鐵路隧道建筑限界快速檢測技術(shù)研究與應(yīng)用

王兆寧

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081)

鐵路限界是為了確保機(jī)車車輛在鐵路線路上安全運(yùn)行對機(jī)車車輛和鄰近線路的建筑物、設(shè)備所規(guī)定的不允許超越的輪廓尺寸線。鐵路基本限界包括機(jī)車車輛限界和建筑限界。建筑限界是一個和線路中心線垂直的極限橫斷面輪廓。在此輪廓內(nèi)，除機(jī)車車輛及與其有相互作用的設(shè)備(車輛減速器，路簽授受器，接觸電線及其他)外，其他設(shè)備或建筑物均不得侵入[1-3]。隨著我國鐵路建設(shè)進(jìn)入高峰，隧道在鐵路工程中所占的比重越來越大。隧道內(nèi)設(shè)施不斷改進(jìn)與更新、線路電氣化改造、軌道調(diào)線和隧道整修造成了隧道限界不滿足運(yùn)輸要求，極大地影響行車安全，尤其是在客貨共線線路上矛盾更為突出。

目前鐵路隧道建筑限界檢測通常采用凈空檢查尺、凈空檢查架、斷面儀等儀器[4]。常規(guī)的檢測方法具有提取的隧道斷面間距大、工作效率低、主觀性強(qiáng)等不足，因此在鐵路有限的天窗時間內(nèi)很難完成隧道建筑限界檢測。激光掃描技術(shù)的發(fā)展使得鐵路隧道建筑限界快速檢測技術(shù)得以開發(fā)和應(yīng)用。本文主要闡述三維激光掃描技術(shù)在鐵路隧道建筑限界測量上的應(yīng)用。

1 檢測原理

激光掃描作為有效的非接觸測量技術(shù)，能夠快速、無損地獲得隧道表面綜合信息。測量時利用設(shè)備內(nèi)部的激光脈沖發(fā)射器，向隧道表面發(fā)射激光脈沖，通過反光鏡高速旋轉(zhuǎn)，以螺旋線的形式對隧道表面進(jìn)行全斷面掃描(見圖1)，信號接收器接收反射回來的激光脈沖，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。數(shù)據(jù)包含隧道斷面每個測點(diǎn)的反射率和幾何尺寸信息(角度和距離)。檢測原理見圖2[5-6]。通過分析發(fā)射和接收激光信號的強(qiáng)度和相位差，可以獲得隧道襯砌表面掃描點(diǎn)的坐標(biāo)，上述測量成果構(gòu)成隧道建筑限界分析的基礎(chǔ)資料。

圖1 全斷面掃描螺旋線

圖2 檢測原理示意

2 設(shè)備組成

鐵路隧道建筑限界快速檢測設(shè)備由Profiler 5002高速相位式激光掃描儀和手推式軌檢小車組成。激光掃描儀每秒可旋轉(zhuǎn)50圈，每圈50萬個測點(diǎn)，測量范圍79 m。軌檢小車內(nèi)嵌的軌距、超高和里程測量傳感器可在激光掃描儀掃描的同時，實(shí)時動態(tài)測量當(dāng)前軌道的幾何參數(shù)和里程信息。該設(shè)備對于每一個測點(diǎn)都可產(chǎn)生三維坐標(biāo)、反射率等信息。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 測量點(diǎn)控制

采用以軌面為測量基準(zhǔn)，在垂直于線路中心線的斷面內(nèi)，測量隧道和附屬設(shè)施的內(nèi)輪廓點(diǎn)(最近點(diǎn))距兩軌頂連線的垂直高度及其距垂直平分兩軌頂連線的直線的距離[7]。

3.2 曲線部分的折減

GB 146.2—83《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路建筑限界》[2]第3.3 條規(guī)定：“在曲線部分相鄰線路中心距離以及線路中線至建筑物間的擴(kuò)大距離，應(yīng)按規(guī)定的公式計算”。第3.4 條規(guī)定：“在曲線部分由于外軌超高關(guān)系，建筑限界的垂直高度應(yīng)自內(nèi)外兩鋼軌最高點(diǎn)所組成的直線上算起”。第4.1.1.2條給出了在曲線上建筑限界加寬辦法，計算公式為

式中：W，W1，W2分別為曲線內(nèi)外側(cè)總加寬值、內(nèi)側(cè)加寬值、外側(cè)加寬值，mm；Ri為曲線半徑，m；H為自軌面算起的計算點(diǎn)的高度，mm；h為外軌超高，mm。

(H/1 500)h的值亦可以內(nèi)側(cè)軌頂為軸，將有關(guān)限界旋轉(zhuǎn)θ角求得，θ=arctan(h/1 500)。

由于隧道在曲線段加寬，因此隧道曲線部分的限界數(shù)據(jù)應(yīng)該予以折減，將曲線內(nèi)側(cè)和外側(cè)加寬值減去。

3.3 數(shù)據(jù)整理

計算機(jī)對離散數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，以10 mm為單位，將每個拐點(diǎn)的高程向上或向下歸并。同一高程處有多個數(shù)值時取最小值。

3.4 侵限掃描點(diǎn)存留

在數(shù)據(jù)處理過程中，當(dāng)遇到侵限掃描點(diǎn)時需判斷其有效性。隧道內(nèi)附屬設(shè)施的掃描點(diǎn)需保留，而金屬體反光、風(fēng)沙揚(yáng)塵等現(xiàn)象會造成掃描點(diǎn)離散，對最終結(jié)果產(chǎn)生影響，需剔出。提取的斷面間距越密，判別侵限掃描點(diǎn)越準(zhǔn)確，同時限界檢測程序采用中值濾波算法，將連續(xù)采集的奇數(shù)個數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，取中間值為濾波后的數(shù)據(jù)。這樣能很好地過濾掉離散的掃描點(diǎn)，降低其對檢測結(jié)果的影響[8-11]。結(jié)合激光掃描儀的圖像數(shù)據(jù)，可最終確定侵限掃描點(diǎn)是否存在，見圖3。

圖3 侵限掃描點(diǎn)判定

4 檢測流程

檢測流程主要為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，使用后處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，生成隧道限界檢測報告,詳見圖4。

圖4 檢測流程

5 應(yīng)用實(shí)例

某鐵路隧道全長845 m，最大外軌超高127 mm。隧道線路進(jìn)口0～282 m位于半徑301 m的左曲線上,282～780 m位于直線上,780～845 m位于曲線半徑412 m的右曲線上。

5.1 數(shù)據(jù)采集

將設(shè)備(包括軌道測量車、激光掃描儀、電腦等)連接、組裝好后放到軌道上，然后人工推行進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。檢測速度0.5 m /s，檢測斷面間距10 cm，每個斷面采集點(diǎn)數(shù)1萬個。

圖5 斷面提取

5.2 數(shù)據(jù)處理

利用數(shù)據(jù)輸出軟件，按20 cm間距提取隧道斷面(見圖5)，每個斷面提取掃描點(diǎn)500個，點(diǎn)間距5 cm。采集的數(shù)據(jù)以ASCⅡ格式輸出，上面記錄隧道斷面每個掃描點(diǎn)以軌面為測量基準(zhǔn)的三維坐標(biāo)值及斷面處的軌距和超高。

取各個斷面位于同一高程的最接近線路中心的點(diǎn)，將這些點(diǎn)擬合成綜合最小建筑限界。

5.3 檢測結(jié)果

根據(jù)數(shù)據(jù)處理分析得到實(shí)測隧道綜合最小建筑限界斷面(見圖6)及其尺寸表(見表1)。

圖6 實(shí)測隧道綜合最小建筑限界斷面

表1 隧道綜合最小建筑限界尺寸

將圖6和GB 146.2—83第4.2 條規(guī)定的隧道基本建筑限界圖對比可直觀發(fā)現(xiàn)侵限位置。

通過表1確定實(shí)測隧道綜合最小建筑限界在不同高程處隧道左、右半幅中距線路中心的最小距離及其分別對應(yīng)的控制點(diǎn)位置即控制點(diǎn)距隧道進(jìn)口的距離，簡稱進(jìn)深。

6 結(jié)語

隧道檢測天窗時間極其有限，需要盡量縮短在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的時間，將大量的限界分析工作放在室內(nèi)由計算機(jī)軟件處理。基于三維激光掃描技術(shù)的鐵路隧道建筑限界快速檢測系統(tǒng)，可搭載檢測車?yán)锰齑皶r間檢測隧道，也可搭載手推式軌檢小車，具有重量輕，運(yùn)輸、安裝和拆卸方便等特點(diǎn)，可快速上下線。數(shù)據(jù)分析軟件可錄入海量隧道斷面數(shù)據(jù)，通過計算分析快速生成檢測報告。相比于傳統(tǒng)的鐵路隧道建筑限界檢測技術(shù)，該技術(shù)以其高精度、高密度、高效率的作業(yè)方式提供了一種全新的隧道建筑限界測量方式。

通過現(xiàn)場檢測，采用三維激光掃描技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)鐵路隧道建筑限界的快速連續(xù)檢測，為鐵路隧道養(yǎng)護(hù)維修、運(yùn)營安全提供技術(shù)保障。