一种采用精测网体系测量震后铁路构筑物变形特征的方法

技术领域

本发明属于铁路控制测量及变形监测技术领域，具体涉及一种采用精测网体系测量震后铁路构筑物变形特征的方法。

背景技术

在高速铁路工程测量中，根据施测阶段、施测目的及功能要求，把高速铁路测量的平面、高程控制网分为勘测设计控制网、工程施工控制网、运营维护控制网，这三个阶段的测量控制网称为“三网”。“三网合一”精测网的建立满足了勘测设计和工程施工的需要，也作为运营阶段线路维护的测量基准。铁路带状控制网大多采用分级布设、逐级控制的方式，目前我国铁路建设中建立了CP0、CPI、CPII、CPIII等各级控制网；但受地震等影响，造成不同等级控制点存在不同程度的位移或损坏现象，若未及时更新，则会影响到施工与运营维护阶段的测量工作。目前针对震后铁路精测网体系快速恢复及对震后铁路构筑物的变形特征检测，缺少相关案例与技术研究。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种采用精测网体系测量震后铁路构筑物变形特征的方法，弥补了震后铁路精测网体系快速恢复及构筑物变形检测技术的空缺，为铁路的震后应急抢险提供了解决方案。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种采用精测网体系测量震后铁路构筑物变形特征的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：震后框架控制网CP0数据处理及更新；

步骤二：震后基础平面控制网CPI数据处理及更新；

步骤三：震后线路平面控制网CPII与线上加密CPII数据处理；

步骤四：震后轨道控制网CPⅢ复测；

步骤五：铁路整体变形特征分析；

步骤六：铁路构筑物变形特征分析。

进一步，所述步骤一具体包括：

S1.1：按照GNSS一等网观测技术要求对CP0、二等网观测技术要求对CPI进行多时段施测，并按照精密星历及多基线模式对CP0及CPI的观测数据进行解算；

S1.2：对CP0基线向量网分时段求解生成法方程与相应的协方差阵，检验重复基线较差及异步环闭合差，融合各时段法方程与协方差阵，输入在线路控制网范围内离震中最远的CP0点三维坐标进行无约束平差；

S1.3：分析CP0点、CPI点及相互关系的稳定性，并结合CP0点间距及限差要求，以位移变化最小的CP0点作为起算点，进行二维约束平差；更新受震动影响的CP0点，并计算更新后的控制点与原有控制点坐标值的差值，分析点位变化量及变形方向；

进一步，所述步骤二具体包括：

S2.1：对CPI、CPII网采用边联结方式构网，形成由三角形或大地四边形组成的带状网；

S2.2：采用更新后的CP0点与小里程端、大里程端中稳定的CPI点联合作为起算点，对复测段落CPI控制网进行整网更新；

进一步，所述步骤三具体包括：

S3.1：对CPI控制网复测范围内的线路平面控制网CPII与线上加密CPII，按照GNSS三等网技术要求同网复测，对隧道进出口的线上加密CPII按照GNSS二等网技术要求复测；

S3.2：以成果更新后的CPI坐标作为约束起算数据，对CPII网进行约束平差，并统计线路CPII、线上加密CPII控制点复测与原测成果较差和相邻点间坐标差之差；

S3.3：以进出口量测线上加密CPII成果为起算数据，采用自由测站边角交会测量方式，对震后隧道洞内CPII控制网复测；

S3.4：对隧道建网期埋设、现已破坏的洞内CPII，采用强制对中标志，与CPIII轨道控制网共点；

S3.5：将加密CPII按照一定间距成对布设于隧道侧壁或U型槽侧壁电缆槽顶面指定位置，且每个CPII点至少有两个测站观测值；对相邻隧道，约束平差计算时将既有隧道导线成果纳入平差计算；

进一步，所述步骤四具体包括：

S4.1：对受地震破坏及不能正常使用的点进行补埋，使用的CPIII元器件规格，埋设位置与原网相同；

S4.2：采用边角交会自由测站法进行CPIII复测，每个CPIII点至少有三个测站观测值；

S4.3：按照一定区间长度对CPIII网进行分段测量，相邻区段重叠不少于6对CPIII点；

S4.4：区段之间衔接时，须满足前后区段独立平差重叠点坐标差值限差；且后一区段CPIII网平差，采用本区段联测的加密CPII控制点及重叠段前一区段的1～3对CPIII点作为约束点进行平差计算；

进一步，所述步骤五具体包括：

S5.1：平面控制网复测完成之后，对复测成果进行综合分析，计算CP0、CPI、CPII与原控制点的变形量值及位移方向，分析地震引起的轨道同震破裂特征，绘制平面偏移扭转、纵向压缩拉伸多方向空间变形；

S5.2：结合CPIII复测数据，将CPIII北、东方向坐标变化值转换成沿线路纵向、横向变化值；

S5.3：测量轨道中线，分段拟合，计算线间距，评估线位错动，完成铁路整体形变特征分析；

进一步，所述步骤六具体包括：

S6.1：采用自由设站后方交会，测量隧道壁拱顶、拱腰、拱脚、仰拱点、接触杆、桥梁墩台中心、车站站台边特征部位，进行净空分析，完成轨道结构可利用评估；

S6.2：对发生变形位置进行错台检测，分析左、右侧结构错断及构筑物往大、小里程挤压量值，同步开展隧道洞壁裂缝观测，获取裂缝数据，完成轨道结构与铁路整体变形情况的匹配分析。

本发明的有益效果：

1)本发明提出了一种震后铁路精测网体系的快速恢复方法，对不同级别的控制网坐标进行逐级动态更新，最大程度的利用了原有控制成果，且保障了轨道坐标系统的平顺衔接，为震后的应急抢险提供了位置基准；

2)本发明基于复测的不同级别精测网控制成果，对铁路的多方位空间变形特征进行了分析，结合轨道整体及局部的横向、纵向变形量值，完成了受地震影响轨道结构可利用性评估，为工程复旧提供了数据基准。

附图说明

图1是本发明整体操作流程图；

图2是铁路平面控制网示意图；

图3是某铁路CP0网型示意图；

图4是测站间距为120m的CPⅢ平面控制网观测示意图；

图5是CPⅢ网相邻区段衔接过渡示意图；

图6是某隧道线路左侧CPⅢ平面变形图；

图7是里程K1965+780隧道断面二衬变形示意图；

图8是里程K1971+390隧道断面二衬变形示意图；

图9是里程K1971+400隧道断面二衬变形示意图；

图10是里程K1972+000隧道断面二衬变形示意图；

图11是里程范围K1971+377～K1971+497错台前后点位变形示意图。

具体实施方式

下面结合受地震影响的某铁路采用精测网体系测量震后铁路构筑物的变形特征的具体实施方式，对本发明进行详细的说明。

如图1本发明整体操作流程图所示，本发明包括如下步骤：

步骤一：震后框架控制网CP0数据处理及更新

S1.1：铁路不同等级平面控制网示意图如图2所示，对地震后某铁路范围内的三个CP0点查桩，点位现场保存完好，按GNSS一等网观测技术要求对3个CP0点进行3个时段的GNSS测量，其中，第1时段观测时间大于20h，第2时段观测时间大于14h，第3时段观测时间大于7h；

S1.2：在CP0复测的同时，现场按照GNSS二等网观测技术要求同步开展CPI点两个时段施测，并按照精密星历、多基线模式进行CP0、CPI观测数据的解算；

S1.3：对CP0基线向量网分时段求解生成法方程与相应的协方差阵，检验重复基线较差及异步环闭合差的最大值均满足限差要求后，融合各时段法方程与协方差阵，输入在线路控制网范围内离震中最远的CP0点三维坐标进行无约束平差，三个CP0点分布如图3所示；

S1.4：分析得出CP0控制点G070与附近的CPI相互关系较为稳定，CP0控制点ML1S与附近的CPI相互关系也较为稳定，控制点G070与ML1S的差异也能满足点间距限差要求，则确定控制点G070与ML1S作为位移变化较小的CP0起算点，进行二维约束平差；更新受震动影响的CP0控制点IZQ6，并计算更新后的控制点与原有控制点坐标值的差值，分析点位变化量及变形方向；此步骤确定了位置基准，且最大程度的利用了原有控制成果，减少对铁路轨道结构的修复调整量。

步骤二：震后基础平面控制网CPI数据处理及更新

S2.1：对CPI、CPII(含线上加密CPII)网采用边联结方式构网，形成由三角形或大地四边形组成的带状网；

S2.2：采用更新后的CP0点与小里程端、大里程端中稳定的CPI点联合作为起算点，对复测段落CPI控制网(含新建点)进行整网更新，此步骤保证了复测段落CPI控制网与原CPI控制网衔接，确保了控制网的相对精度与既有控制网的平顺性。

步骤三：震后线路平面控制网CPII与线上加密CPII数据处理

S3.1：对CPI控制网复测范围内的线路平面控制网CPII与线上加密CPII，按照GNSS三等网技术要求同网复测，对隧道进出口的线上加密CPII按照GNSS二等网技术要求复测，提高隧道进洞测量精度；

S3.2：以成果更新后的CPI坐标作为约束起算数据，对CPII网进行约束平差，并统计线路CPII、线上加密CPII控制点复测与原测成果较差和相邻点间坐标差之差；

S3.3：以进出口量测线上加密CPII成果为起算数据，采用自由测站边角交会测量方式，对震后隧道洞内CPII控制网复测；

S3.4：对隧道建网期埋设、现已破坏的洞内CPII，采用强制对中标志，与CPIII轨道控制网共点；

S3.5：加密CPII成对布设，点间距200m左右布设一对，设置于隧道侧壁或U型槽侧壁电缆槽顶面以上30～50cm的位置，且每个CPII点至少有两个测站观测值；对相邻隧道，约束平差计算时将既有隧道导线成果纳入平差计算，保证导线成果的平顺衔接。

步骤四：震后轨道控制网CPⅢ复测

S4.1：对受地震破坏及不能正常使用的点进行补埋，使用的CPIII元器件规格，埋设位置与原网相同；

S4.2：采用边角交会自由测站法进行CPIII复测，每个CPIII点至少有三个测站观测值，如图4所示；

S4.3：对CPIII网采用分段测量，区段划分长度2km～10km，相邻区段重叠不少于6对CPIII点，如图5所示；

S4.4：在区段之间衔接时，前后区段独立平差重叠点坐标差值≤±3mm，满足该条件后，后一区段CPIII网平差，采用本区段联测的加密CPII控制点及重叠段前一区段的1～3对CPIII点作为约束点进行平差计算，测量实现平顺搭接。

步骤五：铁路整体变形特征分析

S5.1：平面控制网复测完成之后，对复测成果进行综合分析，计算CP0、CPI、CPII与原控制点的变形量值及位移方向，分析地震引起的轨道同震破裂特征，绘制平面偏移扭转、纵向压缩拉伸多方向空间变形；

S5.2：结合CPIII复测数据，将CPIII北、东方向坐标变化值转换成沿线路纵向、横向变化值，可直观反映轨道变形量值及方向，如图6所示某隧道左线受地震影响后线路横向、纵向偏差值；

S5.3：测量轨道中线，分段拟合，计算线间距，评估线位错动，完成铁路整体形变特征分析；

步骤六：铁路构筑物变形特征分析

S6.1：复测完成后还需与结构物变形观测的数据进行比较，综合分析结构物的稳定性，在数据异常地段要查明原因，并进行补测，确认测量无误后应立即预警，并对相关地段加强结构变形观测；

S6.2：采用自由设站后方交会，测量隧道壁拱顶、拱腰、拱脚、仰拱点、接触杆、桥梁墩台中心、车站站台边特征部位，进行净空分析，完成轨道结构可利用评估；比如在某隧道进口里程K1965+530～K1971+385范围内，如图7里程K1965+780断面二衬变形示意图所示，隧道受地震影响，构筑物绝对位置发生位置偏移，横向偏移量逐渐增加，位移方向为面向大里程向右，但隧道内轮廓完整，衬砌未产生明显变形；从里程K1971+386开始，隧道衬砌受地震影响变形显著，衬砌产生不同程度的破损，隧道左侧二衬保存完好，右侧二衬变形破坏严重，横向位移方向为面向大里程向右，如图8里程K1971+390隧道断面二衬变形示意图所示；随着里程增大，在K1971+399～K1971+408里程范围内，隧道左右侧二衬均变形严重，如图9所示里程K1971+400断面拱部和边墙坍塌、衬砌拉裂、剪断，在此段里程范围内发生错台，发生明显的横向和竖向错位，也就是上下两盘的分界位置，隧道绝对形变方向改变，由面向大里程向右转换为面向大里程向左；里程K1971+480至隧道出口段二衬保存基本完整，内轮廓无显著变形，隧道整体发生位移，水平位移方向为面向大里程向左，如图10里程K1972+000隧道断面二衬变形示意图所示；

S6.3：对发生变形位置进行错台检测，分析左、右侧结构错断及构筑物往大、小里程挤压量值，比如在里程K1971+377～K1971+497断面附近平面发生错台，错台处隧道纵向存在裂隙拉开，构筑物往大、小里程向形成一定的挤压；隧道左、右侧衬砌也存在较大的错台量，此处的变形特征表明隧道在此里程发生了拉张剪断破坏；且从错台处到隧道出口范围内，点位纵向变化向大里程方向位移，横向变化向西北向位移，如图11所示；同步开展隧道洞壁裂缝观测，获取裂缝数据，裂缝数据包括裂缝位置、宽度、长度、深度，完成轨道结构与铁路整体变形情况的匹配分析。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。