全站儀自動化監(jiān)測在鐵路路基加固施工中的應(yīng)用

李德州

（天津南緯導(dǎo)航科技發(fā)展有限公司,天津 300392）

0 引言

營業(yè)線整治施工對鐵路影響相當(dāng)大，應(yīng)嚴(yán)格控制鐵路路基沉降，確保鐵路的安全和正常使用。為了及時了解和掌握施工過程對既有線路的影響，把施工引起的一系列動態(tài)變化信息及時向鐵路相關(guān)設(shè)備單位及施工單位反饋，使之能夠在現(xiàn)場及時調(diào)整施工參數(shù)，優(yōu)化改進(jìn)施工方法，以避免對鐵路行車運(yùn)營造成影響[1]。采用自動化監(jiān)測是行之有效的手段和定量分析方法，同時由于減少了監(jiān)測人員進(jìn)入既有線路軌行區(qū)作業(yè)頻次和時間，也降低了既有線路的安全風(fēng)險。應(yīng)在施工期和施工后一定時期內(nèi)對路基、軌道的變形進(jìn)行監(jiān)控量測[2]。

1 全站儀自動化監(jiān)測原理

1.1 功能

全站儀自動化監(jiān)測必須采用帶有伺服馬達(dá)和ATR自動照準(zhǔn)的高精度全站儀，其具有以下功能：

（1）具有跟蹤測量（track）功能，觀測目標(biāo)如棱鏡或反射片一經(jīng)定位，以后的測量過程由儀器按設(shè)定的角度、距離和順序自動尋找到目標(biāo)進(jìn)行自動測量、自動記錄。

（2）具有自動目標(biāo)識別（Automatic target recognition，縮寫ATR）功能，基于傳感器獲取的數(shù)據(jù)識別目標(biāo)或?qū)ο蟆?/p>

（3）具有遙控測量（Remote control）功能，即可使用電腦或手機(jī)命令全站儀進(jìn)行實時監(jiān)測，實時提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.2 全站儀自動化監(jiān)測的監(jiān)測內(nèi)容

使用全站儀自動化監(jiān)測即自動化精密全站儀通過精密光電測距三角高程測量，對監(jiān)測對象的水平位移和豎向位移（簡稱沉降）進(jìn)行觀測，測量等級可達(dá)二等水準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 全站儀自動化監(jiān)測的監(jiān)測方法

全站儀自動化監(jiān)測通過后方交會法對監(jiān)測點進(jìn)行自動化三維位移的監(jiān)測見圖1。

圖1 全站儀自動化監(jiān)測原理示意圖

全站儀工作原理是通過發(fā)射光電波再反射回全站儀接收。監(jiān)測采用全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)，包括自動化采集控制、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)上發(fā)布系統(tǒng)。通過固定位置的自動化全站儀實時測量并自動發(fā)送至數(shù)據(jù)接收端口，可實時查看并分析軌道位移形變情況。建立全自動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)計算機(jī)軟件對全站儀進(jìn)行自動控制。自動全站儀采用交流電源供電，通過在平板或筆記本電腦安裝采集軟件和全站儀自動化監(jiān)測通過有線方式或無線方式連接，采集數(shù)據(jù)可實時上傳服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，云平臺管理軟件再進(jìn)行解算、分析、輸出報表、圖形。使用手機(jī)或電腦登錄服務(wù)器可實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)及變化參數(shù)[3]。

2 數(shù)據(jù)采集、整理及分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

當(dāng)安裝好設(shè)備后，在施工前布設(shè)好監(jiān)測網(wǎng)并進(jìn)行初始值采集，進(jìn)行溫度、大氣補(bǔ)償值的統(tǒng)計、分析、糾偏設(shè)定。在自動化監(jiān)測軟件上設(shè)置好監(jiān)測參數(shù)，監(jiān)測參數(shù)主要有：數(shù)據(jù)采集的間隔時間、系統(tǒng)報警和短信報警值。

2.2 數(shù)據(jù)整理

每次觀測后系統(tǒng)平臺自動對原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行校核和整理，包括原始觀測值的檢驗、異常值的剔除、初步分析和整編等。

2.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)接收器存儲數(shù)據(jù)后直接將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到個人電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用比較法、作圖法和數(shù)學(xué)、物理模型，分析各監(jiān)測物理量值大小、變化規(guī)律、發(fā)展趨勢，以便對工程的安全狀態(tài)和應(yīng)采取的措施進(jìn)行評估決策。繪制監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時間變化的規(guī)律曲線——時態(tài)曲線（或散點圖）。

3 應(yīng)用實例

3.1 工程概述

杭深線某處上下行路基為軟基路堤段，路基邊坡高約6 m，坡率1∶1.5~1∶1.75，既有邊坡防護(hù)形式為骨架護(hù)坡及漿砌片石護(hù)坡。路堤基礎(chǔ)采用CFG樁，預(yù)應(yīng)力管樁加固。本體采用花管注漿加固，注漿孔孔徑0.07 m，注漿花管直徑0.05 m，下傾角度不小于15°，縱向間距5 m，注漿材料采用水泥漿液。

3.2 監(jiān)測點布設(shè)

該次使用全站儀自動化監(jiān)測的監(jiān)測對象有軌道、路基。軌道測點采用鋼板粘接材料，將L型棱鏡粘貼在軌枕上；路基表層裸露及道砟厚度小于0.6 m區(qū)域，采用φ50鋼管打入路基表層，頂部安裝L型棱鏡；道砟厚度大于0.6 m區(qū)域棱鏡布設(shè)在軌枕端頭。所有棱鏡保證通視，且不破壞鐵路設(shè)備的外觀與使用性能，在施工前完成布設(shè)，安裝效果見圖2、圖3，布設(shè)數(shù)量見表1。

圖 2 鐵路軌道測點安裝示意圖

圖3 鐵路路基測點安裝示意圖

表1 監(jiān)測點數(shù)量

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

注漿加固工程分兩個階段實施，先小里程端，后大里程端。目前監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，線路右側(cè)穩(wěn)定，左側(cè)水平位移數(shù)據(jù)正常，路基沉降明顯，在182~210段落出現(xiàn)了明顯的沉降漏斗，軌道沉降最大值?3.87 mm，出現(xiàn)在G107，里程為192，測點位于I道左側(cè)；路基沉降最大值?5.21 mm，出現(xiàn)在J103，里程為185，測點位于3道右側(cè)。

3.3.1 變形統(tǒng)計情況

橫向水平位移：共77個測點，?2~2 mm區(qū)間共76點占比98.7%；>2 mm區(qū)間共1個點（G206橫向水平位移2.07 mm），占比1.3%。

縱向水平位移：共77個測點，?2~2 mm區(qū)間共77點占比100%。

豎向位移：上拱14點，最大值0.28 mm，占比18.2%；下沉63點，占比81.8%，沉降點位個數(shù)及沉降量統(tǒng)計見表2。

表2 沉降點位個數(shù)及沉降量統(tǒng)計

3.3.2 沉降變形分析

從Ⅰ道、Ⅱ道左側(cè)軌道沉降曲線圖（圖4）看出，Ⅰ道182~202線路沉降變形較大，呈漏斗狀沉降，中心處目前最大值為?3.9 mm；Ⅱ道175~205軌道沉降呈漏斗狀，最大沉降出現(xiàn)在185處，最大值為?2.9 mm。

圖4 從Ⅰ道、Ⅱ道左側(cè)軌道沉降曲線圖

路基監(jiān)測部分：

從線路左側(cè)路肩路基監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖（圖5）看出，沉降漏斗出現(xiàn)在170~210處，最大沉降值出現(xiàn)在191處，最大值為?4.1 mm。

圖5 線路左側(cè)路肩路基監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

從3道右側(cè)路基監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖（圖6）看出，沉降漏斗175~212處，最大沉降出現(xiàn)在185處，最大值為?5.2 mm。

圖6 3道右側(cè)路基監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

9月25日至10月5日期間軌道及路基最大沉降曲線如圖7~8。

圖8 路基最大沉降點J103變形曲線

其他路基監(jiān)測點數(shù)據(jù)正常，除4道左側(cè)190處J203沉降值為-1.22 mm大于-1 mm外，其他監(jiān)測點累計沉降量均小于-1 mm。

綜合路基和軌道監(jiān)測數(shù)據(jù)及圖形，該次沉降最大值點出現(xiàn)在185處，沉降漏斗范圍為175~210，漏斗中心185~195，部分測點已達(dá)到沉降預(yù)警臨界范圍（預(yù)警值軌道?4.8 mm、路基?6 mm）。

根據(jù)全部監(jiān)測期的監(jiān)測報表和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，上下行路基本體花管注漿加固工程對既有杭深線軟基路堤段的影響整體較小，不論日變化速率或累計變形值均未超過預(yù)警值，處于安全范圍。對于部分測點接近預(yù)警臨界的情況，在分析沉降原因后采取應(yīng)對措施，保證了鐵路運(yùn)行安全。

4 結(jié)論

通過在項目上的監(jiān)測實踐證明，采用全站儀自動化監(jiān)測可以實現(xiàn)鐵路路基加固施工期間對鐵路軌道、路基的位移和沉降進(jìn)行不間斷精確監(jiān)測，利用平臺對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷是否超過控制值。目前，全站儀自動化監(jiān)測技術(shù)已被許多工程項目所采用，其監(jiān)測速度快且精度能夠得到保證，達(dá)到項目所需求精度，可及時有效地進(jìn)行信息反饋，確保鐵路施工項目順利完成。隨著城市的發(fā)展，全站儀自動化監(jiān)測技術(shù)將會應(yīng)用在越來越多的項目中。