梁 策,黃元庫(kù),劉俊飛,王萬齊,朱 軍

(1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所,北京 100081; 2. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川 成都 611756; 3. 陜西交控工程技術(shù)有限公司,陜西 西安 710117;4. 中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司科技和信息化部,北京 100844)

對(duì)在建高速鐵路工程主體進(jìn)行持續(xù)沉降觀測(cè),用沉降變形數(shù)據(jù)分析和評(píng)估工程本體是否趨于穩(wěn)定,可輔助決策鋪軌時(shí)機(jī),以此為前提基礎(chǔ)保障高速鐵路線路平順性[1-5]。因此,沉降變形數(shù)據(jù)的客觀性和準(zhǔn)確性是沉降觀測(cè)工作的根本。然而,實(shí)際的沉降觀測(cè)過程中,由于測(cè)量錯(cuò)誤、測(cè)點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)被碰撞變形等原因,會(huì)出現(xiàn)“失真”的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)通常表現(xiàn)為沉降-時(shí)間曲線上的突變(跳動(dòng))等狀態(tài)。當(dāng)觀測(cè)數(shù)據(jù)所反映的沉降變形與工程本體正常的沉降變形規(guī)律不符,或者與設(shè)計(jì)階段對(duì)沉降變形的預(yù)期不一致時(shí),稱這些觀測(cè)數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)[6]。如何利用已經(jīng)采集并積累的大量沉降觀測(cè)數(shù)據(jù),及時(shí)、快速判識(shí)出因測(cè)量錯(cuò)誤引起、在沉降-時(shí)間曲線上呈突變特征的異常數(shù)據(jù),是在建高速鐵路沉降觀測(cè)信息化管理中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

在建筑物的異常沉降數(shù)據(jù)辨識(shí)過程中,對(duì)于沉降觀測(cè)頻次密集的數(shù)據(jù),小波分析法能較好地適配數(shù)據(jù)波動(dòng)變化,具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[7-8],但是面對(duì)高速鐵路沉降觀測(cè)時(shí)間間隔較長(zhǎng)且隨工況多變的情況,則存在不適用的情況。設(shè)置誤差限閾值,并用最小二乘支持向量機(jī)的函數(shù)擬合預(yù)處理沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的方法[9-11],利用邊界值作為辨識(shí)的標(biāo)準(zhǔn),值得參考,但當(dāng)觀測(cè)數(shù)據(jù)量龐大時(shí),擬合計(jì)算量逐級(jí)增加,且靈敏性不足。因此,有必要從適配觀測(cè)數(shù)據(jù)的波動(dòng)、限值設(shè)置、計(jì)算便捷程度及靈敏性等方面進(jìn)行研究。

本文基于沉降觀測(cè)歷史大數(shù)據(jù)與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,擬制定路基、橋涵、隧道各主要工況對(duì)應(yīng)的判識(shí)異常沉降數(shù)據(jù)的參考閾值,提出利用平均變形速率作為代表計(jì)算公式,在顧及計(jì)算結(jié)果靈敏性的優(yōu)先條件下,辨識(shí)高速鐵路沉降異常數(shù)據(jù)。

1 變形速率判識(shí)沉降異常數(shù)據(jù)方法

1.1 主要步驟

首先,確定鐵路路基、橋涵、隧道各主要工況判識(shí)沉降異常數(shù)據(jù)的參考閾值;其次,識(shí)別并剔除無效觀測(cè)數(shù)據(jù),僅選取最近1～5期的有效觀測(cè)數(shù)據(jù)參與計(jì)算;然后,應(yīng)用沉降變形速率代表計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算;最后,對(duì)照參考閾值進(jìn)行判識(shí),對(duì)應(yīng)觸發(fā)異常數(shù)據(jù)處置選項(xiàng),形成管理閉環(huán)。技術(shù)路線如圖1所示。

1.2 確定參考閾值

基于沉降觀測(cè)歷史大數(shù)據(jù),采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,分別計(jì)算路橋隧各工況對(duì)應(yīng)的沉降變形速率較大值,然后疊加測(cè)量誤差的影響,形成參考閾值[12-13]。主要公式為

(1)

以無砟軌道鐵路路基填筑完成后第1～3個(gè)月的工況為例(如圖2所示),經(jīng)過統(tǒng)計(jì),正常情況下路基沉降變形速率的較大值處于曲線1所在位置,這一時(shí)段對(duì)應(yīng)的正常沉降變形速率較大值約為0.1～0.3 mm/d。此時(shí)觀測(cè)頻次為7 d,經(jīng)過統(tǒng)計(jì)計(jì)算,測(cè)量誤差約為1 mm,3期測(cè)量的時(shí)間跨度內(nèi)測(cè)量誤差帶來的沉降變形速率偏差約為0.1 mm/d。正常變形速率較大值與誤差疊加后為0.4 mm/d,可以作為判識(shí)異常數(shù)據(jù)的參考閾值,如圖2中的折線2。

1.3 剔除無效觀測(cè)數(shù)據(jù)

測(cè)點(diǎn)“重新布設(shè)”“接管”或“測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)移”時(shí),數(shù)據(jù)修正會(huì)消除本次測(cè)量與上次測(cè)量間實(shí)際發(fā)生的沉降,本測(cè)點(diǎn)的此次測(cè)量視為無效觀測(cè)數(shù)據(jù);無效觀測(cè)數(shù)據(jù)被識(shí)別出來后將被剔除,不參與判識(shí)計(jì)算,剔除公式為

[Si]=R(S′1,S′2,…,S′j)

(2)

式中,從S′1到S′j為由近到遠(yuǎn)各期次觀測(cè)值;[Si]為有效觀測(cè)數(shù)據(jù)序列;i最大取到5即止。

1.4 平均變形速率代表計(jì)算

相對(duì)而言,計(jì)算沉降變形速率時(shí)選擇的起止時(shí)間跨度越大,參與速率計(jì)算的有效數(shù)據(jù)越多,越能更好地平均掉隨機(jī)誤差,速率數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)定性越好。然而,時(shí)間跨度過大,反映當(dāng)前速率的及時(shí)性會(huì)變差,將會(huì)損害沉降變形速率對(duì)異常數(shù)據(jù)的靈敏性[14-15]。

為了平衡沉降變形速率計(jì)算的穩(wěn)定性和靈敏性,本文提出靈敏性優(yōu)先與計(jì)算結(jié)果輔助校驗(yàn)穩(wěn)定性的策略,即選用最近1～5期有效數(shù)據(jù),優(yōu)先保障靈敏性,以各期數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果輔助校驗(yàn)計(jì)算值的波動(dòng)量,并應(yīng)用平均變形速率計(jì)算公式作為代表。

平均變形速率計(jì)算公式為

(3)

單次變形速率靈敏性提取公式為

Vs1=Max(V2-1,V3-2,V4-3,V5-4)

(4)

式中,V2-1、V3-2、V4-3、V5-4為相鄰兩期觀測(cè)值之間的變形速率。

平均變形速率靈敏性提取公式為

Vs2=Max(V3-1,V4-1,V5-1)

(5)

式中,V3-1、V4-1、V5-1分別為第3、4、5期觀測(cè)值的平均變形速率。

用最大平均變形速率做穩(wěn)定性輔助校驗(yàn),得到變形速率代表計(jì)算公式為

(6)

式中,k=1.5為靈敏性調(diào)整系數(shù)。

同一里程中各測(cè)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果不同時(shí),取各測(cè)點(diǎn)的最大計(jì)算值,作為該里程斷面的沉降變形速率,即

Vs=Max(Vsk)

(7)

1.5 異常數(shù)據(jù)判識(shí)過程及規(guī)則

(1)用式(6)計(jì)算測(cè)點(diǎn)Pi的變形速率Vsk。

(2)用式(7)計(jì)算同一里程斷面的沉降變形速率Vs。

(3)沉降異常數(shù)據(jù)的判斷規(guī)則為Vs≥[Vs]。其中,[Vs]為判識(shí)沉降異常數(shù)據(jù)的參考閾值,按表1—表4取值。

表1 異常數(shù)據(jù)的處置選項(xiàng)

2 工程應(yīng)用

2.1 鐵路沉降變形觀測(cè)信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用需求,集成本文方法,設(shè)計(jì)并研發(fā)了鐵路沉降變形觀測(cè)信息系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱信息系統(tǒng)),具有沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)采集、水準(zhǔn)線路管理、測(cè)點(diǎn)沉降-時(shí)間曲線數(shù)據(jù)分析、觀測(cè)頻次提醒、數(shù)據(jù)異常識(shí)別與處置等功能。

2.2 異常沉降數(shù)據(jù)提醒

信息系統(tǒng)于每天晚上集中進(jìn)行異常數(shù)據(jù)判識(shí),如果存在異常數(shù)據(jù),將在沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)上傳到信息系統(tǒng)后的第2天開始提醒。以標(biāo)段為單位,按照關(guān)注、加強(qiáng)關(guān)注、重點(diǎn)關(guān)注,共3個(gè)級(jí)別進(jìn)行分類,分別統(tǒng)計(jì)橋涵、路基、隧道各專業(yè)每天出現(xiàn)的沉降異常斷面數(shù)量,界面如圖3所示。

圖3 近7日需關(guān)注的沉降異常斷面數(shù)量統(tǒng)計(jì)界面

2.3 異常數(shù)據(jù)處置選項(xiàng)設(shè)置

當(dāng)發(fā)現(xiàn)沉降異常數(shù)據(jù)時(shí),在測(cè)量數(shù)據(jù)核對(duì)、測(cè)點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)檢查、施工過程分析、周圍環(huán)境調(diào)查等方面進(jìn)行操作,并結(jié)合異常數(shù)據(jù)的沉降-時(shí)間曲線特征變化進(jìn)行綜合研判。信息系統(tǒng)設(shè)置了異常數(shù)據(jù)的處置選項(xiàng)(見表1),供觀測(cè)人員在完成現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、補(bǔ)測(cè)對(duì)比和初步的原因分析后選擇和填報(bào)。

2.4 部分觀測(cè)階段的參考閾值

根據(jù)1.2節(jié)的方法,對(duì)積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì),制定判識(shí)路基、橋涵、隧道沉降異常數(shù)據(jù)的參考閾值,并按照嚴(yán)重程度,由低到高依次設(shè)置成3級(jí),即:關(guān)注、加強(qiáng)關(guān)注、重點(diǎn)關(guān)注。部分觀測(cè)階段的建議參數(shù)分別見表2—表4。

表2 判識(shí)路基沉降異常數(shù)據(jù)的參考閾值 mm/d

表3 判識(shí)橋涵沉降異常數(shù)據(jù)的參考閾值 mm/d

表4 判識(shí)隧道沉降異常數(shù)據(jù)的參考閾值 mm/d

2.5 隧道沉降提醒案例

西康高速鐵路白楊坪隧道DK141+020里程,工況為“仰拱(底板)施工完成后,3個(gè)月以后”,沉降變形時(shí)-程曲線如圖4所示,通過式(4)—式(6)計(jì)算,得Vs1=0.187 mm/d,Vs2=0.065 mm/d,最終Vs=0.187 mm/d。經(jīng)過系統(tǒng)自動(dòng)判識(shí),在第1次隆起提醒的基礎(chǔ)上,觸發(fā)第2次沉降提醒,如圖5所示,對(duì)照表4,級(jí)別為重點(diǎn)關(guān)注。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)樁狀態(tài)檢查、數(shù)據(jù)分析和外部因素調(diào)查等,基本確定原因后,對(duì)照表1,選擇處置選項(xiàng)1(關(guān)注),并繼續(xù)觀察。

圖4 隧道沉降變形時(shí)-程曲線

圖5 DK141+020里程斷面自動(dòng)提醒記錄(部分)

2.6 變形速率代表計(jì)算公式靈敏性對(duì)比驗(yàn)證

西延高速鐵路DK189+342里程的路基在2022年12月2日的異常數(shù)據(jù)如圖6所示,工況為堆載預(yù)壓第1～3個(gè)月。每組依次取連續(xù)5期的有效觀測(cè)數(shù)據(jù),各組分別計(jì)算單次變形速率,前5、4、3期的平均變形速率。各組計(jì)算結(jié)果繪制時(shí)間-速率曲線如圖7所示。

圖6 路基DK189+342處沉降曲線

圖7 最近1—5期的平均速率取值對(duì)比

可以看出,前5、4、3期的平均變形速率(依次為V5-1、V4-1、V3-1)中,在12月2日前后,前3期的平均變形速率是最大值,為0.69 mm/d;單次變形速率(為Vs1)最大值為1.03 mm/d;此時(shí),代入靈敏性調(diào)整系數(shù)k=1.5,得1.03

3 結(jié) 語

本文提出了利用平均變形速率判識(shí)沉降異常數(shù)據(jù)的方法。在沉降觀測(cè)積累的海量數(shù)據(jù)中,應(yīng)用此方法能極大降低人工發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的工作量,為如實(shí)表征高速鐵路主體工程沉降變形情況,搭建了準(zhǔn)確、客觀的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)環(huán)境。

通過設(shè)置靈敏性調(diào)整系數(shù)k,可以抑制判識(shí)方法的誤判率,隨工程應(yīng)用和數(shù)據(jù)積累,相應(yīng)k的取值將進(jìn)一步得到優(yōu)化調(diào)整,判識(shí)路基沉降異常數(shù)據(jù)的參考閾值也同樣會(huì)得到修正,以此可進(jìn)一步提高判識(shí)的準(zhǔn)確率。

通過西康、西延等高速鐵路沉降觀測(cè)應(yīng)用驗(yàn)證,面向全國(guó)大規(guī)模的鐵路建設(shè),以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)沉降觀測(cè)的精細(xì)化管理,在自動(dòng)、精準(zhǔn)甄別數(shù)據(jù)異常、精準(zhǔn)評(píng)估工程沉降穩(wěn)定性方面,還將發(fā)揮出巨大的數(shù)據(jù)資源優(yōu)勢(shì)。