精密測量技術在鐵路營業線變形監測中的應用

朱軼群，李世旗，黃鵬

(溫州市勘察測繪研究院，浙江 溫州 325000)

精密測量技術在鐵路營業線變形監測中的應用

朱軼群*，李世旗，黃鵬

(溫州市勘察測繪研究院，浙江 溫州 325000)

惠民南路與金溫鐵路平面斜交，交角約88°，該交叉口道路的拓寬改造會對鐵路營業線造成一定的影響。文章分析測量精度的基礎上，選擇TCA2003型測量機器人和DNA03型數字水準儀在施工期間對該營業線進行了變形監測。通過制定科學的測量方案，及時進行數據處理與分析，確保了該營業線的安全。

測量機器人；變形監測；報警值；精度

1 概 述

惠民南路是溫州市城市南北向的主干道路之一，是緩解市區交通擁擠的重大民生工程，道路與金溫鐵路平面斜交，交角約為88°，原設計為雙向6車道。目前，除該道路與金溫鐵路交叉口處(包括鐵路南側 30 m、北側 10 m范圍)，其余部分均已建成。鐵路交叉口處現僅為臨時單車道，擁堵不堪，成為整條道路暢通的瓶頸；同時該臨時車道處于金溫鐵路營業線范圍內，且南臨河床，部分道路由于不堪重負亦已坍塌，存在極大的安全隱患。

為及時消除安全隱患，緩解道路擁擠狀況，對該交叉口進行臨時性拓寬改造，改造工程主要包括地基處理(旋噴樁基和注漿)、路基施工、路面處理等工作。由于施工場地正處于鐵路營業線范圍內，施工期間應確保鐵路運輸安全，故需對該營業線開展安全監測工作。

2 變形監測要求與精度分析

2.1 監測頻率與報警值

鐵路營業線安全不容忽視，其變形監測工作要求也很高，本項目根據設計要求和實際情況，在整個施工階段對該營業線開展 24 h線路沉降和水平位移兩方面的變形監測工作。在高壓旋噴樁、注漿加固及其他影響較大的施工作業時，監測頻率為每4小時一次；在影響小的施工作業及后期養護時，監測頻率為每12小時一次。

根據相關規定，設計單位和業主提供本項目的監測報警值，其值如表1所示。

變形監測報警值設置 表1

2.2 變形監測精度分析

由于本項目變形監測精度要求高，報警值小，故本次選用徠卡的TCA 2003型測量機器人和DNA 03型數字水準儀等高精度測量設備分別進行平面和沉降監測。

(1)水平位移監測精度分析[1，2]

當采用全站儀進行極坐標測量時，設測站為N，測量點為P，則P點的平面坐標為下式(1)。

(1)

式中(XP，YP)和(XN，YN)分別為測量點P和測站點N的平面坐標，S為斜距，V為豎直角，α為坐標方位角，則根據誤差傳播定理得到下式(2)。

(2)

式中M為中誤差，ρ=206 265。

因TCA2003有豎軸補償器，故Mα=MV=Mβ，則式(2)可合并為下式(3)。

(3)

當以平距D作為測量距離來計算，式(3)可化為式(4)。

(4)

因此當采用極坐標法，監測點的精度由控制點的點位中誤差MN、測距中誤差MS、測角中誤差Mβ、儀器i角誤差Mi和儀器架設誤差所決定。

①本次每次監測都采用相同的控制點，則控制點本身的點位誤差不影響觀測點的精度。

②測距中誤差MS由儀器標稱精度確定，MS=a+b×S，a為固定誤差，b為比例誤差系數。

④當儀器豎軸傾斜為i時，由豎軸傾斜而引起的水平軸傾斜對水平方向觀測值的影響為△i=i×cosβ×tgV，取其極大值為△i=i×tgV，根據誤差傳播定理△i對監測點平面位置的影響Mi=D×tgV×i/ρ。

因此，當采用TCA2003型全站儀，其測距標稱精度為±(1+1×10-6)mm、測角標稱精度為±0.5″，補償器精度為±0.3″，監測距離控制在 100 m，豎直角控制在10°以內時，由式(4)可得MP=±1.1 mm。同時在實際觀測中加入測距邊的溫度、氣壓改正及增加觀測測回數，可進一步提高和保證監測進度，研究表明，當觀測距離為 100 m時，TCA2003全站儀的ATR精度[3]可達到 0.4 mm[4，5]，遠高于 1.1 mm。

由以上分析可知，本次采用該型全站儀按極坐標法進行水平位移監測時，可監測出 1.1 mm的變化量，該值明顯小于水平位移 2 mm/期的報警值。

(2)沉降監測精度分析[1]

當采用徠卡DNA03型數字水準儀，其標稱精度為每公里觀測高差中誤差u=±0.3 mm，以該儀器進行精密水準觀測時(平均每測站的水準線路長度一般取 50 m)，其每站所測高差中誤差

本項目監測點離基準點距離L不超過 800 m，由以上可知監測點兩期的沉降量中誤差

=±0.38 mm

由以上分析可知，在本項目中采用該型儀器進行精密水準觀測時，可測的監測點 ±0.38 mm的沉降變化量，該值明顯小于沉降 -3 mm/期～+1 mm/期的報警值。

3 現場監測方案

3.1 布網

針對本項目監測要求，本次在鐵路路肩上布設了沉降監測點8個，左右側各4個，標志采用埋設不銹鋼件；水平位移監測點4個，左右側各2個，采用觀測墩和強制對中標志，以上監測點基本呈對稱分布，具體布設如圖1所示。

圖1 變形監測點布設示意圖

同時在施工影響范圍外布設平面基準點3個，采用觀測墩和強制對中標志；并在附近地基基礎穩定的高程建筑和大型橋梁上布設了3個沉降基準點。

3.2 觀測主要技術指標[6]

4 數據處理與分析

本次變形監測歷時20多天，共進行沉降監測83期，水平位移監測77期，對每期觀測數據進行平差處理[7]，得到各監測點每期的平面坐標與高程，并按每5期制作沉降、變形曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 水平位移變形曲線示意圖

圖3 沉降曲線示意圖

對所有水平位移監測數據按每期水平位移速率和累計水平位移量進行分析，情況如下。

(1)4個水平位移監測點中，各點均有多次每期水平位移速率超過報警值，其中S01有6次最大值為 3.7 mm，S02有16次最大值為 8.6 mm，S03有6次最大值為 3.3 mm，S10有10次最大值為 13.6 mm。

(2)4個水平位移監測點中，累計水平位移速率超過報警值的S02有4次，最大值為 11.2 mm；S04有33次，最大值為 10.1 mm。

對所有沉降監測數據按每期沉降速率、24 h沉降速率、累計沉降量進行分析，情況如下。

①C03點在10月3日第14期、C04點在10月4日第24期的每期沉降速率均超過了報警值，分別為 -3.2 mm和 1.1 mm，其余均在報警值內。

②所有沉降監測點的24 h沉降速率均在報警值內，其最大速率為C03點，發生在第8期～14期內，其值為 -2.9 mm。

③所有沉降監測點的累計沉降量均在報警值內，其最大值為C06點，發生在第81期，其值為 -19.5 mm。

通過分析可知，在觀測期內各變形監測點的沉降或水平位移變化都得到了有效監測，部分變化量超過了報警值，及時將各次監測情況上報至業主和施工單位，采取了停工或加固等措施，保障了工程的順利完工，同時也參考變形情況對鐵路進行了調軌，保證了營業線的安全。

5 結 語

TCA2003型測量機器人和DNA03型數字水準儀屬目前高端的測繪儀器之列，其操作簡便、性能優越、精度高、可靠性強，合理使用這些儀器能很好地完成鐵路營業線變形監測等高精度變形監測工作。同時，TCA2003型測量機器人具有自動目標識別、自動照準、自動測量、自動記錄數據等功能，這些功能極大地降低了勞動強度，提高了工作效率，節約了觀測時間，并降低了出錯概率，保證了監測工作的“時效性”。

在今后的高精度變形監測工作中，將結合靜力水準等監測技術手段，配置相應的自動化監測與數據傳輸軟件，實現遠程自動化三維變形監測，并不斷地完善變形分析和預報的理論與方法，形成一整套較為完善的監測預報系統。

[1] 賀志勇，盛飛. 大跨度橋梁的變形監測及其精度分析[J]. 華南理工大學學報·自然科學版，2001，29(8)：86～89.

[2] 黃澤健. TCA2003全站儀在基坑水平位移監測中的應用[J]. 徐州建筑職業技術學院學報，2007，6(4)-7(1)：9～11.

[3] 景琦. 測量機器人的ATR測量重復性試驗新技術[J]. 新技術新工藝，2015，12：74～77.

[4] 周訪濱，趙建三，唐平英. 智能型全站儀在橋梁變形監測中的應用及精度分析[J]. 中外公路，2008，28(3)：114～117.

[5] 郭際明，梅文勝. 測量機器人系統構成與精度研究[J]. 武漢測繪科技大學學報，2000，25(5)：421～425.

[6] JGJ 8-2007. 建筑變形測量規范[S].

[7] 武漢測繪科技大學測量平差教研室. 測量平差基礎[M]. 北京：測繪出版社，1996.

ApplicationofPreciseMeasurementTechnologyonDeformationMonitoringofRailwayBusinessLines

Zhu Yiqun，Li Shiqi，Huang Peng
(Wenzhou Exploration and Survey Institute，Wenzhou 325007，China)

South Huimin road joins the Jinwen railway at an angle of about 88 degrees，to widen of the intersection will cause some influences of the railway business lines. During the period of construction we select TCA2003 measurement robot and DNA03 digital level to monitor the deformation of the railway by analyzing the requirements of business lines’ deformation monitoring and the accuracy of measurement devices. By setting scientific survey plan and processing and analyzing data immediately，this ensures safety of the business lines.

measurement robot；deformation monitoring；alarming value；accuracy

1672-8262(2017)06-111-03

P258，TU196

B

2017—03—06

朱軼群(1981—)，男，高級工程師，大地測量與工程測量。

江蘇省測繪地理信息科研項目(JSCHKY201413)