鐵路高邊坡變形自動化監(jiān)測新技術(shù)研究

張成雷 等

汪振眾? 張國建? 高幸? 劉衛(wèi)東? 石海龍

摘? 要：隨著中國高速鐵路的蓬勃發(fā)展，鐵路沿線的邊坡變形情況也越來越嚴重，其會對人們的生命財產(chǎn)安全帶來威脅。以鐵路邊坡監(jiān)測為出發(fā)點，介紹了鐵路邊坡變形的類型和特點、影響其穩(wěn)定性的因素等，系統(tǒng)概述了鐵路邊坡監(jiān)測的監(jiān)測內(nèi)容和新技術(shù)（如北斗定位技術(shù)、LiDAR技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、MEMS傳感技術(shù)、多源信息融合技術(shù)等），并對邊坡監(jiān)測技術(shù)未來的發(fā)展趨勢進行了展望，以期為鐵路邊坡變形監(jiān)測相關(guān)人員提供一定的借鑒參考。

關(guān)鍵詞：鐵路邊坡；邊坡變形；邊坡監(jiān)測；自動化監(jiān)測；監(jiān)測新技術(shù)

中圖分類號：TP27? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）24-0092-08

Research on New Technologies for Automatic Monitoring of High Slope

Deformation in Railway

ZHANG Chenglei， WANG Zhenzhong， ZHANG Guojian， GAO Xing， LIU Weidong， SHI Hailong

（China Railway 19th Bureau Group No.3 Engineering Co.， Ltd.， Shenyang? 110000， China）

Abstract： With the vigorous development of high-speed railway in China， the deformation of slopes along the railway is becoming increasingly serious， posing a threat to people's lives and property safety. Starting from railway slope monitoring， this paper introduces the types and characteristics of railway slope deformation， factors affecting its stability， and systematically summarizes the monitoring content and new technologies of railway slope monitoring （such as Beidou positioning technology， LiDAR technology， fiber optic sensing technology， MEMS sensing technology， multi-source information fusion technology， etc.）. It also looks forward to the future development trend of slope monitoring technology， in order to provide certain reference for personnel related to railway slope deformation monitoring.

Keywords： railway slope; slope deformation; slope monitoring; automatic monitoring; new monitoring technology

0? 引? 言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，建設(shè)工程項目也越來越多，鐵路工程項目是其中較為常見的一種，確保工程安全尤為重要。鐵路邊坡變形不僅會威脅鐵路的運行安全，還會影響我們的經(jīng)濟生產(chǎn)和日常生活。近年來，鐵路邊坡滑坡、崩塌等情況時有發(fā)生，釀成一起起交通事故。例如，2016年7月6日，位于湖北的長荊鐵路DK10+153～353段因連續(xù)多日下雨致使其鐵路邊坡受到破壞，邊坡部分滑落導(dǎo)致鐵軌懸掛，全線列車無法正常運行；2018年6月20日，位于景德鎮(zhèn)的皖贛鐵路線上，某一段高路基在連續(xù)高強度降雨的沖擊破壞下出現(xiàn)塌方事故，導(dǎo)致部分邊坡土體掉落到鐵路軌道中，影響該線路的安全運行；2018年9月8日，福建華安縣境內(nèi)的鷹廈鐵路線上，由于山體失穩(wěn)致使該線路K562+20處的邊坡發(fā)生滑坡，導(dǎo)致列車運行路線被中斷，只能暫停運行。

鐵路邊坡不僅會出現(xiàn)崩塌、滑坡等形式的損壞，還會出現(xiàn)流動、剝落等形式的損壞。崩塌、滑坡是較為常見的邊坡?lián)p壞，還有一些損壞形式處于這兩者之間，嚴重的損壞形式是崩塌、滑坡的同時伴有流動、剝落等形式的損壞。若邊坡的頂部存在裂縫，在強烈的地震和暴雨作用下邊坡產(chǎn)生崩塌的可能性就會很大。邊坡崩塌的原因可能是風(fēng)化作用減小了其內(nèi)部土體的黏聚力，也可能是降雨時有水進入縫隙中引起了水壓，還可能是地震振動、雷電沖擊使邊坡開裂、崩解。水分和溫度是形成風(fēng)化的主要因素，為了防止邊坡崩塌，要重點監(jiān)測其表面裂縫的出現(xiàn)、環(huán)境中的水分和溫度變化、降雨量以及地震、雷擊等狀況。邊坡的滑坡是指其巖土體在重力作用下，邊坡內(nèi)部軟弱面發(fā)生整體滑移。滑坡破壞的速度比崩塌慢，一般發(fā)生在邊坡內(nèi)部，因此，需要重點監(jiān)測滑坡深部位移。

根據(jù)鐵路邊坡的內(nèi)部構(gòu)造，可以將邊坡分為兩類：巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡。在巖質(zhì)邊坡中，最常見的破壞就是崩塌，但也不排除其他類型的破壞，如滑坡破壞等。然而，如若巖石中存在脆性結(jié)構(gòu)（如軟弱的結(jié)構(gòu)、風(fēng)化層），邊坡存在斜度較大的斜面，并且發(fā)現(xiàn)有地下水流動時，就要時刻注意邊坡變形情況并對地下水位進行監(jiān)測，預(yù)防邊坡產(chǎn)生滑坡破壞。邊坡中的軟弱巖石層在遭到風(fēng)蝕和潮氣侵蝕時，極有可能會使邊坡發(fā)生滑坡破壞，若破壞程度比較小，滑動只發(fā)生在表面，這種程度的滑坡破壞還需要監(jiān)測周圍環(huán)境的濕度。此外，軟巖石部位地基相當松散，需要定期監(jiān)控地基濕度。在土質(zhì)邊坡中，由于上層土體不太密實，較為松散，若水分浸入到土體中，土體會被軟化，極其容易發(fā)生滑坡?lián)p壞；由于下層結(jié)構(gòu)緊湊，承受水壓的能力較弱，在邊緣處會出現(xiàn)脆性現(xiàn)象，從而引發(fā)滑坡?lián)p壞。進行定時定量的地下水流速和降水量監(jiān)測是預(yù)防鐵路邊坡發(fā)生滑坡?lián)p壞的必要手段。

鐵路邊坡的穩(wěn)定性受多種因素的共同影響，包括邊坡組成、特征、結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境等。為了確保邊坡的安全，在檢查和評估鐵路邊坡時，應(yīng)根據(jù)不同種類邊坡的特點和結(jié)構(gòu)，精確調(diào)整各項指標，使邊坡達到最佳的穩(wěn)定狀態(tài)。按照組成成分的不同可將鐵路邊坡分為硬質(zhì)巖坡（崩塌破壞）、內(nèi)部有軟質(zhì)層的硬巖坡（崩塌和滑坡破壞）、軟質(zhì)巖坡（崩塌和滑坡破壞）、土質(zhì)邊坡（滑坡破壞）四類[1，2]。

隨著我國鐵路事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，邊坡變形所帶來的危害日益凸顯，其失穩(wěn)性極強，在邊坡失穩(wěn)前進行預(yù)測存在一定的困難。因此，設(shè)計一套功能完備的監(jiān)測系統(tǒng)，將在線監(jiān)測與預(yù)警播報相結(jié)合，對邊坡變形失穩(wěn)狀況進行有效的監(jiān)測和防控，確保邊坡穩(wěn)定和鐵路安全。通過對鐵路邊坡進行全方位監(jiān)測以及對邊坡重點部位和脆弱區(qū)域進行重點監(jiān)測，不僅為邊坡的設(shè)計、施工提供一定的保障，還給邊坡的維護和加固提供了可靠的依據(jù)，從而保證了邊坡的穩(wěn)定性和鐵路運輸?shù)陌踩?，提高鐵路運輸?shù)男省?/p>

在鐵路邊坡的現(xiàn)場，由于環(huán)境艱苦，加上受電磁波的干擾，使得設(shè)備的維修變得更加復(fù)雜和困難。而且，傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)除了受外部因素的影響之外，還存在一些致命缺點，如技術(shù)手段不成熟、儀器精度不理想、不適用于長時間、遠距離監(jiān)測等，因而無法用于鐵路邊坡變形監(jiān)測。隨著IT技術(shù)的不斷進步，對邊坡的監(jiān)測和控制已經(jīng)取得了長足的進步，監(jiān)測設(shè)備的準確率、覆蓋率、可靠性、靈活性和可控性都得到了顯著的提升。

本文著重介紹鐵路邊坡監(jiān)測的內(nèi)容以及近幾年陸續(xù)出現(xiàn)的邊坡監(jiān)測新技術(shù)，如全球衛(wèi)星定位技術(shù)、LiDAR技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、MEMS傳感技術(shù)等新型自動化技術(shù)以及將各種技術(shù)和數(shù)據(jù)有機結(jié)合的多源信息融合技術(shù)。在邊坡監(jiān)測中，根據(jù)工程實際要求設(shè)計監(jiān)測方案，采用新型自動化技術(shù)可以更好地實現(xiàn)對邊坡的遠程實時監(jiān)測，借助多源信息融合技術(shù)還可以將這些新型技術(shù)結(jié)合起來使用，獲得更加直觀、更加可靠的監(jiān)測方案，得到更加完整的監(jiān)測數(shù)據(jù)和結(jié)果。

1? 鐵路邊坡監(jiān)測內(nèi)容

邊坡的損毀不是一朝一夕之事，往往會經(jīng)歷年深月久的演進。因此，我們需要定期進行邊坡變形量監(jiān)測，做好應(yīng)付邊坡變形破壞的準備工作，并且通過邊坡動態(tài)變化來驗證治理方案的合理性。在鐵路邊坡實際工程監(jiān)測項目中，要了解邊坡內(nèi)部構(gòu)造和變形狀況，制定滿足監(jiān)測需求的位移監(jiān)測方案。

1.1? 邊坡變形監(jiān)測

邊坡變形監(jiān)測主要包括以下三個方面的內(nèi)容：地表位移監(jiān)測、邊坡表面裂縫測量、邊坡深部位移測量。

1.1.1? 地表位移監(jiān)測

用于地表位移監(jiān)測的儀器設(shè)備有很多，包含高精度的大地測量儀、緯度儀、水準儀、GPS、裂縫針、鋼尺、標樁、地表位移伸長計以及功能豐富的無人機測量儀器。在進行邊坡水平位移、垂直位移和改變速度的監(jiān)測時，我們會采用多種不同的方式，主要是使用十字交叉網(wǎng)和放射狀網(wǎng)。

1.1.2? 邊坡表面裂縫測量

邊坡存在裂縫是邊坡失穩(wěn)的重要隱患，因此我們需要重點監(jiān)測邊坡表面是否存在裂縫。使用仲裁儀、位錯計、千分卡檢查邊坡是否存在裂縫、裂縫的大小、發(fā)育情況，還可以在邊坡上安裝樁或固定標尺，抑或是在裂隙處安裝薄膜，實現(xiàn)對邊坡裂縫的監(jiān)測。通過檢查和分析裂縫的形成和發(fā)育情況，能夠清晰明了地知曉它的變化趨勢，對邊坡周邊巖石和支撐結(jié)構(gòu)的變化情況進行分析，可以對邊坡的穩(wěn)定性做出準確的判斷和預(yù)測。

1.1.3? 邊坡深部位移測量

地表位移測量可以擴大監(jiān)測范圍，提高監(jiān)測精度。雖然邊坡表面裂縫量測可以更加直觀地反映出邊坡的結(jié)構(gòu)變化，但卻無法捕捉到邊坡內(nèi)部巖體的細微變化，因此，需要借助深部位移監(jiān)測達到探測內(nèi)部巖體細微變化的目的。測量邊坡深部位移的常用工具有鉆孔引伸儀和鉆孔傾斜儀，可以提供較為精準的測量結(jié)果。

1.2? 邊坡應(yīng)力監(jiān)測

在分析邊坡內(nèi)部失穩(wěn)情況的過程中，采用現(xiàn)場監(jiān)測的方法能夠確定其內(nèi)應(yīng)力的變化，推測內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測程度并給出預(yù)警值。邊坡應(yīng)力監(jiān)測內(nèi)容主要分為三個方面：邊坡內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測、支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測、錨桿預(yù)應(yīng)力監(jiān)測。通常，采用壓力盒完成邊坡內(nèi)部應(yīng)力試驗，檢查其滑帶的承重阻滑能力及支擋結(jié)構(gòu)的承載力狀況，以便掌握將滑坡體傳給支擋部位時的內(nèi)部壓力狀況，檢驗支撐構(gòu)件的穩(wěn)定性，等等。在較大規(guī)模的邊坡施工中，一般會通過深孔內(nèi)應(yīng)力解除法來完成邊坡地應(yīng)力監(jiān)測試驗，對地應(yīng)力進行絕對檢查，并監(jiān)視其位置變化，以便掌握施工過程中地應(yīng)力的變動狀況。由于邊坡錨桿錨索應(yīng)力的變動可以反映出邊坡荷載，通過監(jiān)測邊坡的錨固能力，不但能根據(jù)位移計算修正錨桿的設(shè)計系數(shù)，而且還能掌握邊坡荷載的變動狀況。

1.3? 邊坡地下水監(jiān)測

誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要因素是地下水，對于地下水豐富的邊坡來說，對地下水的動態(tài)監(jiān)測是一項十分重要的監(jiān)測內(nèi)容。針對特殊的工作條件，地下水動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)涉及地下水孔隙水壓力、流動水壓力、地下水質(zhì)量控制等信息。特別是在路基施工階段，孔隙水情況是判斷和監(jiān)測路基穩(wěn)定性的一項關(guān)鍵指標，必須在工地安裝孔隙水壓儀進行實時觀測。

2? 鐵路邊坡監(jiān)測新技術(shù)

國內(nèi)科研工作者針對邊坡變形監(jiān)測做出了不少的努力，并取得了出色的研究成果，開發(fā)出各種各樣的監(jiān)測技術(shù)方法。由原始人工探測逐步演變?yōu)榧婢邔崟r性、可靠性、智能化和高精度的技術(shù)方法。

2.1? LiDAR技術(shù)在鐵路邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1.1? 機載LiDAR技術(shù)

機載LiDAR技術(shù)不僅可以用于大范圍的測量，還可以用于距離較遠的測量。因此，它特別適用于鐵路網(wǎng)和高速鐵路邊坡的監(jiān)測。它的主要應(yīng)用如下：

1）采用先進的LiDAR技術(shù)提取邊坡數(shù)據(jù)信息，可以大范圍采集到鐵路網(wǎng)的激光點云、影像數(shù)據(jù)等。將該技術(shù)與高精度的數(shù)值地形模型、高清晰度的正射映像以及路面設(shè)備建模相結(jié)合，構(gòu)筑出一個完善的鐵路安全管理運維系統(tǒng)，從而更加高效、便捷地進行鐵路的監(jiān)督與控制，如圖2所示。

2）LiDAR技術(shù)提供一種準確性極高的數(shù)字地形模擬，它能夠輕松檢測出道路表面的不均勻狀況以及邊坡的傾斜程度，從而更好地預(yù)防鐵路周邊各種自然災(zāi)害，如沉降、泥石流、塌陷和滑坡。此外，LiDAR技術(shù)還能夠在特殊天氣條件下提供較為準確的檢測結(jié)果。

3）在鐵路建設(shè)中，需要預(yù)防和控制各種類型的自然災(zāi)害，包括泥石流、滑坡和塌陷。采用先進的DEM技術(shù)能夠快速準確地評估這些自然災(zāi)害的輻射范圍和影響程度，收集有關(guān)滑坡、泥石流和塌方等災(zāi)害的詳細信息。

4）可采用LiDAR技術(shù)進行廣泛的監(jiān)測，得到大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而更好地分析鐵路的運營狀況。該技術(shù)的監(jiān)測精度很高，所獲得的數(shù)據(jù)既安全又可靠，而且監(jiān)測效果不受天氣影響，但是其成本較高，具有一定的監(jiān)測盲區(qū)，難以監(jiān)測細微的變形區(qū)。

2.1.2? 車載LiDAR技術(shù)

車載LiDAR技術(shù)是一種高效的車載信號處理系統(tǒng)，能夠快速準確地采集鐵路沿線的邊坡信息，特別適用于短周期和長距離的鐵路邊坡監(jiān)測。該技術(shù)的優(yōu)勢如下：

1）可以迅速獲取鐵路沿線的地形和影像數(shù)據(jù)，邊坡的微小變化也在它的監(jiān)測范圍之內(nèi)[3]。

2）鐵路沿線邊坡容易發(fā)生局部滑坡、崩塌、泥石流等破壞，需要定期對其進行監(jiān)測，保障鐵路運營安全。

2.1.3? 地面LiDAR技術(shù)

地面LiDAR技術(shù)是一種基于全站儀平臺的地面測量技術(shù)，它具有強大的測距能力，能夠快速定位和有效收集邊坡信息。適用于監(jiān)測重要的區(qū)域、邊坡和高架橋等，監(jiān)測精度較大且周期較短，反饋數(shù)據(jù)的速度較快，是獲取局部鐵路信息的最佳手段[4]。

2.1.4? LiDAR技術(shù)應(yīng)用案例

選取河南省修武縣某山區(qū)丘陵公路旁邊的邊坡作為試驗對象，采用移動LiDAR技術(shù)對試驗區(qū)邊坡進行考察和分析。圖1（a）為往返2次數(shù)據(jù)同時加載后整體邊坡點云效果圖，圖1（b）、（c）、（d）分別為圖1（a）中1、2、3這三個位置的邊坡點云數(shù)據(jù)圖[5]。

采用車載三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時獲取各種初始數(shù)據(jù)，包括激光掃描數(shù)據(jù)信息以及通過導(dǎo)航系統(tǒng)獲取的位置、姿態(tài)信息等。對從點云數(shù)據(jù)中采集到的邊坡高度、坡度、坡向信息進行深入分析，獲得更加準確的坡面信息，從而更好地評估邊坡的穩(wěn)定性，最終形成一張完整的坡點云圖，如圖1（b）、（c）和（d）所示。

圖1（a）中1、2、3這三個邊坡區(qū)域的特征差異性很大，可以基本代表整體路段的邊坡類型，因此可以選取這三個區(qū)域作為邊坡穩(wěn)定性分析的重要對象。

采用車載LiDAR技術(shù)進行監(jiān)測，可以掃描出邊坡的地形地貌概況，在收集點云數(shù)據(jù)的同時，采用圖像記錄方法收集其余各項數(shù)據(jù)，還可以基于點云數(shù)據(jù)對邊坡穩(wěn)定性影響因子進行加權(quán)分析，呈現(xiàn)出邊坡的穩(wěn)定狀況，對邊坡的危險區(qū)域進行分析。通過該監(jiān)測手段得出了高速公路邊坡災(zāi)患的影響因素。

2.2? 北斗定位技術(shù)

2.2.1? 北斗定位技術(shù)簡介

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是指我國著眼于國家安全和經(jīng)濟發(fā)展的需要，自主建設(shè)運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天時、全天候高精度定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)措施[6]。北斗定位是一種基于衛(wèi)星瞬時位置的精確定位技術(shù)，它利用空間距離的變化，通過無線電測距技術(shù)精確地測量出待測點的位置，從而實現(xiàn)對地球的精準定位，如圖2所示。

北斗技術(shù)通過遙控設(shè)備，基于與其他衛(wèi)星的相對高度差來確定目標的位置。這種技術(shù)可以幫助我們更好地了解周圍的環(huán)境，讓我們能夠及時采取有效的措施?；诒倍范ㄎ坏倪吰卤O(jiān)測系統(tǒng)是集衛(wèi)星定位技術(shù)、精密傳感測量技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)等于一體的綜合性系統(tǒng)，自下而上由監(jiān)測子系統(tǒng)、基準站子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸層和監(jiān)測分析平臺組成[7]。

以北斗衛(wèi)星作為參考，我們可以獲取每個監(jiān)測點的實際位置，并將其與初始數(shù)據(jù)進行比對，從而獲取每個監(jiān)測點的實際位移。最終，可以采用專門的算法來計算這些數(shù)據(jù)。借助先進的小波、多項式趨勢和統(tǒng)計學(xué)方法，對原始的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深入的研究。此外，還可以通過濾波、降噪和預(yù)測的方式來提高監(jiān)測效果，根據(jù)不同的地質(zhì)和氣候條件，通過綜合分析消除任何可能的誤差，獲取準確的位置信息。所獲取的監(jiān)測點位移信息會被傳遞到一個專門的監(jiān)控平臺，該平臺會根據(jù)具體的信息情況生成多種不同時間序列的形變參數(shù)以及其他有用的技術(shù)指標，以供維修工作者隨時檢索。一旦達到預(yù)先規(guī)劃的限制，系統(tǒng)會即刻發(fā)出警告，以便相關(guān)人員及早采取行動。

2.2.2? 北斗技術(shù)應(yīng)用實例

此次監(jiān)測的對象為北京都安高速公路二十標段附近某路塹山體邊坡，其坡面、巖層面、節(jié)理J1、J2、J3的傾向和傾角如表1所示，所繪制的赤平投影圖如圖3所示。

通過分析赤平圖，了解到邊坡整體穩(wěn)定性良好、安全性較高。為了滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JGJ D30—2015）的要求，采用北斗技術(shù)對該邊坡進行動態(tài)監(jiān)測，以確保其安全可靠。

該邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此主要監(jiān)測其位移量變化。該邊坡只有坡頂受到累計位移的影響，整體變形量相對較大，因此在公路右側(cè)山頂上布置1個GNSS監(jiān)測器，作為基準臺站和數(shù)據(jù)匯總臺站，同時將3個監(jiān)測器均勻布置在坡頂位置，并將其命名為北斗1#、2#、3#，如圖4所示。

監(jiān)測系統(tǒng)自2018年8月中旬啟用后，就一直保持著穩(wěn)定運行的狀態(tài)。該系統(tǒng)可提供24小時的不間斷監(jiān)控，以確保監(jiān)測儀能夠持續(xù)運轉(zhuǎn)，并且每天都會回傳一組數(shù)據(jù)，圖5、圖6、圖7顯示的是2018年7月3日至2019年7月3日（以一個月為間隔）各監(jiān)測點的結(jié)果[8]。

從北斗監(jiān)測出的位移圖中可以看出，水平位移和豎直位移的變化趨勢呈現(xiàn)出明顯的波動，由于北斗所監(jiān)測豎直點位置的準確性較低，需要重點關(guān)注邊坡水平位移的變化。

1#監(jiān)控點水平方向位移自2019開春以來呈現(xiàn)出快速上升的態(tài)勢，水平位移高達8.37毫米。根據(jù)初步評估，由于降雨量的增加，邊坡的位移變化不大，但需要進一步觀察這個監(jiān)控點的位移情況，如果位移繼續(xù)快速增加，則應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況采取有效的防護措施，以避免危險的發(fā)生。2#和3#監(jiān)測點的水平位移均低于6.5毫米，沒有明顯的加速趨勢。考慮到位移的精度為2.061毫米，這兩個點的位移都低于9毫米，據(jù)此可知，2#和3#點位處的穩(wěn)定性較好。結(jié)合三個點位的位移變化規(guī)律，可認定為邊坡目前處于平穩(wěn)狀態(tài)，但若變形趨勢繼續(xù)增大，則需加強對1#監(jiān)控點的觀察，并對其進行一定程度的預(yù)防。該監(jiān)測技術(shù)可以很好地反映出邊坡的真實狀況，可實現(xiàn)對邊坡變形的實時監(jiān)測、預(yù)測和預(yù)報。

2.3? 光纖傳感技術(shù)

光纖傳感技術(shù)是一種新型傳感技術(shù)，將傳感與傳輸集為一體，即以光作為傳感介質(zhì)，光纖作為傳輸通道，其工作原理如圖8所示。當作用于光纖的外界參量（如應(yīng)變、溫度、壓力、電場、折射率等）發(fā)生變化時，傳輸光的特征參量（如強度、相位、偏振態(tài)、頻率、波長）也會隨之變化，基于此原理可以獲得外界被測參量的信息[9]。光纖傳感器具有許多獨特的優(yōu)點，如小巧、精致、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強、穩(wěn)定性好、可重復(fù)使用以及可實現(xiàn)遠程傳輸?shù)龋虼嗽谕两ê徒煌I(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

光纖傳感設(shè)備滿足鐵路邊坡監(jiān)測的要求，常用來監(jiān)測鐵路邊坡變形情況，目前主要用于邊坡的深層變形和地表變形監(jiān)測。

2.3.1? 邊坡深部變形監(jiān)測

邊坡深部變形滑移是衡量邊坡穩(wěn)定性和變形程度的重要指標，它不僅可以幫助我們更好地理解邊坡變形的機制，還可以及時給出預(yù)測和災(zāi)害預(yù)警。

三峽大學(xué)的萬華琳等人[10]基于微彎機理研發(fā)了強度調(diào)制光時域反射（OTDR）技術(shù)，以有效監(jiān)測邊坡深部變形。他們把光纖安裝在測斜管上，然后把它們插進深部，這樣就可以觀察到邊坡深部變化對光纖造成的影響，從而確定深部變形的位置及其變化幅度。

隨著監(jiān)測技術(shù)的不斷更新，有越來越多的學(xué)者開始利用BOTDR技術(shù)和鉆孔測斜管來檢測和跟蹤邊坡的深層位置。南京大學(xué)的劉杰教授等人[11]針對這個技術(shù)做了相關(guān)試驗，他們把傳感器安裝在測斜管的表面，然后利用BOTDR技術(shù)來測量傳感器的應(yīng)變分布，獲取邊坡深層位置的數(shù)據(jù)，從而對該區(qū)域的情況進行實時、準確的監(jiān)控。裴華福教授和他的團隊采用相似的埋設(shè)方法，通過FBG技術(shù)測得邊坡深部土體滑移位移，據(jù)此判斷邊坡是否穩(wěn)定。

2.3.2? 邊坡地表變形監(jiān)測

采用分布式光纖傳感和光纖光柵傳感技術(shù)，可以更加準確地檢測到邊坡坡面的滑移、崩塌、變形，有效評估邊坡的穩(wěn)定性和安全性，從而進一步保障邊坡的安全。

南京大學(xué)隋海波等人[12]開發(fā)了全新的BOTDR技術(shù)，用來實現(xiàn)對邊坡的實時監(jiān)測。他們通過把傳感器安裝到邊坡的不同部位（比如邊坡頂部、邊坡坡腳處、邊坡中部）來實現(xiàn)對邊坡的實時監(jiān)控。這種技術(shù)可以有效地控制邊坡的變化，還可以幫助邊坡建造者管理邊坡的穩(wěn)定性。隨著邊坡的不斷改變，表層巖石和土壤的穩(wěn)定性受到影響，加之框架結(jié)構(gòu)的變形和裂縫的存在，使得傳感器的測量能夠更加準確地反映出邊坡的實際狀況。

中國地質(zhì)大學(xué)的史彥新等人[13]開展了一項重大的研究，他們將FBG和BOTDR兩種光纖傳感技術(shù)有機地結(jié)合，以更加精確的方式監(jiān)測邊坡變形。FBG的監(jiān)測精度較高，而BOTDR可以進行分布式監(jiān)測，兩者相結(jié)合可以獲取更加全面的坡面整體變形信息，且能夠更加準確地檢測出關(guān)鍵部位的變形情況。

總之，邊坡深部變形和地表變形是影響邊坡穩(wěn)定性的兩個重要因素。傳統(tǒng)的光纖傳感技術(shù)可以有效檢測出邊坡深部變形，它們通過將光纖光柵粘貼在測斜管上，并計算出相應(yīng)的應(yīng)變值，從而精確地估算出邊坡的滑動位移。

此外，利用光纖傳感技術(shù)研發(fā)了光纖傾角傳感器，優(yōu)化了它的整體結(jié)構(gòu)，采用具有更窄反射光譜帶寬的光柵以及靈敏度更高的光纖白光干涉型元件（F-P腔），目的在于提高傾角傳感器的靈敏度、精確度和分辨率，同時改善其遲滯性、重復(fù)性、線性度等性能，不僅可以滿足鐵路邊坡變形監(jiān)測的技術(shù)要求，還能滿足其長期實時監(jiān)測的需求。

光纖傾角傳感器是一種新型傳感器，具有體積小、精確性好的優(yōu)點，能夠抵御外界電磁波和化學(xué)污染，能夠適應(yīng)多種惡劣的環(huán)境。這種傳感器的出現(xiàn)，使傾角傳感技術(shù)得到了快速發(fā)展，逐漸應(yīng)用于許多行業(yè)。光纖傾角傳感器能夠根據(jù)傾斜情況，將傾角角度傳遞給傳感器，產(chǎn)生相關(guān)的應(yīng)力和位置，最終產(chǎn)生相應(yīng)的光信號，完成傾角真實數(shù)據(jù)采集。目前，光纖傾角傳感器廣受研究者的關(guān)注，特別是光柵類傳感器。光纖光柵承擔負荷的方式有兩種：一種是通過拉伸或擠壓產(chǎn)生承擔負荷的應(yīng)力；另一種是通過與敏感機械部分相連產(chǎn)生承擔負荷的應(yīng)力。

2.3.3? 光纖傳感技術(shù)應(yīng)用實例

2020年9月，陜西省咸陽市涇陽某礦山的邊坡，由于受雨水的影響，邊坡頂部出現(xiàn)了垮塌和掉塊的現(xiàn)象，為了確保邊坡的安全，在10月份采用OMMS監(jiān)測系統(tǒng)進行了全面的監(jiān)測。

在OMMS監(jiān)測系統(tǒng)中，傳輸單元選用普通單G.652光纖，傳感單元選用特制光纖傳感器串，以確保測試系統(tǒng)的準確性和可靠性。在邊坡頂部穩(wěn)定區(qū)域的土體內(nèi)部開鑿出四個大小為90 mm、深度約為2 000 cm的小洞，然后將光纖監(jiān)測管垂直安置在這些小洞中，并用混凝土將其密封[14]。

OMSS監(jiān)測系統(tǒng)不僅能實時監(jiān)測地面上部、下部的變動情況，還能及時監(jiān)測邊坡內(nèi)外裂縫情況，對邊坡失穩(wěn)、崩塌、滑坡等破壞起到很好的監(jiān)測預(yù)警作用。該系統(tǒng)在監(jiān)測過程中，對傳感器收集的信號進行解調(diào)處理，轉(zhuǎn)換成應(yīng)變信息，通過4G衛(wèi)星傳輸?shù)焦苍贫耍?jīng)云端數(shù)據(jù)處理和分析后，借助企業(yè)微信管理平臺將警報信息實時發(fā)送到每個巡查者的手機上，以便巡查者及時發(fā)現(xiàn)緊急情況并做出相應(yīng)的處理。

為了更好地監(jiān)測邊坡深層位置的變化情況，我們在頂部平臺上安裝了JCK1和JCK3光纖監(jiān)測管，而在中部平臺上安裝了JCK2和JCK4測斜管。通過測量發(fā)現(xiàn)，2組探測管測量到的邊坡深層位置的變形分布情況十分相似，它們都隨著測斜管的埋深而逐漸收斂，最終保持穩(wěn)定，如圖9所示。根據(jù)所獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以得知這一過程的變形趨勢比較平穩(wěn)，其增長趨勢并不明顯，加上此處邊坡坡度較淺，因此可以認為邊坡的穩(wěn)定性較好。

2.4? MEMS傳感技術(shù)

2.4.1? MEMS傳感技術(shù)簡介

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）即微機電系統(tǒng)，指尺寸小至幾毫米的高科技裝置，可批量制作，是一種將微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口、通信和電源等融為一體的微型器件或系統(tǒng)[15，16]。

MEMS的工作原理，是通過微傳感器將從外部接收到的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)化為光信號，在經(jīng)過工藝數(shù)據(jù)處理后由微執(zhí)行器完成計算，從而實現(xiàn)與外界環(huán)境的“互動”。MEMS技術(shù)能夠提供精確的數(shù)據(jù)，包括加速度、角速度和角度。對傳感器獲取的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和計算，能夠獲取位移的時程曲線[17]。使用最優(yōu)解能夠消除計算過程中的偏差，從而獲取準確的數(shù)據(jù)，如圖10所示。

邊坡主要是在水平方向發(fā)生形變，無須考慮邊坡沉降的情況，所以基于MEMS加速度傳感器設(shè)計了深部位移模塊中的位移信息采集單元（陣列式位移計）。選擇重力加速度作為測量基準，通過測得的三軸加速度與重力加速度的三角函數(shù)關(guān)系，得到各軸與水平方向的夾角大小，再根據(jù)數(shù)學(xué)公式計算位移值，從而完成水平位移豎向分布的位移采集模塊。MEMS陣列位移計采用先進、高精度的三維測量技術(shù)，同時采用一組先進的微電子機械系統(tǒng)，以及經(jīng)過嚴格驗證的計算程序，可以精確地測量出物體的三維變形。

通過安裝多枚MEMS傳感器，不僅能夠準確地檢測出滑坡發(fā)生之前的地質(zhì)狀態(tài)，還能獲取滑坡發(fā)生期間的地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，從而更好地理解地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，為深度學(xué)習(xí)和安全評估提供重要的參考依據(jù)。

2.4.2? MEMS傳感技術(shù)應(yīng)用實例

以某大型抽水蓄能電站為研究對象，該電站水工建筑物安裝有多種監(jiān)測儀器和監(jiān)測設(shè)施，其中包括邊坡深層位移監(jiān)測設(shè)施[18]。使用人工方法進行監(jiān)測有很多不足之處，如監(jiān)測中間環(huán)節(jié)過多、監(jiān)測點位移難以測量、監(jiān)測實時性較差等，這些都會導(dǎo)致測量結(jié)果存在較大的差異，從而影響對邊坡穩(wěn)定性的判斷。因此，為確保電站的安全運行，在對該電站西外坡存在的f207、f212斷層進行監(jiān)測時，深層位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性至關(guān)重要。根據(jù)IN5測點的歷史觀測資料，可以發(fā)現(xiàn)該測點的變形特征非常明顯。經(jīng)過現(xiàn)場考察，決定在該測點建立一個基于MEMS傳感器的內(nèi)外一體化變形自動監(jiān)測系統(tǒng)。

采用ADM系列MEMS加速度傳感器進行邊坡深部位移監(jiān)測，采用DT100型GNSS設(shè)備進行表面位移監(jiān)測，將兩者的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)合地表和地下監(jiān)測實現(xiàn)IN5區(qū)域一體化自動監(jiān)測，從而更好地反映邊坡的變化情況，測站模型如圖11所示。

在同一點位上，將以往活動測斜儀采集到的數(shù)據(jù)與一體化監(jiān)測裝置獲取到的數(shù)據(jù)進行比對，驗證該裝置在邊坡變形監(jiān)測中的有效性和可靠性，將2018年6月20日至2020年6月20日期間數(shù)據(jù)、2021年7月至2021年8月期間數(shù)據(jù)進行對比，對比結(jié)果如圖12所示。

通過比較分析兩者位移變化情況，可以發(fā)現(xiàn)深度越大曲線的分布特點就越相近，關(guān)聯(lián)性越強，且邊坡內(nèi)部三維變形軌跡的波動規(guī)律合理，因此可以認為MEMS加速度傳感器與GNSS設(shè)備組成的自動化監(jiān)測設(shè)備可以全面監(jiān)測邊坡坡體狀況。另外，將邊坡坡面和內(nèi)部變形情況結(jié)合分析、校準，可全面掌握邊坡變形的實際狀況。

2.5? 多源信息融合技術(shù)

2.5.1? 多源信息融合技術(shù)簡介

多源信息融合是指在一定的準則下，將計算機從不同來源和不同時間獲得的信息進行處理分析，從而獲得有效預(yù)估和決策。在多傳感器監(jiān)測系統(tǒng)中，信息融合技術(shù)可以綜合各類傳感器的信息（打破單類傳感器的局限性），然后對這些信息進行整合分析，通過信息之間的互補和冗余得到對事物的完整描述[19]。采用基于此技術(shù)的多源信息監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測，可以在很大程度上提高該系統(tǒng)的可靠性、準確性，從而使整個系統(tǒng)變得更加智能化。

2.5.2? 多源信息融合技術(shù)應(yīng)用實例

以某型飛機疲勞試驗為例，采用一套完整的多源信息實時監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)測，將某段試驗視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)與試驗載荷施加數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，在此基礎(chǔ)上完成試驗。

對試驗重點區(qū)域進行整體布局，在試驗中心位置布置一臺全景相機，再在四周均勻布置多臺高清攝像機，這樣不僅可以實時監(jiān)測現(xiàn)場場景變化，還可以滿足整機強度試驗作業(yè)和安全管控的需求。由這些監(jiān)測相機構(gòu)成一個三維立體監(jiān)控方案，可以全面監(jiān)測到試驗區(qū)域狀況，為后面的試驗決策提高有效且可靠的數(shù)據(jù)支撐。

結(jié)構(gòu)傳載路徑是進行飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮的重點，需要對結(jié)構(gòu)傳載路徑上的關(guān)鍵部位（如機翼主梁、翼身連接區(qū)域等）進行全程監(jiān)控[20]。

所監(jiān)控的關(guān)鍵信息主要包括三種數(shù)據(jù)信息，分別是載荷施加數(shù)據(jù)、應(yīng)變測量數(shù)據(jù)、位移測量數(shù)據(jù)，本次研究將載荷施加數(shù)據(jù)作為試驗對象，依據(jù)試驗機結(jié)構(gòu)分區(qū)建立載荷數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)模型，進行相應(yīng)的分析。

3? 結(jié)? 論

在鐵路邊坡監(jiān)測工作中，采用北斗定位技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、LiDAR技術(shù)、MEMS傳感技術(shù)等新型自動化技術(shù)，不僅可以保證邊坡監(jiān)測工作的順利進行，還能夠保證邊坡監(jiān)測結(jié)果的可靠性和準確性，可在一定程度上保障鐵路的運行安全。

通過對邊坡進行監(jiān)測，可以掌握邊坡的真實狀況及其穩(wěn)定性，不僅能夠保證工程項目安全開展，還可以為指導(dǎo)施工、優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，幫助我們降低事故風(fēng)險，把因邊坡失穩(wěn)而造成的損害降到最低。

參考文獻：

[1] 桂紅霞.鐵路邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 [D].武漢，武漢理工大學(xué)，2010.

[2] 徐彤.邊坡變形監(jiān)測研究與分析 [J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2022，12（4）：142-144.

[3] 陳鼎，李文.LiDAR技術(shù)在鐵路邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究 [J].工程建設(shè)與設(shè)計，2020（22）：237-238.

[4] 江萬壽，胡翔云，閆吉星，等.基于機載LiDAR點云的建筑物三維模型重建 [M].北京：中國科學(xué)出版社，2019.

[5] 屈文強.基于機載LiDAR技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害早期識別和分析 [J].經(jīng)緯天地，2023（1）：85-88.

[6] 張平，寇宗乾.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在高鐵四電施工中的應(yīng)用探討 [J].鐵道建筑技術(shù)，2021（10）：173-175+180.

[7] 蹇峽.基于北斗定位技術(shù)的鐵路邊坡監(jiān)測應(yīng)用研究 [J].自動化與儀器儀表，2022（9）：89-92.

[8] 李家春，宋宗昌，侯少梁，等.北斗高精度定位技術(shù)在邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用 [J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2020，31（1）：70-74+78.

[9] 崔鵬.用于鐵路邊坡變形監(jiān)測的光纖傾角傳感器研究 [D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2020.

[10] 萬華琳，蔡德所，何薪基，等.高陡邊坡深部變形的光纖傳感監(jiān)測試驗研究 [J].三峽大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2001，23（1）：20-23.

[11] 劉杰，施斌，張丹，等.基于BOTDR的基坑變形分布式監(jiān)測實驗研究 [J].巖土力學(xué)，2006，27（7）：1224-1228.

[12] 隋海波，施斌，張丹，等.邊坡工程分布式光纖監(jiān)測技術(shù)研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008（S2）：3725-3731.

[13] 史彥新，張青，孟憲瑋.分布式光纖傳感技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用 [J].吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2008（5）：820-824.

[14] 侯小峰，趙秋鵬，劉博濤.基于準分布式光纖傳感技術(shù)在黃土邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用 [J].現(xiàn)代信息科技，2022，6（8）：165-167+171.

[15] 李文龍，高燕.MEMS傳感器在錨桿加固邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究 [J].地球科學(xué)進展，2019，34（4）：439-448.

[16] 邸紹巖，焦奕碩.MEMS傳感器技術(shù)產(chǎn)業(yè)與我國發(fā)展路徑研究 [J].信息通信技術(shù)與政策，2021，47（3）：66-70.

[17] 吳迪，王金晨，楊彥鑫，等.MEMS傳感器在巖溶塌陷物理模擬試驗監(jiān)測中應(yīng)用研究 [J].安全與環(huán)境學(xué)報，2023，23（3）：800-811.

[18] 徐蘭玉，翟潔，周楷.邊坡變形一體化自動監(jiān)測裝置研究與應(yīng)用 [J].大壩與安全，2022，133（5）：52-56.

[19] 王再旺.多源信息融合的邊坡監(jiān)測系統(tǒng)研究 [D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2023.

[20] 劉冰，張建鋒，李濤，等.基于多源數(shù)據(jù)融合的整機試驗監(jiān)控技術(shù) [J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2023，13（8）：19-22.

作者簡介：張成雷（1982.04—），男，滿族，遼寧錦州人，高級工程師，本科，研究方向：公路與鐵路工程的施工與管理；汪振眾（1987.07—），男，滿族，遼寧鞍山人，中級工程師，本科，研究方向：公路與鐵路工程的施工與管理；張國建（1997.09—），男，漢族，吉林松原人，助理工程師，研究方向：公路與鐵路工程的施工與管理；通訊作者：高幸（1997.05—），男，漢族，遼寧昌圖人，助理工程師，研究方向：公路與鐵路工程的施工與管理；劉衛(wèi)東（1979.06—），男，漢族，遼寧凌源人，中高級工程師，本科，研究方向：公路及鐵路工程施工技術(shù)與管理；石海龍（1988.02—），男，滿族，遼寧沈陽人，工程師，本科，研究方向：道橋施工。