鐵路地表變形自動監測技術及其工程應用

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鐵路地表變形自動監測技術及其工程應用

馮謙1，徐學勇2，吳天鵬3

（1.中國地震局地震研究所地震大地測量重點實驗室，湖北武漢430071；2.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江杭州310014；3.武漢鐵路局武漢橋工段，湖北武漢430063）

摘要：為掌握采礦過程中對臨近武九鐵路線某段路基的變形影響程度，針對鐵路沿線地形復雜、無法通視、無供電及網絡等條件，采用全自動監測預警系統，對武九線某段路基的穩定狀態進行遠程連續監測，并建立預警及信息管理系統。全套系統運用傳感技術、數據采集與傳輸技術和信息管理技術。通過一段時間的運行應用，該系統能實時掌握該段鐵路路基變形狀態，出現險情也可第一時間預警，達到保障鐵路運營安全的目的。

關鍵詞：變形監測技術；全自動監測預警系統；自動采集；無線傳輸；鐵路路基沉降

0　引言

隨著城市建設的發展，高層建筑、多層地下室、地下鐵道、公路、鐵路以及地下工業和民用設施越來越多地涌現。而通過監測手段實時掌握此類建（構）筑物變形和穩定性狀態變得復雜和突出，成為工程界和建設行政主管部門十分關注的問題。

隨著時代發展和科技進步，表面位移監測法的一些常規儀器，包括全站儀、經緯儀、水準儀、GPS監測以及新近發展的GPS手機監測和InSAR技術等[1-4]，也逐漸得到應用。但以鐵路路基監測為例，目前常規方法測得數據的連續性差，準確性和精確度也較低，亦或價格十分昂貴。有時路基變形失穩具有突發性，利用這些采集到的數據也很難真實、實時、全面地了解其變形的情況，更難以判斷變形的發展趨勢及作出準確預警，達不到真正意義上的實時監測監控目的。移動通信和Internet技術的發展給社會帶來深刻的變化，而GPRS無線數據傳輸技術的成熟，使它在許多行業中得以應用，為測控系統的數據傳輸提供了一種新的手段[5]。鑒于國內近年屢次發生多起突發性變形及垮塌事故，建（構）筑物的實時監測系統的推廣和應用已成為了工程監測界現代化發展的趨勢，本文將討論鐵路路基沉降全自動監測預警及信息管理系統的開發與應用。

1　系統的基本原理

建立全自動監測預警及信息管理系統，主要目的是掌握現場監測對象的實時變形情況，因此選擇傳感器作為主要的現場監測單元，通過位于現場的終端數據采集器把各監測點的數據實時采集匯總。由于野外條件制約，無法利用Internet發送數據，故采用GPRS模塊負責對數據進行TCP/IP協議轉換，再以GPRS數據包的形式發送至GPRS無線基站，GPRS無線基站將數據處理后發送到Internet。位于遠程監控中心的服務器，接入Internet，利用自行開發的信息管理系統即可實時接收和分析監測數據，并可實現多用戶的遠程監測數據實時共享[6]。該系統數據傳輸拓撲圖如圖1所示。

圖1　監測系統數據傳輸拓撲圖

2　系統的構成

2.1傳感器子系統

傳感器采用HC-1211型靜力水準儀，它是一種用于測量多點相對沉降的高精密液位系統測量儀，儀器由主體容器、連通管、位移傳感器等部分組成，傳感器均采用通液管連接，各容器的液位由位移傳感器測出，傳感器掛有自由浮球，當液位發生變化，浮球的懸浮力即被傳感器感應。在多點系統中，所有傳感器的垂直位移均是相對于基準點的，基準點的垂直位移則是相對恒定的，或者是可用于其他人工觀測手段準確確定的，以便能精確計算靜力水準系統各測點的沉降變化[7]。

2.2數據采集與傳輸子系統

采用分布式數據采集單元對傳感器子系統采集到的監測數據進行自動采集和匯總。每個數據采集終端系統配備數據采集模塊、無線網絡收發器、防雷控制器、供電系統各1套。現場與遠程測控中心之間采用GPRS無線網絡連接的方式。供電系統采用太陽能電池結合蓄電池裝置。

2.3信息管理子系統

該子系統通過服務器接收數據后通過整理、計算和分析，可遠程對系統技術參數進行修改、數據調取和趨勢分析，對監測現場進行遠程調度指揮。本系統同時具備聲控報警和短信報警功能，對超過預警值的監測點進行及時報警。

3　工程實例

3.1項目概況

武漢至九江鐵路線（以下簡稱武九線）西起湖北省武漢市，東到江西省九江市，全長261km，全線已完成電氣化工程，可以行駛和諧號，是國家路網“沿江通道”的重要組成部分，鐵路等級為一級復線。武九線某段共計650 m長區域的路基，臨近湖北鄂州某鐵礦地下采礦區，最近的距離距鐵路線僅為100m，如圖2所示。由于礦區工程地質條件復雜，斷層、巖脈縱橫交錯，加之礦山頻繁的生產爆破振動，崩塌、滑坡、泥石流等地質災害更為嚴重[8-10]，因此迫切需要對該區域的鐵路路基的穩定性進行實時動態變形監測，以保障鐵路運行安全。

3.2監測系統的設計與實施

由于在鐵路沿線跨度較長，為滿足供電要求，為4個監測標段布設。即：路基兩側各分兩個標段，約20m一個監測點，分為上行一段（17個測點）、上行二段（16個測點）、下行一段（17個測點）和下行二段（18個測點），共計68個測點；鐵路上下行各布設兩個基準點，共計74套靜力水準儀；各測點通過水管、電纜線與基準點連通。設備平面布設如圖3所示。

由于鐵路延線施工環境極為復雜，鐵路網外的場地和資源有限，故不適合建數據采集中心及配電房。現用4套GPRS無線采集傳輸系統分別架設在鐵路上、下行線兩標段的中間點附近，另用太陽能電池配電瓶的供電系統代替野外配電房，為監控中心服務器提供遠程數據傳輸使用。每個數據采集終端均配備數據采集器、網絡無線收發器、太陽能電池面板結合蓄電池套裝和防雷設備。共布設4套數據采集終端系統。

3.3預警及信息管理系統

系統可實時查看現場各基準點及監測點的數據、時間-位移曲線圖、沉降速率、變形趨勢分析和發布的預警信息；可分監測點或按標段整體下載沉降數據；任意調取某個時間段內的整體沉降曲線圖。

如某點數據超過設置的預警值，可立即發出聲控警報音，并同時通過手機短信發送給設置好的固定收信人，可讓相關人員在第一時間知道現場的具體情況，以便及時采取措施，保障鐵路基礎設施建設的安全。

3.4監測成果與分析

通過調取2012年11月期間的數據信息，截止11月30日，上行1段沉降變形最大的為16號點，累計沉降量達6.70mm；上行2段沉降變形最大的為28號點，累計沉降量達3.30mm；下行1段沉降變形最大的為7號點，累計沉降量達2.90mm；下行2段沉降變形最大的為21號點，累計沉降量達6.10mm。各標段沉降變形趨勢如圖4所示。

圖2　采礦區與武九線平面位置圖

圖3　設備平面布設示意圖

圖4　11月期間各標段沉降變形趨勢圖

分析表明：截至目前，武九線K88+600～K89+ 250標段各項數據正常，當次沉降量和累計沉降量變化不大，均未超過鐵路部門設置的預警值。鐵路路基結構穩定，處于安全狀態。

4　結束語

（1）鐵路路網布局多穿過野外，沿線的地質災害多發，常規監測方法效率低下，且無法隨時了解現場的動態監測結果，影響快速決策，很難達到及時預警的目的。針對這些情況，采用自動采集技術、無線傳輸技術以及計算機軟硬件技術相結合的全自動實時監測系統。

（2）采用VisualC++網絡編程技術，以SQLServer 2005為后臺數據庫，開發的鐵路路基沉降全自動監測預警及信息管理系統，實現了對監測數據的遠程實時接收和信息化管理分析，為管理部門及時了解現場監測結果和快速決策提供了強有力的平臺支持。

（3）通過在武漢至九江鐵路線K88+600～K89+250段中的路基沉降監測應用，表明此監測系統具有實時性、穩定性、無線通信、無人值守和低功耗的特點。根據實時沉降監測結果，可以綜合預測采礦誘發地質災害發生的風險，為鐵路線的防災減災提供參考依據。

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收到修改稿日期：2013-07-05

中國地震局地震研究所所長基金項目（IS201126053）

Technique and engineering application of automatic monitoring system of railway embankment deformationFENG Qian1，XU Xue-yong2，WU Tian-peng3

（1. Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Wuhan 430071 China；2. HydroChina Huadong Engineering Corporation，Hangzhou 310014，China；3. Wuhan Bridge Section of Wuhan Railway Bureau，Wuhan 430063，China）

Abstract:In view of the severe conditions along the railway of complex terrain，lack of intervisibility，no power supply and no internet access，the automatic monitoring and warning system will be used to acquire the deformation degree of a certain subgrade influenced by mining near the railway line from Wuhan to Jiujiang. The system is to monitor the stability of the subgrade in a continuous way to establish an early-warning and information management system. By conducting the sensor technology，data collecting technology and information management technology，the system will acquire the deformation degree in real time，and send early-warning signal at the very first moment as any danger incurs，thus to ensure the safety of railway operation.

Key words:deformation monitoring technology；automatic monitoring and early-warning system；automatic collection；wireless transmission；subgrade settlement of railway

基金項目：國家自然科學基金項目（41101519）

收稿日期：2013-05-23；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.024

文章編號：1674-5124（2013）05-0088-04

文獻標志碼：A

中圖分類號：U216.9；TP206+.3；TP274+.2；TU311.3

作者簡介：馮謙（1982-），男，湖北武漢市人，工程師，碩士，主要從事巖土工程檢測監測方面的研究。