王兆寧

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所，北京 100081)

鐵路限界是為了確保機車車輛在鐵路線路上安全運行對機車車輛和鄰近線路的建筑物、設備所規(guī)定的不允許超越的輪廓尺寸線。鐵路基本限界包括機車車輛限界和建筑限界。建筑限界是一個和線路中心線垂直的極限橫斷面輪廓。在此輪廓內(nèi)，除機車車輛及與其有相互作用的設備(車輛減速器，路簽授受器，接觸電線及其他)外，其他設備或建筑物均不得侵入[1-3]。隨著我國鐵路建設進入高峰，隧道在鐵路工程中所占的比重越來越大。隧道內(nèi)設施不斷改進與更新、線路電氣化改造、軌道調(diào)線和隧道整修造成了隧道限界不滿足運輸要求，極大地影響行車安全，尤其是在客貨共線線路上矛盾更為突出。

目前鐵路隧道建筑限界檢測通常采用凈空檢查尺、凈空檢查架、斷面儀等儀器[4]。常規(guī)的檢測方法具有提取的隧道斷面間距大、工作效率低、主觀性強等不足，因此在鐵路有限的天窗時間內(nèi)很難完成隧道建筑限界檢測。激光掃描技術(shù)的發(fā)展使得鐵路隧道建筑限界快速檢測技術(shù)得以開發(fā)和應用。本文主要闡述三維激光掃描技術(shù)在鐵路隧道建筑限界測量上的應用。

1 檢測原理

激光掃描作為有效的非接觸測量技術(shù)，能夠快速、無損地獲得隧道表面綜合信息。測量時利用設備內(nèi)部的激光脈沖發(fā)射器，向隧道表面發(fā)射激光脈沖，通過反光鏡高速旋轉(zhuǎn)，以螺旋線的形式對隧道表面進行全斷面掃描(見圖1)，信號接收器接收反射回來的激光脈沖，對相關數(shù)據(jù)進行記錄。數(shù)據(jù)包含隧道斷面每個測點的反射率和幾何尺寸信息(角度和距離)。檢測原理見圖2[5-6]。通過分析發(fā)射和接收激光信號的強度和相位差，可以獲得隧道襯砌表面掃描點的坐標，上述測量成果構(gòu)成隧道建筑限界分析的基礎資料。

圖1 全斷面掃描螺旋線

圖2 檢測原理示意

2 設備組成

鐵路隧道建筑限界快速檢測設備由Profiler 5002高速相位式激光掃描儀和手推式軌檢小車組成。激光掃描儀每秒可旋轉(zhuǎn)50圈，每圈50萬個測點，測量范圍79 m。軌檢小車內(nèi)嵌的軌距、超高和里程測量傳感器可在激光掃描儀掃描的同時，實時動態(tài)測量當前軌道的幾何參數(shù)和里程信息。該設備對于每一個測點都可產(chǎn)生三維坐標、反射率等信息。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 測量點控制

采用以軌面為測量基準，在垂直于線路中心線的斷面內(nèi)，測量隧道和附屬設施的內(nèi)輪廓點(最近點)距兩軌頂連線的垂直高度及其距垂直平分兩軌頂連線的直線的距離[7]。

3.2 曲線部分的折減

GB 146.2—83《標準軌距鐵路建筑限界》[2]第3.3 條規(guī)定：“在曲線部分相鄰線路中心距離以及線路中線至建筑物間的擴大距離，應按規(guī)定的公式計算”。第3.4 條規(guī)定：“在曲線部分由于外軌超高關系，建筑限界的垂直高度應自內(nèi)外兩鋼軌最高點所組成的直線上算起”。第4.1.1.2條給出了在曲線上建筑限界加寬辦法，計算公式為

式中：W，W1，W2分別為曲線內(nèi)外側(cè)總加寬值、內(nèi)側(cè)加寬值、外側(cè)加寬值，mm；Ri為曲線半徑，m；H為自軌面算起的計算點的高度，mm；h為外軌超高，mm。

(H/1 500)h的值亦可以內(nèi)側(cè)軌頂為軸，將有關限界旋轉(zhuǎn)θ角求得，θ=arctan(h/1 500)。

由于隧道在曲線段加寬，因此隧道曲線部分的限界數(shù)據(jù)應該予以折減，將曲線內(nèi)側(cè)和外側(cè)加寬值減去。

3.3 數(shù)據(jù)整理

計算機對離散數(shù)據(jù)進行整理，以10 mm為單位，將每個拐點的高程向上或向下歸并。同一高程處有多個數(shù)值時取最小值。

3.4 侵限掃描點存留

在數(shù)據(jù)處理過程中，當遇到侵限掃描點時需判斷其有效性。隧道內(nèi)附屬設施的掃描點需保留，而金屬體反光、風沙揚塵等現(xiàn)象會造成掃描點離散，對最終結(jié)果產(chǎn)生影響，需剔出。提取的斷面間距越密，判別侵限掃描點越準確，同時限界檢測程序采用中值濾波算法，將連續(xù)采集的奇數(shù)個數(shù)據(jù)進行排序，取中間值為濾波后的數(shù)據(jù)。這樣能很好地過濾掉離散的掃描點，降低其對檢測結(jié)果的影響[8-11]。結(jié)合激光掃描儀的圖像數(shù)據(jù)，可最終確定侵限掃描點是否存在，見圖3。

圖3 侵限掃描點判定

4 檢測流程

檢測流程主要為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，使用后處理軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，生成隧道限界檢測報告,詳見圖4。

圖4 檢測流程

5 應用實例

某鐵路隧道全長845 m，最大外軌超高127 mm。隧道線路進口0～282 m位于半徑301 m的左曲線上,282～780 m位于直線上,780～845 m位于曲線半徑412 m的右曲線上。

5.1 數(shù)據(jù)采集

將設備(包括軌道測量車、激光掃描儀、電腦等)連接、組裝好后放到軌道上，然后人工推行進行數(shù)據(jù)采集。檢測速度0.5 m /s，檢測斷面間距10 cm，每個斷面采集點數(shù)1萬個。

圖5 斷面提取

5.2 數(shù)據(jù)處理

利用數(shù)據(jù)輸出軟件，按20 cm間距提取隧道斷面(見圖5)，每個斷面提取掃描點500個，點間距5 cm。采集的數(shù)據(jù)以ASCⅡ格式輸出，上面記錄隧道斷面每個掃描點以軌面為測量基準的三維坐標值及斷面處的軌距和超高。

取各個斷面位于同一高程的最接近線路中心的點，將這些點擬合成綜合最小建筑限界。

5.3 檢測結(jié)果

根據(jù)數(shù)據(jù)處理分析得到實測隧道綜合最小建筑限界斷面(見圖6)及其尺寸表(見表1)。

圖6 實測隧道綜合最小建筑限界斷面

表1 隧道綜合最小建筑限界尺寸

將圖6和GB 146.2—83第4.2 條規(guī)定的隧道基本建筑限界圖對比可直觀發(fā)現(xiàn)侵限位置。

通過表1確定實測隧道綜合最小建筑限界在不同高程處隧道左、右半幅中距線路中心的最小距離及其分別對應的控制點位置即控制點距隧道進口的距離，簡稱進深。

6 結(jié)語

隧道檢測天窗時間極其有限，需要盡量縮短在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的時間，將大量的限界分析工作放在室內(nèi)由計算機軟件處理?；谌S激光掃描技術(shù)的鐵路隧道建筑限界快速檢測系統(tǒng)，可搭載檢測車利用天窗時間檢測隧道，也可搭載手推式軌檢小車，具有重量輕，運輸、安裝和拆卸方便等特點，可快速上下線。數(shù)據(jù)分析軟件可錄入海量隧道斷面數(shù)據(jù)，通過計算分析快速生成檢測報告。相比于傳統(tǒng)的鐵路隧道建筑限界檢測技術(shù)，該技術(shù)以其高精度、高密度、高效率的作業(yè)方式提供了一種全新的隧道建筑限界測量方式。

通過現(xiàn)場檢測，采用三維激光掃描技術(shù)可以實現(xiàn)鐵路隧道建筑限界的快速連續(xù)檢測，為鐵路隧道養(yǎng)護維修、運營安全提供技術(shù)保障。