高速鐵路平面變形監(jiān)測方法研究及應(yīng)用

王 勝 上海鐵路局工務(wù)處

1 高速鐵路平面監(jiān)測現(xiàn)狀

隨著高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)和運(yùn)營，高鐵的安全成為了重中之重，為了防患于未然，高鐵的變形監(jiān)測成了當(dāng)務(wù)之急。高速鐵路變形監(jiān)測分為沉降變形監(jiān)測和平面變形監(jiān)測兩大類，由于電子水準(zhǔn)儀等高精度水準(zhǔn)測量設(shè)備的使用，沉降監(jiān)測技術(shù)日趨成熟，而平面監(jiān)測卻相對(duì)手段貧乏、精度較低。受高鐵線路監(jiān)測環(huán)境的限制，目前設(shè)計(jì)院等監(jiān)測單位主要通過測量機(jī)器人采用自由建站邊角交會(huì)自動(dòng)觀測的方法進(jìn)行平面變形測量。

該方法選用進(jìn)口自動(dòng)照準(zhǔn)測量機(jī)器人，采用邊角多測回重復(fù)測量，優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高，相對(duì)精度的穩(wěn)定性有保障，適合夜間天窗點(diǎn)作業(yè)，但在平面變形測量方面存在許多不適應(yīng)，如測量時(shí)間長，無法完成較多測點(diǎn)觀測，且觀測數(shù)據(jù)必須經(jīng)專門軟件進(jìn)行試算、約束和平差等，無法及時(shí)產(chǎn)生結(jié)果；受約束點(diǎn)精度、氣象條件等影響，測點(diǎn)中誤差精度約2 mm左右，而高速鐵路變形監(jiān)測測點(diǎn)中誤差精度要求為1 mm，不能滿足監(jiān)測精度要求。

2 常規(guī)的平面變形監(jiān)測方法

常規(guī)的水平位移觀測主要有以下幾種：

（1）視準(zhǔn)線法

以兩個(gè)固定點(diǎn)之間經(jīng)緯儀的視線作為基準(zhǔn)線，測量變形觀測點(diǎn)到基準(zhǔn)線間的距離，從而確定觀測點(diǎn)的偏離值。

視準(zhǔn)線法要求基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定，通過定期復(fù)核基準(zhǔn)點(diǎn)的位移值，而將觀測值加以改正。其優(yōu)點(diǎn)是速度快，精度較高，原理簡單、方法實(shí)用、實(shí)施簡便、投資較少。不足的是對(duì)較長的視準(zhǔn)線而言,照準(zhǔn)誤差增大,可能造成照準(zhǔn)困難，尤其是當(dāng)前高鐵需要在夜間天窗內(nèi)監(jiān)測，目標(biāo)模糊，照準(zhǔn)精度太差，觀測結(jié)果很不理想。

（2）測小角法

測站點(diǎn)經(jīng)緯儀照準(zhǔn)遠(yuǎn)處目標(biāo)點(diǎn)形成視準(zhǔn)線，測定觀測點(diǎn)偏離視準(zhǔn)線的小角，在已知測站至觀測點(diǎn)距離的條件下，用測回法觀測水平角a（a≤30″），根據(jù)d=tga*D（式中D為觀測點(diǎn)至監(jiān)測點(diǎn)的距離）計(jì)算水平位移。

測小角法簡單易行，便于實(shí)地操作，精度較高，但缺點(diǎn)是場地需要較為開闊，基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)該離開監(jiān)測區(qū)域一定的距離之外，且不能實(shí)現(xiàn)多測點(diǎn)同時(shí)觀察，夜間天窗內(nèi)監(jiān)測不能滿足施工的需要。

3 現(xiàn)代設(shè)備（高精度測量機(jī)器人全站儀）精度分析

為取得測量機(jī)器人實(shí)際的測量精度，進(jìn)行專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用Leica 1201+，配套 Leica棱鏡，選取固定墩臺(tái)基座置平全站儀，在不同距離設(shè)置棱鏡進(jìn)行重復(fù)自動(dòng)照準(zhǔn)測量。全站儀串口連接PDA操控手簿，通過輸入指令，使全站儀在偏離不同角度下自動(dòng)照準(zhǔn)，根據(jù)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到全站儀在不同距離下的的測距誤差及測角誤差，見表1。

表1 Leica 1201+在偏離不同角度下測量極差

由表1可知，Leica 1201+全站儀標(biāo)定精度為測角精度：（0.3 mgon），測距精度：1 mm+1.5 ppm，實(shí)際的測量精度與標(biāo)定精度有差別，尤其是測角精度更是有較大偏差，最大約為2.8秒。

把全站儀的測量誤差帶入點(diǎn)位中誤差公式，得到TS1201+在不同距離下的測點(diǎn)中誤差：

距離D為30 m時(shí)，

距離D為80 m時(shí)，

距離D為100 m時(shí)，

由此可知，高鐵平面變形監(jiān)測采用1″級(jí)及以上精度的全站儀，在100 m范圍內(nèi)通過多測回，取平均值的方法完全可以滿足高鐵平面變形監(jiān)測的精度要求，尤其是測距方面更是具有明顯的優(yōu)勢。

4 應(yīng)用全站儀的平面變形測量方法設(shè)計(jì)

選用恰當(dāng)?shù)娜緝x在合理的監(jiān)測范圍內(nèi)完全可以滿足精度要求，同時(shí)測量機(jī)器人智能化追蹤模式、強(qiáng)制對(duì)中可以在很大程度上減小人為誤差，同時(shí)節(jié)省人工，能很好的滿足高鐵變形監(jiān)測在夜間天窗內(nèi)進(jìn)行，監(jiān)測點(diǎn)多，工作量大的特點(diǎn)。根據(jù)不同的監(jiān)測環(huán)境，測量方法可以分為以下幾種：

（1）路基段

變形范圍較短，在變形范圍內(nèi)，鐵路兩側(cè)受圍墻，柵欄網(wǎng)等通視條件的影響，只能在柵欄網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行變形監(jiān)測，在此工況下，可以在路基側(cè)在變形范圍外通過穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)變化進(jìn)行監(jiān)測，從而達(dá)到對(duì)軌道平面變形實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖1 路基段變形監(jiān)測

如圖1示，在變形區(qū)域等距的兩端找兩個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)，兩臺(tái)全站儀同時(shí)觀測相同的監(jiān)測點(diǎn)，通過對(duì)每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行多測回實(shí)時(shí)監(jiān)測，相互校核，如果監(jiān)測點(diǎn)的水平位移值在誤差范圍以外應(yīng)檢核基準(zhǔn)點(diǎn)，采用校核點(diǎn)重新監(jiān)測，直至滿足要求。

此方法要求后視點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)嚴(yán)格穩(wěn)定，并要求每次監(jiān)測前都要校核基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)的距離不超過100 m。

（2）橋梁段

變形地段為橋梁段，軌道與橋墩一起產(chǎn)生平面位移，在鐵路界限內(nèi)沒有監(jiān)測場地，同時(shí)需要同步觀測橋墩變形，在此工況下，可以在垂直橋墩的方向，通過穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)，觀測其距離變化，得到平面變形量。

圖2 橋梁段變形監(jiān)測

如圖2示，橋梁段橋墩較少，監(jiān)測點(diǎn)較少，橋梁監(jiān)測一般不受作業(yè)天窗的限制，可以在白天觀測條件良好的狀態(tài)下進(jìn)行，基準(zhǔn)點(diǎn)可以選擇布設(shè)在樓頂或是穩(wěn)定的國家基準(zhǔn)點(diǎn)上，在此工況下可以充分利用全站儀對(duì)距離觀測的高穩(wěn)定性和高精確性，直接觀測記錄監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)變化情況。

此方法要求基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)的連線與位移變化方向盡量一致，角不超過60°，基準(zhǔn)點(diǎn)與校核點(diǎn)連線應(yīng)垂直于橋墩連線，充分利用全站儀的距離觀測精度，避免角度觀測誤差，通過多測回觀測取平均值，提高觀測精度，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)平面位移的高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測。

（3）基準(zhǔn)點(diǎn)不穩(wěn)定

當(dāng)變形區(qū)域范圍大，變形區(qū)域內(nèi)很難找到穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)，或是基準(zhǔn)點(diǎn)本身也發(fā)生平面位移，此時(shí)需要將傳統(tǒng)的小角度測法加以改進(jìn)，利用遠(yuǎn)處的避雷針或塔尖等標(biāo)志性建筑作為定向點(diǎn)，距離監(jiān)測點(diǎn)附近布置基準(zhǔn)點(diǎn)，通過觀測各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的相對(duì)變形，從變形區(qū)域一側(cè)的穩(wěn)定監(jiān)測點(diǎn)逐步傳遞到另一側(cè)的穩(wěn)定監(jiān)測點(diǎn)，從而得到各監(jiān)測點(diǎn)的平面變化情況，如圖3所示。

圖3 基準(zhǔn)點(diǎn)變化時(shí)變形監(jiān)測

采用此方法時(shí)，要求人工對(duì)點(diǎn)準(zhǔn)確，在氣象條件適合觀測的情況下觀測，置站點(diǎn)盡量布在監(jiān)測點(diǎn)等距位置，置站點(diǎn)與對(duì)向點(diǎn)距離至少1 000 m，置站點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)的距離不大于50 m，通過多測回取平均值提高角度觀測精度。

5 具體監(jiān)測實(shí)例

滬杭客專某段，軌道橫向偏移最大值73 mm，為了對(duì)該段線路平面進(jìn)行糾偏，采取單側(cè)粉噴樁注漿施工對(duì)路基進(jìn)行綜合整治，為了保證行車和施工的安全，要求在施工期間對(duì)該施工地段進(jìn)行平面變形實(shí)時(shí)監(jiān)測，見圖4所示。

圖4 滬杭客專xx段水平位移(橫向位移)邊角觀測示意圖

（1）基準(zhǔn)點(diǎn)的確定

如圖4，位于遠(yuǎn)離施工區(qū)域的施工區(qū)兩端，上行選擇CPⅢ45314混凝土墩與CPⅢ45303混凝土墩，下行選擇CPⅢ45305混凝土墩與CPⅢ45316混凝土墩分別做為該地段上下行線軌道橫向變形監(jiān)測的強(qiáng)制對(duì)中基準(zhǔn)點(diǎn)。

（2）監(jiān)測點(diǎn)的布置

在不破壞軌道板結(jié)構(gòu)，不影響行車安全前提下，使用強(qiáng)力錨固膠將特制的監(jiān)測棱鏡基座每隔一塊軌道板膠固在上下行軌道板內(nèi)側(cè)邊緣上，做為軌道板橫向變形（即軌道平面位移變化）監(jiān)測點(diǎn)。

（3）儀器選用

采用Leica測量機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測。Leica TS30，儀器標(biāo)稱精度為：測角精度：0.5″，測距精度：1mm+1ppm。配套Leica棱鏡。

（4）監(jiān)測方法

以CPⅢ45314與CPⅢ45306的連線為獨(dú)立坐標(biāo)系的X軸方向，建立與線路軸線平行的獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)。

CPⅢ45313、CPⅢ45304、CPⅢ45303 為 CPⅢ45314 的穩(wěn)定性檢核點(diǎn)；CPⅢ45315、CPⅢ45316、CPⅢ45306 為 CPⅢ45305的穩(wěn)定性檢核點(diǎn)，正常施工監(jiān)測期間在每天平面位移監(jiān)測前，首先用距離測量方法檢核CPⅢ45314和CPⅢ45305點(diǎn)的穩(wěn)定性。如果產(chǎn)生異常則采取應(yīng)急預(yù)案，選用備用基準(zhǔn)點(diǎn)。

水平位移監(jiān)測點(diǎn)的平面變化采用邊角測量的極坐標(biāo)法觀測，其邊長采用電磁波測距儀測定。

正常施工監(jiān)測期間，分別在混凝土墩CPⅢ45314和CPⅢ45305安置儀器，按要求測量各平面位移監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)值，當(dāng)各平面位移監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)值出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行復(fù)測和基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性檢核。當(dāng)確認(rèn)平面位移監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)值出現(xiàn)異常變化時(shí)，應(yīng)立即采取應(yīng)急預(yù)案。

6 監(jiān)測實(shí)施效果

滬杭客專該段線路糾偏路基綜合整治，在施工期間上行軌道板布監(jiān)測點(diǎn)64個(gè)，下行軌道板布監(jiān)測點(diǎn)60個(gè)，上下行平面變形監(jiān)測各242次，上行糾偏最大值67.4 mm、下行糾偏最大值67.6 mm。每日的監(jiān)測成果與第三方監(jiān)測單位的監(jiān)測成果一致，精度符合高鐵平面變形監(jiān)測點(diǎn)位中誤差不超過1 mm的要求，在每天4 h的夜間施工天窗內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在施工前后位移變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測。施工結(jié)束后通過每日的監(jiān)測成果計(jì)算的軌道線形與通過CPⅢ整網(wǎng)復(fù)測得出的軌道線形結(jié)果一致，該次平面變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測為該段線路綜合整治工程的順利完工起到了關(guān)鍵的作用。

7 結(jié)論

高鐵變形監(jiān)測工作日益增多，在高鐵的平面變形監(jiān)測中選用合適的方法時(shí)，既要考慮精度，也要考慮到工作效率，工作環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)投入等方面的問題。在滿足精度的條件下，可以幾種方法結(jié)合使用，要盡量做到簡單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、高效。本文創(chuàng)新了在高速鐵路特殊監(jiān)測條件下的平面監(jiān)測方法，并分工況對(duì)不同的監(jiān)測方法進(jìn)行論證并在具體的工程實(shí)例中得到驗(yàn)證，對(duì)以后的高速鐵路平面變形監(jiān)測可以起到一定的指導(dǎo)作用。

[1]汪孔政.全站儀監(jiān)測基坑水平位移精度分析.建筑技術(shù),2009年第2期.