第95期川藏铁路建设面临的挑战与监控测量新技术应用规划

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第95期川藏铁路建设面临的挑战与监控测量新技术应用规划

2020-8-11 17:42

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【52监测网】第95期川藏铁路建设面临的挑战与监控测量新技术应用规划

52监测网专家报告分享-第95期

《川藏铁路建设面临的挑战与监控测量新技术应用规划》

卢建康中铁二院工程集团有限公司测绘工程设计研究院

川藏铁路概述

面临的环境挑战

监控测量新技术应用规划

内容介绍

一、川藏铁路概述

线路概况

• 川藏铁路东起四川省成都市，向西经雅安、康定、昌都、林芝、山南到拉萨。

• 川藏铁路运营长度1568km，分成都-蒲江（朝阳湖）段、朝阳湖至雅安、雅安至林芝、林芝至拉萨4段建设。

• 拟建雅安至林芝段：川藏雅安至林芝段新建正线长度1006.77km，其中四川境内471.93km，西藏境内长度534.84km；其中雅昌段长635.76km,昌林段长371.01km。新建车站24个，桥隧总长970.47km，桥隧比为96.4%，其中新建桥梁125.19km/92座，占线路长度12.4%；新建隧道845.29km/71座，占线路长度84.0%。同步新建既有成雅铁路朝阳湖站至拟建成都天府站的线路80.59km（双线）及其与既有成昆铁路间的联络线9.49km(单线)。

主要技术标准

雅安至林芝段主要技术标准

二、面临的挑战

显著的地形高差

横断山脉，三江并流，山高谷深，南北平行岭谷横阻交通。线路依次经过二郎山、折多山、高尔寺山、沙鲁里山、芒康山、他念他翁山、伯舒拉岭、色季拉山等高大山脉，先后经过大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、帕隆藏布、雅鲁藏布江等大江大河。跨七江穿八山，沿线地势起伏巨大，地形高差显著。

强烈的板块活动

地处青藏高原中东部、印度板块与欧亚板块挤压造山带，板块活动强烈。区域断裂构造极为发育，沿线有10余条深大活动断裂；地层内动力作用活跃，区域地应力明显高于其它地块；地震频发，据记载该区域发生7级以上地震至少22次。

频发的山地灾害

沿线山高坡陡，地质重力作用突出，工程地质环境十分复杂，滑坡、崩坍、泥石流、冰湖溃决等山地灾害分布广、规模大；加之气候差异显著，海洋性冰川气候等多种环境耦合作用，山地灾害频发。

◇ 频发的山地灾害-金沙江山体滑坡

2018年10月11日上午7时，甘孜州白玉县与西藏自治区昌都市江达县交界处发生山体滑坡，阻断金沙江干流形成堰塞湖，距离设计桥位80km直线距离，滑坡体总面积达1.62km2，其中滑源区面积0.77km2，堰塞坝面积0.85km2。

11月3日17时15分，金沙江“10•11白格堰塞湖”发生二次滑坡，估算新增滑坡体200万方，坝体总方量达到500万方，堰塞湖坝体顶端海拔2940米，高差100米，堰塞湖蓄水量预测在9000万方。泄洪导致金沙江大桥被冲毁，318国道断道。

◇ 频发的山地灾害-雅鲁藏布江被冰川泥石流

2018年10月17日，雅鲁藏布江被冰川泥石流阻断，泥石流滑坡体宽150m，长300m，高120m，体量约540万m3。在林芝市米林县派镇加拉村下游形成了堰塞湖，最大库容量达6亿m3。

高位远程崩塌、滑坡、冰川泥石流、冰湖溃决等地质灾害，是川藏铁路特殊的地质灾害，不但规模大，且在峡谷地区形成的堵江等沟谷灾害链进一步加大了其破坏范围和破坏力，对铁路安全潜在巨大威胁。

敏感的生态环境

高山峡谷，气候垂直分异明显，生态复杂、多样；海拔3000米以上高寒高原山地，生态脆弱。沿线生态环境敏感。

超长深埋隧道最为集中

深埋长大隧道工程数量众多、规模巨大，世界铁路建设史未有。

川藏铁路雅安至林芝段隧道总计73 座850.38km，隧线占比为84.56%，10km以上特长隧道共35座745.66km，20km以上隧道16座463.474km，30km以上隧道7座241.389 km。20km以上隧道总长，是我国已建铁路隧道的总和。

三、监控测量新技术应用规划

针对川藏铁路建设中工程测量面临的关键问题，在可研阶段提出了四项测量新技术应用规划，并将其纳入了国家铁路集团公司企业标准《川藏铁路勘测设计暂行规定》中。

川藏铁路测量新技术应用规划：

• 建立高精度北斗/GNSS连续运行参考站（CORS）网络

• 超长隧道与特大型桥梁控制测量与施工测量

• 空间形态特征变化及形变监测

• 实景三维空间信息系统平台

建立高精度北斗/GNSS连续运行参考站（CORS）网络

川藏铁路沿线地形地质复杂、深大断裂发育，新构造运动活跃、地震频繁强烈，容易造成沿线平面、高程控制基准不稳定，加之建设工期长，严重影响工程建设的顺利实施，稍有不慎，就会造成工程的报废。如何在建设乃至运营期保持测量控制基准的准确可靠，是川藏铁路工程测量要解决的首要问题。建立连续运行参考站网络并构建精密高程基准面，可为川藏铁路提供精确的高时空分辨率位移场、速度场、重力场信息，形成高分辨率的动态时空基准。基于该时空基准，进行各级控制网测量、形变监测、实时位置服务等，为川藏铁路建设、运营提供多维度的空间信息服务。

◇ 主要工作内容

（1）川藏铁路连续运行参考站（CORS）网络建设；

（2）川藏铁路区域动态基准维持；

（3）川藏铁路跨活动断裂带的连续监测与评估；

（4）川藏铁路位置服务平台建设。

◇ 技术要求

（1）川藏铁路CORS网络建设

CORS站点位置应沿线路走向，每30km～50km布设一个，同时兼顾长大隧道、复杂特大桥等重点控制性工程的精密控制测量要求，并满足川藏铁路建设的需要。

（2）区域动态基准维持

与全球IGS基准站及国家基准站框架点联测，监测CORS基准网的稳定性/速度场；

连续地壳运动监测，确定基准站位置突变或非线性运动造成的基准站位移和速度变化；

川藏铁路基准动态维持，基准站/网坐标发生明显变化后，进行局部站点或站网更新。定期解算CORS站点的观测数据和分析CORS站点的稳定性来维持川藏铁路大地坐标基准。

（3）川藏铁路跨活动断裂带的连续监测与评估

川藏铁路沿线主要有龙门山断裂、澜沧江断裂、怒江断裂3条一级构造边界断裂，甘孜-理塘断裂、金沙江断裂、雅鲁藏布江断裂3条二级构造边界断裂，以及鲜水河断裂、玉龙希断裂、理塘断裂、巴塘断裂、八宿断裂、嘉黎断裂、米林-鲁朗断裂等活动断裂。

根据断裂带的规模和影响范围，设计不同类型活动断裂带的监测网型；获取可靠的断裂带形变信息；按地壳运动监测要求建设和监测，并进一步反演断裂带区域的应力应变，分析和评估活动断裂对川藏铁路的影响。

（4）川藏铁路位置服务平台

超长隧道与特大型桥梁控制测量与施工测量

针对川藏铁路恶劣的施工环境，提高测量自动化、数字化水平。制定超长隧道洞外、洞内控制测量技术要求及横向贯通误差限差和洞内外分配原则。建立超长隧道与特大型桥梁高精度平面、高程控制网，加强精测网的定期整网复测。施测高精度陀螺方位，确保超长隧道顺利贯通。三维激光扫描隧道洞口仰坡、洞身开挖及衬砌，检测衬砌断面及厚度；定期扫描监测洞身变形。采用自动化监测系统，实时监测隧道洞口仰坡、隧道洞内仰拱变形。建立特大型桥梁施工线形三维监测系统和主要结构物实时变形监测系统。

◇ 建立高精度平面高程控制网

（1）线路平面基础控制网(CPI)应顾及桥隧控制网整体布网，提高精度

• 特大桥及 15km～30Km长度的超长隧道：CPI按一等平面控制网精度施测；

• 30km以上长度的超长隧道：建立洞外特等平面控制网。

• 一般地段：CPI按二等平面控制网精度施测；

• 8km以上长度隧道施工控制网采用强制观测墩。

（桥隧相连、没有多余的路基地段消化桥隧控制网的衔接误差。）

（2）建立全线二等高程控制网

• 峡谷两岸二等跨河高程测量、隧道洞内二等高程控制。

• 高程控制测量高差观测值进行温差改正、正常水准面不平行改正、重力异常改正。

• 沿线路加测重力点，满足施工高程测量重力改正需求。

横断山区布格重力异常梯度变化大

横断山区水准高差施加改正后的效果

加密重力测量

• 沿线路每4km左右布设1个重力水准点，当重力异常变化大时，应增加重力点测量密度。

• 长度在4km以上的隧道进、出口至少布设1个重力水准点，在斜井、横洞口宜布设1个重力水准点。

• V形峡谷特大型桥梁桥址处应在河谷、桥梁两端桥头处分别布设1个重力水准点。

（3）加强精测网定期复测

• 施工前应由施工单位进行交桩复测；

• 施工期间施工单位应进行定期复测，复测频率为1次/12个月。

• 隧道引测进洞前，应进行洞外控制网复测。

◇ 建立超长隧道高精度洞内平面控制网

提高洞内角度测量精度：

• 相向贯通长度超过20km的隧道，洞外定向边方位精度、洞内测角精度均不应低于0.8″。

• 进洞边水平方向施加垂线偏差改正。

• 对隧道掘进长度超过5km的隧道施测高精度陀螺方位边，定向精度不应低于4″。

• 从斜井引测至正洞，在正洞交点处产生的横向误差不应超过30mm；并施测高

精度陀螺方位边。

◇ 隧道工程三维激光扫描

• 隧道开挖、初衬、二衬后应分别进行1次三维扫描，检测开挖断面尺寸、衬砌厚度；

• 海拔3000m以上隧道二次衬砌完成后，定期扫描监测变形情况。每6个月应扫描测量1次，持续时间不短于3年。

• 隧道洞口竣工后进行三维扫描，并进行定期变形监测。

• 隧道贯通后三维竣工扫描。

◇ 隧道自动化监测系统

• 隧道高仰坡滑移自动化监测系统

• 隧道仰拱出现垂直位移时，隧道内仰拱分层沉降自动化监测

• 隧道洞身收敛位移自动化监测

• 隧道拱顶沉降自动化监测

◇ 隧道施工监测

• 高地温隧道监控量测：

（1）判识地温类型，核实热害等级；

（2）掌握隧道温度变化特征，验证降温措施效果；

（3）判断降温措施的合理性，为动态调整降温措施提供依据；

（4）积累量测数据，为信息化设计与施工提供依据。

• 瓦斯工区应开展瓦斯检测与监测：

（1）微瓦斯工区线路海拔3000m以下时，可采用人工检测；线路海拔3000m及以上时，采用自动监测为主、人工检测为辅的检测方法。

（2）低瓦斯工区宜采用自动监测为主、人工检测为辅的检测方法。

（3）高瓦斯工区及瓦斯突出工区应采用自动监测为主、人工检测为辅的检测方法。

• 隧道穿活动断层地段、软岩变形潜势强烈及以上地段，宜进行变形及内力监测；高陡边

仰坡、危岩落石发育段、高地灾风险的隧道洞口宜进行坡体变形及灾害监测；岩溶高压水

及深大导水断裂地段应进行水压、水量监测。

◇ 特大型桥梁施工线形监测

（1）建立高精度的平面高程施工控制网：平面二等、高程二等；

（2）施工监控测量：对桥梁的塔柱、吊索等主要结构物进行变形监测，对梁体、缆索进行施工线形监测，以调整设计与施工参数，持续顺利施工。

（3）采用三维激光扫描/地基SAR系统辅助获取包括桥梁塔柱、主缆、吊索、桥面等结构的施工状态、变形情况，以全面直观记录与掌握桥梁各阶段的施工状况。

◇ 特大型桥梁自动化监测

（4）建立变形实时监测系统：川藏铁路的特大型桥梁均位于水深流急的深切V形峡谷上，环境恶劣多变，为保证大桥安全，需要进行实时健康监测。无法采用人工监测，应在施工期间与运营期间采用自动化监测系统来进行实时监测。

空间形态特征变化及形变监测

以“新型空天地一体化监测技术体系建设”为出发点，充分发挥卫星/地基InSAR测量覆盖范围广、监测精度高的技术优势，并结合光学遥感、航空摄影测量、机载激光雷达、地面自动化测量等技术手段，协同实施川藏铁路沿线广域变形监测、中低空巡检与重点目标监测。重点开展断层活动监测与反演；沿线滑坡快速识别与位移监测；沿线危岩落石识别与监测；沿线冻融与冰川演变动态监测。

◇ 基本思路：基于空天地一体化技术监测川藏铁路空间形态及形变

• 天基：覆盖范围广，适合大范围长期监测预警；但时效性和机动性较差，难以满足突发灾害的灾情速报，且易受电离层和大气层的影响。

• 空基：时效性和机动性强，分辨率高，适合对突发性地质灾害进行监测和灾情速报；但覆盖范围小，无法满足大范围监测预警。

• 地基：精度高，机动性强；覆盖范围小，分辨率低，需要实时的人工操作，难以涉足困难区域（如重灾区无法通行）。

（各有优势和不足，单一技术无法满足地质灾害全面监测预警和灾害应急的需求）

◇ 主要目标及任务

• 提升沿线地质灾害体的定性和定量评价的科学性和准确性。

• 提高地质灾害监测与预警的高效性与可靠性。

• 为科学的风险防控与管制提供更为科学有效信息支持与数据支撑。

主要任务

1）构造及断层活动监测与反演GNSS+卫星C/L波段InSAR

2）冻融与冰川演变动态监测卫星InSAR+POT技术

3）滑坡体快速识别与位移监测卫星/地基InSAR+其它技术

4）桥隧车站周边地表稳定性监测InSAR+倾斜摄影+Lidar等

5）区域定期巡检倾斜摄影+Lidar+越界雷达等

◇ 川藏铁路沿线滑坡体快速识别与位移监测

主要问题：川藏铁路穿越高山峡谷，存在诸多高边坡和潜在的滑坡灾害威胁，如何快速识别这些滑坡体和开展位移监测是灾害预警的关键问题。

主要技术：基于PS/DS/CR InSAR开展滑坡体排查和编目，基于地基InSAR+应力计+GNSS一机多天线系统等技术对重点滑坡体进行实时监测和预警。

数据源：ALOS-PALSAR-1/2和Sentinel-1A/1B卫星SAR影像，地基InSAR数据等。

成果：每一季度提供滑坡体分布编目结果，对重点滑坡体进行全天候全天时监测预警。

◇ 桥隧车站周边地表稳定性监测

主要问题：在川藏铁路沿线车站、桥梁建造和隧道开挖过程中，其周边地表可能会产生形变，因而加强形变监测十分重要。

主要监测技术：基于PS/DS/CR InSAR对隧道山体、桥梁及车站边坡进行位移监测，局部使用地基InSAR和地面精密测量技术进行监测。

监测数据源：TerraSAR-X、ALOS-PALSAR-1/2和Sentinel-1A/1B卫星SAR影像，地基SAR数据等。

监测成果：每1个月提供一次监测结果。

◇ 区域定期巡检

利用无人机LiDAR及倾斜摄影测量技术对重点区域(如重点隧道进出口、高陡边坡危岩落石等)进行1次/6月的定期巡检。

采用越界雷达对高陡边坡、隧道洞口等区域实施异物入侵实时探测和报警。

实景三维空间信息系统平台建设

实景三维空间信息系统平台是孪生铁路精准映射与融合的关键基础支撑和“智能铁路大脑”的神经中枢。数字孪生铁路是现实世界中的铁路实体在计算机数据库中的映射。通过空天地多源遥感手段建立服务于川藏铁路建设及运营各阶段的多层次实景三维模型，基于先进的云平台微服务架构，建设分布式实景三维空间信息系统平台，提供时空大数据高效管理、多样化终端沉浸式可视化、多粒度的空间数据及分析处理等智能化服务。