運(yùn)營高速鐵路路基變形段軌道幾何狀態(tài)自動監(jiān)測技術(shù)

高至飛

(廣州鐵路科技開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510100)

路基病害、涉及鐵路的工程施工等引起運(yùn)營高速鐵路路基變形，造成軌道幾何狀態(tài)變化時，需對線路幾何狀態(tài)進(jìn)行測量。這類問題的明顯特征是受影響區(qū)域相對集中，軌道幾何狀態(tài)變化量較大。目前，對既有鐵路軌道幾何狀態(tài)監(jiān)測主要采用人工測量的方法[1]。由于高速鐵路行車速度快、行車密度大、線路全封閉，人工測量的方法只能在晚上天窗點(diǎn)進(jìn)行，無法實(shí)時監(jiān)測線路的運(yùn)營狀況。

本文探討如何在高速鐵路路基變形段對軌道幾何狀態(tài)變化進(jìn)行實(shí)時自動監(jiān)測?；舅悸肥窃谲壍?軌腰)上安裝專用棱鏡，組建基于自動全站儀的軌道幾何狀態(tài)實(shí)時自動監(jiān)測系統(tǒng)，連續(xù)監(jiān)測高程、平面位置、軌距、水平、高低、軌向等軌道幾何參數(shù)變化情況[2]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、計(jì)算、傳輸和報(bào)警，以保證高速鐵路運(yùn)營安全。

1 軌道幾何狀態(tài)自動監(jiān)測技術(shù)

1.1 軌道幾何狀態(tài)自動監(jiān)測原理

本文采用相對變化量的方法計(jì)算軌道幾何狀態(tài)參數(shù)[3-4]。軌道幾何狀態(tài)變化量，采用帶自動監(jiān)測系統(tǒng)的極坐標(biāo)法進(jìn)行測量。首先在監(jiān)測范圍的軌腰上安裝專用棱鏡，人工利用安博格小車測出監(jiān)測范圍內(nèi)軌道幾何狀態(tài)參數(shù)作為初始值，然后通過自動全站儀測量出軌道上各測點(diǎn)的坐標(biāo)，用每次測量值與前次測量值相減即得到本次變化量。用每次測值與初始測量值相減即得到累計(jì)變化量，經(jīng)幾何關(guān)系換算得到高程、平面位置以及軌距、水平、高低、軌向、扭曲及軌距變化率的本次及累計(jì)變化量。累計(jì)變化量與人工測得的初始值相加即為當(dāng)前的軌道幾何狀態(tài)。

假設(shè)某段軌道上有A(xA,yA,hA)，B(xB,yB,hB)，C(xC,yC,hC)及相對應(yīng)另一條軌道上的A′(xA′,yA′,hA′)，B′(xB′,yB′,hB′)，C′(xC′,yC′,hC′)6個點(diǎn)，式中(x，y，h)指測點(diǎn)的空間坐標(biāo)。由安博格小車測出的幾個測點(diǎn)(斷面)的軌道幾何狀態(tài)初始值分別為高程H0，平面位置S0，水平P0，軌距G0，根據(jù)上述計(jì)算原理和軌道幾何狀態(tài)參數(shù)的基本定義來計(jì)算各個參數(shù)。

則A點(diǎn)時刻t的軌面高程HAt

HAt=HA0+(hAt-hA)

(1)

式中：HA0為A點(diǎn)的初始高程;hAt為A點(diǎn)時刻t的豎向坐標(biāo)。

以A,B為基點(diǎn)，計(jì)算軌道點(diǎn)C到AB直線的距離。C點(diǎn)到AB直線的距離初始值LC0為

(2)

C點(diǎn)t時刻的平面位置SCt為

SCt=SC0+(LCt-LC0)

(3)

式中：SC0為C點(diǎn)初始平面位置；LCt為t時刻C點(diǎn)到AB直線的距離。

A和A′兩點(diǎn)初始距離LAA′為

(4)

AA′斷面t時刻的軌距GAtA′t為

(5)

(6)

得到外部軌道幾何狀態(tài)4個參數(shù)后，根據(jù)內(nèi)部軌道幾何狀態(tài)參數(shù)定義可以分別求得內(nèi)部軌道幾何狀態(tài)參數(shù),故本文中只討論上述4個參數(shù)。

1.2 誤差分析

(7)

式中，mh為h坐標(biāo)的中誤差。

平面位置中誤差m平面位置為

(8)

式中：mx為x坐標(biāo)的中誤差，my為y坐標(biāo)的中誤差。

水平中誤差m水平為

m水平=2m平面位置

(9)

軌距中誤差m軌距為

(10)

以2測回的測量條件下對上述軌道幾何狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行誤差分析，確定是否滿足使用要求。

監(jiān)測儀器采用徠卡-TS30型全站儀，該儀器測角精度為0.5″，測距精度為0.6 mm+每1 km增加1 mm，現(xiàn)場測量最大斜距D=100 m，最大豎直角θ=-10°，則最大天頂距Z=100°，考慮水平角β=0.01°，β=89.99°，β=45°，測站和監(jiān)測點(diǎn)均強(qiáng)制對中，不考慮對中誤差。

表1 t時刻軌道幾何狀態(tài)各參數(shù)的中誤差 mm

由表1可知:在2測回的測量條件下t時刻軌道幾何狀態(tài)參數(shù)軌面高程、軌道平面位置、水平、軌距中誤差皆在1 mm以內(nèi)，可以滿足對軌道幾何狀態(tài)參數(shù)的測量要求。

相信大多數(shù)朋友已經(jīng)對全畫幅數(shù)碼相機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展歷程比較熟悉了，今天我們就從一些重要節(jié)點(diǎn)入手，來看看全畫幅機(jī)型是如何一路走來發(fā)展至巔峰的。

2 高速鐵路軌道幾何狀態(tài)自動監(jiān)測技術(shù)可靠性對比分析

對比機(jī)器人和安博格小車的實(shí)測數(shù)據(jù)，分析兩者所測得區(qū)段軌道幾何狀態(tài)參數(shù)的相關(guān)性和二者差值分布情況，試驗(yàn)選取2016年8月5日的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

對機(jī)器人與安博格小車所測軌道幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)作相關(guān)性及顯著性分析，采用SPSS軟件計(jì)算結(jié)果見表2?？芍涸谙嗤脑囼?yàn)日期，機(jī)器人與安博格小車所測軌道高程、平面位置、水平和軌距在試驗(yàn)段的分布曲線形態(tài)基本一致，高度相關(guān)。

表2 2種方法測值的Pearson相關(guān)系數(shù)和顯著性值

在相同的試驗(yàn)日期，機(jī)器人和安博格小車對軌道高程、平面位置、水平、軌距的測量差值按正態(tài)分布規(guī)律來統(tǒng)計(jì)(見表3)，越靠近差值樣本均值，分布頻數(shù)越高，越遠(yuǎn)離均值，分布頻數(shù)越低。從表3可知：機(jī)器人和安博格小車所測軌道高程、平面位置、水平、軌距差值均值分別為-0.9,0.5,0.5,-0.1 mm，均小于1 mm；在(μ-2σ)～(μ+2σ)分布數(shù)量分別達(dá)到了28,29,28,30，分別占總樣本數(shù)31的90%,94%,90%,97%?？梢姡瑱C(jī)器人和安博格小車對軌道高程、平面位置、水平、軌距的測量差值不大且較為集中。

表3 2種方法所測軌道幾何參數(shù)差值正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)

綜上所述，機(jī)器人與安博格小車測得的軌道幾何狀態(tài)相關(guān)性高，差值不大且離散性小。由此可見機(jī)器人測得的軌道幾何狀態(tài)是可靠的，用機(jī)器人代替安博格小車在固定區(qū)段進(jìn)行軌道幾何狀態(tài)的自動監(jiān)測是可行的。

3 高速鐵路軌道幾何狀態(tài)自動監(jiān)測技術(shù)在工程中的應(yīng)用

3.1 工程概況

廣州市軌道交通9號線工程廣州北—花城路區(qū)間隧道在出廣州北站后下穿京廣高速鐵路4條股道及兩側(cè)站臺(穿越里程為K2247+510—K2247+550)，下穿鐵路站臺及股道寬度共約60 m[6-7]。此項(xiàng)目為國內(nèi)首例地鐵在灰?guī)r、砂層地區(qū)以淺埋隧道方式下穿高速鐵路路基施工，工程風(fēng)險(xiǎn)極大，為了確保施工中京廣高速鐵路安全運(yùn)營，需要連續(xù)監(jiān)測加固及隧道穿越施工時引起的軌道幾何狀態(tài)變化情況。

3.2 監(jiān)測方案

對京廣高速鐵路3股道及4股道進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測頻率為3次/d。軌道幾何狀態(tài)自動監(jiān)測系統(tǒng)硬件主要為測量機(jī)器人和特制棱鏡。軌道幾何狀態(tài)監(jiān)測點(diǎn)以專用棱鏡作為觀測標(biāo)志，棱鏡具體尺寸為2 cm×2 cm×1 cm，外殼材料為工程塑料，棱鏡用環(huán)氧樹脂系膠結(jié)劑粘結(jié)在軌道(軌腰)上，間隔1 m布置，并面向觀測基站。

3.3 施工過程中監(jiān)測試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

軌道幾何參數(shù)的符號取值與安博格小車一致，因下一段曲線為右轉(zhuǎn)曲線故軌面高程右軌為基準(zhǔn)軌，軌道平面位置以高速鐵路3股道左軌為基準(zhǔn)軌。軌道平面實(shí)際位置位于設(shè)計(jì)位置左側(cè)時，偏差為負(fù)；平面實(shí)際位置位于設(shè)計(jì)位置右側(cè)時，偏差為正。軌面實(shí)際高程高于設(shè)計(jì)高程時，偏差為正；低于設(shè)計(jì)高程時，偏差為負(fù)。左軌高于右軌，則超高為正值；左軌低于右軌，則超高為負(fù)值。實(shí)際軌距大于標(biāo)準(zhǔn)軌距時軌距偏差為正，反之為負(fù)[8]。

由于K2247+526里程位置處于豎向沉降較大區(qū)域，故選取其作代表性的斷面進(jìn)行分析。

3.3.1 高程

圖1 K2247+526斷面軌面高程偏差隨時間變化曲線(2016年)

2016年K2247+526斷面軌面高程偏差隨時間變化見曲線圖1?？芍?月4—19日軌面高程偏差由-22.1 mm 逐漸變化為-26.9 mm，7月2—30日偏差由-13.3 mm逐漸變化為-20.5 mm，8月31日—10月27日偏差由-10.7 mm逐漸變化為-14.2 mm，10月28日—12月2日偏差由-10 mm逐漸變化為-17.5 mm，說明施工期間軌面處于持續(xù)下沉狀態(tài)；另外，分別經(jīng)7月19日、8月30日、10月27日3次精調(diào)后，軌面高程變化明顯，分別由-26.9 mm直接抬升為-13.3 mm，由-20.5 mm直接抬升為-10.7 mm，由-14.2 mm 直接抬升為-10 mm，說明精調(diào)對軌面高程影響顯著。另外，9月12—13日出現(xiàn)了軌面高程突然抬升的情況，原因?yàn)槭┕挝辉谑┳魉叫龂姌稌r，注漿壓力未控制得當(dāng)，引起軌道板結(jié)構(gòu)被注漿壓力頂起的情況，從而引起軌面高程變化。

2016年各斷面軌面高程偏差隨時間變化曲線見圖2。可知，軌面高程偏差均為負(fù)值，說明各斷面軌面高程均低于設(shè)計(jì)高程；里程K2247+524—K2247+528處于沉降漏斗的中心區(qū)域，7月4—19日各斷面軌面高程處于持續(xù)下沉狀態(tài)，越靠近漏斗中心，下沉量越大，7月19日軌面高程偏差最大點(diǎn)K2247+526為-26.9 mm，最小點(diǎn)K2247+546為-10.8 mm，相差16.1 mm；經(jīng)7月19日精調(diào)后，7月20日各斷面軌面高程最大偏差-13.3 mm，最小偏差-7.2 mm，相差6.1 mm；通過精調(diào)，不僅使各斷面軌面高程偏差變小，同樣也使得軌面高程曲線變得平緩。再對比8月3日，8月31日及10月27日,10月28日軌面高程曲線，精調(diào)同樣也達(dá)到了相應(yīng)的效果。

圖2 各斷面軌面高程偏差隨時間變化曲線(2016年)

3.3.2 軌道平面位置

2016年K2247+526斷面軌道平面位置偏差隨時間變化曲線見圖3?？芍?月4日—10月27日中間雖然經(jīng)歷7月19日,8月30日2次精調(diào)，軌道平面位置偏差變化基本不大，介于-4～-7 mm，曲線平緩且較穩(wěn)定，說明這2次精調(diào)未對軌道平面位置進(jìn)行調(diào)整。10月27日對軌道平面位置進(jìn)行了精調(diào)，使得軌道平面位置偏差從10月27日的-5.7 mm 調(diào)整到10月28日的-1.5 mm，說明精調(diào)效果顯著。

圖3 K2247+526斷面軌道平面位置偏差隨時間變化曲線(2016年)

圖4 各斷面軌道平面位置偏差隨時間變化曲線(2016年)

2016年各斷面軌道平面位置偏差隨時間變化曲線見圖4?？芍很壍榔矫嫖恢闷罹鶠樨?fù)值，說明各斷面軌道平面位置均位于設(shè)計(jì)位置左側(cè)；7月4日—10月27日各斷面軌道平面位置曲線基本處于重疊狀態(tài)，說明這段時期軌道平面位置變化不大，同樣也說明7月19日,8月30日2次精調(diào)未調(diào)整軌道平面位置；10月28日曲線明顯與7月4日—10月27日之間的曲線分離，向0靠近，說明10月27日對軌道平面位置進(jìn)行了精調(diào)，精調(diào)后軌道平面位置偏差明顯減小，精調(diào)效果顯著。

3.3.3 水平(超高)

2016年K2247+526斷面水平偏差隨時間變化曲線見圖5。可知：K2247+526斷面水平偏差基本上為負(fù)值，說明其斷面基本處于左軌低于右軌狀態(tài)；K2247+526斷面水平偏差均在允許偏差范圍內(nèi)。7月4日—10月27日中間雖然經(jīng)歷7月19日,8月30日2次精調(diào)，水平偏差變化基本不大，介于-1～-4 mm，曲線平緩且較穩(wěn)定，說明這2次精調(diào)未對軌道水平參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。10月27日對軌道水平參數(shù)進(jìn)行了精調(diào)，使得軌道水平偏差從10月26日的-2.9 mm調(diào)整到10月29日的-0.4 mm，說明精調(diào)效果顯著。

圖5 K2247+526斷面水平偏差隨時間變化曲線(2016年)

圖6 各斷面水平偏差隨時間變化曲線(2016年)

2016年各斷面水平偏差隨時間變化曲線見圖6?？芍捍蠖鄷r間各斷面水平偏差為負(fù)，隨著時間推移部分?jǐn)嗝嫠狡畲嬖谟韶?fù)變正的情況，說明大部分時間左軌低于右軌，左右軌存在不均勻沉降的問題并且隨著軌道板的沉降量增大在緩慢變大。7月4日—10月27日各斷面水平偏差曲線基本處于重疊狀態(tài)，說明這段時期軌道水平變化不大，各斷面水平偏差均在允許偏差范圍內(nèi)。10月28日水平偏差曲線明顯與10月27日曲線分離，向0靠近，說明精調(diào)后軌道水平偏差明顯減小，精調(diào)效果顯著。

3.3.4 軌距

2016年K2247+526斷面軌距偏差隨時間變化曲線見圖7?？芍篕2247+526斷面軌距偏差大多不在允許偏差范圍內(nèi)，超過了預(yù)警值。7月4日—10月27日中間雖然經(jīng)歷7月19日,8月30日2次抬道，軌距變化基本不大，處于-2 mm上下，曲線平緩且較穩(wěn)定，說明這2次精調(diào)未對軌距進(jìn)行調(diào)整。10月27日對軌距進(jìn)行了精調(diào)，使得軌距偏差從10月26日的-2.0 mm 調(diào)整到10月29日的-3.3 mm，說明精調(diào)后軌距進(jìn)一步收窄。

圖7 K2247+526斷面軌距偏差隨時間變化曲線(2016年)

圖8 各斷面軌距偏差隨時間變化曲線(2016年)

2016年各斷面軌距偏差隨時間變化曲線見圖8。可知：各斷面軌距偏差均為負(fù)值，說明各斷面軌距均小于標(biāo)準(zhǔn)軌距；部分?jǐn)嗝孳壘嗥钤谀骋粫r間段內(nèi)超出了允許偏差范圍。7月4日—12月2日各斷面軌距偏差曲線基本在-2 mm上下波動，但波動幅度不大，說明軌距偏差一直較為穩(wěn)定。

在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)無砟軌道部分幾何狀態(tài)參數(shù)已經(jīng)達(dá)到二級超限的標(biāo)準(zhǔn)，廣州南高速鐵路工務(wù)段分別于2016年7月19日,8月30日,10月27日對施工路段的無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精調(diào)。通過運(yùn)用軌道幾何狀態(tài)自動監(jiān)測系統(tǒng)對施工區(qū)域不間斷地監(jiān)測，保證了京廣高速鐵路的安全運(yùn)營和施工安全，下穿盾構(gòu)隧道已于2016年12月17日成功穿越京廣高速鐵路。

4 結(jié)論

1)在一定的技術(shù)條件下，機(jī)器人測得的軌道幾何狀態(tài)參數(shù)軌面高程、軌道平面位置、水平、軌距中誤差皆在1 mm以內(nèi)，理論上可以滿足軌道幾何狀態(tài)參數(shù)的測量精度要求。

2)實(shí)測數(shù)據(jù)表明機(jī)器人與安博格小車測得的軌道幾何狀態(tài)參數(shù)相關(guān)性高，差值離散性很小，機(jī)器人測得的軌道幾何狀態(tài)參數(shù)是可靠的，用機(jī)器人代替安博格小車在固定區(qū)段進(jìn)行軌道幾何狀態(tài)的自動監(jiān)測是可行的。

3)現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用中能準(zhǔn)確地在線實(shí)時監(jiān)測施工區(qū)段軌道幾何狀態(tài)的變化情況，保證高速鐵路的運(yùn)營安全，值得在實(shí)踐中推廣。

軌道幾何狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)天窗時間內(nèi)測量值較為可靠穩(wěn)定，但在運(yùn)營時段如何排除列車對測量造成的影響是后續(xù)的研究方向。