陳海軍 鄭子天 倪先桃 劉 暢 李紅輝

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610000；2.四川拓繪科技有限公司，成都 610000）

當(dāng)前我國(guó)鐵路建設(shè)正在快速發(fā)展。為了確保工程質(zhì)量安全，規(guī)定施工單位在建設(shè)期間必須進(jìn)行沉降觀測(cè)，且待沉降數(shù)據(jù)經(jīng)評(píng)估合格后才能進(jìn)行后續(xù)的軌道鋪設(shè)等[1-3]。2018 年，中國(guó)鐵路總公司工管中心將沉降觀測(cè)納入質(zhì)量紅線(xiàn)檢查范圍。同年，發(fā)布的40 號(hào)、45 號(hào)文要求將鐵路沉降觀測(cè)納入信息化管理?？梢?jiàn)，實(shí)現(xiàn)沉降數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化和信息化，是進(jìn)行鐵路建設(shè)及其相關(guān)研究的必備基礎(chǔ)條件。

一般一條鐵路線(xiàn)布置的沉降觀測(cè)點(diǎn)數(shù)以萬(wàn)計(jì)，并且需要對(duì)一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行至少3 個(gè)月的多期觀測(cè)，然后對(duì)大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、平差、分析、擬合及預(yù)測(cè)評(píng)估等運(yùn)算，數(shù)據(jù)量與計(jì)算量龐大[4]。因此，有必要研發(fā)高性能的沉降數(shù)據(jù)處理和評(píng)估系統(tǒng)，科學(xué)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)分析，智能預(yù)測(cè)與預(yù)警，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與管理的自動(dòng)化，輔助指導(dǎo)工作人員準(zhǔn)確把握工程安全，第一時(shí)間掌握異常情況，并準(zhǔn)確分析異常原因與采取相應(yīng)措施，避免安全事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

鐵路沉降數(shù)據(jù)處理及評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)與錄入，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合、預(yù)測(cè)、分析等操作，能夠清晰完整地顯示結(jié)果，方便操作。將鐵路沉降數(shù)據(jù)處理及評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為許多易于控制和解決的子任務(wù)[5]，系統(tǒng)功能如圖1 所示。

系統(tǒng)的具體功能主要包括以下幾個(gè)方面[6]。

（1）文件操作功能。

（2）水準(zhǔn)儀的數(shù)據(jù)處理功能。它對(duì)水準(zhǔn)儀（Trimble Dini 系列產(chǎn)品、Leica DNA 系列產(chǎn)品）的觀測(cè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理，生成測(cè)站高差文件和平差文件，輸出詳細(xì)的測(cè)量觀測(cè)手簿記錄，并對(duì)數(shù)據(jù)信息中的超限觀測(cè)值進(jìn)行核對(duì)，以提醒用戶(hù)，便于用戶(hù)檢查。

（3）高程網(wǎng)平差處理功能。它能夠?qū)ΤＲ?guī)高程網(wǎng)的平差輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行閉合環(huán)自動(dòng)搜索和閉合差檢查，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)高程網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)精度并給出超限提示。在外業(yè)精度統(tǒng)計(jì)合格后，對(duì)平差導(dǎo)入文件進(jìn)行平差計(jì)算，得到高程網(wǎng)所有平差過(guò)程中的精度統(tǒng)計(jì)信息和平差成果與精度，同時(shí)根據(jù)用戶(hù)設(shè)置輸出平差成果文件。

（4）交互式圖形及表格功能。它主要以表格和圖形的形式直觀顯示各種數(shù)據(jù)與分析結(jié)果，包括測(cè)點(diǎn)平面布置圖、沉降-時(shí)間曲線(xiàn)圖以及區(qū)段預(yù)測(cè)工后沉降曲線(xiàn)等，同時(shí)具有豐富的樣式設(shè)置功能，并實(shí)現(xiàn)交互式操作[7]。

（5）曲線(xiàn)擬合與沉降預(yù)測(cè)功能。軟件包含雙曲線(xiàn)法、Asaoka 法及三點(diǎn)法等多種曲線(xiàn)擬合方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合預(yù)測(cè)分析，預(yù)測(cè)分析一定時(shí)間點(diǎn)的沉降值，并結(jié)合軌道荷載引起的沉降分析結(jié)構(gòu)物的工后沉降，可以實(shí)現(xiàn)各種擬合曲線(xiàn)的比較。

（6）整體評(píng)估。任意里程范圍的監(jiān)測(cè)斷面可定義為一個(gè)整體，可對(duì)范圍內(nèi)的各監(jiān)測(cè)斷面上的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合和工后沉降預(yù)測(cè)分析，根據(jù)輸入的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)生成的沉降曲線(xiàn)圖反映范圍內(nèi)的沉降情況。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

鐵路沉降數(shù)據(jù)處理及評(píng)估系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)原始各期沉降數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)分析的結(jié)果等信息。它以Microsoft SQL Server 2000 為數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)表主要有測(cè)點(diǎn)布置屬性表、觀測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)表和沉降預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)表[8]。

（1）測(cè)點(diǎn)布置屬性表包含測(cè)點(diǎn)序號(hào)、測(cè)點(diǎn)類(lèi)型、里程、工程類(lèi)型、填挖高度、減薄層厚度以及距線(xiàn)路核心距離等字段名稱(chēng)。

（2）觀測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)表包括觀測(cè)日期、觀測(cè)周期、觀測(cè)間隔、總天數(shù)、回填高度、高程值、沉降值、總沉降、沉降速度以及工程建設(shè)環(huán)節(jié)等。

（3）沉降預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)表包含規(guī)范雙曲線(xiàn)預(yù)測(cè)值、Verhulst 預(yù)測(cè)值、三點(diǎn)法預(yù)測(cè)值、Asaoka 預(yù)測(cè)值、指數(shù)曲線(xiàn)預(yù)測(cè)值以及灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)值。

2.2 水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)處理及平差

水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)處理及平差模塊包括導(dǎo)入控制點(diǎn)數(shù)據(jù)、添加平差文件、平差參數(shù)設(shè)置、閉合差計(jì)算以及網(wǎng)平差處理等。數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。

2.3 數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)評(píng)估

數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)評(píng)估的主要判定標(biāo)準(zhǔn)主要包括5 個(gè)部分[3]。

（1）根據(jù)路基工程、橋涵等構(gòu)筑物的具體荷載條件和觀測(cè)數(shù)據(jù)信息，對(duì)幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行回歸分析和預(yù)測(cè)分析，綜合判斷沉降變形的發(fā)展趨勢(shì)。初步回歸分析時(shí)，橋涵主體結(jié)構(gòu)竣工后觀察期不少于6 個(gè)月，巖床、路基等地質(zhì)環(huán)境較好的橋涵觀察期不少于2 個(gè)月。

（2）墩臺(tái)沉降按恒載計(jì)算，工后沉降應(yīng)小于20 mm。相鄰橋墩與橋臺(tái)的工后沉降差應(yīng)小于5 mm。

（3）當(dāng)預(yù)測(cè)分析曲線(xiàn)的回歸相關(guān)系數(shù)小于0.92、近3 個(gè)月沉降變形觀測(cè)值在2 mm 以?xún)?nèi)、波動(dòng)幅度小于3 mm 時(shí)，對(duì)是否符合鋪軌標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)勘察設(shè)計(jì)方案、工程建設(shè)、計(jì)量材料和現(xiàn)場(chǎng)勘察進(jìn)行綜合鑒定。

（4）兩次預(yù)測(cè)結(jié)果的最終沉降差異不應(yīng)超過(guò)5 mm，兩次預(yù)測(cè)的間隔時(shí)間一般不少于3 個(gè)月，巖床、路基等地質(zhì)環(huán)境較好的結(jié)構(gòu)物不少于1 個(gè)月。

（5）路基、橋梁等主體施工完成后與無(wú)砟軌道鋪設(shè)前沉降預(yù)測(cè)的時(shí)間間隔應(yīng)滿(mǎn)足S(t)/S(t=∞)≥75%的標(biāo)準(zhǔn)，其中S(t)為預(yù)測(cè)時(shí)的沉降觀測(cè)值，S(t=∞)為預(yù)測(cè)的最終沉降值。

數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)評(píng)估流程如圖3 所示。

2.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)按功能主要分為兩大模塊，分別為水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)評(píng)估分析模塊。系統(tǒng)采用Microsoft Visual Studio 2010 作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用C#編寫(xiě)程序 ，運(yùn)行于Windows 平臺(tái)，并應(yīng)兼容Windows 7、Windows 10 等操作系統(tǒng)。

2.4.1 水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)處理模塊

根據(jù)第2.3 章節(jié)的功能描述進(jìn)行軟件模塊代碼編寫(xiě)和實(shí)現(xiàn)。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員與現(xiàn)場(chǎng)操作員及時(shí)溝通，新增了一些比較實(shí)用的工具，如串口下載數(shù)據(jù)、剔除原始數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、生成成果Excel 報(bào)表等，極大地便捷了數(shù)據(jù)處理工作。

2.4.2 數(shù)據(jù)評(píng)估分析模塊

根據(jù)第2.3 章節(jié)的功能描述進(jìn)行軟件模塊代碼編寫(xiě)和實(shí)現(xiàn)。其中：數(shù)據(jù)查看可以通過(guò)圖形方式對(duì)沉降觀測(cè)斷面和觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行直觀分析，觀察分析沉降趨勢(shì)和沉降速率；沉降分析內(nèi)置了規(guī)范雙曲線(xiàn)法、三點(diǎn)法、Verhulst 法、Asaoka 法、灰色系統(tǒng)GM(1,1)法及指數(shù)曲線(xiàn)共6 種方法，結(jié)合設(shè)置的評(píng)估控制指標(biāo)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合預(yù)測(cè)，計(jì)算出各個(gè)方法的相關(guān)系數(shù)及最終的工后沉降、差異沉降、折角等，并自動(dòng)提示最優(yōu)的擬合預(yù)測(cè)方法，顯示是否滿(mǎn)足評(píng)估要求[9]。

3 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)采用科學(xué)方法進(jìn)行沉降數(shù)據(jù)管理和變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)沉降數(shù)據(jù)處理方法和評(píng)價(jià)分析自動(dòng)化和智能化?？梢越Y(jié)合路基（含過(guò)渡段）、橋梁、涵洞等線(xiàn)下工程的沉降變形觀測(cè)的技術(shù)要求及相關(guān)現(xiàn)行鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范，分析數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量，指導(dǎo)工作人員準(zhǔn)確把握工程安全，及時(shí)了解異常情況，并準(zhǔn)確分析異常原因采取相應(yīng)措施，避免安全事故的發(fā)生。系統(tǒng)可以對(duì)鐵路結(jié)構(gòu)物的工后沉降和最終沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)，有效明確軌道鋪設(shè)時(shí)間，以保證軌道鋪設(shè)質(zhì)量。目前，該系統(tǒng)已在魯南高鐵、安九鐵路以及徐淮鹽鐵路等鐵路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。