基于液位壓差原理的高速鐵路路基沉降監測技術研究

李竹慶 蔡德鉤 閆宏業 陳鋒

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081）

高速鐵路運行速度快，要求線路具有高平順性、高穩定性等特點。地基和路基的沉降會綜合反應到路基面上，直接影響到軌道結構的服役狀態。

高速鐵路建設期路基填筑完成后須評估路基沉降量值，確定沉降變形的趨勢以指導軌道結構的建設，數據精度要求不應低于±1 mm［1］；某些高速鐵路線路運營期面臨路基沉降、上拱等病害，變形發展速率僅為1～3 mm，造成線路平順性持續劣化；運營期高速鐵路注漿抬升、刮除落道等病害整治過程中，路基變形應控制在容許的范圍之內，需對施工過程中的路基變形開展高精度監測，信息化指導施工［2-3］。通過路基變形高精度監測分析，為高速鐵路線路的建設、運營和維護提供依據。

從現有監測技術來看，使用傳統儀器人工測量比較費工、費時，且精度較差，難以滿足目前高速鐵路建設快速發展的需求；隨著物聯網和大數據技術的發展，全自動監測系統無論從軟硬件上，還是從系統集成、維護、管理等服務上，都已經具備了為封閉式運營的高速鐵路進行長期監測的技術條件［4］。一方面，衛星技術被廣泛應用。如利用GPS（Global Positioning System，全球定位系統）可以進行高精度監測，已廣泛應用于變形控制網的建立等，但是在隧道等環境下無法使用［5］；GNSS（Global Navigation Satellite Systems，全球衛星導航系統）可以對路基水平位移、垂直沉降進行全天候、遠距離監測，但是對環境適應性較差，不能滿足不同氣候條件下監測數據的持續穩定，后期數據處理分析難度較大［6］；InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar，合成孔徑雷達）技術可以在短時間內獲取大范圍的地面沉降信息，但其精度不能滿足高速鐵路毫米級變形監測要求［7］。另一方面，激光測量、視覺測量、圖像處理算法的使用豐富了監測手段。如Min等［8］結合高精度點像中心定位技術，解算得到不同時刻下測點發出激光的點位變化，通過位姿修正算法，降低了列車振動對監測系統的干擾，實現了較高精度的沉降監測。但是環境溫度、空氣質量對測量系統的影響較大。分布式光纖傳感沉降監測具有傳感器體積小、抗干擾性強、靈敏度高等特點，適用于線路遠距離監測，溫度補償技術彌補了溫度對測量精度的影響。但是受限于光纖解調儀的性能，空間分辨率目前只能達到米級［9］。

總的來看現有監測技術不能滿足高速鐵路對路基沉降監測系統體積小、安裝方便、精度高、功耗低、性能穩定、長期使用的綜合要求。

本文基于液位壓差原理，研發路基沉降變形監測系統。通過試驗研究，提出硬件電路與軟件補償相結合的方案，優化工業設計提高系統對極限環境的適應性，并分析檢算現場錨固安裝的可靠性。通過現場工程應用，驗證該系統的高精度采集與穩定可靠性能。

1 監測原理

沉降監測技術是通過測量基準點與測點壓力差的變化，依據壓力與液柱標定關系計算得到測點的相對變形，如圖1所示。

圖1 變形監測系統工作示意

假設初始時刻為t0，基準點、測點1到儲液罐的液面高度分別為h0，h1，此時測點1與基準點高程差Δh=h1-h0。經過t時間后，測點1所在位置發生變化，距離液面高度為h′1，則此時測量點1與基準點高度差Δh′=h′1-h0。測量點1的本期變形Δht為

由伯努利原理，測點1的位置變化為

式中：P1t0為t0時測點1的液體壓強；P1t1為t1時測點1的液體壓強；ρ為液路中液體密度；g為重力加速度。

在以上基礎上，對P（測點壓力傳感器讀數）、ρ進行溫度修正，對g進行本地修正即可獲取較高的測量精度。

式中：It1，It0為不同時刻下，當環境溫度為T時的溫度總修正系數；It為溫度T時的溫度總修正系數；Imt為溫度為T時，液體密度修正系數；Ilt為溫度為T時，管路長度修正系數；Iyt為溫度為T時，壓力傳感器空載修正系數。

測點1的本期變形的和即為累計變形。通過選取高精度芯片與溫度誤差精細補償，監測精度可達±0.2 mm。

2 監測系統總體設計

監測系統由物位計基準點、測點、供電模塊、采集模塊、傳輸模塊和遠程控制終端組成，其構成如圖2所示。其中高效的太陽能控制器和耐低溫鉛酸電池結合充放電控制管理集成為一體的供電模塊，可滿足系統長期供電要求。通過全兼容性傳輸系統，可在室內計算機遠程實現實時數據采集與系統控制，其性能可靠、穩定、耐用，配置靈活，可以動態調整上傳頻率和數據存儲，支持多種傳輸方式和多級聯組網。

圖2 系統構成

3 監測系統關鍵技術

3.1 傳感器溫度補償

傳感器敏感元件所用硅敏材料的靜態特性與環境溫度有著密切的聯系。實際工作中，由于傳感器的工作環境溫度變化較大，溫度變化引起輸出量變化較大，帶來較大的測量誤差；同時由于溫度變化也影響零點和靈敏度大小，直接影響到傳感器的靜態特性，所以必須采取措施來減少或消除溫度變化帶來的影響?？紤]到硬件成本及系統精度要求，設計了硬件電路與軟件補償相結合的方案，通過試驗驗證其補償效果。

3.1.1 硬件補償試驗

硬件補償通過提供標準電壓激勵進行零漂補償，通過模擬放大、模擬電壓疊加進行溫度補償，其試驗電路如圖3所示。

圖3 硬件補償試驗仿真電路

圖4 不同溫度下試驗電路的輸出電壓

其中溫度補償試驗溫度為-40～80℃，以5℃間距多次采集數據，得到不同溫度下的電壓輸出，見圖4?？梢钥吹蕉啻巫x數的平均值和單次采樣值基本一致，說明了傳感器在固定溫度下性能穩定，數據基本無波動。針對輸出電壓隨溫度呈現的非線性變化，通過大量實際數據和經驗數據分析進行分段擬合，見圖5。經校準驗證，如圖6所示，輸出電壓隨溫度變化穩定，補償效果明顯。

圖5 傳感器分段溫度補償函數

圖6 傳感器溫度補償效果

3.1.2 軟件補償試驗

未補償的壓差傳感器的設計優勢更加明顯，可塑性更強。但由于未做補償的壓差傳感器受自身特性所限，在不同的溫度下輸出量的偏移較大，如圖7所示。且未補償型壓差傳感器零位及滿量程輸出的個體差異顯著且不可直接互換，因此，在傳感器實際使用中，須要采用軟件補償進行非線性數據校準和溫度校準。校準階段須要采集同一溫度，多組不同壓力下傳感器輸出。另外，為了對溫度漂移進行修正，須在同一壓力不同溫度下測量，分升溫和降溫2個過程標定。在溫度范圍內每間隔5℃采集傳感器輸出電壓，使用既定的數據和算法計算出5℃范圍內的校準系數，對溫度效應進行補償。圖8為補償前后的沉降監測傳感器工作狀態對比。可見補償后的傳感器工作性能穩定，精度可達0.2 mm。

圖7 未經軟件補償時傳感器不同溫度線性圖

圖8 溫度補償前后傳感器監測值隨溫度變化曲線

3.2 長效性設計

結合高速鐵路運營高安全性要求，沉降監測傳感器的工業設計殼體應具備小巧便攜的特點。傳感器外殼以不銹鋼材料為主，外表面采用抗氧化處理，具備較強防侵蝕和密封防護能力。連接方式采用自密式接頭，確保連接方便。

傳感器與傳輸管路的保護結構采用U型結構，為高強度不銹鋼材質，通過藥劑螺栓固定。U型槽內填充阻燃保溫材料，保證測線基本處于同溫環境，有利于溫度效應影響。高強度的外殼也可防止異物沖撞破壞測點，保護測線免受日照、雨雪等自然因素影響，保障監測系統安全、長效工作。

為驗證監測系統對極端環境的適應性，在模擬極限工作溫度（高溫60℃、低溫-40℃）條件下開展了穩定性試驗，持續時間約72 h，試驗結果見圖9。在極限工作溫度條件下位移傳感器測得液高數據波動很小，傳感器電子電路與包括密封氣體和液壓管路的監測系統正常運行，精度能夠控制在±0.2 mm內，滿足高速鐵路路基變形監測的要求。

3.3 系統安裝及安全性分析

3.3.1 監測設備安裝要求

物位計、傳輸總線平行于線路方向先通過M8藥劑螺栓固定在底座板側面底部，然后用鍍鋅U型槽（保護罩）覆蓋，保護罩內填充阻燃保溫材料并通過M8螺栓固定在底座板上。

在工控設備箱位置按工控設備箱外形尺寸加大50 mm開槽（槽深100 mm），箱體通過藥劑螺栓向下固定在槽底墊層，同時澆筑抗裂砂漿固定。箱內放置工業蓄電池、控制盒、太陽能供電設備，箱頂設置太陽能板，如圖10所示。

圖10 工控設備箱安裝示意

3.3.2 設備箱安全性檢算分析

綜合設備箱的穩固狀態直接影響到高速鐵路的安全運營，本文將設備箱的安裝安全等級確定為一級，分析錨固安裝的安全性。設備箱安裝使用過程中僅考慮正常使用工況，不考慮地震、人防工況。假定主要受力為列車通過時產生的氣動力，不計除結構自重、列車氣動力以外的其他外來荷載。依據JGJ 145—2013《混凝土結構后錨固技術規程》［10］進行膨脹螺栓鋼材受拉破壞、混凝土錐體受拉破壞、混凝土劈裂受拉破壞、膨脹螺栓鋼材受剪破壞、混凝土邊緣破壞、混凝土剪撬破壞、拉剪復合受力破壞檢算，結果見表1。其中，為群錨中受拉力最大錨栓的拉力設計值；NRd，s為錨栓鋼材破壞受拉承載力設計值；為群錨受拉區總拉力設計值；NRd，c為混凝土錐體破壞受拉力承載力標準值；為群錨中剪力最大錨栓的剪力設計值；VRd，s為錨栓鋼材破壞受剪承載力設計值；為群錨中受剪錨栓總剪力設計值；VRd，cp為混凝土剪撬破壞受剪承載力設計值；Nsd為錨栓拉力設計值；Vsd為錨栓剪力設計值?？芍踩禂祪渑c膨脹錨固螺栓的承載力均滿足JGJ 145—2013要求。

表1 設備箱安全性檢算結果

4 工程應用

針對京張高速鐵路有砟、無砟軌道瀝青混凝土封閉結構，采用路基沉降監測系統開展封閉效果與受力變形特性監測研究。試驗段有砟、無砟軌道均采用全斷面瀝青混凝土防水封閉結構，封閉層設計厚度0.10 m。沉降測點布設于路肩位置，間距10 m，基準點設置于接觸網桿基礎處。圖11為各測點變形時程曲線，數據穩定連續。2019年11月至2020年2月15日隨溫度降低路基發生凍脹變形，變形最大位置在K151+485，最大變形量為2.18 mm。隨后溫度升高，凍結層融化，路基變形回落至開始水平。整體來看路基平順性較好，未見明顯變形。

圖11 京張高速鐵路瀝青混凝土試驗段路基變形時程曲線

5 結論

1）基于液位壓差原理，研發了高速鐵路路基沉降監測系統。通過硬件電路補償、軟件算法補償，減小了溫度波動對數據的影響，系統精度可達到±0.2 mm。滿足高速鐵路路基建設、運營及維護中變形監測的精度要求。

2）通過優化工業設計，提升了監測系統的長效性。經極端溫度下穩定性試驗，驗證了該系統在極端環境下的適應性。

3）經檢算，將設備箱的安裝安全等級確定為一級，結構的安全系數儲備和膨脹錨固螺栓承載力均滿足規范要求，對高速鐵路安全運營無影響。