摘 要：近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，高速鐵路的建設(shè)也迅猛發(fā)展。但是，由于高速鐵路列車(chē)速度在200km/h以上，路基、軌道的不平順對(duì)快速行車(chē)引起的列車(chē)振動(dòng)也遠(yuǎn)比相同條件下普通速度的列車(chē)嚴(yán)重，旅客感受的舒適度會(huì)嚴(yán)重降低，甚至?xí)䦟?dǎo)致列車(chē)脫軌。因此高速鐵路對(duì)軌道的平順性提出了更高的要求。路基是鐵路線路工程的重要組成部分之一，是承受軌道結(jié)構(gòu)重量和列車(chē)載荷的基礎(chǔ)，是線路工程的關(guān)鍵所在。高速鐵路沉降防治對(duì)控制鐵路工程質(zhì)量，確保工后沉降滿足設(shè)計(jì)要求至關(guān)重要。
關(guān)鍵詞：高速鐵路 路基 沉降 沉降觀測(cè) 預(yù)測(cè)模型
中圖分類(lèi)號(hào)：U215 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2012）005-037-02
1 前言
鐵路路基暴露在室外，加之我國(guó)地域廣闊，地形、地質(zhì)、水文、氣候等情況復(fù)雜：路基邊坡和坡腳受坡面雨水沖刷、日曬雨淋將引起土的干濕循環(huán)、氣溫變化將引起土的凍融變化、河水對(duì)邊坡或坡腳處地基不斷的沖刷和淘刷等，使路基常年處于升降動(dòng)態(tài)循環(huán)之中，路基附加應(yīng)力受其很大影響。路基填料級(jí)配不良、排水失效、過(guò)渡段碎石級(jí)配失效或不養(yǎng)生、路基橫向碾壓、填料含水率超標(biāo)等將引起路基沉降。鐵路兩旁新修建的建筑物尤其是特大型建筑也會(huì)對(duì)路基產(chǎn)生影響，所以鐵路路基沉降在一定意義上講不可避免。但過(guò)大的變形沉降將直接影響旅客舒適度以及行車(chē)安全，所以必須對(duì)高速鐵路路基沉降加以防治。本文著重介紹高速鐵路路基沉降觀測(cè)及預(yù)測(cè)技術(shù)。
2 高速鐵路路基沉降測(cè)量控制要求
只有做好高速鐵路路基沉降測(cè)量工作，才能保證沉降控制工作的順利完成，為接下來(lái)的工作提供數(shù)據(jù)資料。所以工程技術(shù)人員要采用科學(xué)正確的方法，高效的完成測(cè)設(shè)工作，要保證測(cè)量精度要求，利用配套計(jì)算機(jī)對(duì)所有觀測(cè)值進(jìn)行嚴(yán)密平差，保證整個(gè)控制精度完全能夠符合國(guó)家工程測(cè)量技術(shù)規(guī)范和工程設(shè)計(jì)要求。
2.1 設(shè)備要求
高速鐵路沉降觀測(cè)要求高精度，為了精確測(cè)量路基的沉降情況，一般規(guī)定測(cè)量的誤差應(yīng)小于變形值的1/10—1/20。采用一般儀器，會(huì)受到周?chē)h(huán)境的影響而導(dǎo)致誤差過(guò)大，所以對(duì)觀測(cè)儀器的精度要求極高。觀測(cè)時(shí)應(yīng)優(yōu)選受環(huán)境影響小的儀器，比如精密水準(zhǔn)儀。
2.2 觀測(cè)人員要求
高速鐵路沉降觀測(cè)要求高精度，工程技術(shù)人員應(yīng)該有較高的職業(yè)技術(shù)水平和職業(yè)道德。觀測(cè)人員應(yīng)該專(zhuān)業(yè)、準(zhǔn)時(shí)、高效的完成測(cè)量任務(wù)，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)認(rèn)真負(fù)責(zé)，堅(jiān)決杜絕補(bǔ)測(cè)或修改數(shù)據(jù)等惡劣行為。
2.3 實(shí)際觀測(cè)的具體要求
觀測(cè)前，要對(duì)觀測(cè)地點(diǎn)的地形、地貌、地質(zhì)、水文以及氣候等情況加以調(diào)查，聯(lián)系實(shí)際情況選擇最適宜的觀測(cè)方法，既要保證觀測(cè)的高效，又要保持正精度的要求。
2.4 觀測(cè)點(diǎn)的選取
高速鐵路沉降觀測(cè)精度高，所以對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的選取要求也很高，在保證方便觀測(cè)的前提下，選擇合適的觀測(cè)點(diǎn)，最好是視野開(kāi)闊，地勢(shì)平坦的穩(wěn)定位置。
2.5 觀測(cè)周期及觀測(cè)時(shí)間
施工階段，應(yīng)隨施工進(jìn)度及時(shí)進(jìn)行。觀測(cè)次數(shù)與時(shí)間間隔應(yīng)視地基與加荷情況而定。在觀測(cè)過(guò)程中，如有路基附近荷載突然增減、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)降雨等情況，均應(yīng)及時(shí)增加觀測(cè)次數(shù)。若路基發(fā)生大量沉降、不均勻沉降或嚴(yán)重裂紋時(shí)，應(yīng)該立即進(jìn)行逐日甚至一天數(shù)次的連續(xù)觀測(cè)。
3 路基沉降預(yù)測(cè)模型的應(yīng)用
對(duì)高速鐵路路基沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)傳統(tǒng)的方法有三種：(1)采用分層總和法計(jì)算最終沉降量，利用簡(jiǎn)化固結(jié)公式計(jì)算固結(jié)度，然后推算沉降的發(fā)展規(guī)律與趨勢(shì)。(2)根據(jù)固結(jié)理論，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)獲得土的各種本構(gòu)模型，利用有限元方法預(yù)測(cè)最終沉降量以及其發(fā)展規(guī)律。(3)基于前期沉降量實(shí)測(cè)資料來(lái)建立沉降量與時(shí)間關(guān)系數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)方法。
3.1 曲線擬合法
曲線擬合，就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得有限對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)（xi, yi）,利用這些數(shù)據(jù)來(lái)求取近似函數(shù)y=f(x)。式中x為輸出量，y為被測(cè)物理量。即通過(guò)分析實(shí)測(cè)資料與時(shí)間的關(guān)系，建立適當(dāng)?shù)某两蹬c時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而推測(cè)沉降的發(fā)展規(guī)律。曲線擬合法是將沉降近似看做按照某種規(guī)律變化的過(guò)程，對(duì)實(shí)際測(cè)量的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立某種相適應(yīng)的曲線模型，采取適宜的優(yōu)化方法，反推出計(jì)算公式所需的參數(shù)，在運(yùn)用于后期的沉降預(yù)測(cè)。此方法參數(shù)較少并且易于確定，所以應(yīng)用廣泛。工程中常用的曲線擬合法包括：雙曲線法、星野法、指數(shù)曲線法、三點(diǎn)法、沉降速率法、Asaoka法、S形成長(zhǎng)曲線模型。
3.2 灰色系統(tǒng)理論
灰色系統(tǒng)理論是20世紀(jì)80年代，由中國(guó)華中理工大學(xué)鄧聚龍教授首先提出并創(chuàng)立的一門(mén)新興學(xué)科，它是基于數(shù)學(xué)理論的系統(tǒng)工程學(xué)科。灰色系統(tǒng)理論，是一種研究少數(shù)據(jù)、貧信息不確定性問(wèn)題的新方法。灰色系統(tǒng)理論以“部分信息已知，部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”不確定性系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要通過(guò)對(duì)“部分”已知信息的生成、開(kāi)發(fā)，提取有價(jià)值的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行行為、演化規(guī)律的正確描述和有效監(jiān)控。
3.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種應(yīng)用類(lèi)似于大腦神經(jīng)突觸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息處理的數(shù)學(xué)模型。在工程與學(xué)術(shù)界也常直接簡(jiǎn)稱(chēng)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種運(yùn)算模型，由大量的節(jié)點(diǎn)和之間相互聯(lián)接構(gòu)成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一種特定的輸出函數(shù)，稱(chēng)為激勵(lì)函數(shù)。每?jī)蓚�(gè)節(jié)點(diǎn)間的連接都代表一個(gè)對(duì)于通過(guò)該連接信號(hào)的加權(quán)值，稱(chēng)之為權(quán)重，這相當(dāng)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的記憶。網(wǎng)絡(luò)的輸出則依網(wǎng)絡(luò)的連接方式，權(quán)重值和激勵(lì)函數(shù)的不同而不同。而網(wǎng)絡(luò)自身通常都是對(duì)自然界某種算法或者函數(shù)的逼近，也可能是對(duì)一種邏輯策略的表達(dá)。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論建立預(yù)測(cè)路基沉降的BP模型和Elman模型，兩種模型在預(yù)測(cè)路基沉降時(shí)，不需要建立任何土工模型，只要采集訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的樣本就可以比較精確的預(yù)測(cè)路基沉降。
3.4 遺傳算法
遺傳算法是由美國(guó)的J.Holland教授1975年首先提出，是一類(lèi)借鑒生物界的進(jìn)化規(guī)律（適者生存，優(yōu)勝劣汰遺傳機(jī)制）演化而來(lái)的隨機(jī)化搜索方法。其主要特點(diǎn)是直接對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)象進(jìn)行操作，不存在求導(dǎo)和函數(shù)連續(xù)性的限定；具有內(nèi)在的隱并行性和更好的全局尋優(yōu)能力；采用概率化的尋優(yōu)方法，能自動(dòng)獲取和指導(dǎo)優(yōu)化的搜索空間，自適應(yīng)地調(diào)整搜索方向，不需要確定的規(guī)則。
路基沉降預(yù)測(cè)模型的建立對(duì)于高速鐵路沉降預(yù)測(cè)與控制至關(guān)重要。適宜的預(yù)測(cè)模型可以很好地預(yù)測(cè)路基沉降的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于工程施工以及線路運(yùn)營(yíng)階段的管理都有指導(dǎo)作用。通過(guò)路基沉降預(yù)測(cè)模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，推算最終沉降量，若預(yù)測(cè)沉降超限，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)的工程措施。
4 一種新的沉降測(cè)量方法：計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)
計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)測(cè)量領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來(lái)的嶄新技術(shù)，它是以現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ)，融合計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、圖像處理與分析技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為一體，組成光電一體化的綜合測(cè)量系統(tǒng)。視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的檢測(cè)儀器設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)智能化、數(shù)字化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多功能化，具有精度高、非接觸、在線檢測(cè)、實(shí)時(shí)分析與控制、連續(xù)工作等特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)視覺(jué)也稱(chēng)為機(jī)器視覺(jué)，是指利用計(jì)算機(jī)對(duì)采集的圖像或者視頻進(jìn)行處理，從而代替人眼的視覺(jué)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀世界的三維場(chǎng)景的感知、識(shí)別和理解的技術(shù)。計(jì)算機(jī)視覺(jué)使用計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備對(duì)生物視覺(jué)進(jìn)行模擬。其主要任務(wù)是通過(guò)對(duì)采集的圖像或視頻進(jìn)行處理，以獲得相應(yīng)場(chǎng)景的三維信息。計(jì)算機(jī)視覺(jué)使用的理論方法主要基于幾何、概率、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算和三維重構(gòu)等視覺(jué)計(jì)算機(jī)理論，其基礎(chǔ)包括攝影幾何學(xué)、剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)、概率論與隨機(jī)過(guò)程、人工智能等理論。運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高速鐵路沉降的遠(yuǎn)程自動(dòng)化觀測(cè)，方便、快捷、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，即可以保證測(cè)量的精度，又減輕了工程技術(shù)人員的負(fù)擔(dān)，是一項(xiàng)有待發(fā)展的新興測(cè)量技術(shù)。
5 結(jié)論
綜上所述，高速鐵路路基沉降對(duì)于工程建設(shè)、旅客舒適度、運(yùn)營(yíng)安全有著致命影響，所以路基沉降觀測(cè)是必須采取的。采用正確的觀測(cè)方法，嚴(yán)格按照基本要求和規(guī)范觀測(cè)，建立正確的陳建預(yù)測(cè)模型，保證路基沉降在標(biāo)準(zhǔn)的允許范圍之內(nèi)是高速鐵路建設(shè)的關(guān)鍵。隨著新興技術(shù)的發(fā)展，沉降觀測(cè)及防治措施必定越來(lái)越多，越來(lái)越精確，我國(guó)的高速鐵路事業(yè)也必將更上一層樓。
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