运营高速铁路基础变形监测技术研究

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　　摘  要：基于运营高速铁路基础变形监测项目重点与难点，提出一种以北斗自动化形变监测技术为主，外加静力水准仪对路基进行实时自动化监测的技术。具体以某运营高速铁路基础变形监测项目为研究案例，重点从监测方法应用、现场实测要点及数据分析等方面对运营高速铁路基础变形监测技术作总结性分析。研究表明，北斗+静力水准仪的路基变形监测技术可以开展自动化工作，实现路基沉降、位移自动化监测，该监测技术具有很强的应用优势，值得推广于运营高速铁路基础变形监测工作中。
　　关键词：运营高速铁路;基础变形监测;静力水准仪;北斗自动化形变监测
　　中图分类号：U456.3          文献标志码：A
　　0引言
　　随着高速铁路建设范围的日益扩大，运营高速铁路基础变形监测的重要性也越来越凸显。运营高速铁路基础变形监测的主要目的在于保证高速列车平稳安全运行，通过监测数据可准实时获取路基的沉降、位移量，并可对未来沉降、位移进行预测，以此为后续的基础变形趋势提供科学依据[1]。但是，高速铁路基础变形监测中涉及到行车安全，监测数据的及时性、准确性是铁路运营部门最关心的。传统的基础变形监测是采用人工监测的方式进行，监测数据的及时性得不到保障，导致变形地段安全隐患增大。因此，如何提升运营高速铁路基础变形监测技术的适用性与实用性尤为关键。
　　1 研究背景
　　运营高速铁路基础变形监测、精测网测量与轨道线形复测项目属于中国铁路上海局集团有限公司专业部门管理，上海铁路北斗测量工程技术有限公司具体实施的综合性监测项目。
　　项目涉及上海、浙江、安徽及江苏等已经开通运营的高速铁路，每年有1 500 km以上精密工程控制网、2 000 km以上轨道线形复测和150处重点地段监测，项目工期为12个月。
　　就该项目监测难度来看，其主要面临的难点是工作面广、精度要求高、人员投入多、安全压力大和协作单位类型多，需要对已经开通运营的高铁2年进行1次高程复测，4年进行1次平面复测和轨道线形复测，并且需要每个月对一些重点地段进行检测。可以说，整个监测项目实际实施过程中存在很大的难度，如何提升整体监测质量是关键之处。基于该项目监测需求，经过初步分析决定特采取以北斗自动化形变监测技术为主外加静力水准仪的监测技术，以此实现动态掌握铁路路基形变安全信息的目的。
　　2 监测方法
　　2.1 检测方法
　　北斗自动化形变监测技术联合静力水准仪的路基变形监测技术属于一种新型的自动化监测技术。通过在路基上布设北斗高精度监测站，依靠监测站的三维坐标变化掌握路基的位移与沉降，同时布设静力水准仪对路基进行差异沉降监测，反应出路基监测点之间的相对垂向沉降。就实际监测工作效果来看，线上可以对路基进行自动、实时与静态毫米级的变形监测，得到形变量随时间的变化曲线图，更为有利的一点是，该监测技术可以建立实时多级报警机制，真正做到了铁路路基形变安全信息的实时掌控。
　　2.2 技术优势
　　就该监测技术设计优势来看，集中体现于以下5个方面。1）一次施工便可以做到长期使用，自动化水平高。2）不易受到天气影响，可以全天候运行，只需要借助相关的软件即可以对路基沉降及位移进行自动化监测[2]。3）所得到的监测数据可以自动存入数据库中，为数据分析和查询提供了较大便利。4）监测数据可以图形化显示，且可以对监测数据进行实时分析。5）如果得到的位移和沉降数据超出正常值则系统会自动报警。
　　2.3 供电及通信系统保障
　　供电系统与通信系统是确保北斗监测站与静力水准仪监测工作顺利开展的重要基础，该项目依据现场环境和电源分布情况，对二者均采用太阳能进行供电。该项目北斗监测站供电采用100 W太阳能板+100 Ah太阳能板蓄电池监测站设备供电，太阳能供电系统由太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。作为太阳能供电系统的核心部分，太阳能电池组件在整个供电系统中发挥着重要的作用，优势在于其可以有效地将太阳辐射能量转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负荷工作。静力水准仪供电统一接入BD1所用的机箱中，供电主要通过BD1太阳能板及蓄电池实现。除此之外，对于通信系统的实现，该项目根据实际需求和现状，对北斗监测站及静力水准仪均采用4G网络传输对监测数据进行实时接收和存储。
　　3 现场实测
　　3.1 測试环境选取及设备布设
　　该次监测过程中布设了4套北斗监测站，即BD1-BD4，每一个监测站包括一个监测墩和一个太阳能供电墩，4个静力水准监测墩有2个与北斗天线观测墩共用一个观测墩。
　　在测试环境选取中，将BD1布设于里程号K467+305即192号接触网杆处附近;BD2布设于里程号K467+405即196号接触网杆处附近;BD3布设于里程号K467+425即185号接触网杆处附近，BD4布设于里程号K467+525即189号接触网杆处附近。保证北斗天线观测墩与接触网杆基本保持在一条直线上，且地下、地上高度均保证在400 mm，太阳能供电墩修建与电缆沟外侧路基斜坡处，地上高度1 500 mm，地下高度500 mm，观测主机机箱与太阳能板通过抱箍的方式固定在供电墩上。天线与机箱通过馈线连接，并用PVC走线管固定。北斗监测站布设点位卫星示意图如图1所示
　　静力水准仪共计4个，安装于北斗监测点BD1-BD2之间，两两相距约为25 m，JL1与BD1，JL4与BD2共用同一观测墩，JL2与JL3单独施工观测墩。在其监测位置设置上，将静力水准仪观测墩置于电缆沟与道砟间，与接触网杆基本处于一条直线上，地下部分高度为300 mm，地上高度为200 mm。如图2所示，静力水准仪监测点布点卫星示意。
　　北斗监测站施工过程中的技术要点包括以下6点。1）电缆沟与道砟间垂直打入的钢筋长度保证在800 mm，且打入地下400 mm，所应用的4根钢筋直径均为Φ25，间距控制在150 mm左右，充分保证与接触网杆基础位于同一直线之上。2）为了实现更好的固定作用，将直径300 mm、高400 mm的PVC套筒放置于钢筋外。3）每一根套筒均现场浇筑混凝土，浇筑高度控制为200 mm，待充分振捣密实后浇筑下一层直至套筒顶部。4）向套筒中混凝土中插入事先预制好的钢管（长度400 mm），保证钢管垂直，待混凝土完全凝固后安装北斗天线。5）在监测点机箱施工过程中，施工人员需要先对施工区域的杂草植被进行修剪，并在电缆沟外侧路基边斜坡处挖500 mm×500 mm×500 mm基坑，并将事先预制好的机箱放入基坑之中，确保4个地脚螺栓可以露出地面。6）太阳能蓄电池在放入基坑的过程中用蓄电池地埋箱保护。另外，混凝土浇筑完成后将预制机箱插入地脚并加以固定，机箱柱高度1 500 mm，用抱箍安装固定机箱、太阳能板。而后按照安装图纸连接天线与接收机，并对北斗接收机进行参数配置。如图3所示，施工完成后的太阳能供电墩。 　　静力水准仪施工要点包括以下4点。1）电缆沟与道砟间垂直打入钢筋的长度控制为400 mm，打入地下300 mm，所选用的4根钢筋按照正方形排列，且间距控制为100 mm左右，保证与接触网杆处于同一直线上。2）在钢筋外放置直径为200 mm、高200 mm的PVC套筒并加以固定。3）待混凝土得到设计强度后用膨胀螺丝对静力水准仪作固定处理，PVC行线槽用U型卡固定。4）静力水准仪电缆沿PVC行线槽连入BD1太阳能供电墩机箱内的数据采集仪中。
　　3.2 监测方案
　　就该项目监测技术应用所要取得的目标来说，主要有以下4点。1）通过监测准确获悉铁路路基沉降和位移的真实情况。2）依据监测数据的变化情况及时推送预警信息。3）对铁路路基两侧现有施工对路基变形影响情况进行系统评价。4）对监测地段与现有人工监测数据进行同频次对比，明确所用监测技术的可行性[3]。
　　考虑到铁路路基与上轨道结构之间存在一定的差异，因而为了尽量保证路基底部混凝土纵向力的平衡，该项目在实际的监测方案设计中采用了特殊摩擦板及端刺结构作为铁路路基与上轨道之间的过渡，端刺可以起到支撑锚梁的作用，且承受基底部分的大部分荷载。另外，摩擦板在此过程中起的作用是缓冲基底板向端刺传递纵向力。因此，在监测方案设计中需要对端刺结构受力变形的影响进行重点分析。除此之外，针对数据信息化管理水平亟待提升的问题，该项目专门研发设计了测量数据采集APP与运营铁路技术服务平台，通过这种信息化手段实现了高程和平面原始数据采集，更为有利的一点是可以实现实时上传平台与精测网、线形测量和重点地段基础变形监测数据管理信息化，结束原有各项数据邮件传输和人工统计报表的历史，极大提高了原始数据、整理数据、提交成果的检查、评估、统计等工作效率和准确率。
　　4 数据分析
　　在数据起算点选取中，采用与原网相同的坐标基准，一旦发现所使用的起算点遭到破坏，则立即选取另外一点作为新起算点进行监测。起算点在使用前需要先对其适用性进行检查，就当前起算点的检查方式来看，最常用的有基线比较法、约束平差分析法及假设检验方法等。在后续的数据分析中主要是对监测数据与原监测数据进行分析对比，但是在实际的数据分析过程中发现原有监测数据存在统计不全、精密度低的情况，因而为了进一步保证该次监测数据的精准性，经过技术团队研究决定，决定开发一套專门应用于北斗+静力水准仪的路基变形监测数据分析的软件，很大程度上优化了整个数据分析系统，补齐部分计算软件短板。另外，所开发的软件系统提升了数据采集、处理和分析的自动化与精准性，大大提升了数据质量检查处理的效率与质量。
　　5 结论
　　铁路地基沉降与位移控制事关铁路运行的安全与稳定，近年来随着铁路基础变形监测技术的发展，越来越多的监测技术开始应用于实际检测工作中。北斗+静力水准仪的路基变形监测技术可以对路基的沉降与位移等变化情况进行实时监测，而且可以对未来沉降与位移进行预测。但是，需要注意的一点是，在借助北斗+静力水准仪的路基变形监测技术开展基础变形监测过程中，需要及时跟进维修工作，确保其供电系统和通信系统不会因外界环境而被破坏，以此保证和提升铁路运行线路的安全性。
　　参考文献
　　[1]张拯，莫傲然，王轲轩.运营高速铁路隧道实时变形监测技术应用[J].国防交通工程与技术，2020，18（1）：40-42.
　　[2]高至飞.运营高速铁路路基变形段轨道几何状态自动监测技术[J].铁道建筑，2018，58（7）：137-141.
　　[3]王翔，王波，汪正兴.高速铁路运营期基础沉降长期监测技术研究[J].铁道工程学报，2017，34（5）：11-14.
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