既有高速鐵路路基變形預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用

陳亮

（廣州鐵路科技開發(fā)有限公司，廣州510100）

0 引言

隨著鐵路跨越式發(fā)展，高速鐵路建設(shè)快速推進，我國高速鐵路逐漸形成“八橫八縱”的網(wǎng)絡(luò)。由于高速鐵路的特殊性，鐵道部[2012]23號文件明確規(guī)定,新建公路和鐵路與已建或在建高速鐵路交叉跨越時,應(yīng)優(yōu)先選擇公路或鐵路下穿高速鐵路方案。因此，從既有高速鐵路下穿成為后期公路、鐵路等工程建設(shè)的必然選擇，今后會出現(xiàn)大量下穿高速鐵路的交通工程，路基沉降是下穿高速鐵路的關(guān)鍵技術(shù)問題,研究隧道下穿高速鐵路路基安全監(jiān)測與變形控制技術(shù)對確保高速鐵路運營安全、滿足工程建設(shè)需求具有重要社會意義和經(jīng)濟價值。

目前，對既有鐵路安全監(jiān)測主要采用人工測量的方法。而對于高速鐵路，由于線路存在行車速度快、行車密度大、線路全封閉等特點，人工測量的方法只能在晚上天窗點進行，某些不方便到達的路段人工測量效率十分低下，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，顯得非常被動、存在著諸多問題,已不能滿足鐵路高速化的需要，因此研制一套能對高速鐵路路基變形進行實時監(jiān)測的系統(tǒng)對于保障高速鐵路運營安全顯得十分必要和有意義。

基于此，提出了一種適用于淺埋隧道盾構(gòu)施工下穿高鐵的自動化監(jiān)測方法，并進行了系統(tǒng)研發(fā)，建立了既有高速鐵路路基變形預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)，在廣州市軌道交通九號線廣州北站-花城路站下穿京廣高鐵項目中進行了應(yīng)用，數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，系統(tǒng)可以實時在線監(jiān)測高速鐵路路基的變化情況，可在高速鐵路中廣泛使用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

從安全、實時、穩(wěn)定以及可靠的需求出發(fā)，針對無砟軌道板沉降、接觸網(wǎng)支柱空間姿態(tài)、站臺沉降、雨棚柱沉降、施工區(qū)域地基的分層沉降、地下水位變化等多項監(jiān)測內(nèi)容進行監(jiān)測,利用總線和網(wǎng)絡(luò)將各監(jiān)測子系統(tǒng)進行集成設(shè)計，不僅可以獲得現(xiàn)場各類對象的監(jiān)測結(jié)果，還可以通過分析處理各監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到較為準確的既有鐵路路基變形情況。系統(tǒng)總體設(shè)計主要包括監(jiān)測內(nèi)容、功能設(shè)計和系統(tǒng)架構(gòu)三個方面。

1.1 監(jiān)測內(nèi)容和方法

本系統(tǒng)從軌道板沉降（包括不均勻沉降）、接觸網(wǎng)支柱的空間姿態(tài)、站臺的沉降、雨棚柱的沉降、地基分層沉降、地下水的變化情況等幾個方面進行監(jiān)測。監(jiān)測方法如表1所示。

1.2 功能模塊

實現(xiàn)從底層傳感器安裝布設(shè)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)置、數(shù)據(jù)的自動采集傳輸和存儲、數(shù)據(jù)自動計算、監(jiān)測日報和分析報告的自動生成、監(jiān)測預(yù)警、路基變形評估評估的一整套功能。此外，為了實現(xiàn)對人工測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一平臺管理，還兼容人工測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入、分析和管理功能。如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)功能框架

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)包括監(jiān)測點數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)監(jiān)測預(yù)警四個部分，數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS無線傳輸。如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架

其中傾角儀、分層沉降儀、水位儀和精力水準儀通過總線模式，連接到設(shè)備控制箱，設(shè)備控制箱通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到后臺系統(tǒng)。自動全站儀直接通過無線網(wǎng)絡(luò)方式，把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺系統(tǒng)。

2 核心模塊研發(fā)

2.1 數(shù)據(jù)采集傳輸子系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)的架構(gòu)，采用了基于總線和基于網(wǎng)絡(luò)的兩種方式，首先設(shè)定的采集頻率，借助廠家提供的數(shù)據(jù)采集模塊，采用MQ技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時同步到系統(tǒng)的SQL Server數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲。數(shù)據(jù)同步程序如圖3所示：

圖3 數(shù)據(jù)同步程序

2.2 數(shù)據(jù)自動計算處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)在存儲到數(shù)據(jù)庫之前，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動計算，根據(jù)不同的監(jiān)測內(nèi)容和采用的不同監(jiān)測方法，計算方法如下：

（1）靜力水準儀測量結(jié)果計算流程

圖4 靜力水準儀測量結(jié)果計算流程

（2）傾角儀測量結(jié)果計算流程

圖5 傾角儀測量結(jié)果計算流程

（3）地下水位計測量結(jié)果計算流程

圖6 地下水位計測量結(jié)果計算流程

（4）分層沉降計測量結(jié)果計算流程

圖7 分層沉降計測量結(jié)果計算流程

（5）自動全站儀測量結(jié)果計算流程

圖8 自動全站測量結(jié)果計算流程

2.3 查詢統(tǒng)計分析

（1）監(jiān)測日報的輸出

根據(jù)系統(tǒng)自動計算的結(jié)果，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)，進行計算，形成監(jiān)測日報，以靜力水準儀為例，如圖9所示：

圖9 監(jiān)測數(shù)據(jù)檢查計算

由于收到天氣等外部條件的變化，且每天監(jiān)測的數(shù)據(jù)較多，通常，我們通過手動的方式，選擇比較穩(wěn)定的點，進行計算每日的變化量，計算方法如下：選擇工程項目，雙擊“測量自動顯示所有的靜力水準儀測量點，選中測量點和測量日期，可以查看相關(guān)數(shù)據(jù)。雙擊選擇本次測量點和上次測量點，系統(tǒng)自動計算本次變化量；選擇報表次數(shù)；點擊“保存”，保存結(jié)果。

（2）報表匯總

根據(jù)業(yè)主單位、施工單位、監(jiān)理單位等的要求，可以選擇相應(yīng)的監(jiān)測內(nèi)容，形成報表匯總，報表匯總包括：數(shù)據(jù)明細情況，累計變化量和每一種類型測量點的最大值進行提示，如圖10所示：

圖10 監(jiān)測日報匯總

（3）數(shù)據(jù)變化趨勢分析

數(shù)據(jù)變化趨勢圖根據(jù)某測量點某一時段的累計變化量進行統(tǒng)計分析，如圖11所示：

圖11 數(shù)據(jù)變化趨勢分析

2.4 監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)

監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)包括預(yù)警值設(shè)置、預(yù)警提醒和預(yù)警結(jié)果分析，預(yù)警方式包括：界面提醒、聲音提醒和短信提醒。此外系統(tǒng)還對測量點的累計變化量、24小時變化量和未測量到數(shù)據(jù)的點進行的監(jiān)測。預(yù)警值設(shè)置如表2所示。

監(jiān)測預(yù)警界面如圖12所示。

2.5 路基工后沉降監(jiān)測和分析

當(dāng)下穿施工完成后，需要根據(jù)工后沉降的結(jié)果來判斷路基沉降是否穩(wěn)定，為后期軌道板后期的抬板作業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。系統(tǒng)采用了較為成熟的幾種沉降預(yù)測方法：雙曲線法、指數(shù)曲線法、三點法、Asaoka法、泊松曲線法和灰色理論模型預(yù)測法等進行工后沉降預(yù)測，來判斷施工路段路基是否已經(jīng)趨穩(wěn)。同時，并對觀測點沉降觀測回歸曲線相關(guān)系數(shù)和預(yù)測時實際發(fā)生的沉降量與預(yù)測的最終沉降量(不包含結(jié)構(gòu)層引起的沉降量)之比進行分析。根據(jù)《鐵路工程沉降變形觀測與評估技術(shù)規(guī)程》，相關(guān)系數(shù)是否大于0.92和S(t)/S(∞)是否大于75%進行分析。本系統(tǒng)采用由筆者所在單位研發(fā)的沉降變形預(yù)測評估系統(tǒng)進行工后沉降分析。

圖12 監(jiān)測預(yù)警界面

表2 預(yù)警值設(shè)置參數(shù)表

3 工程實例應(yīng)用

“廣州市軌道交通九號線廣州北站～花城路站下穿京廣高鐵”項目在高速鐵路已投入運營的條件下淺埋隧道下穿高鐵路基段施工,這在國內(nèi)是第一例，在國內(nèi)沒有先例可循。加上施工地段地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致工程難度非常大，因此研究地鐵隧道盾構(gòu)下穿高速鐵路路基過程中的主要控制因素,并通過監(jiān)測盾構(gòu)隧道下穿既有高速鐵路施工對無砟軌道的影響,及時發(fā)現(xiàn)影響鐵路正常運營的安全隱患,為地鐵建設(shè)單位和鐵路運營單位提供準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)和信息,為后續(xù)工程施工工藝、工序安排以及軌道防護和運營安全提供參考依據(jù),顯得十分必要。工程概況如圖13所示。

圖13 現(xiàn)場概況圖

以高鐵三站臺為例，三站臺面上共布置18個沉降監(jiān)測點，測點編號分別為GT19～GT36,在主要影響區(qū)域范圍內(nèi)的測點為GT25～GT30,測點間距為10米，前期通過MJS地基處理，共施做8排支護樁，支護樁的橫斷面布置見施工概況，各工況施工的時間軸如圖14所示：

圖14 高鐵三站臺施工現(xiàn)場和監(jiān)測時間軸

根據(jù)盾構(gòu)施工過程，利用測量機器人采取連續(xù)測量，對站臺各個測點從盾構(gòu)距離該測點斷面20米開始測量，直到盾構(gòu)通過該斷面32米后并且該測點后續(xù)沉降趨于穩(wěn)定結(jié)束。測量結(jié)果分析如表3：

表3 高鐵三站臺監(jiān)測結(jié)果

本區(qū)域盾構(gòu)完成后至目前觀測期大于6個月，各觀測點后期沉降均趨于穩(wěn)定，可以進行抬板與精調(diào)施工。如表4所示：

表4 高鐵三站臺工后沉降分析表

通過軟件生成的分析表如圖15所示。

通過運用既有高速鐵路路基變形預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)不間斷的監(jiān)測，所得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)和不同時期的施工反應(yīng)基本吻合，為建設(shè)單位、施工單位和監(jiān)理單位等提供了數(shù)據(jù)決策支撐。下穿盾構(gòu)隧道已于2016年12月17日成功穿越京廣高鐵。通過工后沉降的監(jiān)測和預(yù)測確定施工區(qū)域路基已處于穩(wěn)定狀態(tài)，工務(wù)部門于2017年9月進行抬扳和精調(diào)作業(yè)，目前線路已恢復(fù)至施工前狀態(tài)。

圖15 工后沉降分析結(jié)果