关键词:沉降变形；自动化；监测系统
一、关于铁路路基工程的沉降变形
在高速铁路无砟轨道建设发展以前，我国一直采用有砟轨道，有砟轨道工程路基沉降变形控制限值标准较低，目标容易实现。影响路基沉降变形的因素较多，且非常复杂，主要影响因素包括地基基础的强度与刚度、路基主体结构的强度与刚度、路基填料的质量、荷载作用、天气、降雨量等。任何一个因素的变化都会引起路基的沉降变形，面对如此众多的影响因素，要达到高速铁路路基工程沉降变形高标准的控制要求，要对以上因素进行综合控制，难度较大。
二、工程概况
张吉怀铁路吉首东站设计里程DK146+282.16-DK148+329.04,工点长2046.88米。路基监测要求：对路堤填筑时应进行沉降变形观测，路堤填筑速率应按照中心沉降每昼夜不大于10mm，边桩水平位移按每昼夜不得大于5mm进行控制，路堤ZC1型监测断面5个，B1、B2型监测断面23个。
三、高速铁路路基沉降自动监测系统
1、物位计
（1）工作原理及组成
系统以液体连通器原理为基础，通过不同测点的物位计对液面高度差的测量，实现基准点与被测点相对沉降的监测。在实际应用中，相关测点的物位计通过液体管道彼此相连，其中一个或部分物位计作为基准点，其它的物位计作为观测点，协同完成相关测点的沉降测量。设基准点与参考液面（储液箱液面）之间的高度差为Ho，观测点与参考液面之间高度为Hi，分别测出Hi与Ho的值，Hi-Ho的值为观测点相对于基准点的高度△。当观测点的高度发生变化时，本次测量的△值也相应的变化，两次△值的差即是沉降值。测量原理如图1所示。
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图1测量原理图
每个断面测点分为两层布设，由测点、基准点、中继基准点、定位装载箱、工控设备箱等组成。测点、基准点、中继基准点分别安装一个CJ-1000型物位计，监测对应各监测点的实际沉降的沉降变化。物位计之间使用管线连接，使用沉降板和铝扣件方式安装防护。每层设置一个定位装载箱，使用管线连接物位计并同测点埋设在断面相应位置。基准点安装在基桩顶部，基桩底固定在基岩上，保证基准点稳定（注：基准点也可安装在附件的CFG桩上）。中继基准点使用中继杆连接，中继杆外使用PVC防护管防护，中断杆两端分别安装一个物位计进行顶层和底层高程传递。工控设备箱设置在边坡坡角与排水沟中间位置，要求使用防护井进行防护，防护井底部高于排水沟，防护工控设备箱积水。
（2）测点设置
每个测点安装一个沉降板，物位计使用铝扣件固定在沉降板上，使用管线（气液管）连接，沉降板选用规格400*400*7.5mm的钢板，当测点发生沉降变化时，带沉降板上的物位计发生沉降变化。测点的沉降板和物位计安装如图3所示。
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图3物位计与沉降板安装示意图
（2）中继杆设置
中继杆的作用是将顶层观测点基准点与底层垂直对应测点钢性连接，当顶层观测点基准点发生垂直位移时，与之相连对应的底层测点也发生相对垂直位移。中继杆为直径40mm的钢管，中断杆外层使用PVC护管防护，与路基物理隔离，避免路基形变对中继杆影响。中继杆两端分别安装一个物位计，用于将顶层沉降变化传递到基准点，并计算出顶层沉降值。两端的物位计安装有温度传感器，可以实时采集中继杆两端温度变化，根据温度变化计算出中继杆的钢材的热膨胀系数人从而修正高程传递值。
（3）基准杆设置
基准杆的作用是将基准点与基岩连接，保证基准点稳定。基准杆为直径40mm的钢管，底固定在基岩上，顶部连接基准点物位计。基准杆热膨胀系数计算可根据基准点物位计温度变化值进行计算。
（4）定位装载箱设置
定位装载箱的作用是给每层测点物位计设置一个参考液面，定位装载箱一般随测点埋没在路基内。
（5）工控设备设置
工控设备箱设置在边坡与排水沟中间位置，使用防护井进行防护，防护井底部高于排水沟，防护工控设备箱积水。数据采集及传输系统安装于工控设备箱内，及时将数据实时采集传输到服务器，服务器连接实时的记录、储存和显示监测数据。
2、单点沉降计
（1）工作原理
SZDG-Q 系列单点沉降计是一种变磁阻式传感器，利用线圈电感的变化来实现非电量测试。由导磁铁芯在传感器线圈内发生位移，线圈电感量产生变化，电感调频电路将线圈电感量的变化转换成频率信号后换算对应位移值。
（2）安装前检查
在准备使用安装单点沉降计之前，必须使用读数仪连接单点沉降计并进行读数，其读数值应当受铁芯测杆压入、拉出产生位移值变化当属正常。如有读数不正常，不可自行维修。安装过程应及时测量、及时调整，或采取适当防护措施，保证后期采集数据的有效值不能过低。
（3）钻孔、安装回填：
根据设计要求选准测点位置，孔径大小以 90mm~110mm 为宜，使用铅垂测量钻 孔垂直情况。钻孔深度穿过软土层、大于地基压缩层厚度，直至基岩且入岩。无蹋孔、缩孔现象存在，无法避免时可采用套管护壁方式，保护钻孔。使用锚固剂或注浆方式把锚固板安装定位在基岩层，作为基点测量上面沉降板安装层面的下沉量。中间段缓慢回填细沙或原土，控制沉降测量范围即可。
4、读数
单点沉降计在安装过程及安装后都应及时使用读数仪观察其值是否在正常范围，以便及时处理。当使用本公司配套读数仪时，直接将传感器插头插入智能读数仪的位移插口测量，登记好每个传感器编号及测试点的位置，并保存好记录资料。
5、读数清零
当传感器安装锚固后，根据检测或监测的需要，选择合适的时机，使用公司配套读数仪将传感器的偏差值归零，便于清晰的观测初始值的相对变化值。
四、高速铁路路基沉降自动监测系统设计
1、系统整体框架
高速铁路路基沉降变形自动化监测系统整体框架，具体如图2所示。
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图2 系统整体框架
2、系统组成
（1）传感器部分由数个监测点组成，每个监测点安装一个或多个物位计，各物位计之间使用液管和气（线）管连接。
（2）数据采集传输部分由采集器和GPRS设备组成。物位计测量的数据通过RS-485总线传送到GPRS设备，再通过无线方式发送并存储到数据服务器中。
（3）电源及配套部分由电源、固定结构件、防护结构件、设备箱等组成。完成系统的供电、固定、防护等功能。
（4）?数据接收和分析部分由报文数据接收服务器和原始报文分析、处理、预警软件组成。用户可通过客户端人机界面、短信、邮件等方式了解沉降状态和预警信息。
3、系统功能模块
（1）传感器模块
传感器模块主要通过各式各样传感器元器件，转换结构响应信息为电信号，以供数据采集传输模块加以处理，并转换模数。
（2）数据采集传输模块
数据采集传输模块的作用是调整传感器信号，转换模数之后，基于以太网传输到监控中心。为了便于数据采集传输，开发设计数据采集软件DPServer，此程序以SQLServer数据库为载体，可设置采集与测量数据入库频率，完成设置之后，程序自动解析底层传输的报文，依据标准储存于数据库。
（3）客户端跟踪与查询模块
客户端跟踪与查询模块可实现系统可视化功能，据其形式划分为两大部分，即基于现场的实时跟踪平台；基于网络客户端的远程查询访问平台。现场实时跟踪平台可安装于电脑，不仅可以固定于现场监控中心，还可以实时随机检查监控，此平台可促使用户充分了解监测指标变化与限制标准。
（4）监测成果处理模块
此模块的作用是自动化生成数据报表与分析图形。用户可就自身需求，基于自动报表软件设计标准报表模板，其中包含文字、图片、监测数据表格与曲线等。在模板设计完成后，可就模板内容自动化生成word文档，以提升监测成果报表生成效率。
（5）自动化预警模块
其一，初步告警。在监测时，任何变形传感器读数超出1.5倍精度值，代表测点路基出现变形，系统发出初步告警，及时通知工作人员加以分析解决。其二，过程监测。持续观测变形测点沉降状况，计算沉降量，全程观测变形变化趋势。其三，告警与处理。根据标准，任何区域内路基沉降量超出限定值30mm，必须快速告警，传输测点位置信息与实际状况，以便于施工人员及时处理。
（6）人工监测数据分析模块
为保证人工监测成果分析效率，此模块将人工监测内容传输于自动化平台，统一分析处理。通过统筹规划与深化分析，无缝衔接人工监测数据分析模块与自动化预警模块、监控成果处理模块，以实现统一化平台管理。
（7）监测数据分析与评估模块
系统监测终极目标是识别评估高速铁路工程结构沉降变形状况。评估时，需先构建高速铁路路基与桥梁结构分析模型，结合实测数据信息修正计算模型，利用修正模型精确化分析计算，以预估结构沉降变形趋势，以利于高速铁路运营维护正确决策。在此基础上，系统监测数据分析与评估模块核心作用为，把底层模块联合获取的数据信息采集成果转变为可切实反映沉降变形状态的评估指标，为修正模型奠定数据基础。
五、系统软件设计
1、系统监测软件
为解决监测项目仪器设备类型繁杂，数据标准不统一等问题，系统监测软件选用三层框架模式，提供统一数据接口标准。就不同仪器设备，只需针对性开发采集端软件，促使其满足数据接口要求，便可被兼容。
2、分布式服务器
分布式服务器框架把计算资源与宽带压力分散于多个服务器，以强化系统计算能力与扩展性，可满足高速铁路路基沉降变形自动化监测的实时性与并发性要求。分布式服务器框架具体如图4所示。
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图4分布式服务器框架
3、数据滤波算法
高速铁路行车速度比较快，列车经过会造成结构巨大振动，其会传输于监测设备，造成数据显著变化。高速铁路线路白天行车比较密集，因此必须有效去除异常数据点，避免数据变化导致告警频繁触发。系统通过连续中位数滤波法去除异常数据，此算法基于某时刻及其前一时刻测量值中位数，代替此时刻测量值。其中时刻参数可就测点具体位置行车间隔与结构形式等要素设置合理值。以此算法可确保数据点密度较高，基于科学选择时刻参数，把数据变化延迟控制于可接受阈限内。
4、监测精度分析
为保证高速铁路建设与运营管理的稳定性、安全性，监测系统是重要前提，其中主要涉猎高精度测控网、高精度测量技术、高精度测量传感器等。最关键的是此系统数据处理与坐标体系的技术水平，测量数据精确度，测量经验等等。在高速铁路路基施工过程中，有效采集数据是开展后续评估沉降变形的基础条件。在评估时，需要先评估路基沉降变形，再绘制全路段或局部路段变形曲线图，最后保证评估与工程施工需要相符。
传统监测方法耗费时间过长，工作量较大，导致点位与监测时间无法一致。而在现代化技术更新发展趋势下，精确的测量技术得以衍生，例如剖面沉降仪器测量法、单点沉降计仪器测量法、静力水准仪器测量法，都属于可连续监测，并且路基沉降量读取精度非常高的测量仪器，同时还可保证施工正常有序进行。沉降监测精度在很大程度上是由监测方法、路基结构、基础类型等所决定的。假设监测是为了对变形过程进行研究，那么中误差比允许误差数值（1/20-1/10）相对要小，一般来说可利用“当时可达到最高精度”作为明确沉降变形监测的精度。
六、系统应用与实现
为保证铁路不发生严重的路基沉降变形影响，需布置高精确度自动化监测系统，全程实时监测受影响路段，以此应用本文涉及的高速铁路路基沉降变形自动化监测系统。安装自动化采集单元、采集软件、计算机、无线发射器，每隔10min进行自动化监测，通过报文方式传输测量结果到监控中心。部分人工监测点与自动化监测点位置存在既定距离，所以其点位存在一定差异，但是整体线路断面沉降变形变化趋势大致相同。由此可知，高速铁路路基沉降变形自动化监测系统可全面满足工程监测高精确度需要，运转良好，完全实现了预期效果，值得在高铁工程中推广应用。
结束语
综上所述，为切实解决高速铁路路基沉降变形问题，本文设计了自动化监测系统。系统基于沉降自动化采集仪作为传感器，配置自动化监测软件，以计算机控制为辅助实现全自动化操作，以实现沉降变形监测可视化与实时化目标。通过系统实现表明，此系统的自动化、远程化、可视化、实时化特性突出，且具备良好的稳定性、可靠性、适用性，为高速铁路工程路基沉降变形自动化监测提供了完善的分析平台，为指导施工决策奠定了坚实的基础，值得推广应用于高铁工程。
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论文作者:梁帅 张洪普
论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷24期
论文发表时间:2020/4/26
标签：路基论文; 基准点论文; 测量论文; 数据论文; 读数论文; 高速铁路论文; 模块论文; 《建筑实践》2019年38卷24期论文;