路基软基自动化监测系统在高铁中的应用论文_高剑峰

摘 要：高速铁路，对沉降的变形量观测与评估方法要求极高，严格监测线下工程（路基、桥涵、隧道等）的工后沉降，是保证列车长期安全运行的重要手段之一。为精确控制高铁无砟轨道线下工程的工后沉降量，必须对预埋设备按规定的频次和精度进行监测。然而在特殊地段无法及时观测出结构物的沉降量，因此自动化监测系统就应运而生，它包括数据的监测、采集、传输和监控4个主要部分，有效率高、精度高、自动化程度高、全天候等特点，而且还具有较高的实用价值。

关键词：高速铁路；特殊地段；自动化

1 自动化监测的目的

在高速铁路工程建设结构中，路基是重要组成部分之一，它是承受轨道结构重量以及列车荷载的基础。路基发生沉降的因素很多，从内因上讲，路基沉降是由于土层的孔隙发生了压缩变形，引起路基在竖直方向上的变形，在土质较为松软的地段会发生自然沉降；从外因上讲，路基沉降是由于外荷载作用在地基上，使地基产生了附加应力，让土地原有的应力发生了变化，从而产生竖向、侧向以及剪切等变形，因此导致各点竖向与侧向发生位移。

在一般的路基地段常采用人工沉降监测，在深厚的软基过渡段、高填方、道岔区等重点地段采用自动化沉降监测方法。之所以重点软基段落采用自动化监测系统是因为软基地段地基较比正常地段沉降幅度要大，地质条件较差，人工观测速度较慢，耗时长，且观测元件存在着容易被破坏或安装时影响施工或观测不直观等诸多弊病。而采用自动化监测系则减轻了现场需要人员保护及维护的工作量，也提高了观测结果的准确度以及直观性。

2 自动化监测系统

2.1 自动化监测的系统原理

该自动化监测系统开发于液位连接器原理，利用沉降的物位计在不同的监测点测量液面高度，进行监测基准点与各个监测点的相对沉降。物位计则通过液管连接，基准物位计作为稳定参考点，其它物位计则当做是监测点。若以基准点与参考液面的高度差作为Ho，以参考液面与监测点的高差当作Hi，则可得出Ho及Hi的数值，Hi-Ho的值为监测点相对于基准点的高差△。当监测点有垂直位移时，即发生沉降时，测点的液压会发生一定程度的变化，经传感器内的温度补偿器修正后，即可以计算出相对于基准点的高程变化。

如下图1所示。

图1 自动化监测系统原理

2.2 自动化监测设备的技术要求

自动化监测系统设备主要由基准板、沉降板、自动监测物位计、工况设备箱、定位装载箱、连接总线所组成。

（1）自动监测物位计必须满足量程500mm、灵敏度0.01mm、精度0.5mm的要求，还必须具备国家测量仪器类型的许可证和良好的经验及性能。

（2）基准板的规格为400mm×400mm，厚度5mm的铁板。基准板向上螺旋连接观测杆，观测杆由直径16mm钢筋制成。

（3）中继基准板的规格为400mm×400mm，厚度5mm的铁板，随路基的分层填筑向上螺接φ50钢管，直到连接至路基底层的表面。

（4）沉降板的规格为300mm×300mm，厚度5mm的铁板，沉降板向上螺旋连接自动监测物位计。

（5）定位装载箱需含有储液罐。

（6）连接总线采用RS-485总线。

（7）工况设备箱内需含有所需规格的天线、工控盒及工业用蓄电池。

（8）在基准点的位置向下钻孔，直至钻至基岩为止，然后埋设基准杆并向上螺旋连接到基准点所在的基准板上。

2.3 自动化监测测点的布设标准

基底可压缩层自动化监测：自动化监测物位计埋设于路基设计监测断面的基底中心处，基准点物位计、定位装载箱以及工控设备箱埋设于路基边坡外侧（即水沟内侧）。

基床表层底面自动化监测: 自动监测物位计埋设于路基路设计监测断面的基底层表面中心、两侧路肩（即线缆槽内侧），定位装载箱则埋设在靠近地基沉降监测基准点的一侧。

自动化监测测点的布设具体内容见表1。

表1 自动化监测测点布设表

自动化监测系统根据软基地段实际情况而定，分为A型和B型，A型、B型路基布置及需要元件数量见图2、图3、表2、表3。

2.4 自动化监测测安装流程

安装自动化监测系统，需根据自动化监测设计点位的里程及路基断面尺寸，从而确定基准点及测点的位置并进行反开挖，然后按照规范要求埋设观测元件并进行回填整理，具体流程见图4所示。

图4 自动监测系统安装流程

2.5 自动化监测系统监测频率

自动化监测系统不同于传统的人工沉降，监测数据及时高效，每2小时测量和采集传输一次沉降高程数据，数据采集系统利用安装在基准点上的工业控制箱内的数据采集软件定期采集数据，数据传输采用全自动无线传输，采集到的数据通过GPRS或GMS-R传送到接收服务器。

基准点数据修正通过CPI和CPII作为固定点进行观测，将观测数据输入软件进行系统修正，每月观测一次以确定基准点的稳定性。

2.6 自动化监测系统信息平台

登陆沉降自动化监测信息平台，可以清楚看到由终端上发部的每个点位每次采集的数据以及累计沉降量，如图5所示。

图6 信息平台区段沉降量

3 自动化监测系统与人工观测相比的优势

在外业方面，传统人工沉降观测受限于观测周期和现场原因无法在第一时间反馈路基沉降量，且人工观测会存在人为、外界环境、仪器自身等误差，对数据的准确性有一定影响。

人工沉降数据可以明显看到数据的上升及下沉数据浮动较大，同时在观测元件埋设时会影响到施工，并且对观测元件的保护不可能做到周全。

而自动化监测系统相对于传统人工观测更加严谨，安装完成后一次可以监测同一断面不同层的沉降量，且不影响路基填筑的施工，减少了大量人工对现场观测元件的保护，现场观测的耗时等，每2小时进行一次数据监测也及时防止施工过程中出现不均匀沉降，及时反馈信息，避免了因观测不及时而引起沉降量突变等，发现的问题可以在第一时间反馈至施工现场。如图5所示。

在内业方面，传统人工沉降观测需要花大量时间处理内业数据，而自动化监测系统只需要进入信息化平台就可以看到每时每天的单次及累计沉降量，数据更加直观快捷，省去了人工沉降因基准点破坏需要处理后才能发现问题的重复工作。

由此可见，自动化监测系统真正达到了便捷性，时效性，真实性，在软基地段相对传统人工沉降优势明显。

4 结束语

高速铁路对于路基要求极高，软土地基属于一种特殊地基，其抗剪强度不足以承受上部结构的自重及外部荷载，易产生局部或整体剪切破坏，并且容易出现过大或不均匀沉降，因此对于软土路基的沉降监控就要求更加严格，自动化监测系统的出现成功解决了对观测的及时准确以及不影响施工这一问题，通过信息平台就可以更加真实、准确、及时地反映出软土地段路基的稳定情况，并在最快的时间内将信息反馈到施工单位手中，为施工安全与进展做出了极其重要的保障。

参考文献:

[1]《高速铁路设计规范（试行）》(TB 10621-2009、J971-2009)

[2]《客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南》(铁建设[2006]158号)

[3]《关于发布《客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南》局部修订条文的通知》（铁建设[2007]150号）

[4]《高速铁路路基工程施工质量验收标准》（TB 10751-2010）

[5]《自动化监测设备现场安装方案》

论文作者:高剑峰

论文发表刊物:《科学与技术》2019年第18期

论文发表时间:2020/3/16

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