鐵路施工便梁沉降自動化監(jiān)控系統(tǒng)開發(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(yīng)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(guān)鍵的工作是通過架設(shè)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(jiān)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(shù)據(jù)作出判斷。其存在如下缺點：

①人工監(jiān)測費工費時,精確度不高。

②人工監(jiān)測頻度不高,對監(jiān)測對象的狀態(tài)變化響應(yīng)度差。

③人工監(jiān)測受環(huán)境的影響大,如運輸密集時,黑夜、雷暴風(fēng)雨時,對人工監(jiān)測會產(chǎn)生很大的干擾和影響。

④作業(yè)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(jiān)測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,難以解決運輸、建設(shè)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(fā)了全天候、高頻度、實時精確、自動化的便梁沉降位移監(jiān)測系統(tǒng),運用現(xiàn)代先進的監(jiān)測方式,改造傳統(tǒng)的便梁沉降監(jiān)測方法,實現(xiàn)對D型施工便梁的全自動、高可靠度的監(jiān)測。

2 系統(tǒng)開發(fā)思路與功能特點

2.1 系統(tǒng)開發(fā)思路

基于對人工監(jiān)測缺點的分析,進行自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的原理和方法有所不同,主要體現(xiàn)在：①選用具有實時監(jiān)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(tài)變化情況以三維動畫的形式反映在屏幕上,使監(jiān)測情況更直觀(如圖1所示)。

系統(tǒng)開發(fā)著眼于克服傳統(tǒng)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(shù)據(jù),對其進行科學(xué)的分析與數(shù)據(jù)的計算,從而真實反映軌道控制狀態(tài)，為行車安全、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

①實現(xiàn)實時性、連續(xù)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(xiàn)的錯誤,保證了監(jiān)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(jù)監(jiān)測點的不同要求，以三維動畫的形式直觀表示其變化形態(tài)幅度及范圍。

④根據(jù)工況要求自動設(shè)置預(yù)警和報警二級裝置,保證施工階段全過程的安全。

3 系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成

整個鐵路施工便梁姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用靜力水準儀、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 靜力水準儀

靜力水準儀(連通液位沉降計)是一種電感調(diào)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(tài)數(shù)據(jù)采集儀

用于連接靜力水準儀,通過六芯(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,可以與計算機的串行口直接相連接(經(jīng)RS232～RS485轉(zhuǎn)換器),或通過無線模塊完成對傳感器的參數(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、工程瀏覽器及運行系統(tǒng)三部分構(gòu)成。在軟件運行時,施工便梁的姿態(tài)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(shù)據(jù)庫為中心環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機和下位機的橋梁，通過實時數(shù)據(jù)庫中的變量與現(xiàn)場監(jiān)測儀器同步變化,再建立畫面的圖素與數(shù)據(jù)庫變量的對應(yīng)關(guān)系,這樣就形成了“動畫連接”。 施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù),比如溫度、便梁沉降量等,當它們發(fā)生變化時,通過I/O接口,將引起實時數(shù)據(jù)庫中變量的變化。可視化分析處理數(shù)據(jù)軟件提供了強有力的報警和事件系統(tǒng),并且操作方法簡單。

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(fù)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(nèi)預(yù)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(tǒng)實施頂進。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(jiān)測系統(tǒng)進行便梁沉降監(jiān)測。

4.1 便梁監(jiān)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(jiān)測儀,在便梁外部路基上布置一個施工便梁監(jiān)測儀作為相對基準點,使其與便梁上的4個施工便梁監(jiān)控測儀相連(見圖3、圖4),每孔便梁需布置5個施工便梁監(jiān)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(jiān)測的作業(yè)步驟

作業(yè)實施步驟如圖5所示。

圖5 監(jiān)測的作業(yè)實施步驟

4.3 監(jiān)測報警限值的確定

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對線路軌道幾何尺寸容許偏差規(guī)定,再換算到監(jiān)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(dǎo)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(yīng)用情況

該施工便梁自動化監(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目上成功應(yīng)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(jiān)測,取得滿意結(jié)果。監(jiān)測表明,該系統(tǒng)在框架頂進過程中連續(xù)跟蹤測量施工便梁姿態(tài)狀況良好。測量1個點能達到3 s/次,適應(yīng)火車震動的環(huán)境,系統(tǒng)可以長期連續(xù)運行。監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

圖7 監(jiān)測結(jié)果曲線

5 結(jié)束語

鐵路施工便梁沉降自動化監(jiān)控系統(tǒng)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(yīng)用,對各種困難條件適應(yīng)性的檢驗,表現(xiàn)出良好的性能：

測量方法精準，數(shù)據(jù)反應(yīng)及時，適應(yīng)環(huán)境可靠，遠程監(jiān)測有效，姿態(tài)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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