铁路立交工程形变自动化监测系统研发及应用

陈 涛

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

近年来，随着城市化进程加快，新建公路、铁路、地铁、管线等穿越既有铁路的工程日渐增多[1]，涉铁工程施工均可能对既有铁路设备安全及行车安全产生影响，甚至会导致铁路安全事故[2-4]。 为了确保铁路运输安全，需要监测涉铁工程施工对既有铁路桥梁、路基等铁路设备的影响，同时根据监测反馈的信息，及时采取措施进行防护和控制，做到全过程施工管理信息化[5]。 若采用传统的人工监测，将面临工作量大、上道作业安全风险大等问题[6]，且监测频率达不到要求，监测数据也容易受雨雪等天气影响。此外，传统的人工监测无法及时采集铁路轨道、路基等变形数据和变形动态，同时也难以满足高频次监测、预警等要求。

为了弥补传统人工监测存在的缺陷，在沉降变形自动化监测领域，许多学者采用GNSS 技术实现了对铁路路基的监测，然而，GNSS 技术不易监测铁轨等铁路设备的变形。 因此，研制一种“铁路立交工程施工形变控制综合自动化监测系统”，实现施工形变的自动化监测很有必要。

1 自动化监测系统的构成

铁路立交工程施工形变控制综合自动化监测系统主要包括4 部分:全站仪自动化数据采集系统、自动化监测数据处理平台、自动化监测系统信息发布平台以及所需的硬件设备。

1.1 全站仪自动化数据采集系统

基于物联网技术，开发了全站仪自动化数据采集系统，形成了自动化采集全套软硬件技术。 利用全站仪实现自动化数据采集，本系统安装于CRDC 监测机中(如图1)。 该系统可定期启动全站仪，对变形监测点进行水平角、垂直角、斜距等数据采集；同时，还可对气象值进行采集，对数据进行初步处理，以及将数据上传至自动化监测数据处理平台。

图1 全站仪自动化数据采集系统

1.2 自动化监测数据处理平台

基于云计算技术，开发了数据解算分析平台。 接收到采集系统上传的原始数据后，经过粗差剔除、联合平差、形变计算等处理[12-13]，再采用多期数据得出各监测点的初始坐标、高程，采用后续每一期数据求得当期各监测点的坐标、高程，并与初始值作差，可得到各监测点在该阶段的三维形变情况。

1.3 自动化监测系统信息发布平台

基于云计算技术，开发了数据发布平台。 经数据处理平台的数据通过互联网在信息发布平台上进行发布，基于该发布平台可在与互联网连接的电脑、手机、平板等电子设备随时随地查看监测信息，便于不同用户对现场施工形变数据的获取与掌控。

1.4 硬件设备

为满足该自动化系统需要，研发了一套适用于自动化监测系统的硬件设备，包括轨道监测棱镜固定装置、防雨罩、全站仪支架等。 自动化监测的设备集成满足了自动化监测系统的供电、通信需求，保障了自动化监测系统的正常、安全运转。

2 系统功能

铁路立交工程施工形变控制综合自动化监测系统主要通过信息发布平台来实现监测成果网络发布、形变超限自动报警等功能。 该发布平台主要包含监测信息总览、数据查询、数据报表、数据统计、数据管理及监测配置6 个功能。 软件架构如图2 所示。

图2 软件架构

2.1 监测信息总览

在监测信息总览-监测点位图中，可以查看到当前项目的布点平面和实景。

监测点位图中可实现点位与数据查询，点击其中任意点，可跳转到该点横向、纵向、垂直3 个方向上的数据查询界面。

2.2 数据查询

数据查询界面用于查询监测数据及监测曲线，主要包含以下几方面。

(1)可查询所有监测点随时间的位移量及坐标变化量曲线。

(2)可查询轨向、高低、轨距、水平变化量随时间的变化曲线。

(3)可查询轨向、高低、轨距、水平变化量、三角坑在某一时刻空间上的变化曲线。

(4)可查询单点的监测坐标及原始监测数据。

2.3 数据报表

数据报表界面用于下载监测数据和报表，主要有以下3 种形式。

(1)可以下载位移量、轨向、高低等随时间的变化曲线和监测数据，下载格式为word，适用于一段时间内位移量、轨向、高低变化量的数据分析及报表输出。

(2)可以下载单点位移、单点坐标、组合数据(轨道几何尺寸偏差)等随时间的变化曲线和监测数据。下载格式为excel，适用于对单点或点对在一定时间内的变化量分析。

(3)可以下载某一时刻组合数据(轨道几何尺寸偏差)在空间上的变化曲线和监测数据。 下载格式为excel，与《工务段线路检查薄》一致，便于现场养护作业人员对点检查和养护维修作业，便于专业人员资料查阅及资料归档。

2.4 数据统计

数据统计界面用于统计监测数据。 主要有以下3 种形式。

(1)统计单点的三维位移量数值分布情况。

(2)统计超限预警的监测点数量。

(3)统计一段时间内指定监测点三维位移量的具体变化情况。

2.5 数据管理

数据管理主要包含测站数据管理、消息数据管理和状态数据管理三方面。 测站数据管理界面用于查看测站数据是否合格，消息数据管理可查看详细的系统消息。 状态数据管理界面可查看监测过程中由于施工或外界其他原因造成的突变现象，并做好备注，便于管理。

2.6 监测配置

监测配置界面用于对监测系统进行配置，主要包括通用配置和全站仪自动化监测的配置。 通用配置是对监测点位图、监测点分类进行配置。 全站仪自动化监测是对全站仪、测点、测量点组、测量周期、轨道静态几何尺寸偏差及预警阈值进行配置。

3 现场试验

铁路立交工程施工形变控制综合自动化监测系统先后在安徽省多个公路下穿普铁、高铁立交工程进行了试验。 图3 和图4 分别为蚌埠市司马庄路下穿京沪铁路立交工程及肥东县龙兴大道下穿沪蓉铁路立交工程的现场监测照片。

图3 司马庄路下穿京沪铁路立交工程监测

图4 龙兴大道下穿沪蓉铁路立交工程监测

以蚌埠市司马庄路下穿京沪铁路立交工程监测为例，为了满足监测频率的需要，采用了自动化监测系统，定时采集施工区及两端各30 m 范围内相关的钢轨、路基、条基、支墩、便梁、接触网立柱等的变形数据。如图5，在靠近京货下行的路肩上设置了2 台全站仪对向观测，可以观测到所有监测点。 在施工影响范围外均匀布置了4 个基准点。 在条基、便梁以及轨道上均布设了监测点，每2 h 测一次，通过网络实时传输数据，并在软件平台实时处理，得到各监测点的动态变化。 条基监测点通过膨胀螺丝直接布设在条基上，便梁监测点通过植筋胶粘在便梁上，轨道几何形态监测点布设于便梁左右两侧受影响的30 m 范围内，断面间距为5 m。

下穿施工前，应对各项监测内容进行全面初始值采集。 然后针对每项监测内容进行监测预、报警值的设定。 根据监测内容的不同，可分为轨道几何尺寸偏差和路基、便梁、条基等报警。 轨道几何尺寸偏差报警值参考2019 年《工务维修规则》规定的线路轨道静态几何尺寸容许偏差[14]，计划按Ⅱ级偏差来设定，如表1。

图5 自动化监测现场监测点布设平面

表1 轨道几何尺寸偏差的监测报警值 mm

路基、便梁及条基的监测报警值如表2 所示。

表2 路基、便梁及条基的监测报警值

各项监测内容的预警值一般可取报警值的70%作为黄色预警，报警值的85%作为橙色预警，报警值的100%作为红色预警[15]。 当轨道几何尺寸偏差达到黄色/橙色/红色预警，系统会自动给预先设置好的短信接收人员发送监测预警短信，实现了现场形变情况的远程掌控，如图6 所示。

图6 轨道几何尺寸偏差的预警界面

4 结论

(1)该系统只需在设备安装和拆除时上线作业，解决了人工监测工作量大、上道作业安全风险大等缺点。

(2)该系统可以达到设计要求的监测频率，监测频率可人为设定和修改，实现24h 自动化监测。

(3)该系统具备监测成果网络发布、形变超限自动报警等功能，实现现场形变情况的远程、便捷查询及掌控，确保了工程施工期间铁路运输安全。