高铁路基沉降自动化监测技术

陈晨

沉降

水准仪

路基

静力

采集

监测

观测

传感器

安装

断面

高铁路基沉降自动化监测技术

关键词：高铁路基；沉降；自动化监测
1、创新背景
       1.1基本情况
       新建北京至唐山高速铁路宝坻至唐山段站前工程7标管段站场路基段，长2.19km，起讫里程DK158+357.86-DK160+550，路基最大填方高度为10.8m。京唐铁路设计速度为350km/h，采用CRTS三型板式无砟轨道。为保证建成后的高速铁路列车高速、安全、舒适、平稳运行，就需要轨道必须具有高平顺性，因此对路基的沉降提出了很高要求。
路基沉降观测断面设计间距为50m,路堤地段采用Ⅰ、Ⅱ型监测断面，每间隔3个Ⅰ型监测断面设置一个Ⅱ型监测断面。每个路桥过渡段在紧邻桥台、距离桥头5m、15m、35m处分别设置一个沉降观测断面。
       1.2创新目的
       目前，路基沉降变形观测以路基面沉降、地基沉降为主，常用观测方法是采用电子水准仪人工进行二等水准测量，通过软件平差分析数据，为路基填筑提供依据。该种方法观测对于天气、温度、人员配备都有较高要求，需要耗费较多人力资源，埋设基点、观测标、维护监测网需要花费大量资金。
为了提高路基沉降观测效率，释放测量人员，同时避免阴雨天气对沉降观测的影响，通过路基沉降自动监测系统的应用，实现实时化、可视化、远程化的监测目标。
2、核心技术
       2.1工作原理
       在各沉降监测点位置安装压阻式静力水准仪，在一稳固点安装基准罐。每个水准仪内部都安装有高精度传感器，传感器之间通过高强度的气压管联接在一起汇入到基准罐，在基准罐与传感器之间充满液体介质，水准仪内的压力传感器感测到的是该点到基准罐液体表面的压力，该压力与液面高度有一定线性关系。如果压力传感器感测到压力发生变化即说明该点与基准液面之间的高差发生变化，根据压力变化量与液面高差的标定线性表，静力水准仪内部的单片机可以计算出高差变化值。测点到基准点液面到传感器高度可根据公式H=P/ρ*g 计算。

    图1 压阻式静力水准仪工作原理图

      2.2功能介绍
      通过采集软件配置相应服务器、站点及传感器信息与采集箱建立连接，最后通过采集软件发送采集命令采集数据，并将实时数据存储到服务器。用户通过该平台根据权限查看各自站点数据，数据可以现场布局图显示，也可以二维曲线显示，还可根据时间段设置打印报表。同时可以设置具体每个传感器的几级警戒值，超过警戒值会自行报警。系统平台可海量数据存储，所有数据均有备份，可以追根溯源。

图2 自动化数据采集传输系统

      2.3使用说明
      2.3.1自动监测设备安装
      自动沉降监测设备包括静力水准仪、自动化数据传输采集系统、储液罐、基座、连接电缆线、气管、液管等，以DK158+373断面为例，沉降自动监测总体安装如下图3所示。

图3 沉降自动监测设备总体安装图

     （1）测量放样
       在路桥过渡段处距离桥头5m、15m、35m处分别设置一个沉降观测断面，使用RTK测量放样出沉降板埋设位置。
     （2）静力水准仪安装
       在每个断面中心位置、路肩正对位置的原地面设置三个静力水准仪，静力水准仪安装在沉降板上，沉降板之间采用电缆线、液管、气管连接，电缆线、液管、气管用波纹软管保护，其中一个路肩正对原地面位置的静力水准仪沉降板上焊接φ50钢管，随着路基填高不断接长钢管，将气体连通管、电缆通过钢管连接到路肩处的沉降板和储液罐。要把电缆线、气管的长度预留足够富余量，确保电缆线、气管不落入钢管内。
静力水准仪安装时，沉降观测点位置标高要比基准点位置标高低20cm，以便形成压力差。

图4 静力水准仪传感器安装图

       每个断面的静力水准仪安装前要确认其上的唯一编号是否与钢码一致。静力水准仪安装完毕再倒胶密封之前，要用读数仪读取传感器的数据，对项目监测站、传感器添加进行设置，确保静力水准仪通讯正常。

图5 读数仪检测通讯

      （3）静力水准仪与采集箱连接
       将静力水准仪的数据传输线、太阳能板与自动化数据传输采集系统相连接，将物联网卡插入GPRS卡槽中，存储采集的数据。

图6 传感器与采集箱建立连接

      （4）基座安装
       基座采用1m*1m*0.5m的水泥墩，埋深要在冻土线深度以下，确保基座的稳固，在基座周围采用砖砌的1.5m*1.5m*1.5m的防护井，把基准板锚固在基座上、定位装载箱（储液罐安装在箱内）固定在基准板上，电瓶、自动化数据采集传输系统箱放置在防护井内，防护井上部采用混凝土盖板覆盖，在盖板上安放太阳能板，为蓄电池供电。

图7 基准点埋设及防护

       2.3.2沉降数据采集
       采集箱与服务器通信采用GPRS无线网络组网方式，只要无线采集箱处有GPRS网络就能传输。系统安装调试完成后，使用电脑或手机录登地址，在云平台即可查看观测数据。

图8 在线监测云平台

图9 监测数据曲线图

        2.3.3沉降数据分析
       为了验证自动监测数据的可靠性，以DK158+363断面2号沉降观测点为例，采用人工观测与自动监测两种方法分别采集数据进行对比，在4月24日至4月29日每天沉降数值如下表：

       通过以上六天的监测数据比对分析，可知自动化监测数据与人工监测数据差值均在2mm以内，数据可靠，自动化监测能够实现路基沉降观测的目标,为高铁路基的沉降观测提供了一种新方法。
3、应用效果
       在新建北京至唐山高速铁路宝坻至唐山段站前工程7标管段站场路基沉降观测作业中，采用自动化监测，释放了3名测量人员，减少了1台电子水准仪的投入，提高了监测效率，实现了高铁路基实时连续的监测，反馈监测信息，有利于路基填筑期间的安全预警，获得了业主、监理、设计及评估单位的一致好评，取得了较好的社会效益。
      依托路基沉降自动监测技术，获得的效益分析如下：        综上所述，采用路基沉降自动监测技术，具有实时监测、全自动化数据采集传输处理等优势，满足高铁路基沉降观测要求，解放了人力资源，节约了成本，是未来高铁路基沉降观测智能化的趋势，值得类似项目的推广应用。
4、完成单位人员及联系方式
     完成单位：中铁四局集团第三建设有限公司
     完 成 人：刘光荣、彭涛、孙一鸣、许宝富、徐平、袁明泉、王自豪、王登峰
     联 系 人：许宝富
     联系方式：18202200492（电话）、282002739（QQ）