徐幼成

(安徽上鐵地方鐵路開(kāi)發(fā)有限公司,合肥 230094)

近年來(lái),隨著我國(guó)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(xiàng)目呈現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)。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(duì)施工區(qū)域的既有鐵路橋梁、路基、軌道等鐵路設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)無(wú)法實(shí)時(shí)采集鐵路軌道幾何尺寸偏差、路基形變等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息,同時(shí)也無(wú)法滿足高頻次監(jiān)測(cè)和形變的實(shí)時(shí)預(yù)警需求[1-2]。因此,研發(fā)一種自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很有必要。

目前,很多學(xué)者在鐵路沉降變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也開(kāi)展研究,劉丙強(qiáng)總結(jié)幾種自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)(沉降計(jì)、磁環(huán)沉降儀、光纖光柵式靜力水準(zhǔn)儀、布里淵光時(shí)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(guò)對(duì)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,建立多種數(shù)學(xué)模型對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)與溫度、監(jiān)測(cè)指標(biāo)與空間位置的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究,并基于此提出一套針對(duì)高架站軌道系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)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(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)SMAIS”,并在京津城際等高鐵進(jìn)行應(yīng)用[4];陸曉勇等采用全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的方法對(duì)高鐵結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[5];?；莸纫员本┑罔F9號(hào)線為例,采用光纖光柵傳感器對(duì)典型區(qū)段的軌道不平順狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)重統(tǒng)計(jì)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(wú)砟軌道系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái),提出監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案[7]。

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

1 外業(yè)數(shù)據(jù)測(cè)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(jiàn)圖1)[8]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道幾何尺寸的數(shù)據(jù)采集,采用特制扣件使監(jiān)測(cè)棱鏡固定在軌頭下方(見(jiàn)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(diǎn)或三點(diǎn)的水平正負(fù)偏差值代數(shù)差的絕對(duì)值來(lái)表示三角坑值[9]。為了便于計(jì)算,在施工區(qū)域左右兩側(cè)36m范圍內(nèi),每6m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,每個(gè)斷面設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),見(jiàn)圖3。

圖1 軌距、水平、高低、軌向、三角坑示意

圖2 軌道監(jiān)測(cè)棱鏡固定裝置

圖3 軌道幾何尺寸監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置示意

利用全站儀自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成外業(yè)數(shù)據(jù)測(cè)量,本系統(tǒng)安裝于全站儀控制器中,用于對(duì)軌道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平角、垂直角、斜距采集,同時(shí)對(duì)氣象值進(jìn)行采集,并對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行控制,然后將數(shù)據(jù)上傳至自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)采集前,需獲取準(zhǔn)確的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)。監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)以獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)(建立獨(dú)立坐標(biāo)系時(shí)應(yīng)以鐵路方向?yàn)榭v軸,垂直鐵路方向?yàn)闄M軸)為基準(zhǔn)建立,在遠(yuǎn)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(cè)回、多測(cè)角的方式測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的三維坐標(biāo)[10]。然后,以其中一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)為后視方向,依次瞄準(zhǔn)各監(jiān)測(cè)點(diǎn),系統(tǒng)對(duì)該過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)學(xué)習(xí),待自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)頻率確定后,即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量,后續(xù)過(guò)程無(wú)需人為干預(yù)。監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)的邊長(zhǎng)宜控制在100m以內(nèi),測(cè)站到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最遠(yuǎn)觀測(cè)距離不應(yīng)大于150m。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的儀器設(shè)備應(yīng)滿足以下要求。

全站儀應(yīng)具有自動(dòng)目標(biāo)搜索、自動(dòng)照準(zhǔn)、自動(dòng)觀測(cè)、自動(dòng)記錄功能,其標(biāo)稱精度應(yīng)滿足:方向測(cè)量中誤差不大于±1″,測(cè)距中誤差不大于±(1mm+1.5ppm)[11]。配套的溫度計(jì)量測(cè)精度不低于±0.2℃,氣壓計(jì)量測(cè)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(cè)法。觀測(cè)技術(shù)要求見(jiàn)表1、表2[12]。

表1 平面網(wǎng)水平方向觀測(cè)技術(shù)要求

表2 沉降觀測(cè)的垂直角測(cè)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(duì)應(yīng)位置上,通過(guò)扣件布設(shè)棱鏡監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)軌距、水平、軌向、高低、軌距變化率和三角坑的監(jiān)測(cè)。軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)采用相對(duì)測(cè)量的方式進(jìn)行采集,即通過(guò)軌距尺等手段準(zhǔn)確獲取軌道初始的幾何尺寸值,通過(guò)本自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量得出的各軌道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)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(cè)數(shù)據(jù)后,自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行解算,生成平差文件,推算概略坐標(biāo),然后根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行約束平差,得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。

獨(dú)立坐標(biāo)系初步設(shè)置時(shí),坐標(biāo)軸指向并不是完全和鐵路方向一致,故需要進(jìn)行坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)。選擇同一條鐵軌上兩個(gè)點(diǎn)的平面坐標(biāo),利用軟件計(jì)算變形方位角,見(jiàn)圖4。

圖4 計(jì)算變形方位角

轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)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(guò)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)可以直接計(jì)算出軌道幾何尺寸。

2.2 軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)計(jì)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(gè)斷面的左右兩根鋼軌上分別布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)棱鏡,設(shè)101號(hào)～106號(hào)棱鏡中心坐標(biāo)分別為(x1,y1,h1)～(x6,y6,h6),則變化后的棱鏡中心坐標(biāo)為。使用0級(jí)軌距尺或軌檢小車等工具精確測(cè)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(hào)點(diǎn)到101/105號(hào)點(diǎn)直線的初始距離,有

S′為某一期103號(hào)點(diǎn)到101/105號(hào)點(diǎn)直線的距離,有

h為103號(hào)點(diǎn)到101/105號(hào)點(diǎn)直線的初始垂距,有

h′為某一期103號(hào)點(diǎn)到101/105號(hào)點(diǎn)直線的垂距,有

為了便于計(jì)算,采用6m間距布點(diǎn),則第一點(diǎn)對(duì)(101/102號(hào))與第四點(diǎn)對(duì)(107/108號(hào))的距離為18m,將每個(gè)點(diǎn)對(duì)左右18m范圍內(nèi)的水平值進(jìn)行比較,作為該點(diǎn)對(duì)處的三角坑值。

通過(guò)式(1)～式(11),可直接計(jì)算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)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(jì)軌距加寬值為+,小于設(shè)計(jì)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(cè)控制指標(biāo)及預(yù)警值

鐵路立交工程施工會(huì)擾動(dòng)路基、橋梁承臺(tái)、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(shí),需及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)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(cè)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(jìn)施工期間限速45km/h,按照限速條件下Ⅱ級(jí)偏差來(lái)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(cè)控制值確定后,根據(jù)設(shè)計(jì)單位提出的監(jiān)控量測(cè)控制值,將施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)警狀態(tài)按嚴(yán)重程度由小到大分為三級(jí):黃色預(yù)警、橙色預(yù)警和紅色監(jiān)警。

以監(jiān)測(cè)控制值作為紅色預(yù)警值;以監(jiān)測(cè)報(bào)警值的70%作為橙色預(yù)警值;以監(jiān)測(cè)報(bào)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(bào)表一欄可以下載某一時(shí)刻監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(jiàn)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(xiàng)數(shù)據(jù)均未超過(guò)預(yù)警值,而表4中有1處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平值和三角坑值超過(guò)了控制值,達(dá)到了紅色預(yù)警。當(dāng)軌道幾何尺寸偏差達(dá)到黃色、橙色、紅色預(yù)警時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)送監(jiān)測(cè)預(yù)警短信,以確?，F(xiàn)場(chǎng)軌道幾何尺寸偏差信息的遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)掌控。

系統(tǒng)后臺(tái)可自動(dòng)生成的軌道幾何尺寸偏差檢查記錄,可以得到任意時(shí)刻所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的軌向、高低、軌距、水平、三角坑值等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),便于實(shí)時(shí)掌握鐵路立交工程施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際路基、軌道等的實(shí)時(shí)變形情況,確保鐵路立交工程施工安全和運(yùn)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(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”通過(guò)建立初始坐標(biāo)系和坐標(biāo)相對(duì)位置的換算,實(shí)現(xiàn)鐵路軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)的采集;通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與偏差自動(dòng)分析,實(shí)現(xiàn)軌道幾何尺寸偏差檢查的全過(guò)程和實(shí)時(shí)記錄,以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(xiǎn),有力地保障了鐵路立交工程施工安全和鐵路運(yùn)輸安全。