(cè)36m范圍內(nèi),每6m設(shè)置1個監(jiān)測斷面,每個斷面設(shè)置2個監(jiān)測點,見圖3。

圖1 軌距、水平、高低、軌向、三角坑示意

圖2 軌道監(jiān)測棱鏡固定裝置

圖3 軌道幾何尺寸監(jiān)測點布設(shè)位置示意

利用全站儀自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成外業(yè)數(shù)據(jù)測量,本系統(tǒng)安裝于全站儀控制器中,用于對軌道監(jiān)測點的水平角、垂直角、斜距采集,同時對氣象值進行采集,并對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行控制,然后將數(shù)據(jù)上傳至自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

監(jiān)測點坐標采集前,需獲取準確的基準點坐標。監(jiān)測基準點以獨立坐標系統(tǒng)(建立獨立坐標系時應(yīng)以鐵路方向為縱軸,垂直鐵路方向為橫軸)為基準建立,在遠離施工影響區(qū)域布設(shè)。布設(shè)完成后,采用全站儀以多測回、多測角的方式測量基準點的三維坐標[10]。然后,以其中一個基準點為后視方向,依次瞄準各監(jiān)測點,系統(tǒng)對該過程進行自動學(xué)習(xí),待自動化監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測頻率確定后,即可實現(xiàn)自動測量,后續(xù)過程無需人為干預(yù)。監(jiān)測控制網(wǎng)的邊長宜控制在100m以內(nèi),測站到監(jiān)測點的最遠觀測距離不應(yīng)大于150m。

自動化監(jiān)測的儀器設(shè)備應(yīng)滿足以下要求。

全站儀應(yīng)具有自動目標搜索、自動照準、自動觀測、自動記錄功能,其標稱精度應(yīng)滿足:方向測量中誤差不大于±1″,測距中誤差不大于±(1mm+1.5ppm)[11]。配套的溫度計量測精度不低于±0.2℃,氣壓計量測精度不低于±0.5hPa。平面位移控制網(wǎng)水平方向應(yīng)采用全圓方向觀測法。觀測技術(shù)要求見表1、表2[12]。

表1 平面網(wǎng)水平方向觀測技術(shù)要求

表2 沉降觀測的垂直角測量技術(shù)要求

2 軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

在軌道左、右軌對應(yīng)位置上,通過扣件布設(shè)棱鏡監(jiān)測點來實現(xiàn)對軌距、水平、軌向、高低、軌距變化率和三角坑的監(jiān)測。軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)采用相對測量的方式進行采集,即通過軌距尺等手段準確獲取軌道初始的幾何尺寸值,通過本自動化監(jiān)測系統(tǒng)測量得出的各軌道監(jiān)測點的三維坐標變化量轉(zhuǎn)換為軌道幾何尺寸的變化量,初始值與變化量相加即為當(dāng)前軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)。

2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

在接收到合格的監(jiān)測數(shù)據(jù)后,自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會自動進行解算,生成平差文件,推算概略坐標,然后根據(jù)基準點坐標對監(jiān)測點進行約束平差,得到各監(jiān)測點三維坐標。

獨立坐標系初步設(shè)置時,坐標軸指向并不是完全和鐵路方向一致,故需要進行坐標系旋轉(zhuǎn)。選擇同一條鐵軌上兩個點的平面坐標,利用軟件計算變形方位角,見圖4。

圖4 計算變形方位角

轉(zhuǎn)換后的坐標系X軸為垂直鐵軌方向,Y軸為平行于鐵軌方向,H軸為豎向。這樣通過各監(jiān)測點的三維坐標可以直接計算出軌道幾何尺寸。

2.2 軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)計算

以圖3為例,假設(shè)在一股道上按6m間隔布設(shè)7組斷面,在每個斷面的左右兩根鋼軌上分別布設(shè)1個監(jiān)測棱鏡,設(shè)101號～106號棱鏡中心坐標分別為(x1,y1,h1)～(x6,y6,h6),則變化后的棱鏡中心坐標為。使用0級軌距尺或軌檢小車等工具精確測得初始的軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)后,后續(xù)每一期的軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)如下。

水平:

軌距:

軌向:

高低:

軌距變化率:

L12為101/102棱鏡中心位置的初始距離,有

S為103號點到101/105號點直線的初始距離,有

S′為某一期103號點到101/105號點直線的距離,有

h為103號點到101/105號點直線的初始垂距,有

h′為某一期103號點到101/105號點直線的垂距,有

為了便于計算,采用6m間距布點,則第一點對(101/102號)與第四點對(107/108號)的距離為18m,將每個點對左右18m范圍內(nèi)的水平值進行比較,作為該點對處的三角坑值。

通過式(1)～式(11),可直接計算出各監(jiān)測點或點對的軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)。以左軌為基本軌,左軌高于右軌為+,左軌低于右軌為-;軌距值大于1435mm為+,小于1435mm為-(普鐵曲線超高情況下以大于設(shè)計軌距加寬值為+,小于設(shè)計軌距加寬值為-);軌道外側(cè)為+,軌道內(nèi)側(cè)為-;軌道上方為+,軌道下方為-。

3 軌道幾何尺寸偏差分析

3.1 監(jiān)測控制指標及預(yù)警值

鐵路立交工程施工會擾動路基、橋梁承臺、樁基礎(chǔ)等,從而引起鐵路路基沉降及軌道結(jié)構(gòu)變形。當(dāng)軌道幾何尺寸偏差超限時,需及時進行養(yǎng)護和維修,否則將影響列車的安全行駛。

以安徽省蚌埠市司馬莊路下穿京滬鐵路立交工程監(jiān)測為例,該工程位于京滬鐵路蚌埠東站西端咽喉區(qū),以雙向6車道以4孔框構(gòu)形式下穿京滬鐵路。箱涵頂進施工期間限速45km/h,按照限速條件下Ⅱ級偏差來設(shè)置控制值,軌距控制值為(-6,+12)mm,水平控制值為(-12,+12)mm,軌向控制值為(-12,+12)mm,高低控制值為(-12,+12)mm,三角坑直線和圓曲線控制值為9mm。

監(jiān)測控制值確定后,根據(jù)設(shè)計單位提出的監(jiān)控量測控制值,將施工過程中監(jiān)測點的預(yù)警狀態(tài)按嚴重程度由小到大分為三級:黃色預(yù)警、橙色預(yù)警和紅色監(jiān)警。

以監(jiān)測控制值作為紅色預(yù)警值;以監(jiān)測報警值的70%作為橙色預(yù)警值;以監(jiān)測報警值的50%作為黃色預(yù)警值。

3.2 幾何尺寸偏差分析

在系統(tǒng)中數(shù)據(jù)報表一欄可以下載某一時刻監(jiān)測點組的組合數(shù)據(jù),組合數(shù)據(jù)記錄表的內(nèi)容輸出為:軌道幾何尺寸偏差檢查記錄(見表3、表4)。

表3 軌道幾何尺寸偏差檢查記錄

表4 軌道幾何尺寸偏差檢查記錄

表3中的各項數(shù)據(jù)均未超過預(yù)警值,而表4中有1處監(jiān)測點的水平值和三角坑值超過了控制值,達到了紅色預(yù)警。當(dāng)軌道幾何尺寸偏差達到黃色、橙色、紅色預(yù)警時,系統(tǒng)會自動發(fā)送監(jiān)測預(yù)警短信,以確保現(xiàn)場軌道幾何尺寸偏差信息的遠程和實時掌控。

系統(tǒng)后臺可自動生成的軌道幾何尺寸偏差檢查記錄,可以得到任意時刻所有監(jiān)測點的軌向、高低、軌距、水平、三角坑值等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),便于實時掌握鐵路立交工程施工現(xiàn)場的實際路基、軌道等的實時變形情況,確保鐵路立交工程施工安全和運輸安全[13-15]。

4 結(jié)論

“鐵路立交工程施工形變控制綜合自動化監(jiān)測系統(tǒng)”通過建立初始坐標系和坐標相對位置的換算,實現(xiàn)鐵路軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)的采集;通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與偏差自動分析,實現(xiàn)軌道幾何尺寸偏差檢查的全過程和實時記錄,以及監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸、處理和分析,不僅降低工程人力成本,而且降低了施工安全風(fēng)險,有力地保障了鐵路立交工程施工安全和鐵路運輸安全。