李德州

（天津南纬导航科技发展有限公司,天津 300392）

0 引言

营业线整治施工对铁路影响相当大，应严格控制铁路路基沉降，确保铁路的安全和正常使用。为了及时了解和掌握施工过程对既有线路的影响，把施工引起的一系列动态变化信息及时向铁路相关设备单位及施工单位反馈，使之能够在现场及时调整施工参数，优化改进施工方法，以避免对铁路行车运营造成影响[1]。采用自动化监测是行之有效的手段和定量分析方法，同时由于减少了监测人员进入既有线路轨行区作业频次和时间，也降低了既有线路的安全风险。应在施工期和施工后一定时期内对路基、轨道的变形进行监控量测[2]。

1 全站仪自动化监测原理

1.1 功能

全站仪自动化监测必须采用带有伺服马达和ATR自动照准的高精度全站仪，其具有以下功能：

（1）具有跟踪测量（track）功能，观测目标如棱镜或反射片一经定位，以后的测量过程由仪器按设定的角度、距离和顺序自动寻找到目标进行自动测量、自动记录。

（2）具有自动目标识别（Automatic target recognition，缩写ATR）功能，基于传感器获取的数据识别目标或对象。

（3）具有遥控测量（Remote control）功能，即可使用电脑或手机命令全站仪进行实时监测，实时提供监测数据。

1.2 全站仪自动化监测的监测内容

使用全站仪自动化监测即自动化精密全站仪通过精密光电测距三角高程测量，对监测对象的水平位移和竖向位移（简称沉降）进行观测，测量等级可达二等水准标准。

1.3 全站仪自动化监测的监测方法

全站仪自动化监测通过后方交会法对监测点进行自动化三维位移的监测见图1。

图1 全站仪自动化监测原理示意图

全站仪工作原理是通过发射光电波再反射回全站仪接收。监测采用全站仪自动化监测系统，包括自动化采集控制、数据处理和网上发布系统。通过固定位置的自动化全站仪实时测量并自动发送至数据接收端口，可实时查看并分析轨道位移形变情况。建立全自动监测系统，实现计算机软件对全站仪进行自动控制。自动全站仪采用交流电源供电，通过在平板或笔记本电脑安装采集软件和全站仪自动化监测通过有线方式或无线方式连接，采集数据可实时上传服务器数据库，云平台管理软件再进行解算、分析、输出报表、图形。使用手机或电脑登录服务器可实时查看监测数据及变化参数[3]。

2 数据采集、整理及分析

2.1 数据采集

当安装好设备后，在施工前布设好监测网并进行初始值采集，进行温度、大气补偿值的统计、分析、纠偏设定。在自动化监测软件上设置好监测参数，监测参数主要有：数据采集的间隔时间、系统报警和短信报警值。

2.2 数据整理

每次观测后系统平台自动对原始观测数据进行校核和整理，包括原始观测值的检验、异常值的剔除、初步分析和整编等。

2.3 数据分析

数据接收器存储数据后直接将监测数据发送到个人电脑进行数据分析。采用比较法、作图法和数学、物理模型，分析各监测物理量值大小、变化规律、发展趋势，以便对工程的安全状态和应采取的措施进行评估决策。绘制监测数据随时间变化的规律曲线——时态曲线（或散点图）。

3 应用实例

3.1 工程概述

杭深线某处上下行路基为软基路堤段，路基边坡高约6 m，坡率1∶1.5~1∶1.75，既有边坡防护形式为骨架护坡及浆砌片石护坡。路堤基础采用CFG桩，预应力管桩加固。本体采用花管注浆加固，注浆孔孔径0.07 m，注浆花管直径0.05 m，下倾角度不小于15°，纵向间距5 m，注浆材料采用水泥浆液。

3.2 监测点布设

该次使用全站仪自动化监测的监测对象有轨道、路基。轨道测点采用钢板粘接材料，将L型棱镜粘贴在轨枕上；路基表层裸露及道砟厚度小于0.6 m区域，采用φ50钢管打入路基表层，顶部安装L型棱镜；道砟厚度大于0.6 m区域棱镜布设在轨枕端头。所有棱镜保证通视，且不破坏铁路设备的外观与使用性能，在施工前完成布设，安装效果见图2、图3，布设数量见表1。

图 2 铁路轨道测点安装示意图

图3 铁路路基测点安装示意图

表1 监测点数量

3.3 监测数据分析

注浆加固工程分两个阶段实施，先小里程端，后大里程端。目前监测数据表明，线路右侧稳定，左侧水平位移数据正常，路基沉降明显，在182~210段落出现了明显的沉降漏斗，轨道沉降最大值−3.87 mm，出现在G107，里程为192，测点位于I道左侧；路基沉降最大值−5.21 mm，出现在J103，里程为185，测点位于3道右侧。

3.3.1 变形统计情况

横向水平位移：共77个测点，−2~2 mm区间共76点占比98.7%；>2 mm区间共1个点（G206横向水平位移2.07 mm），占比1.3%。

纵向水平位移：共77个测点，−2~2 mm区间共77点占比100%。

竖向位移：上拱14点，最大值0.28 mm，占比18.2%；下沉63点，占比81.8%，沉降点位个数及沉降量统计见表2。

表2 沉降点位个数及沉降量统计

3.3.2 沉降变形分析

从Ⅰ道、Ⅱ道左侧轨道沉降曲线图（图4）看出，Ⅰ道182~202线路沉降变形较大，呈漏斗状沉降，中心处目前最大值为−3.9 mm；Ⅱ道175~205轨道沉降呈漏斗状，最大沉降出现在185处，最大值为−2.9 mm。

图4 从Ⅰ道、Ⅱ道左侧轨道沉降曲线图

路基监测部分：

从线路左侧路肩路基监测数据曲线图（图5）看出，沉降漏斗出现在170~210处，最大沉降值出现在191处，最大值为−4.1 mm。

图5 线路左侧路肩路基监测数据曲线图

从3道右侧路基监测数据曲线图（图6）看出，沉降漏斗175~212处，最大沉降出现在185处，最大值为−5.2 mm。

图6 3道右侧路基监测数据曲线图

9月25日至10月5日期间轨道及路基最大沉降曲线如图7~8。

图8 路基最大沉降点J103变形曲线

其他路基监测点数据正常，除4道左侧190处J203沉降值为-1.22 mm大于-1 mm外，其他监测点累计沉降量均小于-1 mm。

综合路基和轨道监测数据及图形，该次沉降最大值点出现在185处，沉降漏斗范围为175~210，漏斗中心185~195，部分测点已达到沉降预警临界范围（预警值轨道−4.8 mm、路基−6 mm）。

根据全部监测期的监测报表和数据分析结果，上下行路基本体花管注浆加固工程对既有杭深线软基路堤段的影响整体较小，不论日变化速率或累计变形值均未超过预警值，处于安全范围。对于部分测点接近预警临界的情况，在分析沉降原因后采取应对措施，保证了铁路运行安全。

4 结论

通过在项目上的监测实践证明，采用全站仪自动化监测可以实现铁路路基加固施工期间对铁路轨道、路基的位移和沉降进行不间断精确监测，利用平台对监测数据进行分析，判断是否超过控制值。目前，全站仪自动化监测技术已被许多工程项目所采用，其监测速度快且精度能够得到保证，达到项目所需求精度，可及时有效地进行信息反馈，确保铁路施工项目顺利完成。随着城市的发展，全站仪自动化监测技术将会应用在越来越多的项目中。