北斗定位技術在高速鐵路沉降變形監測中的應用

強小俊

（1.鐵科院（深圳）研究設計院有限公司，廣東深圳 518057；2.深圳地質災害監控工程實驗室，廣東深圳 518057）

高速鐵路運行速度快，對線路的平順性有較高的要求，列車高速運行的動荷載作用、地下水過量開采等會引起線路橋梁、路基構筑物的沉降變形［1］，對高速列車的運行安全造成較大的威脅。因此，高速鐵路線下工程沉降變形監測是運營維護的重要內容之一。目前，高速鐵路沉降監測主要依靠水準測量，但水準儀等光學測量儀器僅適用于定期測量，且受現場環境干擾影響大，尤其是在封閉式運營的高速鐵路中，檢測及維修天窗時間短，傳統的人工測量難以實現對線路變形的大范圍長期觀測［2-3］。

衛星高精度定位技術和無線通訊技術的迅速發展，為解決高速鐵路基礎設施變形的非接觸、實時監測問題提供了可靠的技術支撐。北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是我國正在應用的自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、高精度定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎措施。當前正在運行的北斗二號系統已具備在亞太地區提供導航定位服務能力，低緯度地區定位精度甚至優于GPS［4］。隨著北斗系統建設的發展和服務能力的提升，北斗高精度定位技術已逐步應用在各工程領域。由于其自動化程度高、精度高、受外界影響小，可以連續、全天候觀測監測點的位移變化情況，在高速鐵路基礎設施變形監測中具有良好的應用前景。

本文依托某高速鐵路，對北斗技術應用于高速鐵路線下工程沉降變形監測的可靠性和精度進行了現場驗證試驗，以期為該技術在實際工程中的推廣應用提供參考。

1 北斗變形監測系統

北斗定位技術的基本原理是通過接收衛星發送信息計算已知位置與地面接收機的距離，根據多個衛星數據進行定位，獲取監測點的空間坐標，其測量誤差主要來源于3方面：與衛星有關的誤差、電離層延遲等信號傳播誤差以及接收機的固有誤差［5］。

北斗高精度定位技術采用相對定位的方式，即將一臺北斗設備保持靜止作為基準點，測試點的北斗接收機作為監測點。多臺設備同時定位觀測，利用載波相位信息和載波相位差分技術，對基準點和各個監測點測試數據進行差分處理，消除或減小上述誤差影響，從而大幅度提高相對定位精度，實現毫米級的高精度測量［6-8］。

北斗變形監測系統包含北斗接收機和天線、數據傳輸模塊、太陽能供電系統及數據處理中心，如圖1所示。北斗接收機采集原始觀測數據，通過數據傳輸模塊傳輸到云服務器，經差分處理得到測試點位置坐標信息，并在北斗監測系統平臺實時顯示，數據傳輸包括4G、寬帶衛星（LoRa）等方式。

圖1 北斗變形監測示意

2 高速鐵路沉降變形監測試驗

2.1 工程概況

該高速鐵路為國鐵Ⅰ級、客貨共線、雙線電氣化有砟軌道線路，設計速度250 km/h，列車初期運營速度200 km/h。開通運營后，局部路段出現不均勻沉降，沉降段全長5.3 km，包括兩處跨江橋梁段及中間的區間路基。截止到2017年12月，水準測量結果顯示：兩處橋梁段最大沉降近160 mm，路基周邊地表最大沉降近60 mm，沿線構筑物最大沉降近120 mm。

2.2 北斗定位的精度驗證試驗

高速鐵路接觸網27.5 kV高壓線等現場干擾因素可能會使北斗定位技術產生較大測量誤差。為了確定高速鐵路接觸網高壓線對北斗定位技術監測精度的影響，緊鄰線路外側安裝一套北斗接收機進行試驗驗證。試驗點布設位置選擇在區間路基段沿線，距離基準點約350 m，場地周邊視野較為開闊，以旱地、荒草地為主，土質較為堅硬，車輛、人流相對較少。

試驗裝置見圖2。在北斗接收機底部安裝高程可調節的支座，通過調整支座高程產生豎直方向上的位移變化，將北斗測試點測量的豎直位移與實際調整位移進行對比，分析得到北斗定位技術的沉降觀測精度。

圖2 北斗定位的精度驗證試驗裝置

2.3 變形監測試驗方案

根據相關研究成果［9］，北斗相對定位精度與基線長度相關，基線長度在5 km以內時垂直位移精度的差異較小。因此，為保證北斗相對定位技術的精度，沉降變形監測的基線長度控制在5 km內。結合前期監測數據和試驗段現場線路結構形式，基準點設置在沉降段的中部，澆筑混凝土觀測墩并固定于周邊山體的穩定地層，監測點沿線路縱向以500～1 000 m間距布設，橋梁段共布設6個監測點，編號為BDS1—BDS4和BDS7，BDS8，路基段布設2個監測點，編號為BDS5，BDS6，布設位置如圖3所示。

圖3 北斗變形監測點布設示意

北斗變形監測系統的安裝既要保證不影響線路正常運營和養護維修作業，同時也要避免列車運行對北斗接收機數據采集穩定性的影響。

跨江橋梁段北斗接收機及數據采集儀機柜布設在橋梁護欄位置，通過膨脹螺絲固定在橋梁遮板和豎墻上，太陽能供電系統通過膨脹螺絲固定在橋梁擋砟墻外側，太陽能板、蓄電池安裝高度不超過擋砟墻。區間路基段北斗接收機安裝在路基兩級邊坡之間的平臺上，路肩位置挖開片石澆筑混凝土墩，太陽能供電系統安裝在路基斜坡邊墻外側，用防護罩進行保護。

北斗變形監測系統的數據傳輸方式采用4G和LoRa兩種方式。在有通信信號覆蓋區域使用4G網絡進行數據傳輸，在無通信覆蓋區域可以自動切換到LoRa模式進行數據傳輸，避免北斗測量數據因通信信號未覆蓋而出現缺失。

3 試驗數據分析

3.1 北斗定位精度試驗數據分析

北斗變形監測系統布設完成后，對線外試驗點進行精度驗證試驗的連續觀測，測量結果見表1。

表1 北斗定位精度試驗結果

由表1可知，北斗設備測量的豎直位移與實際調整位移絕對差值為0.6～3.0 mm，其中第3 d至第4 d受臺風天氣影響，測試區域上方電離層較為活躍，測量誤差相對較大，在氣候條件較好時測量絕對誤差不超過2 mm，與北斗定位技術標定豎直位移精度（±3 mm）［10］吻合。數據分析結果表明：高速鐵路接觸網高壓線對北斗定位測試精度的影響可以忽略；臺風天氣對北斗定位測試結果有一定影響，分析長期變形監測數據時應注意對臺風天氣引發的異常值進行識別和處理。

3.2 沉降變形監測試驗數據分析

現場監測時間從2018年9月開始持續約60 d，監測期間歷經多次臺風及暴雨惡劣天氣，北斗變形監測系統保持運行正常，數據穩定。在各監測點布設完成后，取5～6組互差小于5 mm的測量值，以其平均值作為初始值，得到各監測點的沉降變化曲線，見圖4。

圖4 不同區段的沉降變化曲線

由圖4可知：各監測點沉降曲線變化趨勢較為平緩，累計沉降量較小，均在一定范圍內波動，表明該高速鐵路線下工程在監測期間內沉降基本穩定。對上述各監測點的沉降變化曲線波動范圍比較分析可知，沉降變化波動幅度與監測點的基線長度有關，基線長度越長，沉降監測的波動范圍越大，其中基線長度最大的BDS1監測點波動范圍為-8.4～7.1 mm，基線長度最小的BDS5監測點波動范圍為-0.6～2.3 mm。

結合各監測點與基準點之間的距離，通過式（1）計算其測量中誤差δ，整理分析得到不同基線長度下監測點的測量中誤差，見表2。

式中：n為觀測值個數；Δi為第i個觀測值誤差。

表2 不同基線長度下北斗變形監測系統的測量中誤差

對不同基線長度下北斗變形監測系統的測量中誤差進行擬合，得到擬合直線，見圖5。

圖5 測量中誤差與基線長度的擬合直線

由圖5可知，北斗變形監測系統的測量中誤差與基線長度呈線性正相關，相關系數為0.9，基線長度越大，測量中誤差越大，與前述數據分析結果一致。基線長度為3 km時測量中誤差為3 mm，基線長度為1 km時測量中誤差為1.6 mm。

根據TB 10601—2009《高速鐵路工程測量規范》、鐵總運〔2015〕60號《高速鐵路路基修理規則》規定，高速鐵路變形監測的測量中誤差應小于允許變形值的1/10～1/20。有砟軌道路基工后沉降控制標準見表3。因此，基線長度在3 km以內時，北斗變形監測系統的精度可滿足高速鐵路有砟軌道的沉降觀測技術要求，在監測精度要求較為嚴格的情況下，建議基線長度控制在1 km以內。

表3 路基工后沉降控制標準

4 結論

采用北斗高精度定位技術對一高速鐵路線下工程進行了沉降變形監測試驗，得到以下結論：

1）北斗變形監測系統的現場布設方式不僅實現了沉降變形的有效監測，而且避免了對線路正常運營的影響；試驗中采用的4G和LoRa數據傳輸方式穩定可靠，特別適合于川藏線等通信信號無覆蓋區域的自動化監測；北斗變形監測系統可以實現高速鐵路線下工程沉降變形的連續、全天候、自動化監測，應用北斗高精度定位技術的高速鐵路沉降變形監測方法可行。

2）現場北斗驗證試驗表明，基線長度為350 m時，高速鐵路線路沉降觀測絕對誤差不超過3 mm；高速鐵路接觸網高壓線對北斗定位測試精度的影響可以忽略，臺風天氣對北斗測量結果有一定影響，分析長期變形監測數據時應注意對臺風天氣引發的異常值進行識別和處理。

3）北斗變形監測系統的測量中誤差與基線長度呈線性正相關，基線長度越大，測量中誤差越大；基線長度在3 km以內時，測量中誤差不超過3 mm，可以滿足高速鐵路有砟軌道的沉降觀測技術要求，在監測精度要求較為嚴格時，建議基線長度控制在1 km以內。