既有高速铁路路基变形预警监测系统的研发及应用

陈亮

（广州铁路科技开发有限公司，广州510100）

0 引言

随着铁路跨越式发展，高速铁路建设快速推进，我国高速铁路逐渐形成“八横八纵”的网络。由于高速铁路的特殊性，铁道部[2012]23号文件明确规定,新建公路和铁路与已建或在建高速铁路交叉跨越时,应优先选择公路或铁路下穿高速铁路方案。因此，从既有高速铁路下穿成为后期公路、铁路等工程建设的必然选择，今后会出现大量下穿高速铁路的交通工程，路基沉降是下穿高速铁路的关键技术问题,研究隧道下穿高速铁路路基安全监测与变形控制技术对确保高速铁路运营安全、满足工程建设需求具有重要社会意义和经济价值。

目前，对既有铁路安全监测主要采用人工测量的方法。而对于高速铁路，由于线路存在行车速度快、行车密度大、线路全封闭等特点，人工测量的方法只能在晚上天窗点进行，某些不方便到达的路段人工测量效率十分低下，无法实现实时监测，显得非常被动、存在着诸多问题,已不能满足铁路高速化的需要，因此研制一套能对高速铁路路基变形进行实时监测的系统对于保障高速铁路运营安全显得十分必要和有意义。

基于此，提出了一种适用于浅埋隧道盾构施工下穿高铁的自动化监测方法，并进行了系统研发，建立了既有高速铁路路基变形预警监测系统，在广州市轨道交通九号线广州北站-花城路站下穿京广高铁项目中进行了应用，数据分析结果表明，系统可以实时在线监测高速铁路路基的变化情况，可在高速铁路中广泛使用。

1 系统总体设计

从安全、实时、稳定以及可靠的需求出发，针对无砟轨道板沉降、接触网支柱空间姿态、站台沉降、雨棚柱沉降、施工区域地基的分层沉降、地下水位变化等多项监测内容进行监测,利用总线和网络将各监测子系统进行集成设计，不仅可以获得现场各类对象的监测结果，还可以通过分析处理各监测数据，得到较为准确的既有铁路路基变形情况。系统总体设计主要包括监测内容、功能设计和系统架构三个方面。

1.1 监测内容和方法

本系统从轨道板沉降（包括不均匀沉降）、接触网支柱的空间姿态、站台的沉降、雨棚柱的沉降、地基分层沉降、地下水的变化情况等几个方面进行监测。监测方法如表1所示。

1.2 功能模块

实现从底层传感器安装布设、基础数据设置、数据的自动采集传输和存储、数据自动计算、监测日报和分析报告的自动生成、监测预警、路基变形评估评估的一整套功能。此外，为了实现对人工测量数据的统一平台管理，还兼容人工测量数据导入、分析和管理功能。如图1所示：

图1 系统功能框架

1.3 系统架构

系统架构包括监测点数据采集、数据传输、数据计算、数据监测预警四个部分，数据传输采用GPRS无线传输。如图2所示：

图2 系统网络框架

其中倾角仪、分层沉降仪、水位仪和精力水准仪通过总线模式，连接到设备控制箱，设备控制箱通过无线网络发送到后台系统。自动全站仪直接通过无线网络方式，把采集的数据发送到后台系统。

2 核心模块研发

2.1 数据采集传输子系统

根据系统的架构，采用了基于总线和基于网络的两种方式，首先设定的采集频率，借助厂家提供的数据采集模块，采用MQ技术，实现数据实时同步到系统的SQL Server数据库，完成数据的采集、传输和存储。数据同步程序如图3所示：

图3 数据同步程序

2.2 数据自动计算处理子系统

数据在存储到数据库之前，实现了数据的自动计算，根据不同的监测内容和采用的不同监测方法，计算方法如下：

（1）静力水准仪测量结果计算流程

图4 静力水准仪测量结果计算流程

（2）倾角仪测量结果计算流程

图5 倾角仪测量结果计算流程

（3）地下水位计测量结果计算流程

图6 地下水位计测量结果计算流程

（4）分层沉降计测量结果计算流程

图7 分层沉降计测量结果计算流程

（5）自动全站仪测量结果计算流程

图8 自动全站测量结果计算流程

2.3 查询统计分析

（1）监测日报的输出

根据系统自动计算的结果，选择相应的数据，进行计算，形成监测日报，以静力水准仪为例，如图9所示：

图9 监测数据检查计算

由于收到天气等外部条件的变化，且每天监测的数据较多，通常，我们通过手动的方式，选择比较稳定的点，进行计算每日的变化量，计算方法如下：选择工程项目，双击“测量自动显示所有的静力水准仪测量点，选中测量点和测量日期，可以查看相关数据。双击选择本次测量点和上次测量点，系统自动计算本次变化量；选择报表次数；点击“保存”，保存结果。

（2）报表汇总

根据业主单位、施工单位、监理单位等的要求，可以选择相应的监测内容，形成报表汇总，报表汇总包括：数据明细情况，累计变化量和每一种类型测量点的最大值进行提示，如图10所示：

图10 监测日报汇总

（3）数据变化趋势分析

数据变化趋势图根据某测量点某一时段的累计变化量进行统计分析，如图11所示：

图11 数据变化趋势分析

2.4 监测预警子系统

监测预警子系统包括预警值设置、预警提醒和预警结果分析，预警方式包括：界面提醒、声音提醒和短信提醒。此外系统还对测量点的累计变化量、24小时变化量和未测量到数据的点进行的监测。预警值设置如表2所示。

监测预警界面如图12所示。

2.5 路基工后沉降监测和分析

当下穿施工完成后，需要根据工后沉降的结果来判断路基沉降是否稳定，为后期轨道板后期的抬板作业提供科学依据。系统采用了较为成熟的几种沉降预测方法：双曲线法、指数曲线法、三点法、Asaoka法、泊松曲线法和灰色理论模型预测法等进行工后沉降预测，来判断施工路段路基是否已经趋稳。同时，并对观测点沉降观测回归曲线相关系数和预测时实际发生的沉降量与预测的最终沉降量(不包含结构层引起的沉降量)之比进行分析。根据《铁路工程沉降变形观测与评估技术规程》，相关系数是否大于0.92和S(t)/S(∞)是否大于75%进行分析。本系统采用由笔者所在单位研发的沉降变形预测评估系统进行工后沉降分析。

图12 监测预警界面

表2 预警值设置参数表

3 工程实例应用

“广州市轨道交通九号线广州北站～花城路站下穿京广高铁”项目在高速铁路已投入运营的条件下浅埋隧道下穿高铁路基段施工,这在国内是第一例，在国内没有先例可循。加上施工地段地质条件复杂，导致工程难度非常大，因此研究地铁隧道盾构下穿高速铁路路基过程中的主要控制因素,并通过监测盾构隧道下穿既有高速铁路施工对无砟轨道的影响,及时发现影响铁路正常运营的安全隐患,为地铁建设单位和铁路运营单位提供准确的监测数据和信息,为后续工程施工工艺、工序安排以及轨道防护和运营安全提供参考依据,显得十分必要。工程概况如图13所示。

图13 现场概况图

以高铁三站台为例，三站台面上共布置18个沉降监测点，测点编号分别为GT19～GT36,在主要影响区域范围内的测点为GT25～GT30,测点间距为10米，前期通过MJS地基处理，共施做8排支护桩，支护桩的横断面布置见施工概况，各工况施工的时间轴如图14所示：

图14 高铁三站台施工现场和监测时间轴

根据盾构施工过程，利用测量机器人采取连续测量，对站台各个测点从盾构距离该测点断面20米开始测量，直到盾构通过该断面32米后并且该测点后续沉降趋于稳定结束。测量结果分析如表3：

表3 高铁三站台监测结果

本区域盾构完成后至目前观测期大于6个月，各观测点后期沉降均趋于稳定，可以进行抬板与精调施工。如表4所示：

表4 高铁三站台工后沉降分析表

通过软件生成的分析表如图15所示。

通过运用既有高速铁路路基变形预警监测系统不间断的监测，所得到的监测数据和不同时期的施工反应基本吻合，为建设单位、施工单位和监理单位等提供了数据决策支撑。下穿盾构隧道已于2016年12月17日成功穿越京广高铁。通过工后沉降的监测和预测确定施工区域路基已处于稳定状态，工务部门于2017年9月进行抬扳和精调作业，目前线路已恢复至施工前状态。

图15 工后沉降分析结果