全站仪自动化监测系统在高速铁路涉铁工程监测中的应用研究

徐幼成 中国铁路上海局集团有限公司皖赣铁路安徽有限责任公司

1 引言

安全和高速是高速铁路最首要、最核心的问题。轨道不平顺是引起机车车辆振动的主要根源，严重的轨道不平顺不仅会引起机车车辆剧烈振动，甚至会导致列车脱轨，危及行车安全。随着城市不断发展扩张，横陈在城市中的既有铁路像屏障一样阻断了铁路两侧的交通，一般可通过上跨桥梁、下穿涵洞等方法打通铁路两侧的道路交通，为城市发展提供新的可利用空间，然而在施工过程中，必然会对高速铁路轨道平顺性造成影响，这样就对施工安全提出了更高的要求，同时也对监测成果的实时性、可靠性提出了更高的要求。由于高速铁路存在行车速度快、行车密度大、线路全封闭等特点，传统的人工监测只能在晚上天窗点进行，无法满足监测频率需求，且人工测量成果数据处理、分析周期长，不能实时监测预警，已无法满足日益增长的快速施工和不断提高运营维护效率的要求，因此在高速铁路涉铁监测中必须采用自动化监测系统。

当前，国内外学者对自动化监测系统在监测中的应用进行了研究。如文献[3]中匡团结等详细介绍了静力水准自动化监测系统的测量原理、系统组成、路基监测点的布设方式，并对自动化监测数据和人工监测数据进行了对比分析；文献[4]中魏传军对路基监测点采用静力水准仪及自动测量机器人监测系统与人工二等水准所测结果进行对比，得出自动监测系统测量精度较高且稳定的结论；文献[5]中陈喜凤等结合地铁工程实例，分析了GeoMoS 自动化监测系统的监测精度及该地铁隧道结构变形趋势；文献[6]中柏文锋结合智能全站仪变形监测的基本数学模型，分析了其应用于地铁隧道监测的精度情况，并在实际的地铁隧道中对其监测精度进行了验证；文献[7]中徐玉健等以天津地铁为例对比了测量机器人、静力水准仪两套监测系统的精度和可靠性，并对两种监测方法各自的优缺点进行了总结；由于静力水准仪自动化监测系统仅能得到路基沉降数据、无法进行轨道几何状态测量，且全站仪自动化监测系统在高速铁路涉铁监测轨道几何状态应用方面研究较少，因此介绍基于自主研发的铁路立交工程自动化监测系统及其在高速铁路涉铁监测中的应用极为必要。

本文的主要目的是基于自主研发的铁路立交工程自动化监测系统，结合沪蓉高速铁路涉铁监测实例，利用0级数显轨距尺进行人工验证，并以两种监测方法轨距、水平成果间的吻合性为指标进行对比分析，验证全站仪自动化监测系统的精度及可靠性，并得出有意义的结论。

2 铁路立交工程自动化监测系统组成

2.1 铁路立交工程自动化监测系统软件及其特点

铁路立交工程自动化监测系统是一个集全站仪、倾斜传感器、气象气压传感器、互联网、数据库等为一体，可以实现计算机远程控制和配置，具备监测成果网络发布、形变超限自动报警等功能，能够实现实时可视化分析结果的24 h 不间断运行的全自动化监测系统。其软件包含2 个部分：全站仪自动化数据采集系统、自动化监测系统信息发布平台（图1）。

图1 自动化监测系统信息发布平台

（1）全站仪自动化数据采集系统：全站仪自动化数据采集系统主要用于定期启动全站仪对形变监测点进行原始数据采集，并通过数据初步把关后将数据上传至服务器。主要作用为：①配置相关参数（如：测量周期，测点属性等）；②根据配置，定期采集原始数据（包括：水平角、垂直角、斜距、气象值等）；③对原始数据进行初步把关控制，剔除粗差点；4）将数据发往服务器解算。

（2）自动化监测系统信息发布平台：原始数据实时解算及存储；随时查看各形变监测点的三维变化情况，数字和图形方式分析监测数据；各形变监测点处轨道几何状态（轨距、轨向、高低、水平、三角坑等）的查询及数据、报表下载；仪器故障预警及超限自动消息报警；其数据和图表可被其他应用软件（Word、Excel）等进行再编辑。

2.2 铁路立交工程自动化监测系统硬件部分介绍

铁路立交工程自动化监测系统硬件部分主要包括：全站仪、监测机、防雨罩、钢轨扣件、棱镜等。

（1）全站仪：主要为能够自动识别、自动照准从而实现半自动测量的徕卡系列全站仪，最常用的为徕卡1201+及TS（TM）系列全站仪。

（2）监测机：是倾斜传感器、气象气压传感器、全站仪自动化数据采集系统的硬件集成，另外还包括连接电缆、外接电源、手机SIM卡等。

（3）防雨罩：为全站仪提供防雨功能。

（4）钢轨扣件、棱镜：钢轨扣件为万向节式轨道监测棱镜固定装置，紧扣在轨底，可以实现棱镜360°无死角旋转；棱镜为标准L型棱镜，与钢轨扣件搭配使用（图2、图3）。

图2 全站仪自动化监测现场实例

图3 钢轨扣件及棱镜

3 监测实例

3.1 工程概况

本项目位于中铁上海局集团有限公司安徽省肥东县境内，立交规模为新建 6 孔（8.5+8.5+12.5+12.5+8.5+8.5）m 框架下穿沪蓉高铁K435+408，采用顶进法施工，铁路为有砟轨道，无缝线路，电气化双线直线段，线间距5.0 m，P60轨，路基填方高度约6.0 m。

3.2 监测网布设

为保障高速铁路行车安全，需实时把控轨道几何状态的形变情况。在施工影响范围左侧布设11个监测断面、右侧布设5 个监测断面，断面间距为6 m，每个监测断面设置4 个轨道几何状态监测点，监测点采用具有专利权的万向节式轨道监测棱镜固定装置固定于钢轨轨底，保证监测点的布设不影响高速铁路正常运行，如图4所示。

图4 现场监测点位布设示意图

3.3 测量方法与数据处理

采用2 台徕卡TS30 全站仪进行自动化监测，每个观测周期开始前，需读取气象气压值进行参数改正、测量4个基准点后依次进行监测点测量。根据施工状况设置监测时间、监测频率、监测模式等。随着施工进程的发展，可加大重点部位的观测频率。在测量过程中，如果出现目标遮挡（列车驶过等），系统自动根据设置的等待时间进行等待处理。本项目监测频率为2 h/次，每次观测2 测回，自动判断每个测回数据是否合格，至少一个测回满足限差要求时即可发送至服务器参与平差计算，进而得到轨道几何状态参数。

4 人工验证及讨论

铁路轨距尺是线路维修施工中一种重要的铁路专用计量器具，主要用于测量轨道几何状态中的轨距及水平，分为机械式和数字式，其中0级数显轨距尺精度最高，能够直接显示测量处的轨距值、水平值，有效的减少了由于人工读数引起的误差，因此本项目采用0 级数显轨距尺作为基准来验证全站仪自动化监测成果的精度及可靠性。

对 比 验证 时间 为 2019 年 11 月 9 日～2019 年 12 月 8 日 ，由于高速铁路天窗有限，仅进行17 期（每次天窗测1 期）的0级数显轨距尺人工验证，所测轨距、水平成果与同一时间点的全站仪自动化监测系统所测轨距、水平成果进行对比。全站仪监测点对的轨距及水平初始值由轨距尺测量后给定，后续基于点对的距离及高差变化量换算为轨距和水平成果。

2019年11月10 和11月11日，不同点对（里程）处两种方法的轨距、水平成果对比情况（限于篇幅，仅显示施工范围左侧上行线11对监测点）如图5、图6所示。

图5 11月10日各点对（里程）处轨距、水平值对比

图6 11月11日各点对（里程）处轨距、水平值对比

由图5、图6 可知，全站仪自动化监测所测轨距、水平值与人工0级数显轨距尺测量成果在不同点对（里程）处基本完全吻合，其差值均在0.2 mm 以内。即全站仪自动化监测系统能够准确测算出不同点对（里程）处的轨距、水平值。

对 11 月 9 日～12 月 8 日期间 17 期数据两种监测方法测得的轨距、水平成果分别求差，并对差值进行统计分析，统计的样本量均为480个，统计结果如表1所示。

表1 两种监测方法轨距、水平成果差值统计分析表

由表1可知，全站仪自动化监测系统所测轨距、水平成果与人工0级数显轨距尺测量轨距、水平成果差值均在1 mm 以内，且差值均方根分别为0.18 mm、0.19 mm，即全站仪自动化监测与人工0 级数显轨距尺监测成果吻合性较好，能够满足现场施工对监测精度的要求。

5 结束语

高效、便捷的自动化、实时化监测是高速铁路涉铁工程施工监测的发展方向。本文通过对沪蓉高铁对铁路立交工程自动化监测系统和人工0 级数显轨距尺所测轨距、水平成果进行对比分析，得出以下结论：在不同点对（里程）处两种监测方法所测轨距、水平成果基本完全吻合，全站仪自动化监测系统能够准确测算出不同点对（里程）处的轨距、水平值；较长时间段内两种监测方法所测轨距、水平成果差值均在1 mm 以内，且差值均方根分别为0.18 mm、0.19 mm，表明全站仪自动化监测与人工0级数显轨距尺监测成果吻合性较好，能够满足高速铁路现场施工对监测精度的要求。

全站仪自动化监测系统具有监测频率高、数据反馈及时、实时预警、稳定性好、节省人力等特点，已在中铁上海局集团有限公司多个涉铁工程监测项目中成功应用，具有安全、实时、高效、经济，误差小、精度高等众多优点，下一步必将具有更为广阔的市场空间。