自動化監測系統在某高速鐵路運營監測中的應用

匡團結 張志剛

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

隨著新型傳感器、微電子技術和網絡通信技術的發展，各種自動化監測系統在大壩、堤防、高邊坡等重大建筑物和環境工程中得到了廣泛應用，變形、滲流、滲壓、溫度、應力、應變等自動化監測技術也日漸成熟。在高速鐵路的運營過程中，外部條件的變化會影響高速鐵路線橋結構的穩定，需要通過運營監測找出變形大的區段，進行實時養護維修，保證高速鐵路軌道的高平順性。在某些特殊的地段，傳統的人工監測已無法滿足實時監測的要求，而自動化監測系統具有自動、實時采集監測數據的特點，滿足高速鐵路特殊地段實時監測的需要。

1 測量原理

靜力水準自動化監測系統以液體連通器原理為基礎，通過不同測點的靜力水準儀對液面高度差的測量，實現對基準點與被測點相對沉降的監測。在實際應用中，相關測點的靜力水準儀通過通液管道彼此相連，其中一個或部分靜力水準儀作為基準點，其他的靜力水準儀作為觀測點，協同完成相關測點的沉降測量。設基準點與參考液面(儲液箱液面)之間的高度差為Ho，觀測點與參考液面之間高度為Hi，分別測出Hi與Ho的值，Hi－Ho的值為觀測點相對于基準點的高度△。當觀測點的高度發生變化時，本次測量的△值也相應的變化，兩次△值的差即是沉降值。測量原理如圖1所示。

圖1 測量原理

2 系統組成

靜力水準自動化監測系統由沉降感應部分、數據采集傳輸部分、客戶端以及配套附屬等部分組成，如圖2所示。沉降感應部分由靜力水準儀和管線組成。管線包括液管、通氣管和電纜等。數據采集傳輸部分包括采集器、GPRS數據傳輸設備。采集器定時對傳感器進行數據采集，數據通過GPRS(GMS－R)設備傳輸到接收服務器并實時保存。配套附屬部分包括設備箱、參考液面箱和系統供電。設備箱內部安放有采集器、GPRS和蓄電池等，均布設在電纜槽溝內。參考液面箱是由儲液腔、液管和氣管端口等組成。系統供電由蓄電池和太陽能電池板、充電控制器等組成。用戶通過客戶端軟件，連接到服務器，可實時接收監測數據，并根據數據可模擬出沉降曲線圖等相應成果。系統為模塊化設計，靜力水準儀使用壽命為15年以上，個別靜力水準儀出現故障時，可進行獨立更換，對整個系統不產生影響。

圖2 系統組成

3 觀測點布設

每個觀測點設置一個靜力水準儀，靜力水準儀固定在金屬防護盒內，防護盒使用膨脹螺栓固定在路基段穩固位置、距離電纜溝邊緣0.5 m處，觀測點沿線布設，間距約50 m，見圖3。主要技術要求如下:

①靜力水準儀進行抗老化處理，保證使用壽命15年以上。

②金屬防護盒內部進行三防處理。

③防護盒使用膨脹螺栓固定在路肩的混凝土上，進行防松動處理。

④防護盒與混凝土層之間采用防振、防松措施緊固。

⑤靜力水準儀電路采用單總線連接，液管以并聯方式連接，方便施工、維護和校準。

圖3 觀測點布設示意

4 系統的應用

4.1 自動化監測數據采集

在某高速鐵路的某段路基上安裝了靜力水準自動化監測系統，基準點布設在0+708處涵洞頂上，具體的點位布設如圖4所示。該自動化監測系統從2012年10月18日至2013年3月6日采集數據見圖5。

圖4 現場點位布設平面示意

圖5 路基監測點數據變化

由圖5看出，從2012年12月17日起至2013年2月21日止，監測出現較大幅度的往上隆起現象，2013年1月18日自動化監測點S3(0+757)變化最大，變化量為6.6 mm，自動化監測點S5(0+847)的變化量為6.1 mm。引起我們的注意，現場踏勘后沒有發現異常情況，分析后認為是受氣溫變化影響，如圖6所示。

圖6 變化較大監測點與溫度對應關系示意

從2月17日開始隨著氣溫的回升，隆起現象逐步回落，到2月24日溫度變化在0℃左右，變化幅度較大，監測點的數據與溫度變化的關系相關性較大。

4.2 監測數據對比分析

從2012年12月17日至2013年2月25日進行了5期人工監測，以2012年12月17日作為監測數據的起算基準，各期的比較示意如圖7所示。

圖7 人工監測各期數據比較分析

對人工監測數據分析發現，2013年1月7日與2013年1月18日兩期與2012年12月17日相比，人工監測點也有明顯的隆起現象，與自動化監測呈現一致性，也表現出逐步隆起的一個過程，變化最大的一期出現在2013年1月18日，變化最大監測點S5(0+847)的變化量為8.1 mm，監測點S3(0+757)變化量為7.2 mm，從人工監測與自動化監測最大值比較來看，兩者最大變化量的差值在2 mm以內。從2013年2月5日與2013年2月25日兩期數據與2013年12月17日數據相比，隆起量隨時間的推移也逐步回落，2013年2月25日基本恢復到首期變化的范圍附近，人工監測與自動化監測基本保持一致。

5 結論

經過人工監測與自動化監測數據對比分析可知，自動化監測的數據與人工監測的數據基本吻合，兩者監測的數據差值在毫米級范圍變化，說明自動化監測的數據可靠。

相比較人工監測而言，自動化監測的數據具有實時性、數據量采集周期短的特性。從外部條件來講，人工監測天窗時間作業不能得到保證，需要與多方面溝通協調，不能及時發現問題。自動化監測系統雖然一次性設備投入大，但實現了自動觀測、數據實時傳輸、變形趨勢可視化顯示等變形監測的全自動化，克服了人工測量實時性差的不足，而且效率高，應當成為高速鐵路運營監測優先選擇的一種測量方法和手段。

[1]翟萬雨，徐順明，閆文斌.自動化監測在廣州地鐵工程中的應用[J］.工程建設與設計，2011(6):153-155

[2]李樹偉.高速鐵路沉降監測方法的應用探討[J］.鐵道勘察，2011(6):16-18

[3]劉朝明，文志云.遠程監控管理技術及在軌道交通建設中的應用[J］.上海建設科技，2005(5):11-12

[4]史雪峰，陳開利，鐘繼衛，等.高速鐵路橋梁基礎沉降遠程無線監測技術研究[J］.橋梁監測與加固，2011(1):1-4

[5]戴加東，王艷玲，褚偉洪.靜力水準自動化監測系統在某工程中的應用[J］.工程勘察，2009(5):80-84

[6]何曉業.靜力水準系統在大科學工程中的應用及發展趨勢[J］.核科學與工程，2006(4):332-336

[7]張玉芝，杜彥良，孫寶臣，等.基于液力測量的高速鐵路無砟軌道路基沉降變形監測方法[J］.北京交通大學學報，2013(1):80-84

[8]范紅波.鐵路施工便梁沉降自動化監控系統開發與應用[J］.鐵道勘察，2012(1):103-105