鐵路地表變形自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)及其工程應(yīng)用

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鐵路地表變形自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)及其工程應(yīng)用

馮謙1，徐學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430071；2.中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)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(fù)雜、無法通視、無供電及網(wǎng)絡(luò)等條件，采用全自動(dòng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，對武九線某段路基的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程連續(xù)監(jiān)測，并建立預(yù)警及信息管理系統(tǒng)。全套系統(tǒng)運(yùn)用傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)和信息管理技術(shù)。通過一段時(shí)間的運(yùn)行應(yīng)用，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)掌握該段鐵路路基變形狀態(tài)，出現(xiàn)險(xiǎn)情也可第一時(shí)間預(yù)警，達(dá)到保障鐵路運(yùn)營安全的目的。

關(guān)鍵詞：變形監(jiān)測技術(shù)；全自動(dòng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)；自動(dòng)采集；無線傳輸；鐵路路基沉降

0　引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，高層建筑、多層地下室、地下鐵道、公路、鐵路以及地下工業(yè)和民用設(shè)施越來越多地涌現(xiàn)。而通過監(jiān)測手段實(shí)時(shí)掌握此類建（構(gòu)）筑物變形和穩(wěn)定性狀態(tài)變得復(fù)雜和突出，成為工程界和建設(shè)行政主管部門十分關(guān)注的問題。

隨著時(shí)代發(fā)展和科技進(jìn)步，表面位移監(jiān)測法的一些常規(guī)儀器，包括全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、GPS監(jiān)測以及新近發(fā)展的GPS手機(jī)監(jiān)測和InSAR技術(shù)等[1-4]，也逐漸得到應(yīng)用。但以鐵路路基監(jiān)測為例，目前常規(guī)方法測得數(shù)據(jù)的連續(xù)性差，準(zhǔn)確性和精確度也較低，亦或價(jià)格十分昂貴。有時(shí)路基變形失穩(wěn)具有突發(fā)性，利用這些采集到的數(shù)據(jù)也很難真實(shí)、實(shí)時(shí)、全面地了解其變形的情況，更難以判斷變形的發(fā)展趨勢及作出準(zhǔn)確預(yù)警，達(dá)不到真正意義上的實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控目的。移動(dòng)通信和Internet技術(shù)的發(fā)展給社會(huì)帶來深刻的變化，而GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的成熟，使它在許多行業(yè)中得以應(yīng)用，為測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸提供了一種新的手段[5]。鑒于國內(nèi)近年屢次發(fā)生多起突發(fā)性變形及垮塌事故，建（構(gòu)）筑物的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用已成為了工程監(jiān)測界現(xiàn)代化發(fā)展的趨勢，本文將討論鐵路路基沉降全自動(dòng)監(jiān)測預(yù)警及信息管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。

1　系統(tǒng)的基本原理

建立全自動(dòng)監(jiān)測預(yù)警及信息管理系統(tǒng)，主要目的是掌握現(xiàn)場監(jiān)測對象的實(shí)時(shí)變形情況，因此選擇傳感器作為主要的現(xiàn)場監(jiān)測單元，通過位于現(xiàn)場的終端數(shù)據(jù)采集器把各監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集匯總。由于野外條件制約，無法利用Internet發(fā)送數(shù)據(jù)，故采用GPRS模塊負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換，再以GPRS數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送至GPRS無線基站，GPRS無線基站將數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到Internet。位于遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的服務(wù)器，接入Internet，利用自行開發(fā)的信息管理系統(tǒng)即可實(shí)時(shí)接收和分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，并可實(shí)現(xiàn)多用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享[6]。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1　監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸拓?fù)鋱D

2　系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1傳感器子系統(tǒng)

傳感器采用HC-1211型靜力水準(zhǔn)儀，它是一種用于測量多點(diǎn)相對沉降的高精密液位系統(tǒng)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(dāng)液位發(fā)生變化，浮球的懸浮力即被傳感器感應(yīng)。在多點(diǎn)系統(tǒng)中，所有傳感器的垂直位移均是相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的，基準(zhǔn)點(diǎn)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(zhǔn)確確定的，以便能精確計(jì)算靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)各測點(diǎn)的沉降變化[7]。

2.2數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

采用分布式數(shù)據(jù)采集單元對傳感器子系統(tǒng)采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集和匯總。每個(gè)數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)配備數(shù)據(jù)采集模塊、無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、防雷控制器、供電系統(tǒng)各1套?，F(xiàn)場與遠(yuǎn)程測控中心之間采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)連接的方式。供電系統(tǒng)采用太陽能電池結(jié)合蓄電池裝置。

2.3信息管理子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)通過服務(wù)器接收數(shù)據(jù)后通過整理、計(jì)算和分析，可遠(yuǎn)程對系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行修改、數(shù)據(jù)調(diào)取和趨勢分析，對監(jiān)測現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度指揮。本系統(tǒng)同時(shí)具備聲控報(bào)警和短信報(bào)警功能，對超過預(yù)警值的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。

3　工程實(shí)例

3.1項(xiàng)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(wǎng)“沿江通道”的重要組成部分，鐵路等級為一級復(fù)線。武九線某段共計(jì)650 m長區(qū)域的路基，臨近湖北鄂州某鐵礦地下采礦區(qū)，最近的距離距鐵路線僅為100m，如圖2所示。由于礦區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層、巖脈縱橫交錯(cuò)，加之礦山頻繁的生產(chǎn)爆破振動(dòng)，崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害更為嚴(yán)重[8-10]，因此迫切需要對該區(qū)域的鐵路路基的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測，以保障鐵路運(yùn)行安全。

3.2監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

由于在鐵路沿線跨度較長，為滿足供電要求，為4個(gè)監(jiān)測標(biāo)段布設(shè)。即：路基兩側(cè)各分兩個(gè)標(biāo)段，約20m一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，分為上行一段（17個(gè)測點(diǎn)）、上行二段（16個(gè)測點(diǎn)）、下行一段（17個(gè)測點(diǎn)）和下行二段（18個(gè)測點(diǎn)），共計(jì)68個(gè)測點(diǎn)；鐵路上下行各布設(shè)兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，共計(jì)74套靜力水準(zhǔn)儀；各測點(diǎn)通過水管、電纜線與基準(zhǔn)點(diǎn)連通。設(shè)備平面布設(shè)如圖3所示。

由于鐵路延線施工環(huán)境極為復(fù)雜，鐵路網(wǎng)外的場地和資源有限，故不適合建數(shù)據(jù)采集中心及配電房?，F(xiàn)用4套GPRS無線采集傳輸系統(tǒng)分別架設(shè)在鐵路上、下行線兩標(biāo)段的中間點(diǎn)附近，另用太陽能電池配電瓶的供電系統(tǒng)代替野外配電房，為監(jiān)控中心服務(wù)器提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸使用。每個(gè)數(shù)據(jù)采集終端均配備數(shù)據(jù)采集器、網(wǎng)絡(luò)無線收發(fā)器、太陽能電池面板結(jié)合蓄電池套裝和防雷設(shè)備。共布設(shè)4套數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)。

3.3預(yù)警及信息管理系統(tǒng)

系統(tǒng)可實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場各基準(zhǔn)點(diǎn)及監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)、時(shí)間-位移曲線圖、沉降速率、變形趨勢分析和發(fā)布的預(yù)警信息；可分監(jiān)測點(diǎn)或按標(biāo)段整體下載沉降數(shù)據(jù)；任意調(diào)取某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的整體沉降曲線圖。

如某點(diǎn)數(shù)據(jù)超過設(shè)置的預(yù)警值，可立即發(fā)出聲控警報(bào)音，并同時(shí)通過手機(jī)短信發(fā)送給設(shè)置好的固定收信人，可讓相關(guān)人員在第一時(shí)間知道現(xiàn)場的具體情況，以便及時(shí)采取措施，保障鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的安全。

3.4監(jiān)測成果與分析

通過調(diào)取2012年11月期間的數(shù)據(jù)信息，截止11月30日，上行1段沉降變形最大的為16號點(diǎn)，累計(jì)沉降量達(dá)6.70mm；上行2段沉降變形最大的為28號點(diǎn)，累計(jì)沉降量達(dá)3.30mm；下行1段沉降變形最大的為7號點(diǎn)，累計(jì)沉降量達(dá)2.90mm；下行2段沉降變形最大的為21號點(diǎn)，累計(jì)沉降量達(dá)6.10mm。各標(biāo)段沉降變形趨勢如圖4所示。

圖2　采礦區(qū)與武九線平面位置圖

圖3　設(shè)備平面布設(shè)示意圖

圖4　11月期間各標(biāo)段沉降變形趨勢圖

分析表明：截至目前，武九線K88+600～K89+ 250標(biāo)段各項(xiàng)數(shù)據(jù)正常，當(dāng)次沉降量和累計(jì)沉降量變化不大，均未超過鐵路部門設(shè)置的預(yù)警值。鐵路路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，處于安全狀態(tài)。

4　結(jié)束語

（1）鐵路路網(wǎng)布局多穿過野外，沿線的地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，常規(guī)監(jiān)測方法效率低下，且無法隨時(shí)了解現(xiàn)場的動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果，影響快速?zèng)Q策，很難達(dá)到及時(shí)預(yù)警的目的。針對這些情況，采用自動(dòng)采集技術(shù)、無線傳輸技術(shù)以及計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)相結(jié)合的全自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。

（2）采用VisualC++網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，以SQLServer 2005為后臺數(shù)據(jù)庫，開發(fā)的鐵路路基沉降全自動(dòng)監(jiān)測預(yù)警及信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)接收和信息化管理分析，為管理部門及時(shí)了解現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果和快速?zèng)Q策提供了強(qiáng)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(jiān)測應(yīng)用，表明此監(jiān)測系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、無線通信、無人值守和低功耗的特點(diǎn)。根據(jù)實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測結(jié)果，可以綜合預(yù)測采礦誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，為鐵路線的防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)。

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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(xiàng)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(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(xiàn)標(biāo)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(jiān)測方面的研究。