精密測量技術(shù)在鐵路營業(yè)線變形監(jiān)測中的應(yīng)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(shù)在鐵路營業(yè)線變形監(jiān)測中的應(yīng)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(yè)線造成一定的影響。文章分析測量精度的基礎(chǔ)上，選擇TCA2003型測量機(jī)器人和DNA03型數(shù)字水準(zhǔn)儀在施工期間對該營業(yè)線進(jìn)行了變形監(jiān)測。通過制定科學(xué)的測量方案，及時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，確保了該營業(yè)線的安全。

測量機(jī)器人；變形監(jiān)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(qū)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(shè)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(cè) 30 m、北側(cè) 10 m范圍)，其余部分均已建成。鐵路交叉口處現(xiàn)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(yè)線范圍內(nèi)，且南臨河床，部分道路由于不堪重負(fù)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(jìn)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(yè)線范圍內(nèi)，施工期間應(yīng)確保鐵路運(yùn)輸安全，故需對該營業(yè)線開展安全監(jiān)測工作。

2 變形監(jiān)測要求與精度分析

2.1 監(jiān)測頻率與報警值

鐵路營業(yè)線安全不容忽視，其變形監(jiān)測工作要求也很高，本項目根據(jù)設(shè)計要求和實際情況，在整個施工階段對該營業(yè)線開展 24 h線路沉降和水平位移兩方面的變形監(jiān)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(yè)時，監(jiān)測頻率為每4小時一次；在影響小的施工作業(yè)及后期養(yǎng)護(hù)時，監(jiān)測頻率為每12小時一次。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，設(shè)計單位和業(yè)主提供本項目的監(jiān)測報警值，其值如表1所示。

變形監(jiān)測報警值設(shè)置 表1

2.2 變形監(jiān)測精度分析

由于本項目變形監(jiān)測精度要求高，報警值小，故本次選用徠卡的TCA 2003型測量機(jī)器人和DNA 03型數(shù)字水準(zhǔn)儀等高精度測量設(shè)備分別進(jìn)行平面和沉降監(jiān)測。

(1)水平位移監(jiān)測精度分析[1，2]

當(dāng)采用全站儀進(jìn)行極坐標(biāo)測量時，設(shè)測站為N，測量點(diǎn)為P，則P點(diǎn)的平面坐標(biāo)為下式(1)。

(1)

式中(XP，YP)和(XN，YN)分別為測量點(diǎn)P和測站點(diǎn)N的平面坐標(biāo)，S為斜距，V為豎直角，α為坐標(biāo)方位角，則根據(jù)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(bǔ)償器，故Mα=MV=Mβ，則式(2)可合并為下式(3)。

(3)

當(dāng)以平距D作為測量距離來計算，式(3)可化為式(4)。

(4)

因此當(dāng)采用極坐標(biāo)法，監(jiān)測點(diǎn)的精度由控制點(diǎn)的點(diǎn)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(shè)誤差所決定。

①本次每次監(jiān)測都采用相同的控制點(diǎn)，則控制點(diǎn)本身的點(diǎn)位誤差不影響觀測點(diǎn)的精度。

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

④當(dāng)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(jù)誤差傳播定理△i對監(jiān)測點(diǎn)平面位置的影響Mi=D×tgV×i/ρ。

因此，當(dāng)采用TCA2003型全站儀，其測距標(biāo)稱精度為±(1+1×10-6)mm、測角標(biāo)稱精度為±0.5″，補(bǔ)償器精度為±0.3″，監(jiān)測距離控制在 100 m，豎直角控制在10°以內(nèi)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(shù)，可進(jìn)一步提高和保證監(jiān)測進(jìn)度，研究表明，當(dāng)觀測距離為 100 m時，TCA2003全站儀的ATR精度[3]可達(dá)到 0.4 mm[4，5]，遠(yuǎn)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(biāo)法進(jìn)行水平位移監(jiān)測時，可監(jiān)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(jiān)測精度分析[1]

當(dāng)采用徠卡DNA03型數(shù)字水準(zhǔn)儀，其標(biāo)稱精度為每公里觀測高差中誤差u=±0.3 mm，以該儀器進(jìn)行精密水準(zhǔn)觀測時(平均每測站的水準(zhǔn)線路長度一般取 50 m)，其每站所測高差中誤差

本項目監(jiān)測點(diǎn)離基準(zhǔn)點(diǎn)距離L不超過 800 m，由以上可知監(jiān)測點(diǎn)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(jìn)行精密水準(zhǔn)觀測時，可測的監(jiān)測點(diǎn) ±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(xiàn)場監(jiān)測方案

3.1 布網(wǎng)

針對本項目監(jiān)測要求，本次在鐵路路肩上布設(shè)了沉降監(jiān)測點(diǎn)8個，左右側(cè)各4個，標(biāo)志采用埋設(shè)不銹鋼件；水平位移監(jiān)測點(diǎn)4個，左右側(cè)各2個，采用觀測墩和強(qiáng)制對中標(biāo)志，以上監(jiān)測點(diǎn)基本呈對稱分布，具體布設(shè)如圖1所示。

圖1 變形監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)示意圖

同時在施工影響范圍外布設(shè)平面基準(zhǔn)點(diǎn)3個，采用觀測墩和強(qiáng)制對中標(biāo)志；并在附近地基基礎(chǔ)穩(wěn)定的高程建筑和大型橋梁上布設(shè)了3個沉降基準(zhǔn)點(diǎn)。

3.2 觀測主要技術(shù)指標(biāo)[6]

4 數(shù)據(jù)處理與分析

本次變形監(jiān)測歷時20多天，共進(jìn)行沉降監(jiān)測83期，水平位移監(jiān)測77期，對每期觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行平差處理[7]，得到各監(jiān)測點(diǎn)每期的平面坐標(biāo)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(jiān)測數(shù)據(jù)按每期水平位移速率和累計水平位移量進(jìn)行分析，情況如下。

(1)4個水平位移監(jiān)測點(diǎn)中，各點(diǎn)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(jiān)測點(diǎn)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(jiān)測數(shù)據(jù)按每期沉降速率、24 h沉降速率、累計沉降量進(jìn)行分析，情況如下。

①C03點(diǎn)在10月3日第14期、C04點(diǎn)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(nèi)。

②所有沉降監(jiān)測點(diǎn)的24 h沉降速率均在報警值內(nèi)，其最大速率為C03點(diǎn)，發(fā)生在第8期～14期內(nèi)，其值為 -2.9 mm。

③所有沉降監(jiān)測點(diǎn)的累計沉降量均在報警值內(nèi)，其最大值為C06點(diǎn)，發(fā)生在第81期，其值為 -19.5 mm。

通過分析可知，在觀測期內(nèi)各變形監(jiān)測點(diǎn)的沉降或水平位移變化都得到了有效監(jiān)測，部分變化量超過了報警值，及時將各次監(jiān)測情況上報至業(yè)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(jìn)行了調(diào)軌，保證了營業(yè)線的安全。

5 結(jié) 語

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

在今后的高精度變形監(jiān)測工作中，將結(jié)合靜力水準(zhǔn)等監(jiān)測技術(shù)手段，配置相應(yīng)的自動化監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸軟件，實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化三維變形監(jiān)測，并不斷地完善變形分析和預(yù)報的理論與方法，形成一整套較為完善的監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)。

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

[2] 黃澤健. TCA2003全站儀在基坑水平位移監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 徐州建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2007，6(4)-7(1)：9～11.

[3] 景琦. 測量機(jī)器人的ATR測量重復(fù)性試驗新技術(shù)[J]. 新技術(shù)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(jiān)測中的應(yīng)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(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成與精度研究[J]. 武漢測繪科技大學(xué)學(xué)報，2000，25(5)：421～425.

[6] JGJ 8-2007. 建筑變形測量規(guī)范[S].

[7] 武漢測繪科技大學(xué)測量平差教研室. 測量平差基礎(chǔ)[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)