高速鐵路運營監測技術綜述與展望

張冠軍

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

根據“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃，預計到2025年底，全國鐵路營業里程將達16.5萬km左右，其中高速鐵路(含部分城際鐵路)為5萬km左右[1]。隨著中國高鐵運營規模的不斷擴大，受高速鐵路長期露天服役、運營速度快、天窗維修時間短、周期疲勞荷載強度大等多重因素影響，如何保障高速鐵路在良好服役狀態下安全運行，是鐵路運營管理部門一直面臨的挑戰。

高速鐵路運營期監測是確保高速鐵路運營安全的重要性基礎工作，對高速鐵路基礎設施及其外部環境等進行全過程、周期性的監測數據采集，解算分析和評估預警，掌握其變化規律，采取針對性預防措施，是保障高速鐵路平穩、舒適、安全運行的基礎。中國高速鐵路歷經十幾年的運營實踐，監測覆蓋范圍不斷增加，技術手段和方法不斷發展創新，逐漸初步形成了具有中國特色的運營期精測網復測、基礎變形監測等技術體系和系統方案。包括規程規范、特殊裝備、作業標準及技術成果等，特別是在精密控制網維護、基礎構筑物變形監測、外部環境與災害監測、軌道平順性檢測、大型構筑物健康監測等方面，有了許多開創性的應用。但在高速鐵路運營期監測實踐過程中，還存在監測的內涵和外延不完全明確，監測技術體系和學科建設方面研究不夠，相關制度辦法及技術標準體系建設不完善，動、靜態檢測監測需要進一步結合，多手段、多系統的融合不足，基準維護和變形監測的實時性、智能化、可靠性還有待提高等諸多問題。以下結合運營高速鐵路監測工程實踐經驗，從工程測量專業角度定義高速鐵路運營監測，并對運營監測的基本概念、分類、特點、內容和技術方法、發展趨勢等進行系統研究。

1 高速鐵路運營監測概念及特點

1.1 運營監測的定義

從測繪學科和工程測量專業的角度來看，運營監測屬于鐵路工程測量。按鐵路工程勘察設計、施工建設、運營維護全生命周期階段的不同，鐵路工程測量可分為鐵路勘測、鐵路施工測量和鐵路運營監測(見圖1)[2]。從土木工程結構專業角度，對結構運營健康狀況的監測也可稱為運營監測，即一種為保障工程結構的正常使用和安全可靠，對運營階段環境和荷載作用下結構的靜動態響應進行監測、獲取結構狀態信息、并對其服役狀態評估和報警的活動。

圖1 鐵路工程測量階段劃分

高速鐵路運營監測是為滿足高速鐵路運營維護任務而進行的測量工作。服務對象是高速鐵路，服務階段是運營維護，專業性質是工程測量。其目的是了解運營期間高速鐵路基礎設施的服役狀態，以滿足高速鐵路養護維修的需要，包括測量、監測和幾何狀態類檢測等工作。

1.2 運營監測的分類

(1)按測量內容可分為控制網復測與維護、線路復測、變形監測、結構健康監測、軌道幾何狀態測量等。變形監測包括構筑物基礎變形監測、外部環境安全監測、自然災害監測、地質災害監測、鄰近營業線施工安全監測等。構筑物基礎變形監測又可分為普查性監測和重點段監測。

(2)按監測量可分為以幾何量監測為主的變形監測，以物理量監測為主的應力應變監測，以及以氣象要素監測為主的環境監測。

(3)按測量方式可分為人工監測、自動化監測。人工監測主要指使用大地測量儀器進行的平面和垂直位移監測等幾何量監測，自動化監測有全站儀自動化、GNSS自動化及利用其他傳感器進行的自動化監測。

(4)按是否需要上線測量作業可分為線下監測和線上監測。線下監測主要指在高速鐵路用地界外線下進行測量工作，線上監測是指需要在天窗作業時間按運營線安全管理規定上線進行測量的工作。

(5)按管理部門不同可分為工務類監測、電務類監測、房建類監測等。

(6)按構筑物或結構物類型可分為線路軌道監測、路基監測、橋梁監測、隧道監測、站房監測等。

1.3 運營監測與綜合檢測、變形監測、結構健康監測的關系

我國高速鐵路綜合檢測技術體系包括供電安全檢測監測系統(6C)、工務基礎設施狀態檢測監測系統(8M)和電務安全監控系統(8D)等，即“動態檢測”。采用基于列車網絡控制系統的高速列車狀態檢測，基于地面設備的高速列車狀態檢測、基礎設施地面檢測監測以及基礎設施搭載運營車檢測技術[3]。

高速鐵路基礎設施檢測監測體系框架包括感知層、傳輸層、數據資源層、大數據平臺層、應用層。其中，感知層為檢測監測手段，按類型可分為移動檢測、地面固定監測、空天遙測和人工檢查大類，按檢測監測方式，可分為高速綜合檢測、綜合巡檢、專業檢測、搭載式監測、固定點監測、自感知、衛星遙感、機載檢測、專項檢測和常規檢查等方式[4-5]。而基礎設施地面檢測監測技術為“靜態檢測”，其中最重要的監測工作即為運營監測，運營監測是高速鐵路綜合檢測監測技術重要的組成部分。

變形監測主要是指監測變形體在形狀和位置上的變化，并對變形進行分析和預測、預警，傳統變形監測主要是監測幾何量的變化。高速鐵路運營期間的變形監測主要是對受運營或周邊建設影響的橋梁、路基、隧道等構筑物和受運營影響的周邊地表、建筑物、管線等進行監測。

結構健康監測是指利用各類監測、檢測和檢查手段，獲取反映環境作用、結構響應和工程功能等事項的有效數據，并通過這些數據對基礎設施的服役狀況和性能變化進行分析和預測，從而對已發生和將要發生的異常進行預(報)警，為后續的健康評估提供基本依據[7]。結構健康監測也屬于高速鐵路運營監測的內容，而變形監測是結構健康監測中重要的手段和組成部分。

1.4 運營監測的特點

(1)系統性：運營監測是一個系統性工作，涉及鐵路運營基礎設施整個系統，必須從整體性和系統性的角度出發，從靜、動態相結合，從線路、軌道、路基、橋梁、隧道、站場、接觸網等專業和鐵路管理部門相結合，系統進行監測方案設計、監測和分析評估。

(2)服務性：監測的目的是為鐵路安全運行保障和科學指導線路養護維修提供重要依據，主要為鐵路運營維修和安全運營服務。

(3)長期性、周期性和時效性：為掌握鐵路運營期間基礎設施服役健康狀態，伴隨運營過程需要長期進行檢測監測。與變形監測的特點一樣，需要進行周期性的觀測和分析，及時、實時發現基礎設施或外部影響鐵路基礎設施的安全隱患，以便鐵路管理部門及時采取措施，為鐵路安全運營保駕護航。

(4)復雜性：包括監測技術本身的復雜性和監測生產組織的復雜性兩個方面。技術復雜性體現在監測項目種類多、監測儀器設備種類多、監測技術手段需要綜合應用等。生產組織復雜性體現在天窗作業時間短，夜間進行測量工作，線上線下各類監測工作內容繁雜，線上作業前需與鐵路局工務、電務、公安、車站等部門簽訂安全協議，溝通、協調、配合工作量大。

(5)先進性：技術先進性體現在監測技術手段空天地多樣化，使用自動化、智能化監測儀器設備和傳感器，以及使用線上遠程控制采集、傳輸、處理和預警系統平臺等。

(6)精確性：軌道控制網及軌道平順性檢測精度、平面位移和沉降變形監測精度，以及利用自動化傳感器監測精度均在亞毫米級，相比一般的工程測量，監測精度要求高。

2 高速鐵路運營監測主要內容及技術方法

運營監測的主要內容有控制網復測與維護、線路復測、基礎變形監測、結構健康監測、軌道幾何狀態測量、外部環境與地質災害監測、鄰近營業線施工安全監測等。

2.1 控制網復測與維護

鐵路工務部門作為精測網的管理單位，負責精測網的復測和日常維護工作。復測維護的內容主要有CP0、CPⅠ、線路水準基點線下控制網、線上加密CPⅡ及加密水準基點、軌道控制網(CPⅢ)測量。一般采用傳統的GNSS、水準測量、邊角測量等大地測量及工程測量方法進行。目前，精測網復測周期一般為3年，最長不超過5年，其中線路水準基點、線上加密水準點、CPⅢ高程網在開通運營后2年內復測1次。對于沉降段、軌道異常變形、CPⅢ精度不能滿足日常養護維修使用要求時，進行不定期復測[8]。

2.2 線路復測

高速鐵路既有線路復測指對線路及設備設施現狀進行測量，其中線路平縱斷面、設備設施臺賬、建筑限界等是測量的主要內容，可采用軌道幾何狀態測量儀、車載移動測量系統等進行測量。

2.3 基礎變形監測

運營高速鐵路基礎變形監測是指對路基、橋涵、隧道的沉降監測和水平位移監測[9]。

(1)變形監測網：變形監測網由基準網和觀測網組成，基準網分為水平位移監測基準網和垂直位移監測基準網。變形監測點由基準點、工作基點和監測點組成。

(2)路基變形監測：運營期路基變形監測主要包括路堤、路塹監測，路基每個斷面的觀測點分布在軌道、路肩、路堤或路塹上。高路堤、深路塹及沿線有滑坡監測時，監測點布設在滑坡體上，并按滑動方向及特征布設若干斷面，并在影響路基段加密布設觀測斷面。

(3)橋梁變形監測：橋梁變形監測包括橋梁墩身和梁體徐變變形觀測。也可布設傾角計、靜力水準儀等自動化監測傳感器進行監測。

(4)隧道變形監測：主要對不良地質、斷層、襯砌結構裂縫較多等地段進行監測，監測點一般布設在隧道頂部、底部、兩腰，以及相應段落內的軌道上。常采用三維激光掃描、收斂計、裂縫計、應力計等。

(5)過渡段變形監測：根據結構的不同，在過渡段監測時，需要考慮不同結構特點，布設不同密度的監測斷面。

(6)普查性監測與重點段監測：普查性監測的目的是發現沉降變形地段，一般在運營初期進行。根據普查性監測結果，合理確定重點監測地段并開展重點段周期性監測，并結合精測網復測成果、日常檢查維修情況，以及動、靜態檢測數據，合理確定重點段監測范圍和監測周期。

2.4 結構健康監測

結構健康監測的主要內容有地面加速度、風環境、結構表面風壓，以及結構應力、變形，振動加速度，表面溫度，表面裂縫等[7]。

(1)橋梁健康監測：對復雜結構、特殊結構橋梁應建立監測系統，主要監測結構變形、振動特性、溫度、支座、基礎沉降等參數，以監測和評估橋梁結構服役的健康狀況。

(2)隧道健康監測：對特長隧道設置防災救援監控系統，對隧道內通風、照明、消防設備進行監控；對于復雜地質隧道設置襯砌結構變形安全監測系統，對隧道襯砌變形及運用狀態進行監測。

(3)站房健康監測：針對大型及特大型鐵路客站、特殊及復雜結構客站的結構，利用無損、實時的方式采集工程結構響應與環境信息，分析評判結構的健康狀態，并對異常狀態進行報警。鐵路站房結構健康監測主要針對運營期，可綜合考慮施工監測與運營監測相結合，使監測工作具有連續性和長期性。

2.5 軌道幾何狀態測量

高速鐵路軌道的高平順性和精確的幾何線性參數是保證高速列車安全和舒適運行的基礎條件，軌道幾何狀態包括軌道內部幾何尺寸與外部幾何尺寸，如軌距、軌向、高低、水平、扭曲、與設計高程及中線的偏差等，精度要求為毫米級，傳統的鐵路測量方法和精度已不能滿足高速鐵路建設及運營要求。對軌道幾何狀態的測量使用軌道幾何狀態測量系統，系統由軌道幾何狀態測量儀(也稱軌檢小車)、慣導系統、測量機器人(伺服全站儀)、計算機及軟件系統等組成[10-11]。

2.6 外部環境與地質災害監測

(1)區域地面沉降：受區域地質構造、采礦、采油、采水等自然和人類活動影響，在城市、平原地區多存在不同程度的地面沉降，如華北地區、長三角地區等。地面沉降會直接影響高速鐵路線下基礎構筑物的穩定性，尤其是地面的不均勻沉降、沉降漏斗邊緣范圍內對線橋結構影響更為顯著，對高速鐵路沿線區域地面沉降進行監測，掌握其沉降地段和沉降變化量，對于綜合分析基礎設施沉降及軌道平順性，確保高速鐵路動車組運行的安全平穩性和舒適度具有十分重要的意義[12]。區域地面沉降監測方法有水準測量、GNSS高程測量以及InSAR監測等，可結合精測網在地表加密點進行監測，也可設置分層標進行分層監測，并同期進行水位觀測。

(2)沿線地質災害監測：主要針對自然和地質原因引發的高速鐵路路塹邊坡、鐵路沿線洪水、滑坡、泥石流、崩塌落石等地質災害進行監測。應進一步完善和推廣遙感技術，并建立地質災害監測報警系統。

(3)外部環境變化監測：鐵路外部環境復雜，按照外部環境隱患成因、可能造成的后果、涉及專業等因素，可將隱患分為危險品、硬飄浮物、輕飄浮物、違建違占、違法施工、樹木種植、道口安全等。鐵路外部環境安全監測可采用定期排查和實時監測結合的方案，通過遙感技術定期對鐵路沿線風險源進行排查，確定重點防護區域，然后采用技術手段對其進行實時監測[13]。

(4)氣象及異物侵限監測：主要對高速鐵路沿線風、雨、雪、地震等自然氣象災害，以及侵入鐵路界限內的突發異物進行實時監測，并提供報警、預警信息，防止或減少災害對高速鐵路列車運行安全的影響[14]。風、雨、雪等自然災害監測主要利用各類傳感器進行數據采集，并通過網絡技術形成監測系統。異物侵限監測技術主要分為非接觸式與接觸式。非接觸式監測技術主要包括激光掃描技術、紅外探測技術、智能視頻分析技術等；接觸式監測主要包括雙電網監測技術和光纖光柵探測[15]。

2.7 鄰近高速鐵路營業線施工安全監測

鄰近高速鐵路營業線施工安全監測是指鄰近營業線施工期間對鐵路運營設備設施的變形監測工作[16]，一般也稱為涉鐵監測。鐵路運營設備設施指鐵路工務、供電、電務等設備設施，站臺、站房、人行天橋、地道、庫房等關系鐵路行車運營的構筑物。

3 高速鐵路運營監測技術展望

隨著高速鐵路運營里程和運營服役時間增加，鐵路基礎設施、設備養護維修問題日益突顯，只有不斷提高監測精度、效率，才能為鐵路運營提供更便捷、快速、準確的基礎性數據。為適應中國高速鐵路快速發展的需要，運營監測技術仍需與時俱進開展深入研究。

(1)控制測量基準維護體系研究。如建立覆蓋高速鐵路線路的北斗地基增強系統，建立線路高精度精化大地水準面模型，實現基準維護和運營監測的準適時或動態聯動、數據共享等。

(2)監測技術和監測手段研究。隨著測繪新技術和大數據、物聯網、人工智能、傳感技術的融合發展，監測技術方法必將不斷變革、創新。高速鐵路運營監測僅依靠傳統的大地測量、工程測量手段已經難以滿足需要，高速鐵路運營監測儀器設備應向自動化傳感器應用及實時監測方向發展，將各類傳感器、北斗、遙感、視頻影像等多手段、多系統進行綜合交叉融合應用，并集多種監測技術和手段于一體，應用范圍逐漸擴大，以實現快捷適時、自動化、智能化、網絡化監測。

(3)監測系統自動化研究。監測數據采集從沉降、平面變形的一、二維向實時三維轉變；從接觸式監測向非接觸式監測方向發展；從靜態監測向移動監測方向發展；數據從測量點、線路平縱斷面線、線路地形圖等幾何元素向高密度空間三維、點云、三維可視化以及設計模型的構建方向發展。實現監測設備高可靠、易維護、檢測數據實時傳輸等功能，監測要素、圖形、圖像、通信和數據處理分析能力進一步加強，實現對基礎設施狀態高頻適時、可靠監測。

(4)監測系統智能化研究。高速鐵路運營監測從各類分散的單獨系統向綜合運營監測，覆蓋全路的綜合化、網絡化、智能化系統發展；從定性和傳統經驗管理向定量化科學管理發展；從靜態檢測向動態檢測、綜合檢測融合發展。形成系統、智能的動靜態綜合檢測監測系統。

4 結語

從工程測量專業角度定義了高速鐵路運營監測的基本概念，系統闡述了運營監測的分類方式、特點和主要內容，分析其與綜合檢測、變形監測、結構健康監測的關系，對運營監測的主要內容和技術方法進行系統介紹，并對未來發展趨勢和研究方向進行了技術展望，對豐富運營監測技術體系和方法、發展路徑、監測技術手段和方法創新方向具有指導意義，對工務管理部門和監測實施單位的運營監測工作具有一定的參考價值。