高速铁路平面变形监测方法研究及应用

王 胜 上海铁路局工务处

1 高速铁路平面监测现状

随着高速铁路的大规模建设和运营，高铁的安全成为了重中之重，为了防患于未然，高铁的变形监测成了当务之急。高速铁路变形监测分为沉降变形监测和平面变形监测两大类，由于电子水准仪等高精度水准测量设备的使用，沉降监测技术日趋成熟，而平面监测却相对手段贫乏、精度较低。受高铁线路监测环境的限制，目前设计院等监测单位主要通过测量机器人采用自由建站边角交会自动观测的方法进行平面变形测量。

该方法选用进口自动照准测量机器人，采用边角多测回重复测量，优点是自动化程度高，相对精度的稳定性有保障，适合夜间天窗点作业，但在平面变形测量方面存在许多不适应，如测量时间长，无法完成较多测点观测，且观测数据必须经专门软件进行试算、约束和平差等，无法及时产生结果；受约束点精度、气象条件等影响，测点中误差精度约2 mm左右，而高速铁路变形监测测点中误差精度要求为1 mm，不能满足监测精度要求。

2 常规的平面变形监测方法

常规的水平位移观测主要有以下几种：

（1）视准线法

以两个固定点之间经纬仪的视线作为基准线，测量变形观测点到基准线间的距离，从而确定观测点的偏离值。

视准线法要求基准点稳定，通过定期复核基准点的位移值，而将观测值加以改正。其优点是速度快，精度较高，原理简单、方法实用、实施简便、投资较少。不足的是对较长的视准线而言,照准误差增大,可能造成照准困难，尤其是当前高铁需要在夜间天窗内监测，目标模糊，照准精度太差，观测结果很不理想。

（2）测小角法

测站点经纬仪照准远处目标点形成视准线，测定观测点偏离视准线的小角，在已知测站至观测点距离的条件下，用测回法观测水平角a（a≤30″），根据d=tga*D（式中D为观测点至监测点的距离）计算水平位移。

测小角法简单易行，便于实地操作，精度较高，但缺点是场地需要较为开阔，基准点应该离开监测区域一定的距离之外，且不能实现多测点同时观察，夜间天窗内监测不能满足施工的需要。

3 现代设备（高精度测量机器人全站仪）精度分析

为取得测量机器人实际的测量精度，进行专项实验，实验采用Leica 1201+，配套 Leica棱镜，选取固定墩台基座置平全站仪，在不同距离设置棱镜进行重复自动照准测量。全站仪串口连接PDA操控手簿，通过输入指令，使全站仪在偏离不同角度下自动照准，根据多次重复实验数据，得到全站仪在不同距离下的的测距误差及测角误差，见表1。

表1 Leica 1201+在偏离不同角度下测量极差

由表1可知，Leica 1201+全站仪标定精度为测角精度：（0.3 mgon），测距精度：1 mm+1.5 ppm，实际的测量精度与标定精度有差别，尤其是测角精度更是有较大偏差，最大约为2.8秒。

把全站仪的测量误差带入点位中误差公式，得到TS1201+在不同距离下的测点中误差：

距离D为30 m时，

距离D为80 m时，

距离D为100 m时，

由此可知，高铁平面变形监测采用1″级及以上精度的全站仪，在100 m范围内通过多测回，取平均值的方法完全可以满足高铁平面变形监测的精度要求，尤其是测距方面更是具有明显的优势。

4 应用全站仪的平面变形测量方法设计

选用恰当的全站仪在合理的监测范围内完全可以满足精度要求，同时测量机器人智能化追踪模式、强制对中可以在很大程度上减小人为误差，同时节省人工，能很好的满足高铁变形监测在夜间天窗内进行，监测点多，工作量大的特点。根据不同的监测环境，测量方法可以分为以下几种：

（1）路基段

变形范围较短，在变形范围内，铁路两侧受围墙，栅栏网等通视条件的影响，只能在栅栏网内进行变形监测，在此工况下，可以在路基侧在变形范围外通过稳定的基准点，对监测点的坐标变化进行监测，从而达到对轨道平面变形实时监测。

图1 路基段变形监测

如图1示，在变形区域等距的两端找两个稳定的基准点，两台全站仪同时观测相同的监测点，通过对每个监测点进行多测回实时监测，相互校核，如果监测点的水平位移值在误差范围以外应检核基准点，采用校核点重新监测，直至满足要求。

此方法要求后视点和基准点严格稳定，并要求每次监测前都要校核基准点，基准点与监测点的距离不超过100 m。

（2）桥梁段

变形地段为桥梁段，轨道与桥墩一起产生平面位移，在铁路界限内没有监测场地，同时需要同步观测桥墩变形，在此工况下，可以在垂直桥墩的方向，通过稳定的基准点，观测其距离变化，得到平面变形量。

图2 桥梁段变形监测

如图2示，桥梁段桥墩较少，监测点较少，桥梁监测一般不受作业天窗的限制，可以在白天观测条件良好的状态下进行，基准点可以选择布设在楼顶或是稳定的国家基准点上，在此工况下可以充分利用全站仪对距离观测的高稳定性和高精确性，直接观测记录监测点的实时变化情况。

此方法要求基准点与监测点的连线与位移变化方向尽量一致，角不超过60°，基准点与校核点连线应垂直于桥墩连线，充分利用全站仪的距离观测精度，避免角度观测误差，通过多测回观测取平均值，提高观测精度，实现监测点平面位移的高精度实时监测。

（3）基准点不稳定

当变形区域范围大，变形区域内很难找到稳定的基准点，或是基准点本身也发生平面位移，此时需要将传统的小角度测法加以改进，利用远处的避雷针或塔尖等标志性建筑作为定向点，距离监测点附近布置基准点，通过观测各个监测点的相对变形，从变形区域一侧的稳定监测点逐步传递到另一侧的稳定监测点，从而得到各监测点的平面变化情况，如图3所示。

图3 基准点变化时变形监测

采用此方法时，要求人工对点准确，在气象条件适合观测的情况下观测，置站点尽量布在监测点等距位置，置站点与对向点距离至少1 000 m，置站点与监测点的距离不大于50 m，通过多测回取平均值提高角度观测精度。

5 具体监测实例

沪杭客专某段，轨道横向偏移最大值73 mm，为了对该段线路平面进行纠偏，采取单侧粉喷桩注浆施工对路基进行综合整治，为了保证行车和施工的安全，要求在施工期间对该施工地段进行平面变形实时监测，见图4所示。

图4 沪杭客专xx段水平位移(横向位移)边角观测示意图

（1）基准点的确定

如图4，位于远离施工区域的施工区两端，上行选择CPⅢ45314混凝土墩与CPⅢ45303混凝土墩，下行选择CPⅢ45305混凝土墩与CPⅢ45316混凝土墩分别做为该地段上下行线轨道横向变形监测的强制对中基准点。

（2）监测点的布置

在不破坏轨道板结构，不影响行车安全前提下，使用强力锚固胶将特制的监测棱镜基座每隔一块轨道板胶固在上下行轨道板内侧边缘上，做为轨道板横向变形（即轨道平面位移变化）监测点。

（3）仪器选用

采用Leica测量机器人进行自动监测。Leica TS30，仪器标称精度为：测角精度：0.5″，测距精度：1mm+1ppm。配套Leica棱镜。

（4）监测方法

以CPⅢ45314与CPⅢ45306的连线为独立坐标系的X轴方向，建立与线路轴线平行的独立坐标系统。

CPⅢ45313、CPⅢ45304、CPⅢ45303 为 CPⅢ45314 的稳定性检核点；CPⅢ45315、CPⅢ45316、CPⅢ45306 为 CPⅢ45305的稳定性检核点，正常施工监测期间在每天平面位移监测前，首先用距离测量方法检核CPⅢ45314和CPⅢ45305点的稳定性。如果产生异常则采取应急预案，选用备用基准点。

水平位移监测点的平面变化采用边角测量的极坐标法观测，其边长采用电磁波测距仪测定。

正常施工监测期间，分别在混凝土墩CPⅢ45314和CPⅢ45305安置仪器，按要求测量各平面位移监测点的实时坐标值，当各平面位移监测点的实时坐标值出现异常时，应立即进行复测和基准点的稳定性检核。当确认平面位移监测点的坐标值出现异常变化时，应立即采取应急预案。

6 监测实施效果

沪杭客专该段线路纠偏路基综合整治，在施工期间上行轨道板布监测点64个，下行轨道板布监测点60个，上下行平面变形监测各242次，上行纠偏最大值67.4 mm、下行纠偏最大值67.6 mm。每日的监测成果与第三方监测单位的监测成果一致，精度符合高铁平面变形监测点位中误差不超过1 mm的要求，在每天4 h的夜间施工天窗内，实现了对每个监测点在施工前后位移变化的实时监测。施工结束后通过每日的监测成果计算的轨道线形与通过CPⅢ整网复测得出的轨道线形结果一致，该次平面变形的实时监测为该段线路综合整治工程的顺利完工起到了关键的作用。

7 结论

高铁变形监测工作日益增多，在高铁的平面变形监测中选用合适的方法时，既要考虑精度，也要考虑到工作效率，工作环境以及经济投入等方面的问题。在满足精度的条件下，可以几种方法结合使用，要尽量做到简单、实用、经济、高效。本文创新了在高速铁路特殊监测条件下的平面监测方法，并分工况对不同的监测方法进行论证并在具体的工程实例中得到验证，对以后的高速铁路平面变形监测可以起到一定的指导作用。

[1]汪孔政.全站仪监测基坑水平位移精度分析.建筑技术,2009年第2期.