數(shù)字化施工技術(shù)在杭紹臺鐵路中的應(yīng)用

陳志勝

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300251)

1 概述

隨著我國高速鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，對鐵路工程建設(shè)全過程管理也提出了更高的要求[1-3]，尤其對于高鐵路基、樁基等隱蔽性工程，單純依靠人工對樁深、填料、壓實厚度等相關(guān)數(shù)據(jù)進行記錄已經(jīng)不能滿足新時期對鐵路建設(shè)的要求[4-5]。 鐵路行業(yè)施工周期長、施工工序復(fù)雜、隱蔽工程多，隨著BIM 技術(shù)在設(shè)計階段的推廣，對鐵路建設(shè)的智慧化、智能化要求越來越高[6-7]。

數(shù)字化施工技術(shù)采用信息化手段對機械進行管理，記錄判別施工過程及質(zhì)量、輔助人工進行決策，相較于傳統(tǒng)的工程施工作業(yè)模式，數(shù)字化施工技術(shù)將設(shè)計數(shù)據(jù)加載在安裝有各類傳感器的施工機械上，可實現(xiàn)無紙化、無樁化施工[8-9]。 數(shù)字化施工系統(tǒng)可實現(xiàn)實時全程連續(xù)可視化跟蹤，由原來的結(jié)果控制轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程控制，可實現(xiàn)實時向業(yè)主方、施工方、監(jiān)理方提供精確定位的施工信息，并指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)者進行有針對性的施工[11-12]。

杭紹臺鐵路連接杭州、紹興、臺州三地，是中國首條民營資本控股的高鐵項目，也是路內(nèi)設(shè)計單位中標(biāo)的第一條高鐵建設(shè)總承包項目，備受各方的關(guān)注。 杭紹臺鐵路設(shè)計時速為350 km，全線橋隧占比超過80%，施工周期緊、難度大。 因此，充分運用創(chuàng)新技術(shù)優(yōu)勢來推動項目實施，就顯得尤為重要[13-15]。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 北斗地基增強系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星定位連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(Continuously Operating Reference Stations，簡稱CORS)是一種動態(tài)的、連續(xù)的空間數(shù)據(jù)參考框架，可快速、高精度地獲取空間數(shù)據(jù)和地理特征。

為滿足杭紹臺鐵路信息化管理與數(shù)字化建設(shè)的需要，在沿線建設(shè)了7 座連續(xù)運行參考站，如圖1 所示。

圖1 杭紹臺CORS 布設(shè)網(wǎng)及三界站點

綜合各參考站的觀測信息，建立精確的誤差修正模型，通過移動互聯(lián)網(wǎng)實時發(fā)送RTCM 差分改正數(shù)，修正用戶的觀測值誤差，在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)移動用戶的高精度定位，為全線各標(biāo)段提供穩(wěn)定可靠的高精度差分信號服務(wù)。 其具有以下主要技術(shù)優(yōu)勢。

(1)為測量工作提供基礎(chǔ)性、穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)(24 h 不間斷服務(wù))，可大大提高測量精度、速度與效率， 降低測量勞動強度和成本。

(2)為整個項目的測量工作提供統(tǒng)一的基準(zhǔn)，尤其依托多基站組網(wǎng)解算，有效的解決不同作業(yè)、不同標(biāo)段的坐標(biāo)差異問題，提高現(xiàn)場作業(yè)質(zhì)量。

(3)提供遠程INTERNET 服務(wù)，真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。 具有連續(xù)觀測、全天候采集、點位精度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定等特點；用戶登錄需得到授權(quán)，數(shù)據(jù)中心可以管理登錄用戶，數(shù)據(jù)安全性較高。

(4)可依托CORS 系統(tǒng)，對工程構(gòu)筑物進行實時、有效、長期的變形監(jiān)測；為自動化、數(shù)字化施工提供高精度基礎(chǔ)定位數(shù)據(jù)服務(wù)，對施工過程進行有效的質(zhì)量、進度、安全管理。

現(xiàn)場建設(shè)的CORS 系統(tǒng)為杭紹臺鐵路提供了如下服務(wù)。

(1)為全線施工測量工作提供穩(wěn)定可靠、連續(xù)不間斷、統(tǒng)一的測量控制基準(zhǔn)，覆蓋全線各標(biāo)段，大大提高施工測量的精度、速度與效率， 降低了勞動強度和成本。

(2)為天臺站、嵊州新昌站的數(shù)字化施工提供實時高精度定位數(shù)據(jù)服務(wù)，并實現(xiàn)后臺系統(tǒng)對現(xiàn)場工作的實時管控。

(3)為全線重要工點提供穩(wěn)定、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，包括椒江特大橋變形監(jiān)測、飛鳳山隧道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等多個方面。

2.2 路基連續(xù)壓實技術(shù)

路基連續(xù)壓實技術(shù)主要是基于CORS 系統(tǒng)提供的cm 級位置服務(wù)，通過安裝在振動輪上的壓實傳感器獲取實時壓實度，根據(jù)壓實度、壓實遍數(shù)、壓實速度、壓實厚度等實時指導(dǎo)施工，并將數(shù)據(jù)實時上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器平臺，形成壓實報告，從而實現(xiàn)遠程管理。 硬件模塊及數(shù)據(jù)傳輸模式如圖2、圖3 所示，具體模塊功能如表1 所示。

表1 路基壓實技術(shù)模塊功能

圖3 路基壓實技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸流程

該技術(shù)在杭紹臺鐵路天臺站施工現(xiàn)場進行了應(yīng)用，如圖4、圖5 所示，從技術(shù)、實效、質(zhì)量等多個角度，對整個路基攤鋪碾壓過程起到了質(zhì)量管控有效、數(shù)據(jù)可溯、報表成果標(biāo)準(zhǔn)化等作用，提高了現(xiàn)場的技術(shù)管理水平。 相較于傳統(tǒng)路基壓實施工，其技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

圖4 路基壓實技術(shù)路基攤鋪碾壓模型

(1)實時顯示當(dāng)前作業(yè)面壓實情況，引導(dǎo)壓路機司機有針對性的進行操作；系統(tǒng)可全天候工作，提高夜間施工質(zhì)量水平。

(2)對壓路機行進速度、碾壓厚度、碾壓遍數(shù)及壓實度進行實時管控，可避免過壓或者欠壓，由原來的結(jié)果控制轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程控制。

(3)掌握整個碾壓面的壓實遍數(shù)、厚度、壓實度，為最終常規(guī)檢測提供指導(dǎo)，減少返工率，大大提高一次報檢的合格率；可進行歷史軌跡查看，找出質(zhì)量問題出現(xiàn)環(huán)節(jié)，提供溯源數(shù)據(jù)，明確劃分責(zé)任。

圖5 路基壓實技術(shù)實時監(jiān)控系統(tǒng)

(4)能夠?qū)崟r記錄數(shù)據(jù)，實時上傳數(shù)據(jù)至工管中心服務(wù)器平臺，并生成相應(yīng)壓實歸檔報告。

(5)采用連續(xù)壓實設(shè)備進行路基填筑碾壓，能夠及時全面的反映路基壓實情況，節(jié)約了檢測時間，提高機械工作效率，縮短了路基施工周期。

2.3 樁基自動監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用

樁基自動監(jiān)控技術(shù)主要針對現(xiàn)有CFG 樁、螺桿樁等隱蔽工程施工過程的監(jiān)管困難，基于CORS 基站，依靠高精度天線定位模塊、進料測量模塊、持力層電流測量模塊、各種傳感器等實時反饋現(xiàn)場樁機狀態(tài)，包括打樁速度、深度、傾斜度、振動電機的電流情況等，并依靠通訊實時上傳至服務(wù)器，以便后臺管理人員實時監(jiān)控現(xiàn)場施工情況。 硬件模塊及數(shù)據(jù)傳輸模式如圖6、圖7 所示，模塊功能如表2 所示。

圖7 樁基自動監(jiān)控技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸流程

表2 樁基自動監(jiān)控技術(shù)模塊功能

續(xù)表2

該技術(shù)在杭紹臺鐵路嵊州新昌站CFG 樁基施工現(xiàn)場進行了應(yīng)用(如圖8、圖9 所示)。 從技術(shù)、實效、質(zhì)量等多個角度考察，對整個樁基施工過程起到了質(zhì)量管控有效、過程數(shù)據(jù)可溯、報表成果標(biāo)準(zhǔn)、人力資源解放的作用，相較于傳統(tǒng)樁基的旁站式施工，優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)提高施工質(zhì)量:實時記錄樁機施工數(shù)據(jù)，施工質(zhì)量可追溯，對工地施工質(zhì)量進行規(guī)范化管理，保障所有標(biāo)段作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的一致和施工精度的統(tǒng)一。

(2)有效縮短工期:可全天候施工，減少對樁時間，無需測量人員放樣，管理人員可實時掌握工程進度，通過把握各標(biāo)段施工狀況加以調(diào)配資源。

(3)減少成本投入:無需釘樁、放樣，無需人工過程檢查，提高機械使用效率，減少問題樁數(shù)量，對各施工隊上報的打樁數(shù)量及深度進行精確審核，控制土方成本，保證施工安全并降低能源消耗。

圖9 樁基自動監(jiān)控技術(shù)后臺監(jiān)控系統(tǒng)

3 總結(jié)與展望

隱蔽工程的施工質(zhì)量一直是鐵路建設(shè)項目的重點和管控難點，有別于傳統(tǒng)施工工藝對于現(xiàn)場技術(shù)人員的依賴，路基連續(xù)壓實技術(shù)和樁基自動監(jiān)控技術(shù)可在一定程度上減少現(xiàn)場管理人員數(shù)量，提高質(zhì)量管控的力度和水平；利用CORS 系統(tǒng)的精確定位功能實時進行數(shù)據(jù)傳輸與更新，對于施工現(xiàn)場的管理、質(zhì)量、進度控制都有很大提高。

隨著國內(nèi)高鐵建設(shè)項目的智能化、信息化水平越來越高，“智慧工地”的建設(shè)將逐漸成為未來項目施工的總體目標(biāo)，而CORS 系統(tǒng)除了為現(xiàn)場施工測量、數(shù)字化施工等工作提供必需的基礎(chǔ)定位數(shù)據(jù)之外，在施工現(xiàn)場人員安全管理、車輛機械定位、線路無人機巡檢、隧道安全管理等方面也將發(fā)揮其不可或缺的作用。 另外，在復(fù)雜地段的地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測預(yù)報、橋梁變形及健康監(jiān)測等工作也是其重要的應(yīng)用范圍，CORS 系統(tǒng)將為“智能建造、智慧工地”的建設(shè)發(fā)揮更大作用。