精密测量技术在铁路营业线变形监测中的应用

朱轶群，李世旗，黄鹏

(温州市勘察测绘研究院，浙江 温州 325000)

精密测量技术在铁路营业线变形监测中的应用

朱轶群*，李世旗，黄鹏

(温州市勘察测绘研究院，浙江 温州 325000)

惠民南路与金温铁路平面斜交，交角约88°，该交叉口道路的拓宽改造会对铁路营业线造成一定的影响。文章分析测量精度的基础上，选择TCA2003型测量机器人和DNA03型数字水准仪在施工期间对该营业线进行了变形监测。通过制定科学的测量方案，及时进行数据处理与分析，确保了该营业线的安全。

测量机器人；变形监测；报警值；精度

1 概 述

惠民南路是温州市城市南北向的主干道路之一，是缓解市区交通拥挤的重大民生工程，道路与金温铁路平面斜交，交角约为88°，原设计为双向6车道。目前，除该道路与金温铁路交叉口处(包括铁路南侧 30 m、北侧 10 m范围)，其余部分均已建成。铁路交叉口处现仅为临时单车道，拥堵不堪，成为整条道路畅通的瓶颈；同时该临时车道处于金温铁路营业线范围内，且南临河床，部分道路由于不堪重负亦已坍塌，存在极大的安全隐患。

为及时消除安全隐患，缓解道路拥挤状况，对该交叉口进行临时性拓宽改造，改造工程主要包括地基处理(旋喷桩基和注浆)、路基施工、路面处理等工作。由于施工场地正处于铁路营业线范围内，施工期间应确保铁路运输安全，故需对该营业线开展安全监测工作。

2 变形监测要求与精度分析

2.1 监测频率与报警值

铁路营业线安全不容忽视，其变形监测工作要求也很高，本项目根据设计要求和实际情况，在整个施工阶段对该营业线开展 24 h线路沉降和水平位移两方面的变形监测工作。在高压旋喷桩、注浆加固及其他影响较大的施工作业时，监测频率为每4小时一次；在影响小的施工作业及后期养护时，监测频率为每12小时一次。

根据相关规定，设计单位和业主提供本项目的监测报警值，其值如表1所示。

变形监测报警值设置 表1

2.2 变形监测精度分析

由于本项目变形监测精度要求高，报警值小，故本次选用徕卡的TCA 2003型测量机器人和DNA 03型数字水准仪等高精度测量设备分别进行平面和沉降监测。

(1)水平位移监测精度分析[1，2]

当采用全站仪进行极坐标测量时，设测站为N，测量点为P，则P点的平面坐标为下式(1)。

(1)

式中(XP，YP)和(XN，YN)分别为测量点P和测站点N的平面坐标，S为斜距，V为竖直角，α为坐标方位角，则根据误差传播定理得到下式(2)。

(2)

式中M为中误差，ρ=206 265。

因TCA2003有竖轴补偿器，故Mα=MV=Mβ，则式(2)可合并为下式(3)。

(3)

当以平距D作为测量距离来计算，式(3)可化为式(4)。

(4)

因此当采用极坐标法，监测点的精度由控制点的点位中误差MN、测距中误差MS、测角中误差Mβ、仪器i角误差Mi和仪器架设误差所决定。

①本次每次监测都采用相同的控制点，则控制点本身的点位误差不影响观测点的精度。

②测距中误差MS由仪器标称精度确定，MS=a+b×S，a为固定误差，b为比例误差系数。

④当仪器竖轴倾斜为i时，由竖轴倾斜而引起的水平轴倾斜对水平方向观测值的影响为△i=i×cosβ×tgV，取其极大值为△i=i×tgV，根据误差传播定理△i对监测点平面位置的影响Mi=D×tgV×i/ρ。

因此，当采用TCA2003型全站仪，其测距标称精度为±(1+1×10-6)mm、测角标称精度为±0.5″，补偿器精度为±0.3″，监测距离控制在 100 m，竖直角控制在10°以内时，由式(4)可得MP=±1.1 mm。同时在实际观测中加入测距边的温度、气压改正及增加观测测回数，可进一步提高和保证监测进度，研究表明，当观测距离为 100 m时，TCA2003全站仪的ATR精度[3]可达到 0.4 mm[4，5]，远高于 1.1 mm。

由以上分析可知，本次采用该型全站仪按极坐标法进行水平位移监测时，可监测出 1.1 mm的变化量，该值明显小于水平位移 2 mm/期的报警值。

(2)沉降监测精度分析[1]

当采用徕卡DNA03型数字水准仪，其标称精度为每公里观测高差中误差u=±0.3 mm，以该仪器进行精密水准观测时(平均每测站的水准线路长度一般取 50 m)，其每站所测高差中误差

本项目监测点离基准点距离L不超过 800 m，由以上可知监测点两期的沉降量中误差

=±0.38 mm

由以上分析可知，在本项目中采用该型仪器进行精密水准观测时，可测的监测点 ±0.38 mm的沉降变化量，该值明显小于沉降 -3 mm/期～+1 mm/期的报警值。

3 现场监测方案

3.1 布网

针对本项目监测要求，本次在铁路路肩上布设了沉降监测点8个，左右侧各4个，标志采用埋设不锈钢件；水平位移监测点4个，左右侧各2个，采用观测墩和强制对中标志，以上监测点基本呈对称分布，具体布设如图1所示。

图1 变形监测点布设示意图

同时在施工影响范围外布设平面基准点3个，采用观测墩和强制对中标志；并在附近地基基础稳定的高程建筑和大型桥梁上布设了3个沉降基准点。

3.2 观测主要技术指标[6]

4 数据处理与分析

本次变形监测历时20多天，共进行沉降监测83期，水平位移监测77期，对每期观测数据进行平差处理[7]，得到各监测点每期的平面坐标与高程，并按每5期制作沉降、变形曲线，如图2、图3所示。

图2 水平位移变形曲线示意图

图3 沉降曲线示意图

对所有水平位移监测数据按每期水平位移速率和累计水平位移量进行分析，情况如下。

(1)4个水平位移监测点中，各点均有多次每期水平位移速率超过报警值，其中S01有6次最大值为 3.7 mm，S02有16次最大值为 8.6 mm，S03有6次最大值为 3.3 mm，S10有10次最大值为 13.6 mm。

(2)4个水平位移监测点中，累计水平位移速率超过报警值的S02有4次，最大值为 11.2 mm；S04有33次，最大值为 10.1 mm。

对所有沉降监测数据按每期沉降速率、24 h沉降速率、累计沉降量进行分析，情况如下。

①C03点在10月3日第14期、C04点在10月4日第24期的每期沉降速率均超过了报警值，分别为 -3.2 mm和 1.1 mm，其余均在报警值内。

②所有沉降监测点的24 h沉降速率均在报警值内，其最大速率为C03点，发生在第8期～14期内，其值为 -2.9 mm。

③所有沉降监测点的累计沉降量均在报警值内，其最大值为C06点，发生在第81期，其值为 -19.5 mm。

通过分析可知，在观测期内各变形监测点的沉降或水平位移变化都得到了有效监测，部分变化量超过了报警值，及时将各次监测情况上报至业主和施工单位，采取了停工或加固等措施，保障了工程的顺利完工，同时也参考变形情况对铁路进行了调轨，保证了营业线的安全。

5 结 语

TCA2003型测量机器人和DNA03型数字水准仪属目前高端的测绘仪器之列，其操作简便、性能优越、精度高、可靠性强，合理使用这些仪器能很好地完成铁路营业线变形监测等高精度变形监测工作。同时，TCA2003型测量机器人具有自动目标识别、自动照准、自动测量、自动记录数据等功能，这些功能极大地降低了劳动强度，提高了工作效率，节约了观测时间，并降低了出错概率，保证了监测工作的“时效性”。

在今后的高精度变形监测工作中，将结合静力水准等监测技术手段，配置相应的自动化监测与数据传输软件，实现远程自动化三维变形监测，并不断地完善变形分析和预报的理论与方法，形成一整套较为完善的监测预报系统。

[1] 贺志勇，盛飞. 大跨度桥梁的变形监测及其精度分析[J]. 华南理工大学学报·自然科学版，2001，29(8)：86～89.

[2] 黄泽健. TCA2003全站仪在基坑水平位移监测中的应用[J]. 徐州建筑职业技术学院学报，2007，6(4)-7(1)：9～11.

[3] 景琦. 测量机器人的ATR测量重复性试验新技术[J]. 新技术新工艺，2015，12：74～77.

[4] 周访滨，赵建三，唐平英. 智能型全站仪在桥梁变形监测中的应用及精度分析[J]. 中外公路，2008，28(3)：114～117.

[5] 郭际明，梅文胜. 测量机器人系统构成与精度研究[J]. 武汉测绘科技大学学报，2000，25(5)：421～425.

[6] JGJ 8-2007. 建筑变形测量规范[S].

[7] 武汉测绘科技大学测量平差教研室. 测量平差基础[M]. 北京：测绘出版社，1996.

ApplicationofPreciseMeasurementTechnologyonDeformationMonitoringofRailwayBusinessLines

Zhu Yiqun，Li Shiqi，Huang Peng
(Wenzhou Exploration and Survey Institute，Wenzhou 325007，China)

South Huimin road joins the Jinwen railway at an angle of about 88 degrees，to widen of the intersection will cause some influences of the railway business lines. During the period of construction we select TCA2003 measurement robot and DNA03 digital level to monitor the deformation of the railway by analyzing the requirements of business lines’ deformation monitoring and the accuracy of measurement devices. By setting scientific survey plan and processing and analyzing data immediately，this ensures safety of the business lines.

measurement robot；deformation monitoring；alarming value；accuracy

1672-8262(2017)06-111-03

P258，TU196

B

2017—03—06

朱轶群(1981—)，男，高级工程师，大地测量与工程测量。

江苏省测绘地理信息科研项目(JSCHKY201413)