铁路隧道建筑限界快速检测技术研究与应用

王兆宁

(中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081)

铁路限界是为了确保机车车辆在铁路线路上安全运行对机车车辆和邻近线路的建筑物、设备所规定的不允许超越的轮廓尺寸线。铁路基本限界包括机车车辆限界和建筑限界。建筑限界是一个和线路中心线垂直的极限横断面轮廓。在此轮廓内，除机车车辆及与其有相互作用的设备(车辆减速器，路签授受器，接触电线及其他)外，其他设备或建筑物均不得侵入[1-3]。随着我国铁路建设进入高峰，隧道在铁路工程中所占的比重越来越大。隧道内设施不断改进与更新、线路电气化改造、轨道调线和隧道整修造成了隧道限界不满足运输要求，极大地影响行车安全，尤其是在客货共线线路上矛盾更为突出。

目前铁路隧道建筑限界检测通常采用净空检查尺、净空检查架、断面仪等仪器[4]。常规的检测方法具有提取的隧道断面间距大、工作效率低、主观性强等不足，因此在铁路有限的天窗时间内很难完成隧道建筑限界检测。激光扫描技术的发展使得铁路隧道建筑限界快速检测技术得以开发和应用。本文主要阐述三维激光扫描技术在铁路隧道建筑限界测量上的应用。

1 检测原理

激光扫描作为有效的非接触测量技术，能够快速、无损地获得隧道表面综合信息。测量时利用设备内部的激光脉冲发射器，向隧道表面发射激光脉冲，通过反光镜高速旋转，以螺旋线的形式对隧道表面进行全断面扫描(见图1)，信号接收器接收反射回来的激光脉冲，对相关数据进行记录。数据包含隧道断面每个测点的反射率和几何尺寸信息(角度和距离)。检测原理见图2[5-6]。通过分析发射和接收激光信号的强度和相位差，可以获得隧道衬砌表面扫描点的坐标，上述测量成果构成隧道建筑限界分析的基础资料。

图1 全断面扫描螺旋线

图2 检测原理示意

2 设备组成

铁路隧道建筑限界快速检测设备由Profiler 5002高速相位式激光扫描仪和手推式轨检小车组成。激光扫描仪每秒可旋转50圈，每圈50万个测点，测量范围79 m。轨检小车内嵌的轨距、超高和里程测量传感器可在激光扫描仪扫描的同时，实时动态测量当前轨道的几何参数和里程信息。该设备对于每一个测点都可产生三维坐标、反射率等信息。

3 数据处理

3.1 测量点控制

采用以轨面为测量基准，在垂直于线路中心线的断面内，测量隧道和附属设施的内轮廓点(最近点)距两轨顶连线的垂直高度及其距垂直平分两轨顶连线的直线的距离[7]。

3.2 曲线部分的折减

GB 146.2—83《标准轨距铁路建筑限界》[2]第3.3 条规定：“在曲线部分相邻线路中心距离以及线路中线至建筑物间的扩大距离，应按规定的公式计算”。第3.4 条规定：“在曲线部分由于外轨超高关系，建筑限界的垂直高度应自内外两钢轨最高点所组成的直线上算起”。第4.1.1.2条给出了在曲线上建筑限界加宽办法，计算公式为

式中：W，W1，W2分别为曲线内外侧总加宽值、内侧加宽值、外侧加宽值，mm；Ri为曲线半径，m；H为自轨面算起的计算点的高度，mm；h为外轨超高，mm。

(H/1 500)h的值亦可以内侧轨顶为轴，将有关限界旋转θ角求得，θ=arctan(h/1 500)。

由于隧道在曲线段加宽，因此隧道曲线部分的限界数据应该予以折减，将曲线内侧和外侧加宽值减去。

3.3 数据整理

计算机对离散数据进行整理，以10 mm为单位，将每个拐点的高程向上或向下归并。同一高程处有多个数值时取最小值。

3.4 侵限扫描点存留

在数据处理过程中，当遇到侵限扫描点时需判断其有效性。隧道内附属设施的扫描点需保留，而金属体反光、风沙扬尘等现象会造成扫描点离散，对最终结果产生影响，需剔出。提取的断面间距越密，判别侵限扫描点越准确，同时限界检测程序采用中值滤波算法，将连续采集的奇数个数据进行排序，取中间值为滤波后的数据。这样能很好地过滤掉离散的扫描点，降低其对检测结果的影响[8-11]。结合激光扫描仪的图像数据，可最终确定侵限扫描点是否存在，见图3。

图3 侵限扫描点判定

4 检测流程

检测流程主要为现场数据采集，使用后处理软件对数据进行分析处理，生成隧道限界检测报告,详见图4。

图4 检测流程

5 应用实例

某铁路隧道全长845 m，最大外轨超高127 mm。隧道线路进口0～282 m位于半径301 m的左曲线上,282～780 m位于直线上,780～845 m位于曲线半径412 m的右曲线上。

5.1 数据采集

将设备(包括轨道测量车、激光扫描仪、电脑等)连接、组装好后放到轨道上，然后人工推行进行数据采集。检测速度0.5 m /s，检测断面间距10 cm，每个断面采集点数1万个。

图5 断面提取

5.2 数据处理

利用数据输出软件，按20 cm间距提取隧道断面(见图5)，每个断面提取扫描点500个，点间距5 cm。采集的数据以ASCⅡ格式输出，上面记录隧道断面每个扫描点以轨面为测量基准的三维坐标值及断面处的轨距和超高。

取各个断面位于同一高程的最接近线路中心的点，将这些点拟合成综合最小建筑限界。

5.3 检测结果

根据数据处理分析得到实测隧道综合最小建筑限界断面(见图6)及其尺寸表(见表1)。

图6 实测隧道综合最小建筑限界断面

表1 隧道综合最小建筑限界尺寸

将图6和GB 146.2—83第4.2 条规定的隧道基本建筑限界图对比可直观发现侵限位置。

通过表1确定实测隧道综合最小建筑限界在不同高程处隧道左、右半幅中距线路中心的最小距离及其分别对应的控制点位置即控制点距隧道进口的距离，简称进深。

6 结语

隧道检测天窗时间极其有限，需要尽量缩短在现场采集数据的时间，将大量的限界分析工作放在室内由计算机软件处理。基于三维激光扫描技术的铁路隧道建筑限界快速检测系统，可搭载检测车利用天窗时间检测隧道，也可搭载手推式轨检小车，具有重量轻，运输、安装和拆卸方便等特点，可快速上下线。数据分析软件可录入海量隧道断面数据，通过计算分析快速生成检测报告。相比于传统的铁路隧道建筑限界检测技术，该技术以其高精度、高密度、高效率的作业方式提供了一种全新的隧道建筑限界测量方式。

通过现场检测，采用三维激光扫描技术可以实现铁路隧道建筑限界的快速连续检测，为铁路隧道养护维修、运营安全提供技术保障。