下穿既有鐵路項目多技術融合監測方法研究

彭 理

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

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下穿既有鐵路項目多技術融合監測方法研究

彭 理

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

地鐵隧道等地下工程在下穿既有鐵路時，施工監測對項目的安全保障至關重要。監測的主要內容為既有鐵路路基和構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，詳細研究常規手段監測、自動測量機器人以及靜力水準儀自動化監測等多項技術融合監測。

軌道位移監測 自動化監測 自動測量機器人 靜力水準儀

1 概述

隨著城市不斷發展擴張，城市內的既有鐵路像一道屏障阻斷了鐵路兩側的交通，通過下穿隧道的方法能夠打通鐵路兩側的道路交通，為城市的發展提供新的空間。這樣就對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筑物的監測對地鐵下穿施工的順利進行及既有鐵路運營安全保障有至關重要的作用。

2 監測的主要內容和目的

根據項目所處位置和地質情況不同，監測的內容也不盡相同，主要有以下幾個重點的監測內容：

(1)鐵軌水平位移監測；

(2)既有鐵路路基沉降監測；

(3)構筑物形變監測，如鐵路橋、框構等。

3 監測精度指標要求

根據規范要求和中國鐵路總公司的相關管理辦法，基礎變形監測精度指標應滿足的要求如表1所示。

表1 基礎變形監測精度 mm

4 監測方案設計的主要內容

4.1 基礎控制基準的設計

基準點的測設：包括水平位移基準點和沉降監測基準點的布設。

水平位移監測需要建立相對獨立的平面坐標系統；基準點應選擇在遠離施工影響的區域；基準點間應具備和前后點通視的條件。水平位移基準點采用導線的方法進行測量，精度等級為一等(如表2)。

表2 水平位移基準網的主要技術要求

沉降監測基準網可建立獨立的高程基準，也可和當地的高程基準進行聯測后確認。基準點應設在遠離項目施工影響區的穩固位置，布設位置滿足準確、方便測量的需要(如表3)。

表3 沉降監測網主要技術要求和方法 mm

4.2 鐵軌幾何形態監測方案設計

鐵軌幾何形態監測方案包括監測點的布設，自動測量機器人監測數據采集系統，數據實時傳輸、處理系統和網上發布系統。

(1)自動測量機器人連續測量先要選取置鏡點，保證置鏡點相對于監測點的角度并能清晰看到棱鏡(視線不能穿越樹杈、鋼絲網等障礙物)。測量時需要使用正鏡和倒鏡分別觀測監測點，兩次較差滿足限差要求后方可取用其值。如果自動測量機器人布設在露天環境，應考慮到下雨、冰凍等影響，需要采取一定的防護措施(如制作防雨罩)，同時保證電力供應。

選取的置鏡點可以是平面監測的基準點或者是穩固的非施工影響范圍的任意適合點，測量時可采用后方交會模式取得置鏡點坐標。

(2)鐵軌幾何形態監測點用于監測軌道的平面變化，故將監測點使用扣件直接與軌道相連，將棱鏡通過鋼質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伸出足夠距離，以保證火車經過時車輪與觀測棱鏡不會發生碰撞，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

監測點布設要牢固可靠，避免鋼質卡件松動給列車運營造成危害。同時，監測點位需要在同里程處左右鋼軌各設置一個監測棱鏡點，以便監測鐵軌軌距及水平的變化。

(3)數據實時處理和網上發布系統BS：一是數據采集模塊，包含自動化測量全站儀、通信模塊，通過處理器實時將全站儀的數據導出并自動進行處理，刪除粗差，通過移動網數據采集控制模塊進行集成。可以實時采集各監測點的監測信息并發回數據處理服務器。二是網絡服務器數據處理系統，實時處理采集器傳回來的數據，發送到網絡平臺進行實時發布。

4.3 既有鐵路路基沉降監測

考慮到所監測的鐵路線為既有運營鐵路，為避免上線監測對正常鐵路運營帶來的干擾及滿足監測精度、頻度的要求，決定采用液態靜力水準儀來完成該項監測項目。靜力水準是一種精密液位測量系統，該系統設計用于測量多個測點的相對沉降，其監測沉降的精度可達0.1 mm，并可實現數據的自動采集、分析及成果發送，既可以在滿足監測精度要求的條件下減少對鐵路運行的影響，同時也避免了作業人員因上線作業而帶來的人身風險。根據該工程的實際情況，決定在線路兩側路肩及兩條鐵路之間布設帶狀靜力水準儀系統(如圖2所示)。

圖2 靜力水準儀布設

4.4 周邊環境形變監測

線路兩側地表沉降監測采用人工水準測量方法來實現。使用高精度電子水準儀進行二等水準測量來獲取現場地表沉降點高程信息。

地表沉降監測點的布設采用植入鋼筋、周邊用水泥砂漿固定的方法埋設。為保護測點不受破壞，地表沉降監測點采用窖井埋設。

4.5 各監測技術方案融合設計

針對不同的監測目的，采用適合的監測技術，利于對目標物形變的針對性分析。采用集成設計將各監測技術進行融合，通過對采集到監測數據的綜合分析，相互驗證和對比分析，以得到高精度、可靠的監測成果。

(1)測量機器人自動化監測與靜力水準監測系統融合方案

兩個監測系統有共同的數據采集和傳輸分析模式，具備系統模式融合的硬件基礎。需要在后臺數據服務器增加數據接收格式轉換的模塊及功能(即增加系統數據獲取源)。將兩套系統監測的數據放到一起，用相同的模型進行計算與分析：①在靜力水準儀安置墩上加設測量機器人監測的觀測點位，同基礎上增加一個強制歸心棱鏡。靜力水準儀數據采集為每5 min一次，自動測量機器人數據采集為每2 h一次，所有自動測量機器人數據采集時刻靜力水準儀也將有觀測數據。②數據采樣間隔時間段一致。對比分析中將采樣間隔設置一致，因受鐵路運營影響，部分軌道監測點無法同期完成全部觀測，靜力水準采集在該時段內也會受影響。數據處理時應將該部分不合格數據剔除。③數據分析處理。

(2)常規精密水準測量與靜力水準監測系統融合方案

在3條靜力水準儀觀測帶每一臺儀器的安裝墩上都預先埋設鋼質沉降標，監測人員定期進行二等水準測量。如此可以得到各靜力水準儀監測點二等水準測量的沉降量，對比二者監測數據即可相互驗證系統的穩定性和可靠性。

(3)測量機器人自動化監測系統與常規精密水準融合

在3條靜力水準儀觀測帶每一臺儀器的安裝支架上都預先通過焊接的方法固定棱鏡。

這樣與預先埋設在靜力水準儀安裝墩上的沉降監測標便為同一監測位置，對比二者監測數據即可相互驗證系統的穩定性和可靠性。

5 多技術方案融合工程實例數據分析

各系統沉降曲線對比如圖3、圖4所示。

圖3 L307號沉降點自動測量機器人觀測

圖4 L307號沉降點靜力水準儀觀測

圖3、圖4為從2016年2月2號至3月15號同一觀測位置靜力水準儀及自動測量機器人兩套系統所測沉降曲線，其中靜力水準儀所測結果由于受溫度等外界情況影響會在每天固定時間出現較大波動(圖4中突出的單線)。對比兩圖可以看出，在這一時間段內兩套監測系統沉降趨勢都較為穩定，到監測結束均較2月2號有0.6 mm左右的回升，說明兩套自動化監測系統所測結果滿足方案的精度要求。

圖5 鐵路路基沉降監測點三種不同監測手段監測沉降量對比

從圖5可以看出，靜力水準儀及自動測量機器人監測系統與傳統的二等水準測量所測結果差值均在1 mm以內，說明本項目自動監測系統測量精度較高且穩定。

圖6 鐵軌209號監測點位移曲線

209號監測點為鐵軌幾何形態監測點，位于隧道左線正上方，從圖6可以看出，該監測點形變在整個監測周期里較為穩定。本項目線上5股道共布設100個鐵軌幾何形態變化監測點，9個電氣化接觸桿沉降監測點。在整個監測周期內各監測點變形量不大，均未發生超限。

圖7 一條靜力水準儀觀測帶沉降曲線

圖7為鐵路東側路基靜力水準儀觀測帶在整個觀測周期內的沉降曲線，從圖7可以看出，鐵路路基最大沉降在4 mm左右，到監測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年畢業于西南交通大學地理信息系統專業，工程師。

1672-7479(2016)06-0017-04

TU196+.1； TU433

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