鐵路施工便梁沉降自動化監控系統開發與應用

范紅波

(江蘇雷威建設工程有限公司,江蘇南京 210003)

1 概述

對于既有線下穿立交工程,無論是新建、改建，還是擴建、維修,都必須面對一個基本的問題：要支撐上部鐵路線路不間斷的鐵路運輸,確保施工期間的鐵路行車安全。鐵路D型施工便梁能較好地適應這個要求,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工程中最關鍵的工作是通過架設D型施工便梁對既有鐵路進行加固,保證在施工期間線路能時刻滿足鐵路運輸安全需要，所以,監測D型施工便梁4個支點沉降位移問題就是重中之重了。通常的做法是使用水準儀對便梁的沉降位移進行人工測量,對測得的數據作出判斷。其存在如下缺點：

①人工監測費工費時,精確度不高。

②人工監測頻度不高,對監測對象的狀態變化響應度差。

③人工監測受環境的影響大,如運輸密集時,黑夜、雷暴風雨時,對人工監測會產生很大的干擾和影響。

④作業人員在如此高的行車密度下人身安全隱患大。

在以往的工程實踐中,這種人工監測方法的成效主要取決于便梁支墩方式和施工單位的應急能力,難以解決運輸、建設部門及施工單位對便梁沉降影響行車安全的深層次顧慮與擔憂。在這種背景下,開發了全天候、高頻度、實時精確、自動化的便梁沉降位移監測系統,運用現代先進的監測方式,改造傳統的便梁沉降監測方法,實現對D型施工便梁的全自動、高可靠度的監測。

2 系統開發思路與功能特點

2.1 系統開發思路

基于對人工監測缺點的分析,進行自動化監測系統設計的原理和方法有所不同,主要體現在：①選用具有實時監測功能的高精度靜力水準儀,測量過程達到完全的自動化和計算機智能控制。②施工便梁的姿態變化情況以三維動畫的形式反映在屏幕上,使監測情況更直觀(如圖1所示)。

系統開發著眼于克服傳統人工測量方式的缺點,提高觀測可靠性和測量的及時性,避免人工測量造成的較大誤差。在工程施工過程中,采集施工便梁支點的變化軌跡數據,對其進行科學的分析與數據的計算,從而真實反映軌道控制狀態，為行車安全、施工安全提供可靠的保證。

圖1 施工便梁姿態監控工作流程

2.2 系統功能特點

①實現實時性、連續性跟蹤測量,不受外界因素的影響。

②整個測量過程記錄、存儲、計算和出報表等工作完全采用自動化,避免人工記錄和計算而出現的錯誤,保證了監測精度；避免人員頻繁上道測量,減少了此類人身安全隱患。

③根據監測點的不同要求，以三維動畫的形式直觀表示其變化形態幅度及范圍。

④根據工況要求自動設置預警和報警二級裝置,保證施工階段全過程的安全。

3 系統設備構成

整個鐵路施工便梁姿態監測系統采用靜力水準儀、靜態數據采集儀、可視化分析處理數據軟件等三部分組成。

3.1 靜力水準儀

靜力水準儀(連通液位沉降計)是一種電感調頻的總線型位移計,由兩個或多個位移計用連接管連接而成,位移計則由液缸、浮筒、液位傳感器、保護罩等部件組成(見圖2)。

圖2 靜力水準儀示意

3.2 靜態數據采集儀

用于連接靜力水準儀,通過六芯(弦式)/四芯(電感調頻式)水工電纜完成數據傳輸與電源供電工作。靜態數據采集儀采用了直接物理量輸出的RS485接口,可以與計算機的串行口直接相連接(經RS232～RS485轉換器),或通過無線模塊完成對傳感器的參數設置、數據采集工作。

3.3 可視化分析處理數據軟件

可視化分析處理數據軟件結構由工程管理器、工程瀏覽器及運行系統三部分構成。在軟件運行時,施工便梁的姿態變化情況以三維動畫的形式反映在屏幕上,所有這一切都是以實時數據庫為中心環節。數據庫是聯系上位機和下位機的橋梁，通過實時數據庫中的變量與現場監測儀器同步變化,再建立畫面的圖素與數據庫變量的對應關系,這樣就形成了“動畫連接”。 施工現場的數據,比如溫度、便梁沉降量等,當它們發生變化時,通過I/O接口,將引起實時數據庫中變量的變化。可視化分析處理數據軟件提供了強有力的報警和事件系統,并且操作方法簡單。

4 工程應用

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,京滬鐵路交點里程為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段繁忙干線,鐵路行車密度高,施工干擾大。D型施工便梁加固線路、開挖基坑、框架橋頂進、線路恢復等工作直接影響鐵路行車安全。

該工程施工范圍為：在工作坑內預制頂進長55.61 m的箱涵,框架頂進前采用D24便梁加固7條線路,采用320 t液壓頂進系統實施頂進。施工范圍內地質情況以粉砂及粉質黏土為主,土體含水量大,黏結力低,基坑開挖及頂進過程中既有路基極易造成塌方,對鐵路行車安全造成較大威脅。因此,我們對該處2條正線上的2孔D24 m施工便梁采用該自動化監測系統進行便梁沉降監測。

4.1 便梁監測點的布置

在每片D型施工便梁的縱梁兩端頭位置分別布置1個施工便梁監測儀,在便梁外部路基上布置一個施工便梁監測儀作為相對基準點,使其與便梁上的4個施工便梁監控測儀相連(見圖3、圖4),每孔便梁需布置5個施工便梁監測儀。

圖3 便梁上布點三維示意

圖4 便梁上測點與路基相對基準點相連接

4.2 便梁監測的作業步驟

作業實施步驟如圖5所示。

圖5 監測的作業實施步驟

4.3 監測報警限值的確定

根據《既有線提速200～250 km/h線橋設備維修規則》表5.2.1對線路軌道幾何尺寸容許偏差規定,再換算到監測點位移的變化,進而提出一個以控制三角坑病害為主的警報限值(如圖6所示)。

圖6 報警限值計算(單位：mm)

以限速(160 km/h)運行為例推導報警限值

則換算到便梁上的警報限值ζ為

ζ=L·tanθ=4.0×0.005 57=22.3 mm

4.4 應用情況

該施工便梁自動化監控系統在常州市泡桐路下穿京滬鐵路立交改造工程項目上成功應用,對上、下行正線上的2孔施工便梁的8個支點進行了全過程的監測,取得滿意結果。監測表明,該系統在框架頂進過程中連續跟蹤測量施工便梁姿態狀況良好。測量1個點能達到3 s/次,適應火車震動的環境,系統可以長期連續運行。監測結果如圖7所示。

圖7 監測結果曲線

5 結束語

鐵路施工便梁沉降自動化監控系統已成功運用于常州泡桐路下穿立交改造工程中,通過在工程中應用,對各種困難條件適應性的檢驗,表現出良好的性能：

測量方法精準，數據反應及時，適應環境可靠，遠程監測有效，姿態變化直觀,作為運用科技手段保證行車安全和施工安全的有效方法,取得了較好的效果,具有推廣使用價值。

參考文獻

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