下穿既有鐵路項(xiàng)目多技術(shù)融合監(jiān)測(cè)方法研究

彭 理

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

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下穿既有鐵路項(xiàng)目多技術(shù)融合監(jiān)測(cè)方法研究

彭 理

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

地鐵隧道等地下工程在下穿既有鐵路時(shí)，施工監(jiān)測(cè)對(duì)項(xiàng)目的安全保障至關(guān)重要。監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容為既有鐵路路基和構(gòu)筑物位移形變和既有軌道的幾何形變。以合肥地鐵下穿既有鐵路為例，詳細(xì)研究常規(guī)手段監(jiān)測(cè)、自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人以及靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)技術(shù)融合監(jiān)測(cè)。

軌道位移監(jiān)測(cè) 自動(dòng)化監(jiān)測(cè) 自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人 靜力水準(zhǔn)儀

1 概述

隨著城市不斷發(fā)展擴(kuò)張，城市內(nèi)的既有鐵路像一道屏障阻斷了鐵路兩側(cè)的交通，通過下穿隧道的方法能夠打通鐵路兩側(cè)的道路交通，為城市的發(fā)展提供新的空間。這樣就對(duì)下穿既有鐵路的施工安全提出了很高的要求，其中既有鐵路及附屬構(gòu)筑物的監(jiān)測(cè)對(duì)地鐵下穿施工的順利進(jìn)行及既有鐵路運(yùn)營安全保障有至關(guān)重要的作用。

2 監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容和目的

根據(jù)項(xiàng)目所處位置和地質(zhì)情況不同，監(jiān)測(cè)的內(nèi)容也不盡相同，主要有以下幾個(gè)重點(diǎn)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容：

(1)鐵軌水平位移監(jiān)測(cè)；

(2)既有鐵路路基沉降監(jiān)測(cè)；

(3)構(gòu)筑物形變監(jiān)測(cè)，如鐵路橋、框構(gòu)等。

3 監(jiān)測(cè)精度指標(biāo)要求

根據(jù)規(guī)范要求和中國鐵路總公司的相關(guān)管理辦法，基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)精度指標(biāo)應(yīng)滿足的要求如表1所示。

表1 基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)精度 mm

4 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

4.1 基礎(chǔ)控制基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)設(shè)：包括水平位移基準(zhǔn)點(diǎn)和沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)。

水平位移監(jiān)測(cè)需要建立相對(duì)獨(dú)立的平面坐標(biāo)系統(tǒng)；基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)選擇在遠(yuǎn)離施工影響的區(qū)域；基準(zhǔn)點(diǎn)間應(yīng)具備和前后點(diǎn)通視的條件。水平位移基準(zhǔn)點(diǎn)采用導(dǎo)線的方法進(jìn)行測(cè)量，精度等級(jí)為一等(如表2)。

表2 水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)的主要技術(shù)要求

沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)可建立獨(dú)立的高程基準(zhǔn)，也可和當(dāng)?shù)氐母叱袒鶞?zhǔn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)后確認(rèn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)應(yīng)設(shè)在遠(yuǎn)離項(xiàng)目施工影響區(qū)的穩(wěn)固位置，布設(shè)位置滿足準(zhǔn)確、方便測(cè)量的需要(如表3)。

表3 沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)主要技術(shù)要求和方法 mm

4.2 鐵軌幾何形態(tài)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

鐵軌幾何形態(tài)監(jiān)測(cè)方案包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)，自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、處理系統(tǒng)和網(wǎng)上發(fā)布系統(tǒng)。

(1)自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人連續(xù)測(cè)量先要選取置鏡點(diǎn)，保證置鏡點(diǎn)相對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的角度并能清晰看到棱鏡(視線不能穿越樹杈、鋼絲網(wǎng)等障礙物)。測(cè)量時(shí)需要使用正鏡和倒鏡分別觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，兩次較差滿足限差要求后方可取用其值。如果自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人布設(shè)在露天環(huán)境，應(yīng)考慮到下雨、冰凍等影響，需要采取一定的防護(hù)措施(如制作防雨罩)，同時(shí)保證電力供應(yīng)。

選取的置鏡點(diǎn)可以是平面監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)或者是穩(wěn)固的非施工影響范圍的任意適合點(diǎn)，測(cè)量時(shí)可采用后方交會(huì)模式取得置鏡點(diǎn)坐標(biāo)。

(2)鐵軌幾何形態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)用于監(jiān)測(cè)軌道的平面變化，故將監(jiān)測(cè)點(diǎn)使用扣件直接與軌道相連，將棱鏡通過鋼質(zhì)卡件與鐵路鋼軌牢固鎖定在一起，延長桿將棱鏡往鐵軌外側(cè)伸出足夠距離，以保證火車經(jīng)過時(shí)車輪與觀測(cè)棱鏡不會(huì)發(fā)生碰撞，棱鏡安裝在軌道上效果如圖1所示。

圖1 棱鏡頭安裝軌道后效果

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)要牢固可靠，避免鋼質(zhì)卡件松動(dòng)給列車運(yùn)營造成危害。同時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位需要在同里程處左右鋼軌各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)棱鏡點(diǎn)，以便監(jiān)測(cè)鐵軌軌距及水平的變化。

(3)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和網(wǎng)上發(fā)布系統(tǒng)BS：一是數(shù)據(jù)采集模塊，包含自動(dòng)化測(cè)量全站儀、通信模塊，通過處理器實(shí)時(shí)將全站儀的數(shù)據(jù)導(dǎo)出并自動(dòng)進(jìn)行處理，刪除粗差，通過移動(dòng)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集控制模塊進(jìn)行集成?？梢詫?shí)時(shí)采集各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)信息并發(fā)回?cái)?shù)據(jù)處理服務(wù)器。二是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)處理采集器傳回來的數(shù)據(jù)，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布。

4.3 既有鐵路路基沉降監(jiān)測(cè)

考慮到所監(jiān)測(cè)的鐵路線為既有運(yùn)營鐵路，為避免上線監(jiān)測(cè)對(duì)正常鐵路運(yùn)營帶來的干擾及滿足監(jiān)測(cè)精度、頻度的要求，決定采用液態(tài)靜力水準(zhǔn)儀來完成該項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。靜力水準(zhǔn)是一種精密液位測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于測(cè)量多個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)沉降，其監(jiān)測(cè)沉降的精度可達(dá)0.1 mm，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析及成果發(fā)送，既可以在滿足監(jiān)測(cè)精度要求的條件下減少對(duì)鐵路運(yùn)行的影響，同時(shí)也避免了作業(yè)人員因上線作業(yè)而帶來的人身風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)該工程的實(shí)際情況，決定在線路兩側(cè)路肩及兩條鐵路之間布設(shè)帶狀靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)(如圖2所示)。

圖2 靜力水準(zhǔn)儀布設(shè)

4.4 周邊環(huán)境形變監(jiān)測(cè)

線路兩側(cè)地表沉降監(jiān)測(cè)采用人工水準(zhǔn)測(cè)量方法來實(shí)現(xiàn)。使用高精度電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行二等水準(zhǔn)測(cè)量來獲取現(xiàn)場(chǎng)地表沉降點(diǎn)高程信息。

地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)采用植入鋼筋、周邊用水泥砂漿固定的方法埋設(shè)。為保護(hù)測(cè)點(diǎn)不受破壞，地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用窖井埋設(shè)。

4.5 各監(jiān)測(cè)技術(shù)方案融合設(shè)計(jì)

針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)目的，采用適合的監(jiān)測(cè)技術(shù)，利于對(duì)目標(biāo)物形變的針對(duì)性分析。采用集成設(shè)計(jì)將各監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行融合，通過對(duì)采集到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析，相互驗(yàn)證和對(duì)比分析，以得到高精度、可靠的監(jiān)測(cè)成果。

(1)測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融合方案

兩個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有共同的數(shù)據(jù)采集和傳輸分析模式，具備系統(tǒng)模式融合的硬件基礎(chǔ)。需要在后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器增加數(shù)據(jù)接收格式轉(zhuǎn)換的模塊及功能(即增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取源)。將兩套系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)放到一起，用相同的模型進(jìn)行計(jì)算與分析：①在靜力水準(zhǔn)儀安置墩上加設(shè)測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)的觀測(cè)點(diǎn)位，同基礎(chǔ)上增加一個(gè)強(qiáng)制歸心棱鏡。靜力水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)采集為每5 min一次，自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人數(shù)據(jù)采集為每2 h一次，所有自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人數(shù)據(jù)采集時(shí)刻靜力水準(zhǔn)儀也將有觀測(cè)數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)采樣間隔時(shí)間段一致。對(duì)比分析中將采樣間隔設(shè)置一致，因受鐵路運(yùn)營影響，部分軌道監(jiān)測(cè)點(diǎn)無法同期完成全部觀測(cè)，靜力水準(zhǔn)采集在該時(shí)段內(nèi)也會(huì)受影響。數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)將該部分不合格數(shù)據(jù)剔除。③數(shù)據(jù)分析處理。

(2)常規(guī)精密水準(zhǔn)測(cè)量與靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融合方案

在3條靜力水準(zhǔn)儀觀測(cè)帶每一臺(tái)儀器的安裝墩上都預(yù)先埋設(shè)鋼質(zhì)沉降標(biāo)，監(jiān)測(cè)人員定期進(jìn)行二等水準(zhǔn)測(cè)量。如此可以得到各靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)點(diǎn)二等水準(zhǔn)測(cè)量的沉降量，對(duì)比二者監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)即可相互驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

(3)測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與常規(guī)精密水準(zhǔn)融合

在3條靜力水準(zhǔn)儀觀測(cè)帶每一臺(tái)儀器的安裝支架上都預(yù)先通過焊接的方法固定棱鏡。

這樣與預(yù)先埋設(shè)在靜力水準(zhǔn)儀安裝墩上的沉降監(jiān)測(cè)標(biāo)便為同一監(jiān)測(cè)位置，對(duì)比二者監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)即可相互驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5 多技術(shù)方案融合工程實(shí)例數(shù)據(jù)分析

各系統(tǒng)沉降曲線對(duì)比如圖3、圖4所示。

圖3 L307號(hào)沉降點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人觀測(cè)

圖4 L307號(hào)沉降點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀觀測(cè)

圖3、圖4為從2016年2月2號(hào)至3月15號(hào)同一觀測(cè)位置靜力水準(zhǔn)儀及自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人兩套系統(tǒng)所測(cè)沉降曲線，其中靜力水準(zhǔn)儀所測(cè)結(jié)果由于受溫度等外界情況影響會(huì)在每天固定時(shí)間出現(xiàn)較大波動(dòng)(圖4中突出的單線)。對(duì)比兩圖可以看出，在這一時(shí)間段內(nèi)兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沉降趨勢(shì)都較為穩(wěn)定，到監(jiān)測(cè)結(jié)束均較2月2號(hào)有0.6 mm左右的回升，說明兩套自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)結(jié)果滿足方案的精度要求。

圖5 鐵路路基沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)三種不同監(jiān)測(cè)手段監(jiān)測(cè)沉降量對(duì)比

從圖5可以看出，靜力水準(zhǔn)儀及自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的二等水準(zhǔn)測(cè)量所測(cè)結(jié)果差值均在1 mm以內(nèi)，說明本項(xiàng)目自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度較高且穩(wěn)定。

圖6 鐵軌209號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線

209號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為鐵軌幾何形態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位于隧道左線正上方，從圖6可以看出，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)形變?cè)谡麄€(gè)監(jiān)測(cè)周期里較為穩(wěn)定。本項(xiàng)目線上5股道共布設(shè)100個(gè)鐵軌幾何形態(tài)變化監(jiān)測(cè)點(diǎn)，9個(gè)電氣化接觸桿沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量不大，均未發(fā)生超限。

圖7 一條靜力水準(zhǔn)儀觀測(cè)帶沉降曲線

圖7為鐵路東側(cè)路基靜力水準(zhǔn)儀觀測(cè)帶在整個(gè)觀測(cè)周期內(nèi)的沉降曲線，從圖7可以看出，鐵路路基最大沉降在4 mm左右，到監(jiān)測(cè)后期趨小并略有回升，最終下沉量在3 mm左右。

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The Program of Deformation Monitoring About Underground Shield Machines Beneath the Existing Railway by Multiple Technologies

PENG Li

2016-08-25

彭 理(1982—)，男，2006年畢業(yè)于西南交通大學(xué)地理信息系統(tǒng)專業(yè)，工程師。

1672-7479(2016)06-0017-04

TU196+.1； TU433

A