譚生永

(中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250001)

在框架橋下穿既有鐵路線施工過程中，由于新建線路施工與既有線路運(yùn)營相互影響，因此施工安全風(fēng)險(xiǎn)較一般工程大，需要采用施工監(jiān)測技術(shù)，使施工人員和相關(guān)負(fù)責(zé)人及時(shí)了解既有線沉降、框架橋頂進(jìn)等情況，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化施工方案，實(shí)現(xiàn)施工風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)跟蹤與控制，[1]保證新建線路施工安全和既有線路運(yùn)營安全。

關(guān)于施工監(jiān)測研究，李家隱[2]等人提出應(yīng)該對工程風(fēng)險(xiǎn)位置重點(diǎn)監(jiān)控；袁瑞等人[3-5]對框架橋頂進(jìn)過程中框架橋頂進(jìn)姿態(tài)、路基沉降、周圍土體的沉降和水平位移、工作坑的穩(wěn)定性等進(jìn)行監(jiān)測；胡國平[6]針對無上覆土框架涵下穿工程，采用自動(dòng)化設(shè)備監(jiān)測軌面沉降、便梁縱梁沉降和線路側(cè)移；Wang Q[7]針對施工風(fēng)險(xiǎn)因素較多的項(xiàng)目，建立基于Multi-Agent的安全監(jiān)控系統(tǒng)，可對施工安全狀態(tài)進(jìn)行分析和預(yù)測；王珣[8-10]等人建立了集風(fēng)險(xiǎn)評估、施工監(jiān)測、沉降預(yù)測和預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)；Zhang P[11]等人提出了一種基于AIOT 施工實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，可將施工參數(shù)和隧道沉降值進(jìn)行儲(chǔ)存與傳遞，進(jìn)而自動(dòng)預(yù)測下一步施工參數(shù)和隧道沉降值；王宗澤[12]從監(jiān)測準(zhǔn)備工作、監(jiān)測方案、數(shù)據(jù)的采集和分析建立框架橋頂進(jìn)工程現(xiàn)場監(jiān)測體系；Wu K[13]開發(fā)了集數(shù)據(jù)采集、排列、分析與反饋的監(jiān)測管理軟件；Li Q[14]將現(xiàn)代信息技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代建筑管理4D理論綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了快速采集信息、可視化、集中控制、高度共享的管理系統(tǒng)?；诖?，本文依托某項(xiàng)目，將可自動(dòng)監(jiān)測、儲(chǔ)存、分析數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測方式結(jié)合傳統(tǒng)的靜態(tài)監(jiān)測方式，建立框架橋下穿既有鐵路線自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、自動(dòng)預(yù)警等功能，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過程中存在的問題，為既有線路運(yùn)營和新建線路施工的安全管理提供理論依據(jù)。

1 工程概況

某框架橋下穿既有鐵路線項(xiàng)目，新建線路與既有鐵路線K478+394.00 處交叉，該處既有橋?yàn)?～12.0 m框架（圖1），橋下通行凈高為5.0m。新建框架采用12 m +12 m +12 m +12 m四孔分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，垂直鐵路方向16 m，順鐵路方向54.7 m，框架結(jié)構(gòu)高度10.75 m。頂程40 m，頂進(jìn)方向與鐵路夾角為80.9 。頂進(jìn)時(shí)采用D型施工便梁加固線路，列車限速45 km/h。

圖1 新建框架橋示意圖

2 框架橋下穿既有鐵路線自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)

在框架橋下穿既有鐵路線施工過程中，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測具有不連續(xù)性，智能的動(dòng)態(tài)監(jiān)測設(shè)備價(jià)格較為昂貴，因此本項(xiàng)目采用靜態(tài)與動(dòng)態(tài)相結(jié)合的監(jiān)測方式，建立框架橋下穿既有線自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，不但節(jié)約人力、物力和財(cái)力，而且可提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

2.1 監(jiān)測目的

在施工過程中，通過現(xiàn)場監(jiān)測，使得施工技術(shù)人員和管理人員能夠及時(shí)掌握便梁、鋼軌等的工作狀態(tài)和路基、基坑等變形情況，發(fā)現(xiàn)施工中存在的風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)調(diào)整、優(yōu)化施工方案，保證既有鐵路線繼續(xù)安全運(yùn)營，框架橋順利頂進(jìn)，工作坑穩(wěn)定，并可為理論研究提供數(shù)據(jù)支撐，為類似工程施工提供參考。

2.2 監(jiān)測指標(biāo)

根據(jù)監(jiān)測目的和項(xiàng)目的實(shí)際情況，通過專家訪問、參考規(guī)范等方式，從既有線變形、框架橋頂進(jìn)、工作坑變形三方面確定了監(jiān)測指標(biāo)，如圖2 所示。

圖2 框架橋下穿既有鐵路線監(jiān)測指標(biāo)體系

2.3 測點(diǎn)布置及監(jiān)測設(shè)備

本項(xiàng)目與既有鐵路線K478+394 里程處交叉，根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》 中3 倍開挖深度影響范圍及其他相關(guān)要求，擬定本項(xiàng)目對既有線監(jiān)測范圍為K478+352～K478+436。在測點(diǎn)布置及設(shè)備安裝完成后，需要對其采用防護(hù)措施，防止外界環(huán)境或其他原因損壞測點(diǎn)或設(shè)備，并每隔一定時(shí)間到現(xiàn)場巡視檢查，觀察儀器是否都正常使用，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和連續(xù)性。

（1） 軌距監(jiān)測：采用萬能道尺在影響范圍內(nèi)對既有線軌距變化進(jìn)行監(jiān)測，如圖3 所示測量區(qū)間為直線地段時(shí)，每約6.25 m 測量一尺，曲線以及其他特殊情況需適當(dāng)加密。

圖3 軌距現(xiàn)場測量圖

（2） 路基沉降：采用水準(zhǔn)儀對既有線路基沉降進(jìn)行監(jiān)測。本項(xiàng)目布設(shè)兩條監(jiān)測路線，分別在既有鐵路線的鐵路碴間隔5～15 布設(shè)一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。在遠(yuǎn)離變形影響范圍外布設(shè)一個(gè)工作基點(diǎn)，兩條路線共布設(shè)18個(gè)監(jiān)測點(diǎn)和3個(gè)監(jiān)測基點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 路基沉降監(jiān)測點(diǎn)布置

（3） 軌道水平偏移：采用經(jīng)緯儀對既有線軌道水平偏移進(jìn)行監(jiān)測。在下穿影響范圍外設(shè)置三個(gè)水平位移基準(zhǔn)點(diǎn)，參照路基沉降監(jiān)測點(diǎn)選取相應(yīng)的軌道水平偏移監(jiān)測點(diǎn)，并在軌道相應(yīng)位置進(jìn)行標(biāo)記。

（4） 鋼梁振動(dòng)加速度：采用三向磁電式振動(dòng)傳感器測量，可采集沿線路運(yùn)營方向（x軸）、線路運(yùn)營水平垂直方向（y 軸） 與豎直方向（z 軸）所產(chǎn)生的振動(dòng)加速度。因?yàn)楫?dāng)列車行駛至施工區(qū)間內(nèi)，便梁跨中位置產(chǎn)生的撓度變形最大，故將三向磁電式振動(dòng)傳感器安裝在便梁跨中位置，對其采用焊接方式進(jìn)行固定，如圖5 所示。振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)采集界面，以z軸為例，如圖6所示。

圖5 三向磁電式振動(dòng)傳感器現(xiàn)場測點(diǎn)布置圖

圖6 z軸振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)采集界面

（5） 鋼梁應(yīng)變：采用電阻式動(dòng)態(tài)應(yīng)變計(jì)測量，可測得被測試結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變數(shù)值。經(jīng)過對現(xiàn)場的實(shí)地考察后，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，選取西南側(cè)一組D16 鋼便梁，在鋼梁跨中斷面進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)，采用焊接方式進(jìn)行固定，數(shù)據(jù)采集界面如圖7 所示。

圖7 鋼梁應(yīng)變值數(shù)據(jù)采集界面

（6） 鋼梁撓度：采用靜力水準(zhǔn)儀對鋼梁撓度進(jìn)行測量。根據(jù)工程特點(diǎn)，將靜力水準(zhǔn)儀安裝在便梁的兩端及跨中位置上，基準(zhǔn)點(diǎn)選擇相對穩(wěn)定的地方，基準(zhǔn)點(diǎn)與第一個(gè)測點(diǎn)不得大于50 m，測點(diǎn)布置如圖8 所示，現(xiàn)場布置如圖9 所示，數(shù)據(jù)采集界面如圖10 所示。

圖8 相關(guān)測點(diǎn)布置圖

圖9 靜力水準(zhǔn)儀現(xiàn)場測點(diǎn)布置圖

圖10 鋼梁撓度數(shù)據(jù)采集界面

（7） 頂進(jìn)方向：通過在框架橋前端設(shè)置固定的接收靶(接收靶用厘米方格紙組成），分別采用激光水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀測量框架橋頂進(jìn)方向的偏移。

（8） 框架橋應(yīng)力：通過在框架橋內(nèi)壁貼應(yīng)變片測量。沿著頂進(jìn)方向，設(shè)置三個(gè)監(jiān)測面，分別為框架橋的前、中、后端；本項(xiàng)目中，框架橋沿著頂進(jìn)方向16 m，因此三個(gè)截面位置分別在框架橋沿著頂進(jìn)方向的0 m、8 m、16 m 處。然后將每個(gè)監(jiān)測面的每個(gè)邊分為四等分，在每個(gè)截面邊的兩端，以及邊長的1/4、2/4、3/4處布置測點(diǎn)。

（9） 工作坑穩(wěn)定性：該項(xiàng)目中施作了止水帷幕，通過在變形影響區(qū)外設(shè)置三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在止水帷幕的頂端設(shè)置測點(diǎn)，分別采用經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀測量得到工作坑水平偏移和工作坑垂直沉降值。

2.4 監(jiān)測頻率

監(jiān)測頻率過高，造成資源浪費(fèi)；監(jiān)測頻率過低，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題。因此應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況和監(jiān)測指標(biāo)特點(diǎn)，制定合適的監(jiān)測頻率，并且根據(jù)施工階段不同，可對監(jiān)測頻率適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)或者施工環(huán)境產(chǎn)生較大的變化或其他異常情況時(shí)，監(jiān)測頻率應(yīng)適當(dāng)增加，必要時(shí)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，觀測值穩(wěn)定一周后方可逐漸降低監(jiān)測頻次，以便掌握風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展趨勢，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。本項(xiàng)目對既有鐵路線軌道變形的監(jiān)測，在剛開始時(shí)，每趟列車通過都要監(jiān)測，正常情況下4～6 次/天；工作坑開挖過程中，對工作坑變形監(jiān)測可每天測量3～4 次，開挖降水后每天測量8～12 次；對頂進(jìn)方向的監(jiān)測，平常每頂進(jìn)一稿測量一次；路基沉降根據(jù)施工階段采用不同的監(jiān)測頻率，如表1所示。

表1 監(jiān)測頻次表

2.5 預(yù)警閾值

預(yù)警閾值參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范確定，見表2。

表2 預(yù)警指標(biāo)及對應(yīng)閾值

2.6 預(yù)警等級判別

（1） 確定警級判別標(biāo)準(zhǔn)：

監(jiān)測指標(biāo)的取值范圍按照2.5 節(jié)中的預(yù)警閾值限定。如表3所示，參考《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指南(試行)》 將風(fēng)險(xiǎn)等級依次劃分為低度（Ⅰ級）、中度（Ⅱ級）、高度(Ⅱ級）、極高（Ⅳ級） 4個(gè)等級。[20]

表3 風(fēng)險(xiǎn)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

然后根據(jù)表3 中各風(fēng)險(xiǎn)等級占比，對風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間進(jìn)行劃分，可得：Ⅰ:Ⅱ:Ⅲ:Ⅳ=1:5:7:3，因此將各指標(biāo)的取值范圍按照以上比例劃分，保留小數(shù)點(diǎn)后一位，以便于采集研究數(shù)據(jù)。最終得到指標(biāo)Ⅰ～Ⅳ的警級判別標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

（2） 確定指標(biāo)隸屬度：

根據(jù)警級判別標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置模糊隸屬度函數(shù)[21]，則各預(yù)警等級區(qū)間的隸屬度函數(shù)可表示為式(1)，監(jiān)測各指標(biāo)變形值，計(jì)算指標(biāo)對各預(yù)警等級的隸屬度，見表4倒數(shù)2～5列所示。

式中：ai是各指標(biāo)預(yù)警等級劃分區(qū)間的平均值；σi是相應(yīng)的方差，由式(2)確定。

（3） 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重：

邀請專家對各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行打分，采用層次分析法[22]從第一層指標(biāo)逐級向下求解各指標(biāo)的權(quán)重，得到底層指標(biāo)的權(quán)重值見表4最后一列所示。

表4 警級判別標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)對各預(yù)警等級隸屬度和權(quán)重值

（4） 判別預(yù)警等級：

根據(jù)μh=μh(xij) ·Wij[21]，μh(xij)、Wij分別指底層指標(biāo)對各預(yù)警等級的隸屬度和權(quán)重，通過計(jì)算得目標(biāo)層對各風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間的隸屬度μh=0.0912,0.4841,0.39485,0.0298，根據(jù)最大隸屬度原則可得，該階段施工安全預(yù)警等級為Ⅱ級，由表5 可得需加強(qiáng)日常管理審視與監(jiān)測。

表5 預(yù)警等級應(yīng)對措施[20]

2.7 預(yù)警管理平臺(tái)

本文開發(fā)了下穿既有線施工監(jiān)測管理平臺(tái)，通過系統(tǒng)管理、基礎(chǔ)管理、設(shè)備管理、圖譜分析和統(tǒng)計(jì)管理五個(gè)主板塊，實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理和對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析、預(yù)警，并利用WEBGL 技術(shù)對監(jiān)測區(qū)間進(jìn)行仿真模擬展示，項(xiàng)目各參與方可通過登錄監(jiān)測信息平臺(tái)，及時(shí)了解掌握目前施工階段存在的風(fēng)險(xiǎn)情況，管理現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備，也可通過設(shè)置，當(dāng)預(yù)警等級發(fā)生變化時(shí)，為相關(guān)人員發(fā)送當(dāng)前風(fēng)險(xiǎn)情況信息，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題，保證施工安全。

（1） 系統(tǒng)登錄：本系統(tǒng)基于RBAC權(quán)限訪問控制，并通過數(shù)字計(jì)算驗(yàn)證碼方式進(jìn)行驗(yàn)證登錄，如圖11所示。

圖11 登錄界面圖

（2） 首頁：包括采集站、在線設(shè)備、離線設(shè)備、告警統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等板塊，并將監(jiān)測區(qū)間以三維展示，如圖12所示，可通過右下角的開關(guān)按鈕控制三維場景的縮放。將鼠標(biāo)移動(dòng)到設(shè)備上，便可顯示設(shè)備的名稱，雙擊設(shè)備，相機(jī)鏡頭會(huì)拉近到設(shè)備周圍，點(diǎn)擊三維場場景中的監(jiān)測設(shè)備可以打開設(shè)備詳情框，查看設(shè)備的詳細(xì)信息。

圖12 首頁界面圖

（3） 系統(tǒng)管理：包含用戶管理、角色管理、部門管理、崗位管理、日志管理五個(gè)子塊，如圖13所示。首先編輯用戶基本信息；然后編輯用戶所在部門、崗位及在施工監(jiān)測中扮演角色的信息，再根據(jù)表4設(shè)置監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞流程，如圖14所示，配置用戶編輯、查看數(shù)據(jù)、接收短信郵件等權(quán)限；最后設(shè)置日志管理子塊可查看用戶對系統(tǒng)的操作記錄。

圖13 用戶管理界面圖

圖14 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞流程圖

（4） 基礎(chǔ)管理：包含專業(yè)管理、信號管理、工程單位管理、設(shè)備類型管理等，主要是對平臺(tái)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)的維護(hù)管理。依次分別是對監(jiān)測設(shè)備所屬專業(yè)、工程單位所屬的信號類型、監(jiān)測設(shè)備采集數(shù)據(jù)的單位、監(jiān)測設(shè)備類型的管理。

（5） 設(shè)備管理：包含采集站管理、設(shè)備組管理、設(shè)備管理，主要是按采集站創(chuàng)建設(shè)備分組，然后創(chuàng)建要采集數(shù)據(jù)的設(shè)備信息。

（6） 圖譜分析：主要是對采集的數(shù)據(jù)以圖表的形式進(jìn)行展示分析。通過在左邊樹結(jié)構(gòu)選擇測點(diǎn)，右上角選擇查詢時(shí)段，如圖15所示，再通過在左邊選擇采樣時(shí)間間隔，右邊點(diǎn)擊實(shí)時(shí)查詢，則選擇時(shí)間區(qū)間內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可按設(shè)定的頻率，通過波形圖展示，如圖16所示。

圖15 圖譜分析界面圖

圖16 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)波形圖

（7） 統(tǒng)計(jì)管理：包含歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和預(yù)警數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。歷史數(shù)據(jù)列表可按時(shí)間區(qū)間查詢上報(bào)數(shù)據(jù)，也可按設(shè)備進(jìn)行查詢。預(yù)警數(shù)據(jù)列表可按時(shí)間區(qū)間或預(yù)警等級查詢，也可按設(shè)備進(jìn)行查詢。

3 結(jié)論

（1） 本文根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，從既有線變形、框架橋頂進(jìn)、工作坑變形三個(gè)方面，建立了框架橋下穿既有線監(jiān)測指標(biāo)體系。

（2） 各監(jiān)測指標(biāo)的預(yù)警閾值后，將預(yù)警等級劃分為四個(gè)等級，制定了預(yù)警等級判別標(biāo)準(zhǔn)和對應(yīng)的應(yīng)對措施。

（3）開發(fā)了下穿施工監(jiān)測信息平臺(tái)，設(shè)置了系統(tǒng)管理、基礎(chǔ)管理、設(shè)備管理、圖譜分析、統(tǒng)計(jì)管理五個(gè)主子塊，可自動(dòng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、分析和預(yù)警，并利用WEBGL技術(shù)對監(jiān)測區(qū)間進(jìn)行仿真模擬展示，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測區(qū)間可視化、數(shù)據(jù)共享、自動(dòng)化和信息化管理，可為類似工程提供參考。