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第95期川藏鐵路建設面臨的挑戰與監控測量新技術應用規劃

2020-8-11 17:42

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【52監測網】第95期川藏鐵路建設面臨的挑戰與監控測量新技術應用規劃

52監測網專家報告分享-第95期

《川藏鐵路建設面臨的挑戰與監控測量新技術應用規劃》

盧建康中鐵二院工程集團有限公司測繪工程設計研究院

川藏鐵路概述

面臨的環境挑戰

監控測量新技術應用規劃

內容介紹

一、川藏鐵路概述

線路概況

? 川藏鐵路東起四川省成都市，向西經雅安、康定、昌都、林芝、山南到拉薩。

? 川藏鐵路運營長度1568km，分成都-蒲江（朝陽湖）段、朝陽湖至雅安、雅安至林芝、林芝至拉薩4段建設。

? 擬建雅安至林芝段：川藏雅安至林芝段新建正線長度1006.77km，其中四川境內471.93km，西藏境內長度534.84km；其中雅昌段長635.76km,昌林段長371.01km。新建車站24個，橋隧總長970.47km，橋隧比為96.4%，其中新建橋梁125.19km/92座，占線路長度12.4%；新建隧道845.29km/71座，占線路長度84.0%。同步新建既有成雅鐵路朝陽湖站至擬建成都天府站的線路80.59km（雙線）及其與既有成昆鐵路間的聯絡線9.49km(單線)。

主要技術標準

雅安至林芝段主要技術標準

二、面臨的挑戰

顯著的地形高差

橫斷山脈，三江并流，山高谷深，南北平行嶺谷橫阻交通。線路依次經過二郎山、折多山、高爾寺山、沙魯里山、芒康山、他念他翁山、伯舒拉嶺、色季拉山等高大山脈，先后經過大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、帕隆藏布、雅魯藏布江等大江大河?？缙呓┌松?，沿線地勢起伏巨大，地形高差顯著。

強烈的板塊活動

地處青藏高原中東部、印度板塊與歐亞板塊擠壓造山帶，板塊活動強烈。區域斷裂構造極為發育，沿線有10余條深大活動斷裂；地層內動力作用活躍，區域地應力明顯高于其它地塊；地震頻發，據記載該區域發生7級以上地震至少22次。

頻發的山地災害

沿線山高坡陡，地質重力作用突出，工程地質環境十分復雜，滑坡、崩坍、泥石流、冰湖潰決等山地災害分布廣、規模大；加之氣候差異顯著，海洋性冰川氣候等多種環境耦合作用，山地災害頻發。

◇ 頻發的山地災害-金沙江山體滑坡

2018年10月11日上午7時，甘孜州白玉縣與西藏自治區昌都市江達縣交界處發生山體滑坡，阻斷金沙江干流形成堰塞湖，距離設計橋位80km直線距離，滑坡體總面積達1.62km2，其中滑源區面積0.77km2，堰塞壩面積0.85km2。

11月3日17時15分，金沙江“10?11白格堰塞湖”發生二次滑坡，估算新增滑坡體200萬方，壩體總方量達到500萬方，堰塞湖壩體頂端海拔2940米，高差100米，堰塞湖蓄水量預測在9000萬方。泄洪導致金沙江大橋被沖毀，318國道斷道。

◇ 頻發的山地災害-雅魯藏布江被冰川泥石流

2018年10月17日，雅魯藏布江被冰川泥石流阻斷，泥石流滑坡體寬150m，長300m，高120m，體量約540萬m3。在林芝市米林縣派鎮加拉村下游形成了堰塞湖，最大庫容量達6億m3。

高位遠程崩塌、滑坡、冰川泥石流、冰湖潰決等地質災害，是川藏鐵路特殊的地質災害，不但規模大，且在峽谷地區形成的堵江等溝谷災害鏈進一步加大了其破壞范圍和破壞力，對鐵路安全潛在巨大威脅。

敏感的生態環境

高山峽谷，氣候垂直分異明顯，生態復雜、多樣；海拔3000米以上高寒高原山地，生態脆弱。沿線生態環境敏感。

超長深埋隧道最為集中

深埋長大隧道工程數量眾多、規模巨大，世界鐵路建設史未有。

川藏鐵路雅安至林芝段隧道總計73 座850.38km，隧線占比為84.56%，10km以上特長隧道共35座745.66km，20km以上隧道16座463.474km，30km以上隧道7座241.389 km。20km以上隧道總長，是我國已建鐵路隧道的總和。

三、監控測量新技術應用規劃

針對川藏鐵路建設中工程測量面臨的關鍵問題，在可研階段提出了四項測量新技術應用規劃，并將其納入了國家鐵路集團公司企業標準《川藏鐵路勘測設計暫行規定》中。

川藏鐵路測量新技術應用規劃：

? 建立高精度北斗/GNSS連續運行參考站（CORS）網絡

? 超長隧道與特大型橋梁控制測量與施工測量

? 空間形態特征變化及形變監測

? 實景三維空間信息系統平臺

建立高精度北斗/GNSS連續運行參考站（CORS）網絡

川藏鐵路沿線地形地質復雜、深大斷裂發育，新構造運動活躍、地震頻繁強烈，容易造成沿線平面、高程控制基準不穩定，加之建設工期長，嚴重影響工程建設的順利實施，稍有不慎，就會造成工程的報廢。如何在建設乃至運營期保持測量控制基準的準確可靠，是川藏鐵路工程測量要解決的首要問題。建立連續運行參考站網絡并構建精密高程基準面，可為川藏鐵路提供精確的高時空分辨率位移場、速度場、重力場信息，形成高分辨率的動態時空基準?；谠摃r空基準，進行各級控制網測量、形變監測、實時位置服務等，為川藏鐵路建設、運營提供多維度的空間信息服務。

◇ 主要工作內容

（1）川藏鐵路連續運行參考站（CORS）網絡建設；

（2）川藏鐵路區域動態基準維持；

（3）川藏鐵路跨活動斷裂帶的連續監測與評估；

（4）川藏鐵路位置服務平臺建設。

◇ 技術要求

（1）川藏鐵路CORS網絡建設

CORS站點位置應沿線路走向，每30km～50km布設一個，同時兼顧長大隧道、復雜特大橋等重點控制性工程的精密控制測量要求，并滿足川藏鐵路建設的需要。

（2）區域動態基準維持

與全球IGS基準站及國家基準站框架點聯測，監測CORS基準網的穩定性/速度場；

連續地殼運動監測，確定基準站位置突變或非線性運動造成的基準站位移和速度變化；

川藏鐵路基準動態維持，基準站/網坐標發生明顯變化后，進行局部站點或站網更新。定期解算CORS站點的觀測數據和分析CORS站點的穩定性來維持川藏鐵路大地坐標基準。

（3）川藏鐵路跨活動斷裂帶的連續監測與評估

川藏鐵路沿線主要有龍門山斷裂、瀾滄江斷裂、怒江斷裂3條一級構造邊界斷裂，甘孜-理塘斷裂、金沙江斷裂、雅魯藏布江斷裂3條二級構造邊界斷裂，以及鮮水河斷裂、玉龍希斷裂、理塘斷裂、巴塘斷裂、八宿斷裂、嘉黎斷裂、米林-魯朗斷裂等活動斷裂。

根據斷裂帶的規模和影響范圍，設計不同類型活動斷裂帶的監測網型；獲取可靠的斷裂帶形變信息；按地殼運動監測要求建設和監測，并進一步反演斷裂帶區域的應力應變，分析和評估活動斷裂對川藏鐵路的影響。

（4）川藏鐵路位置服務平臺

超長隧道與特大型橋梁控制測量與施工測量

針對川藏鐵路惡劣的施工環境，提高測量自動化、數字化水平。制定超長隧道洞外、洞內控制測量技術要求及橫向貫通誤差限差和洞內外分配原則。建立超長隧道與特大型橋梁高精度平面、高程控制網，加強精測網的定期整網復測。施測高精度陀螺方位，確保超長隧道順利貫通。三維激光掃描隧道洞口仰坡、洞身開挖及襯砌，檢測襯砌斷面及厚度；定期掃描監測洞身變形。采用自動化監測系統，實時監測隧道洞口仰坡、隧道洞內仰拱變形。建立特大型橋梁施工線形三維監測系統和主要結構物實時變形監測系統。

◇ 建立高精度平面高程控制網

（1）線路平面基礎控制網(CPI)應顧及橋隧控制網整體布網，提高精度

? 特大橋及 15km～30Km長度的超長隧道：CPI按一等平面控制網精度施測；

? 30km以上長度的超長隧道：建立洞外特等平面控制網。

? 一般地段：CPI按二等平面控制網精度施測；

? 8km以上長度隧道施工控制網采用強制觀測墩。

（橋隧相連、沒有多余的路基地段消化橋隧控制網的銜接誤差。）

（2）建立全線二等高程控制網

? 峽谷兩岸二等跨河高程測量、隧道洞內二等高程控制。

? 高程控制測量高差觀測值進行溫差改正、正常水準面不平行改正、重力異常改正。

? 沿線路加測重力點，滿足施工高程測量重力改正需求。

橫斷山區布格重力異常梯度變化大

橫斷山區水準高差施加改正后的效果

加密重力測量

? 沿線路每4km左右布設1個重力水準點，當重力異常變化大時，應增加重力點測量密度。

? 長度在4km以上的隧道進、出口至少布設1個重力水準點，在斜井、橫洞口宜布設1個重力水準點。

? V形峽谷特大型橋梁橋址處應在河谷、橋梁兩端橋頭處分別布設1個重力水準點。

（3）加強精測網定期復測

? 施工前應由施工單位進行交樁復測；

? 施工期間施工單位應進行定期復測，復測頻率為1次/12個月。

? 隧道引測進洞前，應進行洞外控制網復測。

◇ 建立超長隧道高精度洞內平面控制網

提高洞內角度測量精度：

? 相向貫通長度超過20km的隧道，洞外定向邊方位精度、洞內測角精度均不應低于0.8″。

? 進洞邊水平方向施加垂線偏差改正。

? 對隧道掘進長度超過5km的隧道施測高精度陀螺方位邊，定向精度不應低于4″。

? 從斜井引測至正洞，在正洞交點處產生的橫向誤差不應超過30mm；并施測高

精度陀螺方位邊。

◇ 隧道工程三維激光掃描

? 隧道開挖、初襯、二襯后應分別進行1次三維掃描，檢測開挖斷面尺寸、襯砌厚度；

? 海拔3000m以上隧道二次襯砌完成后，定期掃描監測變形情況。每6個月應掃描測量1次，持續時間不短于3年。

? 隧道洞口竣工后進行三維掃描，并進行定期變形監測。

? 隧道貫通后三維竣工掃描。

◇ 隧道自動化監測系統

? 隧道高仰坡滑移自動化監測系統

? 隧道仰拱出現垂直位移時，隧道內仰拱分層沉降自動化監測

? 隧道洞身收斂位移自動化監測

? 隧道拱頂沉降自動化監測

◇ 隧道施工監測

? 高地溫隧道監控量測：

（1）判識地溫類型，核實熱害等級；

（2）掌握隧道溫度變化特征，驗證降溫措施效果；

（3）判斷降溫措施的合理性，為動態調整降溫措施提供依據；

（4）積累量測數據，為信息化設計與施工提供依據。

? 瓦斯工區應開展瓦斯檢測與監測：

（1）微瓦斯工區線路海拔3000m以下時，可采用人工檢測；線路海拔3000m及以上時，采用自動監測為主、人工檢測為輔的檢測方法。

（2）低瓦斯工區宜采用自動監測為主、人工檢測為輔的檢測方法。

（3）高瓦斯工區及瓦斯突出工區應采用自動監測為主、人工檢測為輔的檢測方法。

? 隧道穿活動斷層地段、軟巖變形潛勢強烈及以上地段，宜進行變形及內力監測；高陡邊

仰坡、危巖落石發育段、高地災風險的隧道洞口宜進行坡體變形及災害監測；巖溶高壓水

及深大導水斷裂地段應進行水壓、水量監測。

◇ 特大型橋梁施工線形監測

（1）建立高精度的平面高程施工控制網：平面二等、高程二等；

（2）施工監控測量：對橋梁的塔柱、吊索等主要結構物進行變形監測，對梁體、纜索進行施工線形監測，以調整設計與施工參數，持續順利施工。

（3）采用三維激光掃描/地基SAR系統輔助獲取包括橋梁塔柱、主纜、吊索、橋面等結構的施工狀態、變形情況，以全面直觀記錄與掌握橋梁各階段的施工狀況。

◇ 特大型橋梁自動化監測

（4）建立變形實時監測系統：川藏鐵路的特大型橋梁均位于水深流急的深切V形峽谷上，環境惡劣多變，為保證大橋安全，需要進行實時健康監測。無法采用人工監測，應在施工期間與運營期間采用自動化監測系統來進行實時監測。

空間形態特征變化及形變監測

以“新型空天地一體化監測技術體系建設”為出發點，充分發揮衛星/地基InSAR測量覆蓋范圍廣、監測精度高的技術優勢，并結合光學遙感、航空攝影測量、機載激光雷達、地面自動化測量等技術手段，協同實施川藏鐵路沿線廣域變形監測、中低空巡檢與重點目標監測。重點開展斷層活動監測與反演；沿線滑坡快速識別與位移監測；沿線危巖落石識別與監測；沿線凍融與冰川演變動態監測。

◇ 基本思路：基于空天地一體化技術監測川藏鐵路空間形態及形變

? 天基：覆蓋范圍廣，適合大范圍長期監測預警；但時效性和機動性較差，難以滿足突發災害的災情速報，且易受電離層和大氣層的影響。

? 空基：時效性和機動性強，分辨率高，適合對突發性地質災害進行監測和災情速報；但覆蓋范圍小，無法滿足大范圍監測預警。

? 地基：精度高，機動性強；覆蓋范圍小，分辨率低，需要實時的人工操作，難以涉足困難區域（如重災區無法通行）。

（各有優勢和不足，單一技術無法滿足地質災害全面監測預警和災害應急的需求）

◇ 主要目標及任務

? 提升沿線地質災害體的定性和定量評價的科學性和準確性。

? 提高地質災害監測與預警的高效性與可靠性。

? 為科學的風險防控與管制提供更為科學有效信息支持與數據支撐。

主要任務

1）構造及斷層活動監測與反演GNSS+衛星C/L波段InSAR

2）凍融與冰川演變動態監測衛星InSAR+POT技術

3）滑坡體快速識別與位移監測衛星/地基InSAR+其它技術

4）橋隧車站周邊地表穩定性監測InSAR+傾斜攝影+Lidar等

5）區域定期巡檢傾斜攝影+Lidar+越界雷達等

◇ 川藏鐵路沿線滑坡體快速識別與位移監測

主要問題：川藏鐵路穿越高山峽谷，存在諸多高邊坡和潛在的滑坡災害威脅，如何快速識別這些滑坡體和開展位移監測是災害預警的關鍵問題。

主要技術：基于PS/DS/CR InSAR開展滑坡體排查和編目，基于地基InSAR+應力計+GNSS一機多天線系統等技術對重點滑坡體進行實時監測和預警。

數據源：ALOS-PALSAR-1/2和Sentinel-1A/1B衛星SAR影像，地基InSAR數據等。

成果：每一季度提供滑坡體分布編目結果，對重點滑坡體進行全天候全天時監測預警。

◇ 橋隧車站周邊地表穩定性監測

主要問題：在川藏鐵路沿線車站、橋梁建造和隧道開挖過程中，其周邊地表可能會產生形變，因而加強形變監測十分重要。

主要監測技術：基于PS/DS/CR InSAR對隧道山體、橋梁及車站邊坡進行位移監測，局部使用地基InSAR和地面精密測量技術進行監測。

監測數據源：TerraSAR-X、ALOS-PALSAR-1/2和Sentinel-1A/1B衛星SAR影像，地基SAR數據等。

監測成果：每1個月提供一次監測結果。

◇ 區域定期巡檢

利用無人機LiDAR及傾斜攝影測量技術對重點區域(如重點隧道進出口、高陡邊坡危巖落石等)進行1次/6月的定期巡檢。

采用越界雷達對高陡邊坡、隧道洞口等區域實施異物入侵實時探測和報警。

實景三維空間信息系統平臺建設

實景三維空間信息系統平臺是孿生鐵路精準映射與融合的關鍵基礎支撐和“智能鐵路大腦”的神經中樞。數字孿生鐵路是現實世界中的鐵路實體在計算機數據庫中的映射。通過空天地多源遙感手段建立服務于川藏鐵路建設及運營各階段的多層次實景三維模型，基于先進的云平臺微服務架構，建設分布式實景三維空間信息系統平臺，提供時空大數據高效管理、多樣化終端沉浸式可視化、多粒度的空間數據及分析處理等智能化服務。