数字化施工技术在杭绍台铁路中的应用

陈志胜

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

1 概述

随着我国高速铁路建设的高速发展，对铁路工程建设全过程管理也提出了更高的要求[1-3]，尤其对于高铁路基、桩基等隐蔽性工程，单纯依靠人工对桩深、填料、压实厚度等相关数据进行记录已经不能满足新时期对铁路建设的要求[4-5]。 铁路行业施工周期长、施工工序复杂、隐蔽工程多，随着BIM 技术在设计阶段的推广，对铁路建设的智慧化、智能化要求越来越高[6-7]。

数字化施工技术采用信息化手段对机械进行管理，记录判别施工过程及质量、辅助人工进行决策，相较于传统的工程施工作业模式，数字化施工技术将设计数据加载在安装有各类传感器的施工机械上，可实现无纸化、无桩化施工[8-9]。 数字化施工系统可实现实时全程连续可视化跟踪，由原来的结果控制转变为过程控制，可实现实时向业主方、施工方、监理方提供精确定位的施工信息，并指导现场作业者进行有针对性的施工[11-12]。

杭绍台铁路连接杭州、绍兴、台州三地，是中国首条民营资本控股的高铁项目，也是路内设计单位中标的第一条高铁建设总承包项目，备受各方的关注。 杭绍台铁路设计时速为350 km，全线桥隧占比超过80%，施工周期紧、难度大。 因此，充分运用创新技术优势来推动项目实施，就显得尤为重要[13-15]。

2 关键技术研究

2.1 北斗地基增强系统

北斗卫星定位连续运行参考站系统(Continuously Operating Reference Stations，简称CORS)是一种动态的、连续的空间数据参考框架，可快速、高精度地获取空间数据和地理特征。

为满足杭绍台铁路信息化管理与数字化建设的需要，在沿线建设了7 座连续运行参考站，如图1 所示。

图1 杭绍台CORS 布设网及三界站点

综合各参考站的观测信息，建立精确的误差修正模型，通过移动互联网实时发送RTCM 差分改正数，修正用户的观测值误差，在较大范围内实现移动用户的高精度定位，为全线各标段提供稳定可靠的高精度差分信号服务。 其具有以下主要技术优势。

(1)为测量工作提供基础性、稳定可靠的基础数据服务(24 h 不间断服务)，可大大提高测量精度、速度与效率， 降低测量劳动强度和成本。

(2)为整个项目的测量工作提供统一的基准，尤其依托多基站组网解算，有效的解决不同作业、不同标段的坐标差异问题，提高现场作业质量。

(3)提供远程INTERNET 服务，真正实现数据的共享。 具有连续观测、全天候采集、点位精度高、数据稳定等特点；用户登录需得到授权，数据中心可以管理登录用户，数据安全性较高。

(4)可依托CORS 系统，对工程构筑物进行实时、有效、长期的变形监测；为自动化、数字化施工提供高精度基础定位数据服务，对施工过程进行有效的质量、进度、安全管理。

现场建设的CORS 系统为杭绍台铁路提供了如下服务。

(1)为全线施工测量工作提供稳定可靠、连续不间断、统一的测量控制基准，覆盖全线各标段，大大提高施工测量的精度、速度与效率， 降低了劳动强度和成本。

(2)为天台站、嵊州新昌站的数字化施工提供实时高精度定位数据服务，并实现后台系统对现场工作的实时管控。

(3)为全线重要工点提供稳定、可靠的基础数据支持，包括椒江特大桥变形监测、飞凤山隧道地质灾害监测等多个方面。

2.2 路基连续压实技术

路基连续压实技术主要是基于CORS 系统提供的cm 级位置服务，通过安装在振动轮上的压实传感器获取实时压实度，根据压实度、压实遍数、压实速度、压实厚度等实时指导施工，并将数据实时上传至数据服务器平台，形成压实报告，从而实现远程管理。 硬件模块及数据传输模式如图2、图3 所示，具体模块功能如表1 所示。

表1 路基压实技术模块功能

图3 路基压实技术数据传输流程

该技术在杭绍台铁路天台站施工现场进行了应用，如图4、图5 所示，从技术、实效、质量等多个角度，对整个路基摊铺碾压过程起到了质量管控有效、数据可溯、报表成果标准化等作用，提高了现场的技术管理水平。 相较于传统路基压实施工，其技术优势主要体现在以下几个方面。

图4 路基压实技术路基摊铺碾压模型

(1)实时显示当前作业面压实情况，引导压路机司机有针对性的进行操作；系统可全天候工作，提高夜间施工质量水平。

(2)对压路机行进速度、碾压厚度、碾压遍数及压实度进行实时管控，可避免过压或者欠压，由原来的结果控制转变为过程控制。

(3)掌握整个碾压面的压实遍数、厚度、压实度，为最终常规检测提供指导，减少返工率，大大提高一次报检的合格率；可进行历史轨迹查看，找出质量问题出现环节，提供溯源数据，明确划分责任。

图5 路基压实技术实时监控系统

(4)能够实时记录数据，实时上传数据至工管中心服务器平台，并生成相应压实归档报告。

(5)采用连续压实设备进行路基填筑碾压，能够及时全面的反映路基压实情况，节约了检测时间，提高机械工作效率，缩短了路基施工周期。

2.3 桩基自动监控技术应用

桩基自动监控技术主要针对现有CFG 桩、螺杆桩等隐蔽工程施工过程的监管困难，基于CORS 基站，依靠高精度天线定位模块、进料测量模块、持力层电流测量模块、各种传感器等实时反馈现场桩机状态，包括打桩速度、深度、倾斜度、振动电机的电流情况等，并依靠通讯实时上传至服务器，以便后台管理人员实时监控现场施工情况。 硬件模块及数据传输模式如图6、图7 所示，模块功能如表2 所示。

图7 桩基自动监控技术数据传输流程

表2 桩基自动监控技术模块功能

续表2

该技术在杭绍台铁路嵊州新昌站CFG 桩基施工现场进行了应用(如图8、图9 所示)。 从技术、实效、质量等多个角度考察，对整个桩基施工过程起到了质量管控有效、过程数据可溯、报表成果标准、人力资源解放的作用，相较于传统桩基的旁站式施工，优势主要体现在以下几个方面。

(1)提高施工质量:实时记录桩机施工数据，施工质量可追溯，对工地施工质量进行规范化管理，保障所有标段作业标准的一致和施工精度的统一。

(2)有效缩短工期:可全天候施工，减少对桩时间，无需测量人员放样，管理人员可实时掌握工程进度，通过把握各标段施工状况加以调配资源。

(3)减少成本投入:无需钉桩、放样，无需人工过程检查，提高机械使用效率，减少问题桩数量，对各施工队上报的打桩数量及深度进行精确审核，控制土方成本，保证施工安全并降低能源消耗。

图9 桩基自动监控技术后台监控系统

3 总结与展望

隐蔽工程的施工质量一直是铁路建设项目的重点和管控难点，有别于传统施工工艺对于现场技术人员的依赖，路基连续压实技术和桩基自动监控技术可在一定程度上减少现场管理人员数量，提高质量管控的力度和水平；利用CORS 系统的精确定位功能实时进行数据传输与更新，对于施工现场的管理、质量、进度控制都有很大提高。

随着国内高铁建设项目的智能化、信息化水平越来越高，“智慧工地”的建设将逐渐成为未来项目施工的总体目标，而CORS 系统除了为现场施工测量、数字化施工等工作提供必需的基础定位数据之外，在施工现场人员安全管理、车辆机械定位、线路无人机巡检、隧道安全管理等方面也将发挥其不可或缺的作用。 另外，在复杂地段的地质灾害变形监测预报、桥梁变形及健康监测等工作也是其重要的应用范围，CORS 系统将为“智能建造、智慧工地”的建设发挥更大作用。