既有高速鐵路路基變形預警監測系統的研發及應用

陳亮

（廣州鐵路科技開發有限公司，廣州510100）

0 引言

隨著鐵路跨越式發展，高速鐵路建設快速推進，我國高速鐵路逐漸形成“八橫八縱”的網絡。由于高速鐵路的特殊性，鐵道部[2012]23號文件明確規定,新建公路和鐵路與已建或在建高速鐵路交叉跨越時,應優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、鐵路等工程建設的必然選擇，今后會出現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鍵技術問題,研究隧道下穿高速鐵路路基安全監測與變形控制技術對確保高速鐵路運營安全、滿足工程建設需求具有重要社會意義和經濟價值。

目前，對既有鐵路安全監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，無法實現實時監測，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測的系統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施工下穿高鐵的自動化監測方法，并進行了系統研發，建立了既有高速鐵路路基變形預警監測系統，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用，數據分析結果表明，系統可以實時在線監測高速鐵路路基的變化情況，可在高速鐵路中廣泛使用。

1 系統總體設計

從安全、實時、穩定以及可靠的需求出發，針對無砟軌道板沉降、接觸網支柱空間姿態、站臺沉降、雨棚柱沉降、施工區域地基的分層沉降、地下水位變化等多項監測內容進行監測,利用總線和網絡將各監測子系統進行集成設計，不僅可以獲得現場各類對象的監測結果，還可以通過分析處理各監測數據，得到較為準確的既有鐵路路基變形情況。系統總體設計主要包括監測內容、功能設計和系統架構三個方面。

1.1 監測內容和方法

本系統從軌道板沉降（包括不均勻沉降）、接觸網支柱的空間姿態、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測。監測方法如表1所示。

1.2 功能模塊

實現從底層傳感器安裝布設、基礎數據設置、數據的自動采集傳輸和存儲、數據自動計算、監測日報和分析報告的自動生成、監測預警、路基變形評估評估的一整套功能。此外，為了實現對人工測量數據的統一平臺管理，還兼容人工測量數據導入、分析和管理功能。如圖1所示：

圖1 系統功能框架

1.3 系統架構

系統架構包括監測點數據采集、數據傳輸、數據計算、數據監測預警四個部分，數據傳輸采用GPRS無線傳輸。如圖2所示：

圖2 系統網絡框架

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，連接到設備控制箱，設備控制箱通過無線網絡發送到后臺系統。自動全站儀直接通過無線網絡方式，把采集的數據發送到后臺系統。

2 核心模塊研發

2.1 數據采集傳輸子系統

根據系統的架構，采用了基于總線和基于網絡的兩種方式，首先設定的采集頻率，借助廠家提供的數據采集模塊，采用MQ技術，實現數據實時同步到系統的SQL Server數據庫，完成數據的采集、傳輸和存儲。數據同步程序如圖3所示：

圖3 數據同步程序

2.2 數據自動計算處理子系統

數據在存儲到數據庫之前，實現了數據的自動計算，根據不同的監測內容和采用的不同監測方法，計算方法如下：

（1）靜力水準儀測量結果計算流程

圖4 靜力水準儀測量結果計算流程

（2）傾角儀測量結果計算流程

圖5 傾角儀測量結果計算流程

（3）地下水位計測量結果計算流程

圖6 地下水位計測量結果計算流程

（4）分層沉降計測量結果計算流程

圖7 分層沉降計測量結果計算流程

（5）自動全站儀測量結果計算流程

圖8 自動全站測量結果計算流程

2.3 查詢統計分析

（1）監測日報的輸出

根據系統自動計算的結果，選擇相應的數據，進行計算，形成監測日報，以靜力水準儀為例，如圖9所示：

圖9 監測數據檢查計算

由于收到天氣等外部條件的變化，且每天監測的數據較多，通常，我們通過手動的方式，選擇比較穩定的點，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，可以查看相關數據。雙擊選擇本次測量點和上次測量點，系統自動計算本次變化量；選擇報表次數；點擊“保存”，保存結果。

（2）報表匯總

根據業主單位、施工單位、監理單位等的要求，可以選擇相應的監測內容，形成報表匯總，報表匯總包括：數據明細情況，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 監測日報匯總

（3）數據變化趨勢分析

數據變化趨勢圖根據某測量點某一時段的累計變化量進行統計分析，如圖11所示：

圖11 數據變化趨勢分析

2.4 監測預警子系統

監測預警子系統包括預警值設置、預警提醒和預警結果分析，預警方式包括：界面提醒、聲音提醒和短信提醒。此外系統還對測量點的累計變化量、24小時變化量和未測量到數據的點進行的監測。預警值設置如表2所示。

監測預警界面如圖12所示。

2.5 路基工后沉降監測和分析

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

圖12 監測預警界面

表2 預警值設置參數表

3 工程實例應用

“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,這在國內是第一例，在國內沒有先例可循。加上施工地段地質條件復雜，導致工程難度非常大，因此研究地鐵隧道盾構下穿高速鐵路路基過程中的主要控制因素,并通過監測盾構隧道下穿既有高速鐵路施工對無砟軌道的影響,及時發現影響鐵路正常運營的安全隱患,為地鐵建設單位和鐵路運營單位提供準確的監測數據和信息,為后續工程施工工藝、工序安排以及軌道防護和運營安全提供參考依據,顯得十分必要。工程概況如圖13所示。

圖13 現場概況圖

以高鐵三站臺為例，三站臺面上共布置18個沉降監測點，測點編號分別為GT19～GT36,在主要影響區域范圍內的測點為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 高鐵三站臺施工現場和監測時間軸

根據盾構施工過程，利用測量機器人采取連續測量，對站臺各個測點從盾構距離該測點斷面20米開始測量，直到盾構通過該斷面32米后并且該測點后續沉降趨于穩定結束。測量結果分析如表3：

表3 高鐵三站臺監測結果

本區域盾構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定，可以進行抬板與精調施工。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警監測系統不間斷的監測，所得到的監測數據和不同時期的施工反應基本吻合，為建設單位、施工單位和監理單位等提供了數據決策支撐。下穿盾構隧道已于2016年12月17日成功穿越京廣高鐵。通過工后沉降的監測和預測確定施工區域路基已處于穩定狀態，工務部門于2017年9月進行抬扳和精調作業，目前線路已恢復至施工前狀態。

圖15 工后沉降分析結果