铁路施工便梁沉降自动化监控系统开发与应用

2012-05-15范红波

铁道勘察 2012年1期

范红波

(江苏雷威建设工程有限公司,江苏南京 210003)

1 概述

对于既有线下穿立交工程,无论是新建、改建，还是扩建、维修,都必须面对一个基本的问题：要支撑上部铁路线路不间断的铁路运输,确保施工期间的铁路行车安全。铁路D型施工便梁能较好地适应这个要求,因而在下穿立交工程中得到了普遍采用。既有线下穿立交顶进工程中最关键的工作是通过架设D型施工便梁对既有铁路进行加固,保证在施工期间线路能时刻满足铁路运输安全需要，所以,监测D型施工便梁4个支点沉降位移问题就是重中之重了。通常的做法是使用水准仪对便梁的沉降位移进行人工测量,对测得的数据作出判断。其存在如下缺点：

①人工监测费工费时,精确度不高。

②人工监测频度不高,对监测对象的状态变化响应度差。

③人工监测受环境的影响大,如运输密集时,黑夜、雷暴风雨时,对人工监测会产生很大的干扰和影响。

④作业人员在如此高的行车密度下人身安全隐患大。

在以往的工程实践中,这种人工监测方法的成效主要取决于便梁支墩方式和施工单位的应急能力,难以解决运输、建设部门及施工单位对便梁沉降影响行车安全的深层次顾虑与担忧。在这种背景下,开发了全天候、高频度、实时精确、自动化的便梁沉降位移监测系统,运用现代先进的监测方式,改造传统的便梁沉降监测方法,实现对D型施工便梁的全自动、高可靠度的监测。

2 系统开发思路与功能特点

2.1 系统开发思路

基于对人工监测缺点的分析,进行自动化监测系统设计的原理和方法有所不同,主要体现在：①选用具有实时监测功能的高精度静力水准仪,测量过程达到完全的自动化和计算机智能控制。②施工便梁的姿态变化情况以三维动画的形式反映在屏幕上,使监测情况更直观(如图1所示)。

系统开发着眼于克服传统人工测量方式的缺点,提高观测可靠性和测量的及时性,避免人工测量造成的较大误差。在工程施工过程中,采集施工便梁支点的变化轨迹数据,对其进行科学的分析与数据的计算,从而真实反映轨道控制状态，为行车安全、施工安全提供可靠的保证。

图1 施工便梁姿态监控工作流程

2.2 系统功能特点

①实现实时性、连续性跟踪测量,不受外界因素的影响。

②整个测量过程记录、存储、计算和出报表等工作完全采用自动化,避免人工记录和计算而出现的错误,保证了监测精度；避免人员频繁上道测量,减少了此类人身安全隐患。

③根据监测点的不同要求，以三维动画的形式直观表示其变化形态幅度及范围。

④根据工况要求自动设置预警和报警二级装置,保证施工阶段全过程的安全。

3 系统设备构成

整个铁路施工便梁姿态监测系统采用静力水准仪、静态数据采集仪、可视化分析处理数据软件等三部分组成。

3.1 静力水准仪

静力水准仪(连通液位沉降计)是一种电感调频的总线型位移计,由两个或多个位移计用连接管连接而成,位移计则由液缸、浮筒、液位传感器、保护罩等部件组成(见图2)。

图2 静力水准仪示意

3.2 静态数据采集仪

用于连接静力水准仪,通过六芯(弦式)/四芯(电感调频式)水工电缆完成数据传输与电源供电工作。静态数据采集仪采用了直接物理量输出的RS485接口,可以与计算机的串行口直接相连接(经RS232～RS485转换器),或通过无线模块完成对传感器的参数设置、数据采集工作。

3.3 可视化分析处理数据软件

可视化分析处理数据软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。在软件运行时,施工便梁的姿态变化情况以三维动画的形式反映在屏幕上,所有这一切都是以实时数据库为中心环节。数据库是联系上位机和下位机的桥梁，通过实时数据库中的变量与现场监测仪器同步变化,再建立画面的图素与数据库变量的对应关系,这样就形成了“动画连接”。施工现场的数据,比如温度、便梁沉降量等,当它们发生变化时,通过I/O接口,将引起实时数据库中变量的变化。可视化分析处理数据软件提供了强有力的报警和事件系统,并且操作方法简单。

4 工程应用

常州市泡桐路下穿京沪铁路立交改造工程位于常州戚墅堰站内,京沪铁路交点里程为K1298+514.66,以一孔14 m框架桥下穿7股线路,其中正线2条,站线5条。京沪铁路为双线电气化区段繁忙干线,铁路行车密度高,施工干扰大。D型施工便梁加固线路、开挖基坑、框架桥顶进、线路恢复等工作直接影响铁路行车安全。

该工程施工范围为：在工作坑内预制顶进长55.61 m的箱涵,框架顶进前采用D24便梁加固7条线路,采用320 t液压顶进系统实施顶进。施工范围内地质情况以粉砂及粉质黏土为主,土体含水量大,黏结力低,基坑开挖及顶进过程中既有路基极易造成塌方,对铁路行车安全造成较大威胁。因此,我们对该处2条正线上的2孔D24 m施工便梁采用该自动化监测系统进行便梁沉降监测。

4.1 便梁监测点的布置

在每片D型施工便梁的纵梁两端头位置分别布置1个施工便梁监测仪,在便梁外部路基上布置一个施工便梁监测仪作为相对基准点,使其与便梁上的4个施工便梁监控测仪相连(见图3、图4),每孔便梁需布置5个施工便梁监测仪。

图3 便梁上布点三维示意

图4 便梁上测点与路基相对基准点相连接

4.2 便梁监测的作业步骤

作业实施步骤如图5所示。

图5 监测的作业实施步骤

4.3 监测报警限值的确定

根据《既有线提速200～250 km/h线桥设备维修规则》表5.2.1对线路轨道几何尺寸容许偏差规定,再换算到监测点位移的变化,进而提出一个以控制三角坑病害为主的警报限值(如图6所示)。

图6 报警限值计算(单位：mm)

以限速(160 km/h)运行为例推导报警限值

则换算到便梁上的警报限值ζ为

ζ=L·tanθ=4.0×0.005 57=22.3 mm

4.4 应用情况

该施工便梁自动化监控系统在常州市泡桐路下穿京沪铁路立交改造工程项目上成功应用,对上、下行正线上的2孔施工便梁的8个支点进行了全过程的监测,取得满意结果。监测表明,该系统在框架顶进过程中连续跟踪测量施工便梁姿态状况良好。测量1个点能达到3 s/次,适应火车震动的环境,系统可以长期连续运行。监测结果如图7所示。