鐵路施工便梁沉降自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

范紅波

(江蘇雷威建設(shè)工程有限公司,江蘇南京 210003)

1 概述

對(duì)于既有線下穿立交工程,無(wú)論是新建、改建，還是擴(kuò)建、維修,都必須面對(duì)一個(gè)基本的問(wèn)題：要支撐上部鐵路線路不間斷的鐵路運(yùn)輸,確保施工期間的鐵路行車(chē)安全。鐵路D型施工便梁能較好地適應(yīng)這個(gè)要求,因而在下穿立交工程中得到了普遍采用。既有線下穿立交頂進(jìn)工程中最關(guān)鍵的工作是通過(guò)架設(shè)D型施工便梁對(duì)既有鐵路進(jìn)行加固,保證在施工期間線路能時(shí)刻滿(mǎn)足鐵路運(yùn)輸安全需要，所以,監(jiān)測(cè)D型施工便梁4個(gè)支點(diǎn)沉降位移問(wèn)題就是重中之重了。通常的做法是使用水準(zhǔn)儀對(duì)便梁的沉降位移進(jìn)行人工測(cè)量,對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)作出判斷。其存在如下缺點(diǎn)：

①人工監(jiān)測(cè)費(fèi)工費(fèi)時(shí),精確度不高。

②人工監(jiān)測(cè)頻度不高,對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)變化響應(yīng)度差。

③人工監(jiān)測(cè)受環(huán)境的影響大,如運(yùn)輸密集時(shí),黑夜、雷暴風(fēng)雨時(shí),對(duì)人工監(jiān)測(cè)會(huì)產(chǎn)生很大的干擾和影響。

④作業(yè)人員在如此高的行車(chē)密度下人身安全隱患大。

在以往的工程實(shí)踐中,這種人工監(jiān)測(cè)方法的成效主要取決于便梁支墩方式和施工單位的應(yīng)急能力,難以解決運(yùn)輸、建設(shè)部門(mén)及施工單位對(duì)便梁沉降影響行車(chē)安全的深層次顧慮與擔(dān)憂(yōu)。在這種背景下,開(kāi)發(fā)了全天候、高頻度、實(shí)時(shí)精確、自動(dòng)化的便梁沉降位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng),運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)的監(jiān)測(cè)方式,改造傳統(tǒng)的便梁沉降監(jiān)測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)D型施工便梁的全自動(dòng)、高可靠度的監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)思路與功能特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)思路

基于對(duì)人工監(jiān)測(cè)缺點(diǎn)的分析,進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理和方法有所不同,主要體現(xiàn)在：①選用具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能的高精度靜力水準(zhǔn)儀,測(cè)量過(guò)程達(dá)到完全的自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)智能控制。②施工便梁的姿態(tài)變化情況以三維動(dòng)畫(huà)的形式反映在屏幕上,使監(jiān)測(cè)情況更直觀(如圖1所示)。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)著眼于克服傳統(tǒng)人工測(cè)量方式的缺點(diǎn),提高觀測(cè)可靠性和測(cè)量的及時(shí)性,避免人工測(cè)量造成的較大誤差。在工程施工過(guò)程中,采集施工便梁支點(diǎn)的變化軌跡數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的分析與數(shù)據(jù)的計(jì)算,從而真實(shí)反映軌道控制狀態(tài)，為行車(chē)安全、施工安全提供可靠的保證。

圖1 施工便梁姿態(tài)監(jiān)控工作流程

2.2 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

①實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性、連續(xù)性跟蹤測(cè)量,不受外界因素的影響。

②整個(gè)測(cè)量過(guò)程記錄、存儲(chǔ)、計(jì)算和出報(bào)表等工作完全采用自動(dòng)化,避免人工記錄和計(jì)算而出現(xiàn)的錯(cuò)誤,保證了監(jiān)測(cè)精度；避免人員頻繁上道測(cè)量,減少了此類(lèi)人身安全隱患。

③根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的不同要求，以三維動(dòng)畫(huà)的形式直觀表示其變化形態(tài)幅度及范圍。

④根據(jù)工況要求自動(dòng)設(shè)置預(yù)警和報(bào)警二級(jí)裝置,保證施工階段全過(guò)程的安全。

3 系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成

整個(gè)鐵路施工便梁姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用靜力水準(zhǔn)儀、靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、可視化分析處理數(shù)據(jù)軟件等三部分組成。

3.1 靜力水準(zhǔn)儀

靜力水準(zhǔn)儀(連通液位沉降計(jì))是一種電感調(diào)頻的總線型位移計(jì),由兩個(gè)或多個(gè)位移計(jì)用連接管連接而成,位移計(jì)則由液缸、浮筒、液位傳感器、保護(hù)罩等部件組成(見(jiàn)圖2)。

圖2 靜力水準(zhǔn)儀示意

3.2 靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀

用于連接靜力水準(zhǔn)儀,通過(guò)六芯(弦式)/四芯(電感調(diào)頻式)水工電纜完成數(shù)據(jù)傳輸與電源供電工作。靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采用了直接物理量輸出的RS485接口,可以與計(jì)算機(jī)的串行口直接相連接(經(jīng)RS232～RS485轉(zhuǎn)換器),或通過(guò)無(wú)線模塊完成對(duì)傳感器的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集工作。

3.3 可視化分析處理數(shù)據(jù)軟件

可視化分析處理數(shù)據(jù)軟件結(jié)構(gòu)由工程管理器、工程瀏覽器及運(yùn)行系統(tǒng)三部分構(gòu)成。在軟件運(yùn)行時(shí),施工便梁的姿態(tài)變化情況以三維動(dòng)畫(huà)的形式反映在屏幕上,所有這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為中心環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)庫(kù)是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器同步變化,再建立畫(huà)面的圖素與數(shù)據(jù)庫(kù)變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系,這樣就形成了“動(dòng)畫(huà)連接”。 施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù),比如溫度、便梁沉降量等,當(dāng)它們發(fā)生變化時(shí),通過(guò)I/O接口,將引起實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中變量的變化?？梢暬治鎏幚頂?shù)據(jù)軟件提供了強(qiáng)有力的報(bào)警和事件系統(tǒng),并且操作方法簡(jiǎn)單。

4 工程應(yīng)用

常州市泡桐路下穿京滬鐵路立交改造工程位于常州戚墅堰站內(nèi),京滬鐵路交點(diǎn)里程為K1298+514.66,以一孔14 m框架橋下穿7股線路,其中正線2條,站線5條。京滬鐵路為雙線電氣化區(qū)段繁忙干線,鐵路行車(chē)密度高,施工干擾大。D型施工便梁加固線路、開(kāi)挖基坑、框架橋頂進(jìn)、線路恢復(fù)等工作直接影響鐵路行車(chē)安全。

該工程施工范圍為：在工作坑內(nèi)預(yù)制頂進(jìn)長(zhǎng)55.61 m的箱涵,框架頂進(jìn)前采用D24便梁加固7條線路,采用320 t液壓頂進(jìn)系統(tǒng)實(shí)施頂進(jìn)。施工范圍內(nèi)地質(zhì)情況以粉砂及粉質(zhì)黏土為主,土體含水量大,黏結(jié)力低,基坑開(kāi)挖及頂進(jìn)過(guò)程中既有路基極易造成塌方,對(duì)鐵路行車(chē)安全造成較大威脅。因此,我們對(duì)該處2條正線上的2孔D24 m施工便梁采用該自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行便梁沉降監(jiān)測(cè)。

4.1 便梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

在每片D型施工便梁的縱梁兩端頭位置分別布置1個(gè)施工便梁監(jiān)測(cè)儀,在便梁外部路基上布置一個(gè)施工便梁監(jiān)測(cè)儀作為相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn),使其與便梁上的4個(gè)施工便梁監(jiān)控測(cè)儀相連(見(jiàn)圖3、圖4),每孔便梁需布置5個(gè)施工便梁監(jiān)測(cè)儀。

圖3 便梁上布點(diǎn)三維示意

圖4 便梁上測(cè)點(diǎn)與路基相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)相連接

4.2 便梁監(jiān)測(cè)的作業(yè)步驟

作業(yè)實(shí)施步驟如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)的作業(yè)實(shí)施步驟

4.3 監(jiān)測(cè)報(bào)警限值的確定

根據(jù)《既有線提速200～250 km/h線橋設(shè)備維修規(guī)則》表5.2.1對(duì)線路軌道幾何尺寸容許偏差規(guī)定,再換算到監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移的變化,進(jìn)而提出一個(gè)以控制三角坑病害為主的警報(bào)限值(如圖6所示)。

圖6 報(bào)警限值計(jì)算(單位：mm)

以限速(160 km/h)運(yùn)行為例推導(dǎo)報(bào)警限值

則換算到便梁上的警報(bào)限值ζ為

ζ=L·tanθ=4.0×0.005 57=22.3 mm

4.4 應(yīng)用情況

該施工便梁自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)在常州市泡桐路下穿京滬鐵路立交改造工程項(xiàng)目上成功應(yīng)用,對(duì)上、下行正線上的2孔施工便梁的8個(gè)支點(diǎn)進(jìn)行了全過(guò)程的監(jiān)測(cè),取得滿(mǎn)意結(jié)果。監(jiān)測(cè)表明,該系統(tǒng)在框架頂進(jìn)過(guò)程中連續(xù)跟蹤測(cè)量施工便梁姿態(tài)狀況良好。測(cè)量1個(gè)點(diǎn)能達(dá)到3 s/次,適應(yīng)火車(chē)震動(dòng)的環(huán)境,系統(tǒng)可以長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)結(jié)果曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

鐵路施工便梁沉降自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)已成功運(yùn)用于常州泡桐路下穿立交改造工程中,通過(guò)在工程中應(yīng)用,對(duì)各種困難條件適應(yīng)性的檢驗(yàn),表現(xiàn)出良好的性能：

測(cè)量方法精準(zhǔn)，數(shù)據(jù)反應(yīng)及時(shí)，適應(yīng)環(huán)境可靠，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)有效，姿態(tài)變化直觀,作為運(yùn)用科技手段保證行車(chē)安全和施工安全的有效方法,取得了較好的效果,具有推廣使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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