張冠軍

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

根據(jù)“十四五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃，預計到2025年底，全國鐵路營業(yè)里程將達16.5萬km左右，其中高速鐵路(含部分城際鐵路)為5萬km左右[1]。隨著中國高鐵運營規(guī)模的不斷擴大，受高速鐵路長期露天服役、運營速度快、天窗維修時間短、周期疲勞荷載強度大等多重因素影響，如何保障高速鐵路在良好服役狀態(tài)下安全運行，是鐵路運營管理部門一直面臨的挑戰(zhàn)。

高速鐵路運營期監(jiān)測是確保高速鐵路運營安全的重要性基礎工作，對高速鐵路基礎設施及其外部環(huán)境等進行全過程、周期性的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，解算分析和評估預警，掌握其變化規(guī)律，采取針對性預防措施，是保障高速鐵路平穩(wěn)、舒適、安全運行的基礎。中國高速鐵路歷經(jīng)十幾年的運營實踐，監(jiān)測覆蓋范圍不斷增加，技術手段和方法不斷發(fā)展創(chuàng)新，逐漸初步形成了具有中國特色的運營期精測網(wǎng)復測、基礎變形監(jiān)測等技術體系和系統(tǒng)方案。包括規(guī)程規(guī)范、特殊裝備、作業(yè)標準及技術成果等，特別是在精密控制網(wǎng)維護、基礎構筑物變形監(jiān)測、外部環(huán)境與災害監(jiān)測、軌道平順性檢測、大型構筑物健康監(jiān)測等方面，有了許多開創(chuàng)性的應用。但在高速鐵路運營期監(jiān)測實踐過程中，還存在監(jiān)測的內(nèi)涵和外延不完全明確，監(jiān)測技術體系和學科建設方面研究不夠，相關制度辦法及技術標準體系建設不完善，動、靜態(tài)檢測監(jiān)測需要進一步結合，多手段、多系統(tǒng)的融合不足，基準維護和變形監(jiān)測的實時性、智能化、可靠性還有待提高等諸多問題。以下結合運營高速鐵路監(jiān)測工程實踐經(jīng)驗，從工程測量專業(yè)角度定義高速鐵路運營監(jiān)測，并對運營監(jiān)測的基本概念、分類、特點、內(nèi)容和技術方法、發(fā)展趨勢等進行系統(tǒng)研究。

1 高速鐵路運營監(jiān)測概念及特點

1.1 運營監(jiān)測的定義

從測繪學科和工程測量專業(yè)的角度來看，運營監(jiān)測屬于鐵路工程測量。按鐵路工程勘察設計、施工建設、運營維護全生命周期階段的不同，鐵路工程測量可分為鐵路勘測、鐵路施工測量和鐵路運營監(jiān)測(見圖1)[2]。從土木工程結構專業(yè)角度，對結構運營健康狀況的監(jiān)測也可稱為運營監(jiān)測，即一種為保障工程結構的正常使用和安全可靠，對運營階段環(huán)境和荷載作用下結構的靜動態(tài)響應進行監(jiān)測、獲取結構狀態(tài)信息、并對其服役狀態(tài)評估和報警的活動。

圖1 鐵路工程測量階段劃分

高速鐵路運營監(jiān)測是為滿足高速鐵路運營維護任務而進行的測量工作。服務對象是高速鐵路，服務階段是運營維護，專業(yè)性質(zhì)是工程測量。其目的是了解運營期間高速鐵路基礎設施的服役狀態(tài)，以滿足高速鐵路養(yǎng)護維修的需要，包括測量、監(jiān)測和幾何狀態(tài)類檢測等工作。

1.2 運營監(jiān)測的分類

(1)按測量內(nèi)容可分為控制網(wǎng)復測與維護、線路復測、變形監(jiān)測、結構健康監(jiān)測、軌道幾何狀態(tài)測量等。變形監(jiān)測包括構筑物基礎變形監(jiān)測、外部環(huán)境安全監(jiān)測、自然災害監(jiān)測、地質(zhì)災害監(jiān)測、鄰近營業(yè)線施工安全監(jiān)測等。構筑物基礎變形監(jiān)測又可分為普查性監(jiān)測和重點段監(jiān)測。

(2)按監(jiān)測量可分為以幾何量監(jiān)測為主的變形監(jiān)測，以物理量監(jiān)測為主的應力應變監(jiān)測，以及以氣象要素監(jiān)測為主的環(huán)境監(jiān)測。

(3)按測量方式可分為人工監(jiān)測、自動化監(jiān)測。人工監(jiān)測主要指使用大地測量儀器進行的平面和垂直位移監(jiān)測等幾何量監(jiān)測，自動化監(jiān)測有全站儀自動化、GNSS自動化及利用其他傳感器進行的自動化監(jiān)測。

(4)按是否需要上線測量作業(yè)可分為線下監(jiān)測和線上監(jiān)測。線下監(jiān)測主要指在高速鐵路用地界外線下進行測量工作，線上監(jiān)測是指需要在天窗作業(yè)時間按運營線安全管理規(guī)定上線進行測量的工作。

(5)按管理部門不同可分為工務類監(jiān)測、電務類監(jiān)測、房建類監(jiān)測等。

(6)按構筑物或結構物類型可分為線路軌道監(jiān)測、路基監(jiān)測、橋梁監(jiān)測、隧道監(jiān)測、站房監(jiān)測等。

1.3 運營監(jiān)測與綜合檢測、變形監(jiān)測、結構健康監(jiān)測的關系

我國高速鐵路綜合檢測技術體系包括供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)(6C)、工務基礎設施狀態(tài)檢測監(jiān)測系統(tǒng)(8M)和電務安全監(jiān)控系統(tǒng)(8D)等，即“動態(tài)檢測”。采用基于列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的高速列車狀態(tài)檢測，基于地面設備的高速列車狀態(tài)檢測、基礎設施地面檢測監(jiān)測以及基礎設施搭載運營車檢測技術[3]。

高速鐵路基礎設施檢測監(jiān)測體系框架包括感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、大數(shù)據(jù)平臺層、應用層。其中，感知層為檢測監(jiān)測手段，按類型可分為移動檢測、地面固定監(jiān)測、空天遙測和人工檢查大類，按檢測監(jiān)測方式，可分為高速綜合檢測、綜合巡檢、專業(yè)檢測、搭載式監(jiān)測、固定點監(jiān)測、自感知、衛(wèi)星遙感、機載檢測、專項檢測和常規(guī)檢查等方式[4-5]。而基礎設施地面檢測監(jiān)測技術為“靜態(tài)檢測”，其中最重要的監(jiān)測工作即為運營監(jiān)測，運營監(jiān)測是高速鐵路綜合檢測監(jiān)測技術重要的組成部分。

變形監(jiān)測主要是指監(jiān)測變形體在形狀和位置上的變化，并對變形進行分析和預測、預警，傳統(tǒng)變形監(jiān)測主要是監(jiān)測幾何量的變化。高速鐵路運營期間的變形監(jiān)測主要是對受運營或周邊建設影響的橋梁、路基、隧道等構筑物和受運營影響的周邊地表、建筑物、管線等進行監(jiān)測。

結構健康監(jiān)測是指利用各類監(jiān)測、檢測和檢查手段，獲取反映環(huán)境作用、結構響應和工程功能等事項的有效數(shù)據(jù)，并通過這些數(shù)據(jù)對基礎設施的服役狀況和性能變化進行分析和預測，從而對已發(fā)生和將要發(fā)生的異常進行預(報)警，為后續(xù)的健康評估提供基本依據(jù)[7]。結構健康監(jiān)測也屬于高速鐵路運營監(jiān)測的內(nèi)容，而變形監(jiān)測是結構健康監(jiān)測中重要的手段和組成部分。

1.4 運營監(jiān)測的特點

(1)系統(tǒng)性：運營監(jiān)測是一個系統(tǒng)性工作，涉及鐵路運營基礎設施整個系統(tǒng)，必須從整體性和系統(tǒng)性的角度出發(fā)，從靜、動態(tài)相結合，從線路、軌道、路基、橋梁、隧道、站場、接觸網(wǎng)等專業(yè)和鐵路管理部門相結合，系統(tǒng)進行監(jiān)測方案設計、監(jiān)測和分析評估。

(2)服務性：監(jiān)測的目的是為鐵路安全運行保障和科學指導線路養(yǎng)護維修提供重要依據(jù)，主要為鐵路運營維修和安全運營服務。

(3)長期性、周期性和時效性：為掌握鐵路運營期間基礎設施服役健康狀態(tài)，伴隨運營過程需要長期進行檢測監(jiān)測。與變形監(jiān)測的特點一樣，需要進行周期性的觀測和分析，及時、實時發(fā)現(xiàn)基礎設施或外部影響鐵路基礎設施的安全隱患，以便鐵路管理部門及時采取措施，為鐵路安全運營保駕護航。

(4)復雜性：包括監(jiān)測技術本身的復雜性和監(jiān)測生產(chǎn)組織的復雜性兩個方面。技術復雜性體現(xiàn)在監(jiān)測項目種類多、監(jiān)測儀器設備種類多、監(jiān)測技術手段需要綜合應用等。生產(chǎn)組織復雜性體現(xiàn)在天窗作業(yè)時間短，夜間進行測量工作，線上線下各類監(jiān)測工作內(nèi)容繁雜，線上作業(yè)前需與鐵路局工務、電務、公安、車站等部門簽訂安全協(xié)議，溝通、協(xié)調(diào)、配合工作量大。

(5)先進性：技術先進性體現(xiàn)在監(jiān)測技術手段空天地多樣化，使用自動化、智能化監(jiān)測儀器設備和傳感器，以及使用線上遠程控制采集、傳輸、處理和預警系統(tǒng)平臺等。

(6)精確性：軌道控制網(wǎng)及軌道平順性檢測精度、平面位移和沉降變形監(jiān)測精度，以及利用自動化傳感器監(jiān)測精度均在亞毫米級，相比一般的工程測量，監(jiān)測精度要求高。

2 高速鐵路運營監(jiān)測主要內(nèi)容及技術方法

運營監(jiān)測的主要內(nèi)容有控制網(wǎng)復測與維護、線路復測、基礎變形監(jiān)測、結構健康監(jiān)測、軌道幾何狀態(tài)測量、外部環(huán)境與地質(zhì)災害監(jiān)測、鄰近營業(yè)線施工安全監(jiān)測等。

2.1 控制網(wǎng)復測與維護

鐵路工務部門作為精測網(wǎng)的管理單位，負責精測網(wǎng)的復測和日常維護工作。復測維護的內(nèi)容主要有CP0、CPⅠ、線路水準基點線下控制網(wǎng)、線上加密CPⅡ及加密水準基點、軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)測量。一般采用傳統(tǒng)的GNSS、水準測量、邊角測量等大地測量及工程測量方法進行。目前，精測網(wǎng)復測周期一般為3年，最長不超過5年，其中線路水準基點、線上加密水準點、CPⅢ高程網(wǎng)在開通運營后2年內(nèi)復測1次。對于沉降段、軌道異常變形、CPⅢ精度不能滿足日常養(yǎng)護維修使用要求時，進行不定期復測[8]。

2.2 線路復測

高速鐵路既有線路復測指對線路及設備設施現(xiàn)狀進行測量，其中線路平縱斷面、設備設施臺賬、建筑限界等是測量的主要內(nèi)容，可采用軌道幾何狀態(tài)測量儀、車載移動測量系統(tǒng)等進行測量。

2.3 基礎變形監(jiān)測

運營高速鐵路基礎變形監(jiān)測是指對路基、橋涵、隧道的沉降監(jiān)測和水平位移監(jiān)測[9]。

(1)變形監(jiān)測網(wǎng)：變形監(jiān)測網(wǎng)由基準網(wǎng)和觀測網(wǎng)組成，基準網(wǎng)分為水平位移監(jiān)測基準網(wǎng)和垂直位移監(jiān)測基準網(wǎng)。變形監(jiān)測點由基準點、工作基點和監(jiān)測點組成。

(2)路基變形監(jiān)測：運營期路基變形監(jiān)測主要包括路堤、路塹監(jiān)測，路基每個斷面的觀測點分布在軌道、路肩、路堤或路塹上。高路堤、深路塹及沿線有滑坡監(jiān)測時，監(jiān)測點布設在滑坡體上，并按滑動方向及特征布設若干斷面，并在影響路基段加密布設觀測斷面。

(3)橋梁變形監(jiān)測：橋梁變形監(jiān)測包括橋梁墩身和梁體徐變變形觀測。也可布設傾角計、靜力水準儀等自動化監(jiān)測傳感器進行監(jiān)測。

(4)隧道變形監(jiān)測：主要對不良地質(zhì)、斷層、襯砌結構裂縫較多等地段進行監(jiān)測，監(jiān)測點一般布設在隧道頂部、底部、兩腰，以及相應段落內(nèi)的軌道上。常采用三維激光掃描、收斂計、裂縫計、應力計等。

(5)過渡段變形監(jiān)測：根據(jù)結構的不同，在過渡段監(jiān)測時，需要考慮不同結構特點，布設不同密度的監(jiān)測斷面。

(6)普查性監(jiān)測與重點段監(jiān)測：普查性監(jiān)測的目的是發(fā)現(xiàn)沉降變形地段，一般在運營初期進行。根據(jù)普查性監(jiān)測結果，合理確定重點監(jiān)測地段并開展重點段周期性監(jiān)測，并結合精測網(wǎng)復測成果、日常檢查維修情況，以及動、靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)，合理確定重點段監(jiān)測范圍和監(jiān)測周期。

2.4 結構健康監(jiān)測

結構健康監(jiān)測的主要內(nèi)容有地面加速度、風環(huán)境、結構表面風壓，以及結構應力、變形，振動加速度，表面溫度，表面裂縫等[7]。

(1)橋梁健康監(jiān)測：對復雜結構、特殊結構橋梁應建立監(jiān)測系統(tǒng)，主要監(jiān)測結構變形、振動特性、溫度、支座、基礎沉降等參數(shù)，以監(jiān)測和評估橋梁結構服役的健康狀況。

(2)隧道健康監(jiān)測：對特長隧道設置防災救援監(jiān)控系統(tǒng)，對隧道內(nèi)通風、照明、消防設備進行監(jiān)控；對于復雜地質(zhì)隧道設置襯砌結構變形安全監(jiān)測系統(tǒng)，對隧道襯砌變形及運用狀態(tài)進行監(jiān)測。

(3)站房健康監(jiān)測：針對大型及特大型鐵路客站、特殊及復雜結構客站的結構，利用無損、實時的方式采集工程結構響應與環(huán)境信息，分析評判結構的健康狀態(tài)，并對異常狀態(tài)進行報警。鐵路站房結構健康監(jiān)測主要針對運營期，可綜合考慮施工監(jiān)測與運營監(jiān)測相結合，使監(jiān)測工作具有連續(xù)性和長期性。

2.5 軌道幾何狀態(tài)測量

高速鐵路軌道的高平順性和精確的幾何線性參數(shù)是保證高速列車安全和舒適運行的基礎條件，軌道幾何狀態(tài)包括軌道內(nèi)部幾何尺寸與外部幾何尺寸，如軌距、軌向、高低、水平、扭曲、與設計高程及中線的偏差等，精度要求為毫米級，傳統(tǒng)的鐵路測量方法和精度已不能滿足高速鐵路建設及運營要求。對軌道幾何狀態(tài)的測量使用軌道幾何狀態(tài)測量系統(tǒng)，系統(tǒng)由軌道幾何狀態(tài)測量儀(也稱軌檢小車)、慣導系統(tǒng)、測量機器人(伺服全站儀)、計算機及軟件系統(tǒng)等組成[10-11]。

2.6 外部環(huán)境與地質(zhì)災害監(jiān)測

(1)區(qū)域地面沉降：受區(qū)域地質(zhì)構造、采礦、采油、采水等自然和人類活動影響，在城市、平原地區(qū)多存在不同程度的地面沉降，如華北地區(qū)、長三角地區(qū)等。地面沉降會直接影響高速鐵路線下基礎構筑物的穩(wěn)定性，尤其是地面的不均勻沉降、沉降漏斗邊緣范圍內(nèi)對線橋結構影響更為顯著，對高速鐵路沿線區(qū)域地面沉降進行監(jiān)測，掌握其沉降地段和沉降變化量，對于綜合分析基礎設施沉降及軌道平順性，確保高速鐵路動車組運行的安全平穩(wěn)性和舒適度具有十分重要的意義[12]。區(qū)域地面沉降監(jiān)測方法有水準測量、GNSS高程測量以及InSAR監(jiān)測等，可結合精測網(wǎng)在地表加密點進行監(jiān)測，也可設置分層標進行分層監(jiān)測，并同期進行水位觀測。

(2)沿線地質(zhì)災害監(jiān)測：主要針對自然和地質(zhì)原因引發(fā)的高速鐵路路塹邊坡、鐵路沿線洪水、滑坡、泥石流、崩塌落石等地質(zhì)災害進行監(jiān)測。應進一步完善和推廣遙感技術，并建立地質(zhì)災害監(jiān)測報警系統(tǒng)。

(3)外部環(huán)境變化監(jiān)測：鐵路外部環(huán)境復雜，按照外部環(huán)境隱患成因、可能造成的后果、涉及專業(yè)等因素，可將隱患分為危險品、硬飄浮物、輕飄浮物、違建違占、違法施工、樹木種植、道口安全等。鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測可采用定期排查和實時監(jiān)測結合的方案，通過遙感技術定期對鐵路沿線風險源進行排查，確定重點防護區(qū)域，然后采用技術手段對其進行實時監(jiān)測[13]。

(4)氣象及異物侵限監(jiān)測：主要對高速鐵路沿線風、雨、雪、地震等自然氣象災害，以及侵入鐵路界限內(nèi)的突發(fā)異物進行實時監(jiān)測，并提供報警、預警信息，防止或減少災害對高速鐵路列車運行安全的影響[14]。風、雨、雪等自然災害監(jiān)測主要利用各類傳感器進行數(shù)據(jù)采集，并通過網(wǎng)絡技術形成監(jiān)測系統(tǒng)。異物侵限監(jiān)測技術主要分為非接觸式與接觸式。非接觸式監(jiān)測技術主要包括激光掃描技術、紅外探測技術、智能視頻分析技術等；接觸式監(jiān)測主要包括雙電網(wǎng)監(jiān)測技術和光纖光柵探測[15]。

2.7 鄰近高速鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測

鄰近高速鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測是指鄰近營業(yè)線施工期間對鐵路運營設備設施的變形監(jiān)測工作[16]，一般也稱為涉鐵監(jiān)測。鐵路運營設備設施指鐵路工務、供電、電務等設備設施，站臺、站房、人行天橋、地道、庫房等關系鐵路行車運營的構筑物。

3 高速鐵路運營監(jiān)測技術展望

隨著高速鐵路運營里程和運營服役時間增加，鐵路基礎設施、設備養(yǎng)護維修問題日益突顯，只有不斷提高監(jiān)測精度、效率，才能為鐵路運營提供更便捷、快速、準確的基礎性數(shù)據(jù)。為適應中國高速鐵路快速發(fā)展的需要，運營監(jiān)測技術仍需與時俱進開展深入研究。

(1)控制測量基準維護體系研究。如建立覆蓋高速鐵路線路的北斗地基增強系統(tǒng)，建立線路高精度精化大地水準面模型，實現(xiàn)基準維護和運營監(jiān)測的準適時或動態(tài)聯(lián)動、數(shù)據(jù)共享等。

(2)監(jiān)測技術和監(jiān)測手段研究。隨著測繪新技術和大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、傳感技術的融合發(fā)展，監(jiān)測技術方法必將不斷變革、創(chuàng)新。高速鐵路運營監(jiān)測僅依靠傳統(tǒng)的大地測量、工程測量手段已經(jīng)難以滿足需要，高速鐵路運營監(jiān)測儀器設備應向自動化傳感器應用及實時監(jiān)測方向發(fā)展，將各類傳感器、北斗、遙感、視頻影像等多手段、多系統(tǒng)進行綜合交叉融合應用，并集多種監(jiān)測技術和手段于一體，應用范圍逐漸擴大，以實現(xiàn)快捷適時、自動化、智能化、網(wǎng)絡化監(jiān)測。

(3)監(jiān)測系統(tǒng)自動化研究。監(jiān)測數(shù)據(jù)采集從沉降、平面變形的一、二維向實時三維轉變；從接觸式監(jiān)測向非接觸式監(jiān)測方向發(fā)展；從靜態(tài)監(jiān)測向移動監(jiān)測方向發(fā)展；數(shù)據(jù)從測量點、線路平縱斷面線、線路地形圖等幾何元素向高密度空間三維、點云、三維可視化以及設計模型的構建方向發(fā)展。實現(xiàn)監(jiān)測設備高可靠、易維護、檢測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)裙δ?，監(jiān)測要素、圖形、圖像、通信和數(shù)據(jù)處理分析能力進一步加強，實現(xiàn)對基礎設施狀態(tài)高頻適時、可靠監(jiān)測。

(4)監(jiān)測系統(tǒng)智能化研究。高速鐵路運營監(jiān)測從各類分散的單獨系統(tǒng)向綜合運營監(jiān)測，覆蓋全路的綜合化、網(wǎng)絡化、智能化系統(tǒng)發(fā)展；從定性和傳統(tǒng)經(jīng)驗管理向定量化科學管理發(fā)展；從靜態(tài)檢測向動態(tài)檢測、綜合檢測融合發(fā)展。形成系統(tǒng)、智能的動靜態(tài)綜合檢測監(jiān)測系統(tǒng)。

4 結語

從工程測量專業(yè)角度定義了高速鐵路運營監(jiān)測的基本概念，系統(tǒng)闡述了運營監(jiān)測的分類方式、特點和主要內(nèi)容，分析其與綜合檢測、變形監(jiān)測、結構健康監(jiān)測的關系，對運營監(jiān)測的主要內(nèi)容和技術方法進行系統(tǒng)介紹，并對未來發(fā)展趨勢和研究方向進行了技術展望，對豐富運營監(jiān)測技術體系和方法、發(fā)展路徑、監(jiān)測技術手段和方法創(chuàng)新方向具有指導意義，對工務管理部門和監(jiān)測實施單位的運營監(jiān)測工作具有一定的參考價值。