全站儀自動化監測系統在高速鐵路涉鐵工程監測中的應用研究

徐幼成 中國鐵路上海局集團有限公司皖贛鐵路安徽有限責任公司

1 引言

安全和高速是高速鐵路最首要、最核心的問題。軌道不平順是引起機車車輛振動的主要根源，嚴重的軌道不平順不僅會引起機車車輛劇烈振動，甚至會導致列車脫軌，危及行車安全。隨著城市不斷發展擴張，橫陳在城市中的既有鐵路像屏障一樣阻斷了鐵路兩側的交通，一般可通過上跨橋梁、下穿涵洞等方法打通鐵路兩側的道路交通，為城市發展提供新的可利用空間，然而在施工過程中，必然會對高速鐵路軌道平順性造成影響，這樣就對施工安全提出了更高的要求，同時也對監測成果的實時性、可靠性提出了更高的要求。由于高速鐵路存在行車速度快、行車密度大、線路全封閉等特點，傳統的人工監測只能在晚上天窗點進行，無法滿足監測頻率需求，且人工測量成果數據處理、分析周期長，不能實時監測預警，已無法滿足日益增長的快速施工和不斷提高運營維護效率的要求，因此在高速鐵路涉鐵監測中必須采用自動化監測系統。

當前，國內外學者對自動化監測系統在監測中的應用進行了研究。如文獻[3]中匡團結等詳細介紹了靜力水準自動化監測系統的測量原理、系統組成、路基監測點的布設方式，并對自動化監測數據和人工監測數據進行了對比分析；文獻[4]中魏傳軍對路基監測點采用靜力水準儀及自動測量機器人監測系統與人工二等水準所測結果進行對比，得出自動監測系統測量精度較高且穩定的結論；文獻[5]中陳喜鳳等結合地鐵工程實例，分析了GeoMoS 自動化監測系統的監測精度及該地鐵隧道結構變形趨勢；文獻[6]中柏文鋒結合智能全站儀變形監測的基本數學模型，分析了其應用于地鐵隧道監測的精度情況，并在實際的地鐵隧道中對其監測精度進行了驗證；文獻[7]中徐玉健等以天津地鐵為例對比了測量機器人、靜力水準儀兩套監測系統的精度和可靠性，并對兩種監測方法各自的優缺點進行了總結；由于靜力水準儀自動化監測系統僅能得到路基沉降數據、無法進行軌道幾何狀態測量，且全站儀自動化監測系統在高速鐵路涉鐵監測軌道幾何狀態應用方面研究較少，因此介紹基于自主研發的鐵路立交工程自動化監測系統及其在高速鐵路涉鐵監測中的應用極為必要。

本文的主要目的是基于自主研發的鐵路立交工程自動化監測系統，結合滬蓉高速鐵路涉鐵監測實例，利用0級數顯軌距尺進行人工驗證，并以兩種監測方法軌距、水平成果間的吻合性為指標進行對比分析，驗證全站儀自動化監測系統的精度及可靠性，并得出有意義的結論。

2 鐵路立交工程自動化監測系統組成

2.1 鐵路立交工程自動化監測系統軟件及其特點

鐵路立交工程自動化監測系統是一個集全站儀、傾斜傳感器、氣象氣壓傳感器、互聯網、數據庫等為一體，可以實現計算機遠程控制和配置，具備監測成果網絡發布、形變超限自動報警等功能，能夠實現實時可視化分析結果的24 h 不間斷運行的全自動化監測系統。其軟件包含2 個部分：全站儀自動化數據采集系統、自動化監測系統信息發布平臺（圖1）。

圖1 自動化監測系統信息發布平臺

（1）全站儀自動化數據采集系統：全站儀自動化數據采集系統主要用于定期啟動全站儀對形變監測點進行原始數據采集，并通過數據初步把關后將數據上傳至服務器。主要作用為：①配置相關參數（如：測量周期，測點屬性等）；②根據配置，定期采集原始數據（包括：水平角、垂直角、斜距、氣象值等）；③對原始數據進行初步把關控制，剔除粗差點；4）將數據發往服務器解算。

（2）自動化監測系統信息發布平臺：原始數據實時解算及存儲；隨時查看各形變監測點的三維變化情況，數字和圖形方式分析監測數據；各形變監測點處軌道幾何狀態（軌距、軌向、高低、水平、三角坑等）的查詢及數據、報表下載；儀器故障預警及超限自動消息報警；其數據和圖表可被其他應用軟件（Word、Excel）等進行再編輯。

2.2 鐵路立交工程自動化監測系統硬件部分介紹

鐵路立交工程自動化監測系統硬件部分主要包括：全站儀、監測機、防雨罩、鋼軌扣件、棱鏡等。

（1）全站儀：主要為能夠自動識別、自動照準從而實現半自動測量的徠卡系列全站儀，最常用的為徠卡1201+及TS（TM）系列全站儀。

（2）監測機：是傾斜傳感器、氣象氣壓傳感器、全站儀自動化數據采集系統的硬件集成，另外還包括連接電纜、外接電源、手機SIM卡等。

（3）防雨罩：為全站儀提供防雨功能。

（4）鋼軌扣件、棱鏡：鋼軌扣件為萬向節式軌道監測棱鏡固定裝置，緊扣在軌底，可以實現棱鏡360°無死角旋轉；棱鏡為標準L型棱鏡，與鋼軌扣件搭配使用（圖2、圖3）。

圖2 全站儀自動化監測現場實例

圖3 鋼軌扣件及棱鏡

3 監測實例

3.1 工程概況

本項目位于中鐵上海局集團有限公司安徽省肥東縣境內，立交規模為新建 6 孔（8.5+8.5+12.5+12.5+8.5+8.5）m 框架下穿滬蓉高鐵K435+408，采用頂進法施工，鐵路為有砟軌道，無縫線路，電氣化雙線直線段，線間距5.0 m，P60軌，路基填方高度約6.0 m。

3.2 監測網布設

為保障高速鐵路行車安全，需實時把控軌道幾何狀態的形變情況。在施工影響范圍左側布設11個監測斷面、右側布設5 個監測斷面，斷面間距為6 m，每個監測斷面設置4 個軌道幾何狀態監測點，監測點采用具有專利權的萬向節式軌道監測棱鏡固定裝置固定于鋼軌軌底，保證監測點的布設不影響高速鐵路正常運行，如圖4所示。

圖4 現場監測點位布設示意圖

3.3 測量方法與數據處理

采用2 臺徠卡TS30 全站儀進行自動化監測，每個觀測周期開始前，需讀取氣象氣壓值進行參數改正、測量4個基準點后依次進行監測點測量。根據施工狀況設置監測時間、監測頻率、監測模式等。隨著施工進程的發展，可加大重點部位的觀測頻率。在測量過程中，如果出現目標遮擋（列車駛過等），系統自動根據設置的等待時間進行等待處理。本項目監測頻率為2 h/次，每次觀測2 測回，自動判斷每個測回數據是否合格，至少一個測回滿足限差要求時即可發送至服務器參與平差計算，進而得到軌道幾何狀態參數。

4 人工驗證及討論

鐵路軌距尺是線路維修施工中一種重要的鐵路專用計量器具，主要用于測量軌道幾何狀態中的軌距及水平，分為機械式和數字式，其中0級數顯軌距尺精度最高，能夠直接顯示測量處的軌距值、水平值，有效的減少了由于人工讀數引起的誤差，因此本項目采用0 級數顯軌距尺作為基準來驗證全站儀自動化監測成果的精度及可靠性。

對 比 驗證 時間 為 2019 年 11 月 9 日～2019 年 12 月 8 日 ，由于高速鐵路天窗有限，僅進行17 期（每次天窗測1 期）的0級數顯軌距尺人工驗證，所測軌距、水平成果與同一時間點的全站儀自動化監測系統所測軌距、水平成果進行對比。全站儀監測點對的軌距及水平初始值由軌距尺測量后給定，后續基于點對的距離及高差變化量換算為軌距和水平成果。

2019年11月10 和11月11日，不同點對（里程）處兩種方法的軌距、水平成果對比情況（限于篇幅，僅顯示施工范圍左側上行線11對監測點）如圖5、圖6所示。

圖5 11月10日各點對（里程）處軌距、水平值對比

圖6 11月11日各點對（里程）處軌距、水平值對比

由圖5、圖6 可知，全站儀自動化監測所測軌距、水平值與人工0級數顯軌距尺測量成果在不同點對（里程）處基本完全吻合，其差值均在0.2 mm 以內。即全站儀自動化監測系統能夠準確測算出不同點對（里程）處的軌距、水平值。

對 11 月 9 日～12 月 8 日期間 17 期數據兩種監測方法測得的軌距、水平成果分別求差，并對差值進行統計分析，統計的樣本量均為480個，統計結果如表1所示。

表1 兩種監測方法軌距、水平成果差值統計分析表

由表1可知，全站儀自動化監測系統所測軌距、水平成果與人工0級數顯軌距尺測量軌距、水平成果差值均在1 mm 以內，且差值均方根分別為0.18 mm、0.19 mm，即全站儀自動化監測與人工0 級數顯軌距尺監測成果吻合性較好，能夠滿足現場施工對監測精度的要求。

5 結束語

高效、便捷的自動化、實時化監測是高速鐵路涉鐵工程施工監測的發展方向。本文通過對滬蓉高鐵對鐵路立交工程自動化監測系統和人工0 級數顯軌距尺所測軌距、水平成果進行對比分析，得出以下結論：在不同點對（里程）處兩種監測方法所測軌距、水平成果基本完全吻合，全站儀自動化監測系統能夠準確測算出不同點對（里程）處的軌距、水平值；較長時間段內兩種監測方法所測軌距、水平成果差值均在1 mm 以內，且差值均方根分別為0.18 mm、0.19 mm，表明全站儀自動化監測與人工0級數顯軌距尺監測成果吻合性較好，能夠滿足高速鐵路現場施工對監測精度的要求。

全站儀自動化監測系統具有監測頻率高、數據反饋及時、實時預警、穩定性好、節省人力等特點，已在中鐵上海局集團有限公司多個涉鐵工程監測項目中成功應用，具有安全、實時、高效、經濟，誤差小、精度高等眾多優點，下一步必將具有更為廣闊的市場空間。