運(yùn)營(yíng)高速鐵路路基高精度水平位移監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

閆宏業(yè) 蔡德鉤 李竹慶 鄧逆濤

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

路基是高速鐵路平順安全運(yùn)營(yíng)的重要基礎(chǔ)［1］。我國(guó)高速鐵路路基整體服役情況良好，發(fā)生過(guò)病害的長(zhǎng)度占路基總長(zhǎng)的6.51%［2］。沉降、上拱等異常變形往往伴隨著路基水平位移。臨近既有線(xiàn)地基處理、幫寬堆載等施工過(guò)程也會(huì)造成路基的水平偏移。高速鐵路作業(yè)驗(yàn)收、經(jīng)常保養(yǎng)、臨時(shí)補(bǔ)修、限速級(jí)別的軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差水平管理值分別僅為2，4，6，7 mm［3］。因此須要對(duì)路基水平位移進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，為線(xiàn)路的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)提供依據(jù)。

常見(jiàn)的巖土體水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為滑動(dòng)式、固定式等。考慮高速鐵路運(yùn)營(yíng)與人員安全的管理要求，人工拉動(dòng)下的滑動(dòng)式監(jiān)測(cè)難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)類(lèi)監(jiān)測(cè)技術(shù)受到零點(diǎn)漂移誤差、探頭導(dǎo)輪誤差、測(cè)斜管扭轉(zhuǎn)誤差等影響［4］精度較低且系統(tǒng)外形較大，不適用于高速鐵路軌旁安裝，也不滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)精度要求。陣列式位移測(cè)量技術(shù)（Shape Accelerometer Arrays，SAA）適用于滑坡體深層監(jiān)測(cè)，但精度以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性難以滿(mǎn)足高速鐵路路基變形監(jiān)測(cè)要求［5］。固定式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生主要有測(cè)斜管導(dǎo)槽扭轉(zhuǎn)、零點(diǎn)漂移誤差等原因。測(cè)斜管內(nèi)有導(dǎo)向槽，實(shí)際埋設(shè)過(guò)程中導(dǎo)向槽易沿管長(zhǎng)方向產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。傳感器在測(cè)量過(guò)程中受環(huán)境溫度、列車(chē)振動(dòng)等因素影響存在零點(diǎn)漂移誤差。國(guó)內(nèi)水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度一般為5～10 mm/30 m，難以滿(mǎn)足高速鐵路路基對(duì)水平位移監(jiān)測(cè)的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

近年來(lái)，光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)在巖土工程中發(fā)展迅速，光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）監(jiān)測(cè)、基于BOTDR 分布式監(jiān)測(cè)可通過(guò)應(yīng)變換算得出巖土體水平位移，具有抗干擾、耐腐蝕的特點(diǎn)［6-7］，但是光纖解調(diào)儀性能要求高，造價(jià)昂貴，不宜在高速鐵路大規(guī)模應(yīng)用。

鑒于此，本文基于三軸向測(cè)斜傳感器設(shè)計(jì)了高速鐵路路基水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)面向傳感器級(jí)別的核心硬件電路設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)級(jí)別的算法補(bǔ)償、系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)，形成變形捕捉能力強(qiáng)、監(jiān)測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、易于便攜安裝的高速鐵路路基水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。將該系統(tǒng)應(yīng)用于魯南高速鐵路地基處理施工影響下京滬高速鐵路路基水平位移監(jiān)測(cè)，以期指導(dǎo)地基處理方案的變更。

1 基本原理

高速鐵路路基水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、多通道通信模塊和太陽(yáng)能供電模塊組成，可實(shí)現(xiàn)海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集、傳輸。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)高速處理、綜合分析、成圖輸出以及實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)高速鐵路路基結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估。

圖1 高速鐵路路基水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

高速鐵路路基水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理如圖1所示。各節(jié)測(cè)桿與測(cè)孔周?chē)鷰r土體耦合變形，內(nèi)置的三軸向測(cè)斜傳感器可測(cè)得重力加速度與傳感器輸出軸的關(guān)系。以測(cè)孔軸線(xiàn)的坐標(biāo)測(cè)量為基準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換計(jì)算出傳感器輸出軸與重力加速度的夾角，從而得出桿體瞬時(shí)的傾角。逐節(jié)計(jì)算各節(jié)測(cè)桿的x，y軸方向的位移，疊加可計(jì)算得到任意節(jié)測(cè)桿端點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的位移。設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)為(x0，y0)，則各段端點(diǎn)的平面坐標(biāo)為

式中：L為單節(jié)測(cè)桿的長(zhǎng)度；i為基準(zhǔn)點(diǎn)以上各測(cè)桿端點(diǎn)的序號(hào)；n為測(cè)桿的總節(jié)數(shù)；θxi為第i節(jié)測(cè)桿軸線(xiàn)方向與x軸方向的夾角；θyi為第i節(jié)測(cè)桿軸線(xiàn)方向與y軸方向的夾角。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傳感器溫度補(bǔ)償試驗(yàn)

所用三軸向測(cè)斜傳感器的敏感元件為硅材料，溫度變化對(duì)其強(qiáng)度以及殘余應(yīng)力有很大影響，同時(shí)元件彈性模量和剛度也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器會(huì)發(fā)生很大溫度漂移。其次溫度的變化導(dǎo)致封裝材料吸收和釋放部分氣體，導(dǎo)致真空度的變化，進(jìn)而影響內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由于集成電路中采用的各種電子器件都存在各自的溫度系數(shù)，溫度變化會(huì)對(duì)電子器件性能造成很大的影響，導(dǎo)致了傳感器零點(diǎn)漂移穩(wěn)定性能惡化。本文設(shè)計(jì)了核心硬件電路對(duì)溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)設(shè)計(jì)了面向傳感器級(jí)別的算法補(bǔ)償，對(duì)溫度零點(diǎn)漂移進(jìn)行修正，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)精度可達(dá)1.0 mm/30 m。

2.1.1 核心硬件補(bǔ)償試驗(yàn)

首先進(jìn)行源數(shù)據(jù)濾波，解決加速度傳感器的抖動(dòng)問(wèn)題，再讀取溫度，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)二次函數(shù)校準(zhǔn)，如圖2 所示。圖3為采用硬件補(bǔ)償前后傳感器在試驗(yàn)溫度-40～80 ℃內(nèi)加速度輸出值，可見(jiàn)經(jīng)硬件補(bǔ)償后測(cè)試值穩(wěn)定，較好地避免了溫度變化對(duì)傳感器精度的影響。

圖2 硬件補(bǔ)償方案

圖3 硬件補(bǔ)償前后加速度曲線(xiàn)

2.1.2 系統(tǒng)算法補(bǔ)償試驗(yàn)

考慮集成傳感器后獨(dú)特的溫度-角度輸出特性，本文設(shè)計(jì)了升降溫試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)約為24 h，記錄不同溫度值對(duì)應(yīng)的傳感器x軸輸出零點(diǎn)漂移角度值，分析測(cè)試過(guò)程中每一個(gè)溫度循環(huán)對(duì)應(yīng)的輸出曲線(xiàn)，得到x軸或y軸的擬合零點(diǎn)漂移直線(xiàn)，在實(shí)際輸出角度中減去相應(yīng)擬合計(jì)算出來(lái)的角度偏差，校準(zhǔn)原始輸出，分析在x，y軸的校準(zhǔn)效果。試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 溫度補(bǔ)償試驗(yàn)方案

考慮到高速鐵路路基所處環(huán)境溫度變化范圍，試驗(yàn)時(shí)控制溫度由常溫降至-40 ℃附近，再連續(xù)階段性升溫至80 ℃，然后讓其自然降溫至常溫。在每個(gè)溫度點(diǎn)都要保溫30 min 再進(jìn)行角度實(shí)驗(yàn)。傳感器固定于水平零位，中間無(wú)二次安裝。

圖4 為傳感器x軸零點(diǎn)漂移擬合曲線(xiàn)，該擬合曲線(xiàn)綜合考慮了被測(cè)傳感器試驗(yàn)溫度下降-上升-下降的完整過(guò)程，可見(jiàn)升溫、降溫過(guò)程中傳感器的零點(diǎn)漂移特性存在差異，因此對(duì)去程和回程零點(diǎn)漂移進(jìn)行了線(xiàn)性擬合。

圖4 傳感器x軸零點(diǎn)漂移擬合曲線(xiàn)

得到x軸的零點(diǎn)漂移擬合曲線(xiàn)后將其應(yīng)用到數(shù)據(jù)后臺(tái)，在收到傳感器實(shí)時(shí)上報(bào)角度數(shù)據(jù)之后，對(duì)應(yīng)減去測(cè)試溫度下的角度偏差值，得到最終輸出的角度誤差，見(jiàn)圖5。除去開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)的非穩(wěn)定狀態(tài)，其他時(shí)間可以將擬合誤差大部分控制在0.004°范圍內(nèi)。

圖5 x軸零點(diǎn)漂移擬合誤差引起的角度誤差

同理，得到傳感器y軸影響測(cè)試與線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)，以及最終輸出的角度誤差，見(jiàn)圖6。可知，擬合角度誤差大部分控制在0.01°范圍內(nèi)。

圖6 傳感器y軸零點(diǎn)漂移結(jié)果

2.2 溫度補(bǔ)償后誤差分析

假設(shè)不同埋深的傳感器由于溫度變化產(chǎn)生的角度誤差相等，分析深度30 m 范圍內(nèi)的誤差累計(jì)到地面點(diǎn)位移測(cè)量中誤差MD。根據(jù)誤差傳播定律［8］，假設(shè)L=1 m，MD的計(jì)算公式為

式中：σ為傳感器測(cè)量位移的誤差；θi為各節(jié)測(cè)桿中傳感器的傾角讀數(shù)。

由于cos2θi≤1，故MD的最大值為

式中：φ為傳感器補(bǔ)償后的角度誤差。

根據(jù)數(shù)據(jù)溫度補(bǔ)償試驗(yàn)，取φ=0.01°，代入式（5）可得|MDmax|=±0.96 mm，保守取為MDmax=±1.0 mm。

2.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝方法

高速鐵路路基水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝至關(guān)重要，安裝的合理性決定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度與穩(wěn)定性。實(shí)施步驟如下：

1）鉆孔。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在相應(yīng)位置放孔，用潛孔鉆或地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，孔徑為91 mm，鉆孔垂直偏差率應(yīng)小于1.0%，孔深須嚴(yán)格滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。鉆至指定設(shè)計(jì)深度后應(yīng)清洗干凈，孔內(nèi)不能有巖芯碎塊或其他雜質(zhì)。壓縮層內(nèi)有砂層或含砂量較大時(shí)嚴(yán)禁水沖，必須干鉆。鉆探完成后孔口需修理平整、干凈。

2）放入套管。套管采用內(nèi)徑28 mm 的PVC 給水管，每節(jié)2～4 m。采用管箍進(jìn)行套管連接，銜接時(shí)管箍?jī)?nèi)壁涂抹密封膠水，以防止孔內(nèi)漏水。套管管口應(yīng)高出邊坡平臺(tái)面15～30 cm。有地下水時(shí)下套管應(yīng)施加適當(dāng)?shù)南聣汉奢d，以確保套管安裝到指定深度。

3）填充空隙。PVC 套管與孔壁之間的空隙主要采用細(xì)砂或水泥進(jìn)行填充。在必要的情況下放套管時(shí)側(cè)壁設(shè)置注漿小管，對(duì)孔壁空隙進(jìn)行注漿填充。頂部100 cm 范圍內(nèi)采用摻加膨脹劑的水泥砂漿進(jìn)行充填與封閉，以防止大氣降水進(jìn)入鉆孔內(nèi)。植入水平位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器之前應(yīng)對(duì)孔口進(jìn)行封閉，以防止石子等物體掉落孔內(nèi)，導(dǎo)致測(cè)孔堵塞，造成廢孔情況。

4）植入水平位移傳感系統(tǒng)。水平位移傳感系統(tǒng)安裝時(shí)，應(yīng)盡量保證傳感器呈較大圓順弧度緩緩下放到保護(hù)套管中，下放過(guò)程中嚴(yán)禁扭轉(zhuǎn)。必要時(shí)在傳感器側(cè)壁涂抹潤(rùn)滑劑，確保下放順利。傳感器下放前使傳感器的x軸方向基本垂直于線(xiàn)路方向，并通過(guò)羅盤(pán)精確測(cè)量x軸的方位角。

5）約束管口。待水平位移傳感系統(tǒng)下放3 d 后，經(jīng)測(cè)試穩(wěn)定，對(duì)傳感器頂部施加不超過(guò)1 kN 下壓荷載，同時(shí)采用不銹鋼管箍將傳感器與套管緊密箍緊，進(jìn)行管口約束。確保傳感器與套管之間的相對(duì)靜止關(guān)系。約束管口之后讀取初始讀數(shù)。

6）設(shè)置保護(hù)井。為保證水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不被破壞，設(shè)置保護(hù)井對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。保護(hù)井可采用鋼筋架子，也可采用水泥砌體池，其尺寸為1.0 m×1.0 m×1.0 m。保護(hù)井外側(cè)應(yīng)設(shè)置醒目標(biāo)示。

7）固定太陽(yáng)能自供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)。安裝之前應(yīng)根據(jù)JGJ 145—2013《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》［9］驗(yàn)算錨固安裝的安全性。太陽(yáng)能自供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)應(yīng)采用φ8 mm 膨脹螺栓固定在穩(wěn)定的水泥平臺(tái)上，膨脹螺栓不少于4 個(gè)。供電系統(tǒng)的太陽(yáng)能板應(yīng)面向南面，確保光電轉(zhuǎn)換效率。太陽(yáng)能自供電系統(tǒng)的支架采用不銹鋼支架，支架高度不超過(guò)1.8 m。數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)固定在保護(hù)井內(nèi)，太陽(yáng)能自供電系統(tǒng)固定在保護(hù)井附近。

8）安裝完成后，按規(guī)定的采集頻率要求開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

水平位移傳感器各自特性曲線(xiàn)帶來(lái)的指標(biāo)差異隨機(jī)出現(xiàn)，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度有很大影響。要得到水平位移傳感器集成后整條測(cè)線(xiàn)的完整曲線(xiàn)及各個(gè)測(cè)試點(diǎn)上報(bào)的傾角實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)傳感器的穩(wěn)定性與一致性提出很高要求。此外剛性連接桿的強(qiáng)度與耐腐蝕性、扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)能力、封裝效果都對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度與長(zhǎng)期穩(wěn)定性有很大影響。本文選取地質(zhì)穩(wěn)定、周?chē)鸁o(wú)新建工程擾動(dòng)的戶(hù)外場(chǎng)地進(jìn)行效果驗(yàn)證。試驗(yàn)時(shí)將30 節(jié)測(cè)試單元串連為1 組測(cè)線(xiàn)，按要求安裝在垂直地面的安裝孔中。接入采集模塊后連續(xù)采集數(shù)據(jù)，得到試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。可知，在2018 年10月—2020 年1 月的監(jiān)測(cè)期里，實(shí)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)精度可達(dá)±1.0 mm/30 m，滿(mǎn)足高速鐵路路基變形監(jiān)測(cè)的精度要求。

圖7 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試水平位移發(fā)展曲線(xiàn)

3 工程應(yīng)用

魯南高速鐵路引入曲阜東站后，在既有京滬高速鐵路曲阜東站東側(cè)新建魯南車(chē)場(chǎng)，該段所涉及的路基工程稱(chēng)為魯南場(chǎng)并場(chǎng)段路基工程。為實(shí)時(shí)評(píng)估新建線(xiàn)路地基處理過(guò)程引起的既有線(xiàn)路的橫向水平位移，站臺(tái)擋土墻墻趾外側(cè)1 m 范圍內(nèi)按60 m 間距布設(shè)水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)孔距第一排管樁橫向距離6.7 m，距京滬高速鐵路3 股道軌道中心約22 m，距離Ⅰ股道軌道中心約29 m，現(xiàn)場(chǎng)布置如圖8 所示。測(cè)孔左側(cè)緊鄰既有京滬高速鐵路5 股道外側(cè)擋墻，采用長(zhǎng)度15 m的CFG樁進(jìn)行地基處理；右側(cè)為新建魯南場(chǎng)管樁處理區(qū)，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)30 m，樁間距2.0 m，直徑0.4 m，引孔深度20 m。

圖8 魯南場(chǎng)地基加固區(qū)域水平位移監(jiān)測(cè)斷面

測(cè)孔處水平位移時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。可知，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到管樁在施工過(guò)程中存在的較明顯擠土效應(yīng)，京滬高速鐵路正線(xiàn)路基坡腳產(chǎn)生較明顯的水平位移，據(jù)此魯南場(chǎng)并場(chǎng)段地基加固區(qū)域?qū)⒃A(yù)應(yīng)力混凝土管樁調(diào)整為CFG樁。

圖9 高速鐵路路基段地基深層土體水平位移時(shí)程曲線(xiàn)

4 結(jié)論

1）基于三軸向測(cè)斜傳感器，設(shè)計(jì)了柔性連接的深層土體水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)面向傳感器級(jí)別的核心硬件電路設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)級(jí)別算法補(bǔ)償、穩(wěn)定性測(cè)試等方法，測(cè)斜傳感器精度達(dá)到0.01°。

2）形成了適合于高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全管理與高精度要求的系統(tǒng)安裝方法，系統(tǒng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)精度達(dá)到±1.0 mm/30 m，滿(mǎn)足高速鐵路路基水平位移高精度監(jiān)測(cè)的需求。

3）該項(xiàng)監(jiān)測(cè)技術(shù)成功應(yīng)用于京滬高速鐵路路基在新建魯南高速鐵路地基處理影響下的水平位移變形監(jiān)測(cè)，指導(dǎo)了魯南場(chǎng)并場(chǎng)段地基加固區(qū)域處理方案的調(diào)整。

4）此系統(tǒng)由于外形較小，可水平安裝于高速鐵路路基表面，在不影響列車(chē)安全運(yùn)行條件下用于沉降、上拱、凍脹等豎向變形的監(jiān)測(cè)，為路基異常變形規(guī)律的監(jiān)測(cè)分析、工程整治方案的制定提供了依據(jù)。