基于光纖光柵技術的城市軌道交通基礎結構沉降實時監測研究

許敏娟 周 宇

(1.昆明地鐵運營有限公司,650021,昆明; 2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,201804,上海∥第一作者,工程師)

基于光纖光柵技術的城市軌道交通基礎結構沉降實時監測研究

許敏娟1周 宇2

(1.昆明地鐵運營有限公司,650021,昆明; 2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,201804,上海∥第一作者,工程師)

提出基于光纖光柵技術的軌道交通基礎結構沉降監測方法,可實現大坡道、不同結構物的在線、分布式連續監測和數據無線傳輸。研發了軌道交通基礎結構沉降實時監測裝置。該裝置能對沉降數據自動采集和處理,且實時顯示結果,并在沉降超限時報警;沉降監測精度可達0.1 mm,超限誤報率小于1%;具有良好的穩定性、監測的連續性；通過沉降監測可進一步預測沉降發展趨勢。該裝置適合關鍵基礎結構地段的長期監測,滿足運營中連續監測的需求,并為基礎結構維護提供參考依據。

城市軌道交通; 基礎沉降; 光纖光柵技術; 實時監測

城市軌道交通軌道及下部基礎結構應保持較好的平順性、穩定性和壽命。然而在頻繁的列車動荷載作用下,基礎結構會產生不均勻沉降,進而引發軌道幾何不平順,進一步惡化輪軌關系,增加城市軌道交通振動噪聲,影響運營安全性與舒適度。對城市軌道交通基礎設施沉降狀態的監測是進行有效養護維修的關鍵。常用的沉降監測方法(如沉降板、變形觀測樁等方法[1])主要適用于施工期間沉降測量,不適用于已經開通運營的線路。常規的電類傳感器普遍存在壽命短、易受環境影響、易受電磁干擾、不能實時在線監測等缺點[2],其測量精度與使用條件受限。而人工沉降檢測的效率較低,檢測頻次有限,誤差較大,無法滿足運營線路在線監測的要求[3-4]。

近年來光柵光纖技術以抗電磁干擾、動態響應快、靈敏度和測試精度高、耐久性強及可實現遠距離實時監測等優點,在國內外橋梁、堤壩、邊坡和隧道等工程結構監測方面廣泛應用,均取得了很好的效果[5]。本文基于光纖光柵技術,研究城市軌道交通軌道基礎結構沉降實時監測方法，以昆明某軌道交通線路典型的基礎結構為監測實例,設計沉降監測方案,開發沉降數據處理軟件,構建數據傳輸網絡,從而研發了基礎結構沉降實時監測裝置,實現對運營條件下城市軌道交通基礎結構的長期監測。

1 沉降監測關鍵技術原理

1.1 光纖光柵技術基本原理

光纖光柵是一種反射型濾波敏感器件。其原理是利用光纖材料的光敏性,通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入光纖芯,并在光纖芯內產生沿光纖芯軸向的折射率周期性變化,從而形成一種窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡,即永久性空間的相位光柵[5]。當一束寬光譜光經過光纖光柵時,波長滿足光纖光柵布拉格條件的光將發生反射,而其余波長的光將發生透射(如圖1所示)。

注：λ——波長；n光纖芯的折射率；D——光功率

圖1 光纖光柵原理示意圖

由圖1可以看出,光波通過光纖光柵傳感器后,反射波長為:

λB=2neΛ

(1)

式中：

ne——光纖光柵的有效反射系數;

Λ——光纖光柵的光柵周期。

由于當光纖光柵傳感器檢測的物理量(如位移、應力、應變、溫度等)發生變化時,反射波長會發生漂移[2-4,6],故通過對比標定值即可得出所檢測物理量的變化值。在光纖彈性范圍內,基于反射波長與檢測物理量線性關系可得

ΔλB=2neΔΛ+2ΔneΛ=

λB[(1-Pe)Δε+(α1+ξ)ΔT]=

KεΔε+KTΔT

(2)

式中：

Pe——光纖的彈塑性光學系數；

ξ——光柵傳感器的熱光學系數；

α1——光纖的線膨脹系數;

Δε——物體中性軸上的應變變化量；

ΔT——外部溫度變化量；

Kε——與應變ε有關的應變響應系數；

KT——與溫度T有關的應變響應系數。

1.2 光纖光柵靜力水準儀沉降監測原理

光纖光柵靜力水準儀主要由液體灌(筒體)、光纖光柵傳感器、連通水管、排氣管及安裝支座等組成,其內部結構及安裝示意圖如圖2所示。

圖2 光纖光柵靜力水準儀安裝圖及內部結構

1套靜力水準設備至少需要2個及2個以上靜力水準儀,包括1個基準點水準儀a(布置在不會有撓度變化,不會發生沉降的點位)和若干測點水準儀b。各靜力水準儀加入液體,并使液面高于量程的中間位置,然后通過連通管連接在一起。基于連通器原理,當被測點發生撓曲等變化時,水準儀b位置也會改變，進而引起液筒的液面高度變化。液面位置變化過程如圖3所示。

圖3 靜力水準儀工作原理

靜力水準儀液面變化可通其過內置液位浮球被光纖光柵傳感器識別。其反射波長發生漂移后,飄移值通過光纖傳輸到光纖光柵解調儀。通過式(2),將反射波長信號經解調儀解調,并考慮溫度補償,即可實現數值轉換，得到

H=[(λS1-λS10)/K1-(λS01-λS00)/

K0]-[(λT1-λT10)×1.6/K1-

(λT0-λT00)×1.6/K0]

(3)

式中：

H——待測點沉降量;

λS1——待測點水準儀中應變計實測波長;

λS10——待測點水準儀中應變計零點波長;

λS01——基準點水準儀中應變計實測波長;

λS00——基準點水準儀中應變計零點波長;

λT1——待測點水準儀中溫度計實測波長;

λT10——待測點水準儀中溫度計零點波長;

λT0——基準點水準儀中溫度計實測波長;

λT00——基準點水準儀中溫度計零點波長;

K1——待測點水準儀標定系數;

K0——基準點水準儀標定系數。

1.3 長距離連續監測水準儀級聯原理

靜力水準儀安裝時要求初始高程(相對基準測點高程)相同。在線路縱斷面設計坡度變化較大的地段進行長里程連續監測時,靜力水準儀安裝位置會因場地受限,需設置級聯傳感器以通過轉點法轉置來達到測試要求。水準儀級聯原理如圖4所示。

圖4 不同高程處水準儀級聯原理

圖4中A、B、C組水準儀均用以連續監測長距離基礎的沉降,且3組水準儀均基于相同的基準點。B組水準儀所監測基礎的設計高程高于A、C兩組。為保證各水準儀初始液面高度要求,A、C兩組水準儀可共用1個液體補給箱,而B組使用單獨液體補給箱;A、B組和B、C組之間采用級聯光纖光柵傳感器。通過級聯傳感器來抵消高程不同的影響,從而實現長距離連續監測。

2 監測裝置的現場試驗與動態監控

2.1 不同結構地段測點布置方案設計

為研究本監測裝置在不同結構、不同地段適用性及精確度,本次試驗以昆明某軌道交通線路為監測實例。試驗段全長300 m,包括40 m長的圓形盾構隧道、110 m長的矩形明挖隧道和150 m長的隧道-路基過渡段。試驗段設計坡度為27.979‰,包括77 m長的直線段、2 m長的夾直線、60 m長的緩和曲線,以及116 m且長半徑為350 m的圓曲線和25 m長且半徑為 4 000 m的圓曲線。

按照試驗要求,將測點按間隔30 m布置,采用雙線測量,共布置11處測量斷面。其中，盾構隧道區及矩形隧道區兩側各3處,過渡段U型槽區兩側5處。光纖光柵靜力水準儀的平面布置如圖5所示。

圖5 不同結構區靜力水準儀布置方案設計

由于盾構隧道至過渡段雙線合攏,且兩隧道間有擋墻。為對比線路兩側基礎沉降數據及雙線隧道單洞兩側沉降數據,除在線路兩側墻壁處布置水準儀外,在局部隧道的中間擋墻上也設置了沉降測點。試驗共設置30個靜力水準儀。各水準儀之間按圖5以光纜連接,水準儀中連通器的水管連接方式相同。為了對比上下行線路及單線左右側的沉降,在同一斷面處設置級聯傳感器進行連接。由于試驗段的線路設計坡度較大,故通過安裝縱向級聯傳感器來實現整試驗段的數據級聯。試驗段縱斷面級聯傳感器布置如圖6所示。

沿線路縱向,同一高度處的靜力水準儀通過液面刻度對比來計算沉降;不同高度處水準儀之間通過縱向級聯傳感器及11通道解調儀來實現高度基準校正,以保證沉降數據準確。本試驗采用的靜力水準儀均帶溫度測量。

圖6 試驗段縱斷面級聯傳感器布置方案

由于本次試驗主要關注觀測點之間相對沉降,而絕對沉降僅作為參考，因此,基準參考點可選隧道基準點或橋梁基準點中任意一處,并設置基準點水準儀。另在車站配置1臺采集用工控機。

2.2 沉降數據處理及動態監控

由于監測距離較長、監測點多且測量期長,故現場沉降數據繁多，沉降結果也需進一步處理。而人工計算處理沉降結果不僅效率低,且存在超限警報遲滯。針對以上問題,現場配置了工控機服務器、VPN網絡設備及輔助設備,開發沉降數據處理及監控應用程序,以實現基礎沉降監測分析與動態監控功能。

如圖7所示，基于光纖光柵技術的軌道交通沉降數據處理及實時監控應用裝置(以下簡為“沉降監測裝置”)由服務器軟件和客戶端軟件通過VPN網絡連接組成。服務器軟件集成于現場工控機服務器內部,負責接收解調器的監測數據,并進行現場存儲和初步處理。客戶端軟件集成于監測終端,負責接收、存儲數據,提供查詢及報警功能。

圖7 沉降監測裝置示意圖

服務器軟件先對采集數據進行預處理(如降噪、消趨、平差及趨勢判斷)；隨后，計算各測點相對基準點沉降量,并將數據封包、本地備份；最后，通過VPN設備和3G設備將數據導至客戶端。客戶端軟件接收來自服務器的數據,根據讀取結果繪制沉降曲線時域圖，并初步曲線擬合,同時還可遠程監視現場設備的運行狀態、讀取數據、瀏覽歷史數據和發展規律趨勢、調整監測參數，以及發出超限警報及發出設備故障警報。客戶端軟件的使用界面如圖8所示。

沉降監測裝置客戶端軟件可記錄并顯示現場每個傳感器的沉降量及更新時間,能實現一周7天晝夜不間斷連續性沉降監測,還能對沉降數據作自動處理、存儲；可根據現場監測需要,對沉降的測量周期在5 s～24 h之間作調整,且測量結果實時發送；可通過設置數據等待時間來實現對現場傳感器工作狀態監測;可設置沉降上下限值,并據此自動評判沉降超限與否,同時將沉降超限及現場傳感器失效故障以警報形式標記并通過無線傳輸通知工作人員。

圖8 沉降監測裝置客戶端軟件使用界面

以昆明軌道交通現場某測點沉降為例,沉降監測裝置設定了每1 min記錄一次沉降數據并長期監測。裝置自動記錄并存儲每次沉降數據的更新時間、傳感器編號、累計沉降量和相對沉降量,并對記錄的沉降數據繪制時間-沉降值曲線(如圖9所示)。圖9中在350 min(即列車開始運營的時刻)后出現較大波動。現場布置的靜力水準儀具有動態測量的能力。當列車通過時,列車引起的基礎振動帶動水準儀液面晃動,而液面壓力和高差的瞬間變化被內部傳感器捕捉記錄;而當列車通過之后水準儀液面恢復平穩時,則所得沉降數值恢復正常。由于開通運營后列車反復通過,因此沉降曲線會不斷出現幅值較大的波動，且過后趨于平穩。波動與平穩會交替循環。

圖9 現場測點實測沉降變化

沉降監測裝置所得的沉降數據變化規律與城市軌道交通運營的實際情況對應。這說明本裝置能夠對軌道交通基礎結構沉降進行有效、動態、實時監測,可為基礎結構維護提供參考依據。

3 結論

本文從關鍵技術、裝置組成、監測點分布設計及數據處理應用方面詳細介紹了基于光纖光柵技術的城市軌道交通基礎沉降實時監測裝置。通過現場試驗驗證,該裝置具有良好的適用性和推廣性。

(1) 該裝置實現了對3個典型的城市軌道交通結構物(盾構隧道、矩形隧道、U型槽)及其過渡段在平面小半徑曲線地段的監測。

(2) 該裝置實現了對不同結構物之間沿線路縱向相對沉降、同一結構物沿線路縱向相對沉降、同一結構物沿線路橫向側傾等參數的監測。

(3) 該裝置具有良好的穩定性，能夠滿足城市軌道交通現場惡劣條件要求,能防止如溫度、濕度、電磁、噪聲和振動等因素的干擾。

(4) 該裝置保證了監測連續性,可實現一周7天不間斷的連續測量。

(5) 該裝置采用級聯原理,能滿足長距離和大坡道的測量及不同線路沉降的對比要求。

(6) 該裝置具有實時性與自動處理功能，可調整對沉降的測量頻率,并實時發送測量數據;還可并行實現對數據的收集、處理、存儲及傳送功能,并能對設備故障及沉降超限自動評判報警。

(7) 該裝置可通過計算當前沉降值，來預測沉降發展趨勢,為軌道基礎維護提供參考。

(8) 該裝置監控測量精度可達0.1 mm,超限報警誤報率小于1%，性能優于人工測量。

[1] 花梅.高速鐵路路基常用沉降變形監測方法淺析[J].鐵道標準設計,2014,58:122-125.

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Real-time Monitoring System of Rail Transit Infrastructure Settlement Based on Fiber Bragg Grating Technology

XU Minjuan, ZHOU Yu

The real-time monitoring method of rail transit infrastructure settlement based on fiber bragg grating technology is proposed to realize the online, the distributed continuous-monitoring and the data wireless transmission on steep gradient and different structures of urban rail transit, on this basis, the rail transit infrastructure settlement real-time monitoring system is formed.The settlement data will be collected and processed automatically, the result be displayed in real time and alarmed when it is ultralimit.The precision of monitoring could reach 0.1mm and the false alarm rate is less than 1%. Results from field test show that the system has very fine stability and monitoring continuity, the settlement development tendency could also be predicted in the future. The system fits to long-term monitoring of the key infrastructure section and satisfies the requirements of continuous monitoring in urban rail transit operation, it could also provide references for the healthy maintenance of rail transit infrastructure.

urban rail transit; infrastructure settlement; fiber bragg grating technology; real-time monitoring

Kunming Rail Transit Operation Co.,Ltd.,650021,Kunming,China

TU 433: U 231

10.16037/j.1007-869x.2017.03.014

2015-07-21)