鐵路客運專線沉降監測數據管理與分析預測集成系統研發

陳善雄,余 飛,劉紹波,韓 卓

(中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室,武漢 430071)

1 概述

鐵路客運專線建設工程規模大、技術標準高、建設速度快,全線路基、橋涵和隧道的沉降觀測數據量巨大,數據處理量達百萬級,且要求施工建設過程中對線下工程沉降變形進行快速準確地評估,這就需要借助于專用數據庫軟件進行管理和分析。

目前,研究人員已開發了一批用于建筑地基、道路路基、隧道及大壩基礎沉降分析的軟件[1-6],但針對鐵路客運專線工程特點及其沉降變形特征的管理分析軟件還未見報道。根據已建和在建的京津、武廣、鄭西等客運專線的建設經驗來看,其線下工程沉降變形具有沉降變形量小(毫米級)、數據波動大的特點,以往的沉降監測分析軟件不能適應和滿足鐵路客運專線沉降評估的需求。由于我國長大線路的鐵路客運專線還處于初期建設階段,對客運專線無砟軌道工后沉降分析評估沒有成熟的經驗,更缺乏有針對性的沉降觀測數據管理與分析預測軟件,有必要結合鐵路客運專線工程特點、沉降變形特征以及評估工作需求,建立一套科學、系統的無砟軌道沉降變形觀測分析評估系統,進而對路基、橋涵、隧道、過渡段的沉降變形觀測數據進行快速可靠的分析評估,以確保無砟軌道安全順利地鋪設。另一方面,鐵路客運專線沉降變形評估工作涉及到設計、施工、監理、評估和建設單位等多個部門,這就需要針對各部門的職責范圍和工作需求開發對應的功能模塊,并設置權限范圍以實現各部門的協調工作。

針對我國鐵路客運專線沉降變形評估工作的需求,嚴格按照《客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南》[7]的規定,開發建立了《鐵路客運專線沉降觀測數據管理與分析預測集成系統》。該系統融合了沉降觀測數據管理、沉降分析預測、區段沉降評估和全線監控管理等多種功能,實現分級權限信息化管理,提供了豐富的可視化分析工具,系統功能齊全、界面友好、易于擴展,并在武廣鐵路客運專線無砟軌道鋪設條件的評估工作中得到了成功應用。

2 系統設計目標和總體結構

根據高速鐵路線下工程沉降變形觀測與評估的內容、特點和技術要求,分析評估軟件需具備以下功能。

2.1 數據庫管理和查詢功能

具有工程屬性信息和斷面測點數據的快速導入、導出和編輯功能。采用大型數據庫對項目所有觀測斷面的屬性信息、觀測數據、分析圖形和預測結果進行集中管理,并實現多條件組合查詢功能,并可以對沉降設計值和沉降觀測值進行統計分析。

2.2 沉降分析功能

對沉降點和斷面進行沉降過程、沉降速率分析,并以圖形顯示的方式,直觀地給出沉降過程線、沉降速率線、斷面沉降組合線、平均沉降過程線等分析圖形,有效提高沉降分析工作的效率。

2.3 沉降預測功能

能夠同時采用多種方法進行任意時間點的對比預測分析,預測分析方法對于鐵路客運專線沉降變形實測數據具有較好的適用性、準確性和穩定性。

2.4 區段工后沉降和縱向沉降差分析功能

繪制區段縱向沉降盆曲線,包括實際觀測沉降盆曲線、鋪軌期預測沉降盆曲線、最終沉降盆曲線,同時列出各個斷面的沉降差和折角。以圖形方式給出工后沉降沿線路縱向分布圖,為高速鐵路區段沉降變形評估工作提供直觀的分析成果。

2.5 數據報表和分析圖形的自動生成功能

系統以統一格式自動生成數據報表和分析圖形,實現反饋信息的統一標準,有效提高評估報告撰寫的工作效率。

針對以上設計目標,以 Microsoft Windows 2003 Server為服務器系統平臺、Microsoft SQL Server 2000為數據庫平臺,采用 Visual C++語言編程開發了對應的功能模塊,并考慮到鐵路客運專線沉降變形評估的工作流程,建立對應的多層次分級權限管理模式,實現從變形觀測單位(施工)、數據復核單位(監理)、分析評估單位和建設單位的分級管理,系統的總體結構如圖1所示。

圖1 軟件系統框圖

3 系統功能及特點

3.1 數據庫管理

數據庫采用微軟公司的 Microsoft SQLServer作為數據管理平臺。根據高速鐵路客運專線沉降變形觀測的工程管理層次,每一斷面沉降變形觀測數據的相關屬性信息分為 4個層次。系統數據庫依照以上的工程管理層次建立相應的數據信息管理層次,如圖2所示,即標段信息表、工程局信息表、斷面信息表、測點信息表。各個表之間呈樹形結構,可以通過所屬信息如標段 ID、工程局 ID、斷面 ID、測點 ID進行關聯。

數據庫實現的功能為動態建庫與數據導入功能、信息組合查詢與修改功能、觀測數據的調用與統計功能、觀測數據顯示、編輯與導出功能。

(1)動態建庫與數據導入

圖2 鐵路客運專線工程屬性信息結構框圖

針對高速鐵路客運專線工程管理的層次特征,數據庫主要利用各工程局的“工程屬性信息錄入表”文件進行建庫。由于全線各工程局所轄觀測斷面類型、數量差異較大,系統采用動態方式創建數據庫,生成相應的子表以及每個子表的各個字段,為數據信息的存放提供空間。用戶無需關心該數據庫是否存在,不用進行相應的數據庫操作,使得整個過程非常透明,方便用戶的使用。

數據導入主要實現將各工程局的“觀測數據錄入表”導入到數據庫中。由于數據文件量龐大,觀測斷面類型較多、觀測數據記錄繁雜,給數據導入過程帶來一定的困難。本系統采用“代碼識別”和“集中導入”的方式,順序對每一個“觀測數據錄入表”的斷面樁號進行識別,并對其結構類型(路基、涵洞、橋梁、隧道)予以區分,將數據信息存放在相應的子表存儲空間內,實現數據信息快速、有序的導入。程序能夠自動辨別不同結構類型的的數據記錄文件,并且對導入的數據及格式進行檢查,提醒用戶對該文件進行重新校驗。

(2)信息組合查詢與修改功能

系統可以根據標段名、工程局名、斷面樁號、結構物名稱、斷面結構類型、地基形式等進行信息組合查詢,并以列表的形式顯示查詢結果。數據庫查詢的方式主要有兩種,一種是根據斷面樁號的范圍進行查詢,另一種是根據結構物名稱進行查詢。根據斷面樁號進行查詢時,可以在所選樁號范圍內,通過附加“結構特征”、“地基加固方式”等設定過濾條件,查詢符合過濾條件的所有斷面。

(3)觀測數據的調用與統計

用戶利用“查詢”功能查找出所需要的斷面后,系統將以列表的形式給出所查詢斷面的概況信息,由用戶判斷和確認這些斷面是否可以用來分析。

當表格中的信息符合用戶分析條件時,將這些斷面、斷面所在標段、斷面下面的觀測點、以及斷面觀測點的所有觀測記錄全部從數據庫中調出,并在樹形控件中顯示這些信息。用戶可以在左邊的樹形控件中選擇合適的斷面、觀測點進行沉降分析、沉降預測等,如圖3所示。

圖3 觀測數據的調用

沉降數據統計分析功能可以查找出區段內斷面沉降排名信息。統計沉降數據的方式有:斷面最大沉降設計值(從大到小)、斷面最小沉降設計值(從小到大)、斷面最大沉降觀測值(從大到小)、斷面最小沉降觀測值(從小到大),用戶可以根據需要選擇合適的查詢方式,查看關心的斷面屬性信息和觀測數據。

(4)觀測數據的編輯、顯示與導出

當用戶打開指定的數據(如某一斷面)時,系統自動顯示出該斷面的所有沉降點的信息,如沉降量、施工狀態、填土高度等,并以表格的形式列出。用戶可以在表格中對數據進行修改、增加、刪除、插入等操作,即可以完成數據庫的同步更新。

本系統中采用了數據表格、曲線圖形兩種方式顯示數據。當用戶選擇要查看的某個斷面或沉降點時,軟件將自動從數據庫中讀取相應的數據信息,并自動繪制出該沉降點的沉降過程曲線、沉降速率曲線等,直觀地給出沉降變形的發展過程,如圖3所示。

本軟件系統完全實現和 Excel進行數據交互。用戶可以實現 Excel文件的數據讀取和 Excel文件的保存。此外,對于一些格式不同的數據,可以直接將 Excel表格數據剪切、復制、粘貼,使本系統和 Excel軟件完美交互。

為了方便用戶生成合適的報告,減少用戶的工作量,可以將表格數據和曲線圖片數據導出到 Word文件中,且可以將系統生成的一些曲線以圖片方式保存,方便用戶的查看和將來的使用。

數據庫數據的更新主要是指用戶修改了觀測點以及該觀測點的觀測記錄時,可以將修改后的數據重新寫入數據庫中,實現更新數據庫的目的。

3.2 沉降分析與預測

(1)沉降分析

利用沉降分析模塊進行沉降點沉降過程分析、沉降點沉降速率分析、斷面平均沉降分析、斷面差異沉降分析、斷面平均沉降速率分析,及時了解沉降變形的發展態勢,并以圖形曲線的形式直觀地反映給管理者。如圖4、圖5所示。

圖4 斷面沉降過程組合線(3個路面觀測樁)

圖5 斷面沉降速率組合線(3個路面觀測樁)

(2)沉降預測

系統內嵌了 5種工程上較為成熟并廣泛采用的沉降預測方法,包括雙曲線法、拓展雙曲線法、指數曲線法、三點法、Asaoka法。容許用戶同時采用多種方法對側點觀測數據進行預測,如圖6所示,圖形顯示窗口同時給出了沉降過程線和多種預測方法的回歸擬合曲線,列表框同時給出了各種預測方法計算的最終沉降量、結構層引起沉降量、運營結束時沉降量、工后沉降量以及回歸曲線的相關系數,用戶可以很直觀地進行比較分析,選擇與實際觀測沉降變形趨勢最吻合的預測曲線為最優結果保存到數據庫,同時可以單獨將該測點預測成果、圖表輸出成 Word文檔。

圖6 沉降預測綜合比較窗口

3.3 區段縱向沉降差與工后沉降分析

根據觀測斷面沉降變形預測結果,進行區段縱向差異沉降分析,用戶通過選擇起始斷面和結束斷面的樁號,確定需要分析的區段范圍,系統根據用戶輸入的時間點進行沉降預測,并在圖形窗口中顯示分析區段內縱向沉降變形曲線。系統容許用戶根據需要輸入任意時間點,如預鋪軌時間、運營 1年的時間,通過不同鋪軌時間點預測結果的對比分析,確定合理的鋪軌時間。系統給出分析區段內各觀測斷面最終沉降量沿縱向的分布形態;對于每個特征時間點縱向沉降變形曲線,系統以表格形式列出分析區段內相鄰觀測斷面的沉降差和折角,以進行區段差異沉降分析。

根據觀測斷面沉降變形預測結果,進行區段工后沉降分析,系統根據用戶輸入的預鋪軌時間和運營完成的時間,繪制相應時間點的區段沉降變形預測曲線。系統根據運營完成后的預測沉降與預鋪軌時間點預測沉降的差值,并考慮軌道結構自重引起的沉降,計算工后沉降。工后沉降的計算結果與設計限值同時繪制于同一張圖表中,以便分析比較。對于工后沉降超過設計限值的斷面,系統自動形成記錄,并反映在最終報表中。系統根據工后沉降計算結果繪制區段工后沉降沿線路縱向分布圖。

3.4 分析預測結果檢查

當用戶對區段內某測點的分析預測結果有疑問時,可以利用“預測結果查詢”功能對預測分析計算數據進行檢查,如圖7所示。用戶選擇需要查詢的斷面樁號及測點位置后,圖形顯示窗口同時給出沉降 -荷載 -時間曲線、沉降預測曲線、各時間點沉降量、回歸相關系數等預測計算的全部信息。用戶可以利用該功能系統檢查區段內所有測點的分析結果。

3.5 數據報表和評估報告自動生成

評估區段所有測點分析、預測和檢查完成后,用戶可以利用數據庫 Word報表自動生成功能,按統一的格式自動生成數據報表和分析圖形,可以根據用戶需求生成以下幾種類型的報表。

圖7 預測結果查詢與檢查窗口

(1)工后沉降分析圖表

一次性生成的用戶所選區段內所有斷面的工后沉降分析圖表,包含了沉降分析預測計算的過程數據,是評估報告的重要組成部分。

(2)沉降分析結果統計表

匯總列出了評估區段內各工點的分析預測結果,明確的給出了評估指南要求的各項評估指標的計算值,有效提高了評估工作效率。具體包括路基涵洞沉降分析結果統計表、橋梁墩臺沉降分析結果統計表、隧道沉降分析結果統計表、徐變沉降分析結果統計表。

(3)過渡段沉降分析結果統計表

匯總列出了評估區段內過渡段的差異沉降、折角的分析結果,具體包括涵洞過渡段匯總統計表、橋梁過渡段匯總統計表、隧道過渡段匯總統計表。

(4)工后沉降沿線路縱斷面分布圖

軟件系統提供了工后沉降沿線路縱斷面分布圖的繪制功能,并實現了與設計圖紙的拼接。拼接后以圖形顯示方式給出了評估區段的地質條件、地基加固方式、填挖情況、工后沉降、沉降差和評估狀態等關鍵信息,為區段綜合評估分析提供了直觀的分析成果,如圖8所示。

建設單位和工程管理部門可利用該系統對全線評估進度和工后沉降進行監控,為管理中心快速查詢各工點沉降觀測評估結果,實時掌握可能存在工程安全問題的路段,及時制定工程處置對策提供快速、高效的決策平臺。

4 系統軟件的穩定性和適應性

集成系統中嵌入了 5種沉降預測方法,為了保證軟件預測分析的可靠性,需要對軟件系統誤差進行檢驗。采用 5種預測方法的標準函數構造出對應的 5組沉降 時間數據,通過比較軟件預測沉降值與標準函數計算值,實際檢驗軟件的系統誤差。表1為 5種預測方法測試的結果。

圖8 客運專線沉降變形評估進度與工后沉降監控

表1 系統誤差統計(30年后)

綜合以上分析結果,拓展雙曲線法的系統誤差較小,Asoaka法的系統誤差相對較大,5種預測方法的系統絕對誤差范圍為 0.01～0.03mm,相對誤差范圍為0.1%～0.5%。從表1可以看出,系統誤差比鐵路客運專線要求的測量誤差小一個數量級,滿足精度要求。

目前,該軟件系統已成功應用于武廣鐵路客運專線的沉降變形評估工作,近 1000km的實測數據的檢驗表明:

(1)95%以上的觀測斷面,采用本軟件系統均能進行預測分析,尤其對于數據相對波動較大的斷面,總可以找到一種有效的方法進行預測分析。部分不能進行預測分析的斷面,主要是由于觀測數據出現明顯異常或觀測期太短造成的。

(2)采用本軟件進行曲線回歸分析的相關系數,能真實地反映回歸曲線與原始沉降觀測過程線的擬合程度,不同預測方法給出的相關系數存在一定的差異,整體比較而言,三點法和 Asoaka法的相關系數較高,擬合效果較好。

(3)軟件預測值與觀測值整體上較接近,采用不同預測方法得到的預測沉降量存在一定的差異。整體比較而言,三點法的預測誤差較小,預測效果較好;Asoaka法預測誤差不穩定,部分斷面的預測結果嚴重失真;拓展雙曲線法的數據適用性較強,其預測誤差比三點法要大。

(4)軟件給出的最大沉降量和工后沉降量計算結果,符合沉降變形的整體趨勢,準確地反映了沉降變形的最終狀態。

綜合而言,本軟件系統對鐵路客運專線沉降變形實測數據的分析處理過程穩定,計算有效,具有較好的適用性、準確性和穩定性。

5 結論

針對鐵路客運專線沉降變形分析評估的技術要求,開發建立的“鐵路客運專線沉降觀測數據管理與分析預測集成系統”具備了沉降觀測數據管理、沉降分析預測、區段沉降評估、數據報表自動生成和全線監控管理等綜合功能,在設定的權限范圍內,沉降觀測單位可對觀測數據及其工程屬性信息的快速錄入、查詢、編輯、統計和校驗;評估單位可進行沉降過程分析、沉降速率分析、多種預測方法的對比分析、預測總沉降與設計總沉降的比較分析、沉降變形發展趨勢的逐步擬合分析、區段縱向沉降差與工后沉降分析,并自動生成數據報表和分析圖形;建設單位可對全線分析評估結果進行檢視、統計、分析和監控管理。

系統穩定性檢測和武廣鐵路客運專線近 1000km的實測數據的檢驗結果表明,本軟件系統具有很好的針對性和適用性,為鐵路客運專線無砟軌道鋪設條件的評估提供了一套實用、有效和可靠的分析工具,同時很好地保證了各部門的協調工作,為客運專線沉降評估工作的信息化管理、科學決策提供了平臺。

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