CN102506809B - 高速铁路运营维护阶段结构变形观测与数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速铁路运营维护阶段结构变形观测与数据处理方法。建设期间的结构变形观测与数据处理可预测线下工程沉降量，但在运营期间的结构变形监测运用中存在适用性问题。本发明按两级布设基准点、变形监测点和特征断面点；进行严密约束平差计算出基准点、各变形监测点和特征断面点的高程；对于变形监测点发生破坏或丢失情况对其高差实测值进行断高修复，消除断高导致的高差值突变误差；计算相邻变形监测点之间的实测高差，直接采用实测高差对相邻变形监测点进行差异变形分析，计算线路本期附加坡度、累积附加坡度、坡度差和累计坡度差。本发明减少了外业观测工作量，精确直观的反映差异变形量，为铁路安全运营提出综合性的意见。

Description

高速铁路运营维护阶段结构变形观测与数据处理方法

技术领域

本发明涉及一种铁路结构变形的监测方法，具体涉及一种高速铁路运营维护阶段结构变形观测与数据处理方法。

背景技术

近几年我国高速铁路建设进入了快速发展阶段，尤其是无砟轨道技术在高速铁路中的大规模应用，对线路的结构变形控制提出了较高的要求。目前，建设期间的结构变形观测与数据处理方法在现行规范和规定中已经做出了明确的要求，并且在建设过程中的应用逐步成熟，其主要目的是预测线下工程最终沉降量和工后沉降量，合理确定无砟轨道铺设时间，确保无砟轨道铺设质量。

由于建设期间与运营期间结构变形监测的目的和重点不同，同时考虑到运营维护期间作业有其自身的特点，故建设期间的结构变形观测方法和数据处理方法已不再适用于运营期间；且由于我国高速铁路运营维护才刚刚开始，缺乏运营期间结构变形监测的实践与经验，对运营期间结构变形监测方面的研究还不充分。现行规范和规定均对高速铁路建设期间的结构变形观测和数据处理应用于运营期间结构变形监测存在如下问题：                                                

由于高速铁路沿线一般土建工程较多，施工建设期埋设的工作基点（间距约200m）破坏严重，重新进行埋设已难以恢复原来的状态，且消耗时间较多，并且运营期的保存维护也是一个很大的难题，因此建设期间采用的沉降变形监测网布网与观测方法已不再适用于运营期间。

变形监测点可能因为多种原因发生破坏或丢失的情况，从而产生断高现象。建设期间由于变形观测频次较高，发生断高一般均能及时发现并转标，在断高数据处理方面采用“归零法”进行修复，即认为断高发生期间无新增变形量的产生，而运营期间变形观测频次较低（如一般地段为一年一次，重点地段为一年两次），发生断高能及时修复的可能性比较小，无法采用建设期间的“归零法”进行修复，需要发展适用于运营期的新的断高修复方法；

建设期间结构变形数据处理方法侧重于采用曲线回归法预测线下工程最终沉降量和工后沉降量，从而合理确定无砟轨道铺设时间节点，而运营期间数据处理方法的核心是相邻结构断面的差异性变形以及由此引起的附加坡度和坡度差的变化量的计算，这些指标将对高速铁路的轨道平顺性和结构稳定性造成较大影响，线路工程更关心这种影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种更适用于高速铁路运营维护阶段、减少外业观测工作量的高速铁路运营维护阶段结构变形观测与数据处理方法。

本发明所采用的技术方案是：

高速铁路运营维护阶段结构变形观测与数据处理方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：变形监测网按基准点、变形监测点进行两级布网，沿铁路线路走向布设基准点，在桥梁墩台、隧道以及涵洞处布设变形监测点，在路基段、过渡段以及存在较大差异沉降的桥梁地段布设特征断面点；

步骤二：观测基准点、各变形监测点和特征断面点，进行严密约束平差计算出基准点、各变形监测点和特征断面点的的高程；

步骤三：对于变形监测点发生破坏或丢失情况对其高差实测值进行断高修复，消除断高导致的高差值突变误差，使其更接近于工程实际；

步骤四：计算相邻变形监测点之间的实测高差，并直接采用实测高差对相邻变形监测点进行差异变形分析，利用实测高差计算线路本期附加坡度及其累积附加坡度，根据各附加坡度计算出本期坡度差和累计坡度差。

步骤一中，基准点网沿线路走向布设，每1km左右布设一个基准点。

步骤二中，基准点网观测按国家二等水准测量的要求进行观测，并附合至基岩点或稳定的深埋水准点上。

步骤二中，路基特征断面沉降变形观测按单程闭合环的方法进行，且相邻观测断面形成闭合环，并按二等水准测量的方法附合至基准点上，路基地段沉降观测时需将涵洞监测点及路涵、路桥过渡段布设的监测断面点一并测量。

步骤二中，桥梁墩台、隧道沉降变形观测按单程闭合环的方法进行，且线路左右两侧的变形监测点每250m形成一个闭合环，并按二等水准测量观测要求附合至基准点上。

步骤三中，断高修复的具体方法是建立基于高差数据的卡尔曼迭代滤波和精度评定计算模型，采用断高发生前的两期该变形监测点与其相邻监测点的高差实测值确定计算模型初值，从各自第三期的高差实测值开始进行卡尔曼滤波处理；进行迭代滤波处理，得到断高当期该变形监测点与其相邻监测点间的高差滤波值；采用同样方法计算出该变形监测点与其另一相邻监测点间的高差滤波值；将与该变形监测点相邻的两个监测点之间的本期的高差实测值及其本期高差滤波值之间的高差不符值进行分配。

步骤四中，直接采用实测高差对相邻变形监测点进行差异变形分析；附加坡度的计算公式为： ，式中

为两相邻结构变形监测点的实测高差之差，

为两变形监测点间的线路长度。

    本发明具有以下优点：

运营期结构变形监测网按基准点、变形监测点两级布网的方法是在考虑到施工期间工作基点破坏严重、运营期间保存维护也比较困难的情况下提出的，由于运营期间变形监测网不再采用工作基点（相邻工作基点间距200m左右，作为线路水准点的高程传递点），因此工作基点桩橛补设与维护方面的工作量将大为减少；变形监测网的基准点与线路水准点共用，而不重新进行埋设，因此基准点桩橛补设与维护方面的工作量将大为减少，也利于运营期间点位桩橛的保护，且由于基准点直接采用线路水准点的成果，因此外业观测的工作量也大为减少。

运营期结构变形监测网将采用构成闭合环的施测方法，这种方法一方面增加了观测数据的检核条件，便于发现测量粗差，另一方面可直接精确得出任意断面间的差异变形量，提高了相邻监测断面点间的相对精度，线路工程更关心其对轨道平顺性和结构稳定性造成的影响。

运营期结构变形数据处理方法将相邻结构断面的差异性变形作为核心内容，并将根据差异变形计算出本期附加坡度和累计附加坡度以及本期坡度差和累积坡度差等指标，以分析上述指标对铁路工程线路坡度、轨道平顺性和结构稳定性的影响，并结合运营单位动静态检测结果定位出存在安全隐患的地段，提出综合性的意见、建议和解决方案，从而更好地为铁路安全运营服务。

在计算相邻结构物的差异性变形量时，本方法将直接采用相邻变形监测点之间的实测高差进行差异变形分析，而不再采用平差后的高程值的差值进行差异变形分析，这能避免基准点高程误差造成的精度损失，从而能更加精确直观的反映相邻墩台或监测断面的差异变形量。

运营期间变形监测点发生断高将采用高差卡尔曼迭代滤波法进行断高修复的方法，该方法采用断高发生前多期的高差估计值和断高发生后的实测值来更新对状态变量的估计，从而计算出断高发生后的高差估计值，实现断高修复，其计算过程是一个不断预测和修正的过程，通过断高发生前的多期观测数据进行迭代滤波来提高预测和估计精度。大量的应用实践证明，该方法修复断高的效果将显著优于“归零法”。

附图说明

图1为路基、涵洞及过渡地段变形观测示意图。

图2为桥梁、隧道地段变形观测示意图。

图3为本发明的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

考虑到高速铁路建设期间工作基点破坏严重，重新进行埋设已难以恢复到原来的状态，并且工作基点在运营期间的保存维护也存在一定的难题等因素，经过严密的理论推导与模拟计算分析后，提出了运营期变形监测网按基准点、变形监测点进行两级布网与变形观测的新方法。

<1>布网方法：基准点网沿线路走向布设，每1km左右布设一个基准点，并尽量利用施工建设期间布设的线路水准基点，并在点位密度不足的地段按照线路水准基点的埋设规格进行加密；桥梁墩台、隧道变形以及涵洞变形监测点的布设与施工建设期间布设的变形监测点一致，并尽量利用施工建设期间埋设的监测点，路基段、过渡段以及存在较大差异沉降的桥梁地段还需布设特征断面点。

<2>观测方法：路基特征断面沉降变形观测按单程闭合环的方法进行，且相邻观测断面形成闭合环，并按二等水准测量的方法附合至基准点上，路基地段沉降观测时需将涵洞监测点及路涵、路桥过渡段布设的监测断面点一并测量（见图1）；桥梁墩台、隧道沉降变形观测按单程闭合环的方法进行，且线路左右两侧的变形监测点每250m左右形成一个闭合环，并按二等水准测量观测要求附合至基准点上（见图2）。

考虑到相邻结构断面的差异性变形以及由此引起的附加坡度和坡度差的变化量将会对高速铁路运营期间轨道平顺性和结构稳定性造成较大的影响，提出了运营期间将以相邻结构断面的差异性变形作为结构变形分析核心内容的方法，即采用运营期间的监测数据计算出相邻结构断面的差异性变形量，并根据差异变形可计算出本期附加坡度和累计附加坡度以及本期坡度差和累积坡度差等指标。在计算相邻结构物的差异性变形量时，为了更加精确直观的反映相邻墩台或监测断面的差异变形量，避免基准点高程误差造成的精度损失，本方法将直接采用相邻变形监测点之间的实测高差进行差异变形分析，而不再采用平差后的高程值的差值进行差异变形分析。另外，考虑到运营期间变形观测频次较低（如一般地段为一年一次，重点地段为一年两次），变形监测点发生断高及时修复的可能性较小，无法采用建设期间的“归零法”进行修复等因素，提出了采用高差卡尔曼迭代滤波法进行断高修复的方法，该方法修复断高的方法显著优于“归零法”。

本发明所述的高速铁路运营维护阶段结构变形观测与数据处理方法由以下步骤实现，见图3：

步骤一：结构变形监测网布网。

首先，对全线基准点进行普查与布设。基准点网沿线路走向布设，每1km布设一个基准点，并尽量利用施工建设期间布设的线路水准基点，并在点位密度不足的地段按照线路水准基点的埋设规格进行加密。

其次，对全线变形监测点进行普查与布设。桥梁墩台、隧道变形以及涵洞变形监测点的布设、埋设规格与施工建设期间布设的变形监测点一致，并尽量利用施工建设期间埋设的监测点，路基段、过渡段以及存在较大差异沉降的桥梁地段还需布设特征断面点。

步骤二：结构变形监测网观测。

首先，对基准点网进行观测。基准点网观测按国家二等水准测量的要求进行观测，并附合至基岩点或稳定的深埋水准点上，然后进行严密约束平差计算出基准点的高程。

其次，对变形监测点网进行观测。路基特征断面沉降变形观测按单程闭合环的方法进行，且相邻观测断面形成闭合环，并按二等水准测量的方法附合至基准点上，路基地段沉降观测时需将涵洞监测点及路涵、路桥过渡段布设的监测断面点一并测量（见图1）；桥梁墩台、隧道沉降变形观测按单程闭合环的方法进行，且线路左右两侧的变形监测点每250m左右形成一个闭合环，并按二等水准测量观测要求附合至基准点上（见图2）；然后进行严密约束平差计算出各变形监测点和特征断面点的高程。

步骤三：对于变形监测点发生破坏或丢失等情况后对其高差实测值进行断高修复。

首先，建立基于高差数据的卡尔曼迭代滤波和精度评定计算模型。

其次，采用断高发生前的两期该变形监测点与其相邻监测点的高差实测值确定计算模型初值，从各自第三期的高差实测值开始进行卡尔曼滤波处理。

第三，进行迭代滤波处理，得到断高当期该变形监测点与其相邻监测点间的高差滤波值。

第四，采用上述同样的方法计算出该变形监测点与其另一相邻监测点间的高差滤波值。

最后，还需将与该变形监测点相邻的两个监测点之间的本期的高差实测值及其本期高差滤波值之间的高差不符值进行分配，以消除断高导致的高差值突变误差，从而提高断高修正后的高差值的精度，使其更接近于工程实际。

步骤四：对结构变形观测数据进行数据处理。运营期间结构变形观测数据的数据处理将主要侧重于相邻结构的差异性变形及其引起的附加坡度和坡度差变化的计算。

首先，计算相邻结构的差异性变形。在计算相邻结构物的差异性变形量时，为了更加精确直观的反映相邻墩台或监测断面的差异变形量，避免基准点高程误差造成的精度损失，本方法将直接采用相邻变形监测点之间的实测高差进行差异变形分析，而不再采用平差后的高程值的差值进行差异变形分析。

其次，计算线路本期附加坡度及其累积附加坡度。由于不同沉降监测点的沉降速率和幅度均有所不同， 会造成的线路坡度发生变化，产生附加坡度，线路工程更关心这种影响 ，其计算公式为： 

，式中

为两相邻结构变形监测点的高差之差(m)，为两变形监测点间的线路长度(m)。线路附加坡度和累积附加坡度将采用实测高差进行计算。

第三，计算线路本期坡度差及其累积坡度差。附加坡度可以引起反向坡度变化，即存在坡度差，坡度差可由相邻两测段的附加坡度之差计算得出，反映了工程沉降对线路纵坡的影响。如果相邻两测段均具有一定坡度，且符号相反时，其坡度差较大，可能在轨面形成锥状凸起或凹陷，这将对轨道平顺性造成严重危害，应严格预防这种情况出现，并及时进行工程处理。根据计算出的各附加坡度可计算出本期坡度差和累计坡度差。 

Claims (7)

1.高速铁路运营维护阶段结构变形观测与数据处理方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：变形监测网按基准点、变形监测点进行两级布网，沿铁路线路走向布设基准点，在桥梁墩台、隧道以及涵洞处布设变形监测点，在路基段、过渡段以及存在较大差异沉降的桥梁地段布设特征断面点；

步骤二：观测基准点、各变形监测点和特征断面点，进行严密约束平差计算出基准点、各变形监测点和特征断面点的高程；

步骤三：对于变形监测点发生破坏或丢失情况对其高差实测值进行断高修复，消除断高导致的高差值突变误差，使其更接近于工程实际；

步骤四：计算相邻变形监测点之间的实测高差，并直接采用实测高差对相邻变形监测点进行差异变形分析，利用实测高差计算线路本期附加坡度及其累积附加坡度，根据各附加坡度计算出本期坡度差和累计坡度差。

2.根据权利要求1所述的高速铁路运营维护阶段结构变形观测与数据处理方法，其特征在于：

步骤一中，基准点网沿线路走向布设，每1km左右布设一个基准点。

3.根据权利要求1或2所述的高速铁路运营维护阶段结构变形观测与数据处理方法，其特征在于：

步骤二中，基准点网观测按国家二等水准测量的要求进行观测，并附合至基岩点或稳定的深埋水准点上。

4.根据权利要求3所述的高速铁路运营维护阶段结构变形观测与数据处理方法，其特征在于：

步骤二中，路基特征断面沉降变形观测按单程闭合环的方法进行，且相邻观测断面形成闭合环，并按二等水准测量的方法附合至基准点上，路基地段沉降观测时需将涵洞监测点及路涵、路桥过渡段布设的特征断面点一并测量。

5.根据权利要求4所述的高速铁路运营维护阶段结构变形观测与数据处理方法，其特征在于：

步骤二中，桥梁墩台、隧道沉降变形观测按单程闭合环的方法进行，且线路左右两侧的变形监测点每250m形成一个闭合环，并按二等水准测量观测要求附合至基准点上。

6.根据权利要求5所述的高速铁路运营维护阶段结构变形观测与数据处理方法，其特征在于：

步骤三中，断高修复的具体方法是建立基于高差数据的卡尔曼迭代滤波和精度评定计算模型，采用断高发生前的两期该变形监测点与其相邻监测点的高差实测值确定计算模型初值，从各自第三期的高差实测值开始进行卡尔曼滤波处理；进行迭代滤波处理，得到断高当期该变形监测点与其相邻监测点间的高差滤波值；采用同样方法计算出该变形监测点与其另一相邻监测点间的高差滤波值；将与该变形监测点相邻的两个监测点之间的本期的高差实测值及其本期高差滤波值之间的高差不符值进行分配。

7.根据权利要求6所述的高速铁路运营维护阶段结构变形观测与数据处理方法，其特征在于：

步骤四中，直接采用实测高差对相邻变形监测点进行差异变形分析；附加坡度的计算公式为：                                                

，式中

为两相邻结构变形监测点的实测高差之差，为两变形监测点间的线路长度。

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