運營高速鐵路路基高精度水平位移監(jiān)測技術研究

閆宏業(yè) 蔡德鉤 李竹慶 鄧逆濤

（1.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；2.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081）

路基是高速鐵路平順安全運營的重要基礎［1］。我國高速鐵路路基整體服役情況良好，發(fā)生過病害的長度占路基總長的6.51%［2］。沉降、上拱等異常變形往往伴隨著路基水平位移。臨近既有線地基處理、幫寬堆載等施工過程也會造成路基的水平偏移。高速鐵路作業(yè)驗收、經(jīng)常保養(yǎng)、臨時補修、限速級別的軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差水平管理值分別僅為2，4，6，7 mm［3］。因此須要對路基水平位移進行高精度實時在線監(jiān)測，為線路的建設、運營和維護提供依據(jù)。

常見的巖土體水平位移監(jiān)測系統(tǒng)可分為滑動式、固定式等。考慮高速鐵路運營與人員安全的管理要求，人工拉動下的滑動式監(jiān)測難以實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，而電機驅動類監(jiān)測技術受到零點漂移誤差、探頭導輪誤差、測斜管扭轉誤差等影響［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，也不滿足監(jiān)測精度要求。陣列式位移測量技術（Shape Accelerometer Arrays，SAA）適用于滑坡體深層監(jiān)測，但精度以及長期穩(wěn)定性難以滿足高速鐵路路基變形監(jiān)測要求［5］。固定式監(jiān)測系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生主要有測斜管導槽扭轉、零點漂移誤差等原因。測斜管內有導向槽，實際埋設過程中導向槽易沿管長方向產(chǎn)生扭轉。傳感器在測量過程中受環(huán)境溫度、列車振動等因素影響存在零點漂移誤差。國內水平位移監(jiān)測系統(tǒng)精度一般為5～10 mm/30 m，難以滿足高速鐵路路基對水平位移監(jiān)測的高標準要求。

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

鑒于此，本文基于三軸向測斜傳感器設計了高速鐵路路基水平位移監(jiān)測系統(tǒng)，通過面向傳感器級別的核心硬件電路設計、監(jiān)測系統(tǒng)級別的算法補償、系統(tǒng)安裝設計，形成變形捕捉能力強、監(jiān)測精度高、穩(wěn)定性好、易于便攜安裝的高速鐵路路基水平位移監(jiān)測系統(tǒng)。將該系統(tǒng)應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，以期指導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能供電模塊組成，可實現(xiàn)海量監(jiān)測數(shù)據(jù)實時準確地采集、傳輸。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)高速處理、綜合分析、成圖輸出以及實時預警預報，實現(xiàn)高速鐵路路基結構的安全評估。

圖1 高速鐵路路基水平位移監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

高速鐵路路基水平位移監(jiān)測系統(tǒng)工作原理如圖1所示。各節(jié)測桿與測孔周圍巖土體耦合變形，內置的三軸向測斜傳感器可測得重力加速度與傳感器輸出軸的關系。以測孔軸線的坐標測量為基準，經(jīng)過坐標變換計算出傳感器輸出軸與重力加速度的夾角，從而得出桿體瞬時的傾角。逐節(jié)計算各節(jié)測桿的x，y軸方向的位移，疊加可計算得到任意節(jié)測桿端點相對于基準點的位移。設基準點的坐標為(x0，y0)，則各段端點的平面坐標為

式中：L為單節(jié)測桿的長度；i為基準點以上各測桿端點的序號；n為測桿的總節(jié)數(shù)；θxi為第i節(jié)測桿軸線方向與x軸方向的夾角；θyi為第i節(jié)測桿軸線方向與y軸方向的夾角。

2 監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術

2.1 傳感器溫度補償試驗

所用三軸向測斜傳感器的敏感元件為硅材料，溫度變化對其強度以及殘余應力有很大影響，同時元件彈性模量和剛度也會發(fā)生變化，導致傳感器會發(fā)生很大溫度漂移。其次溫度的變化導致封裝材料吸收和釋放部分氣體，導致真空度的變化，進而影響內部機械結構的穩(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)，溫度變化會對電子器件性能造成很大的影響，導致了傳感器零點漂移穩(wěn)定性能惡化。本文設計了核心硬件電路對溫度誤差進行補償，同時設計了面向傳感器級別的算法補償，對溫度零點漂移進行修正，長期監(jiān)測精度可達1.0 mm/30 m。

2.1.1 核心硬件補償試驗

首先進行源數(shù)據(jù)濾波，解決加速度傳感器的抖動問題，再讀取溫度，進行旋轉二次函數(shù)校準，如圖2 所示。圖3為采用硬件補償前后傳感器在試驗溫度-40～80 ℃內加速度輸出值，可見經(jīng)硬件補償后測試值穩(wěn)定，較好地避免了溫度變化對傳感器精度的影響。

圖2 硬件補償方案

圖3 硬件補償前后加速度曲線

2.1.2 系統(tǒng)算法補償試驗

考慮集成傳感器后獨特的溫度-角度輸出特性，本文設計了升降溫試驗。試驗時長約為24 h，記錄不同溫度值對應的傳感器x軸輸出零點漂移角度值，分析測試過程中每一個溫度循環(huán)對應的輸出曲線，得到x軸或y軸的擬合零點漂移直線，在實際輸出角度中減去相應擬合計算出來的角度偏差，校準原始輸出，分析在x，y軸的校準效果。試驗方案見表1。

表1 溫度補償試驗方案

考慮到高速鐵路路基所處環(huán)境溫度變化范圍，試驗時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。在每個溫度點都要保溫30 min 再進行角度實驗。傳感器固定于水平零位，中間無二次安裝。

圖4 為傳感器x軸零點漂移擬合曲線，該擬合曲線綜合考慮了被測傳感器試驗溫度下降-上升-下降的完整過程，可見升溫、降溫過程中傳感器的零點漂移特性存在差異，因此對去程和回程零點漂移進行了線性擬合。

圖4 傳感器x軸零點漂移擬合曲線

得到x軸的零點漂移擬合曲線后將其應用到數(shù)據(jù)后臺，在收到傳感器實時上報角度數(shù)據(jù)之后，對應減去測試溫度下的角度偏差值，得到最終輸出的角度誤差，見圖5。除去開始試驗時的非穩(wěn)定狀態(tài)，其他時間可以將擬合誤差大部分控制在0.004°范圍內。

圖5 x軸零點漂移擬合誤差引起的角度誤差

同理，得到傳感器y軸影響測試與線性擬合曲線，以及最終輸出的角度誤差，見圖6?？芍?，擬合角度誤差大部分控制在0.01°范圍內。

圖6 傳感器y軸零點漂移結果

2.2 溫度補償后誤差分析

假設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 范圍內的誤差累計到地面點位移測量中誤差MD。根據(jù)誤差傳播定律［8］，假設L=1 m，MD的計算公式為

式中：σ為傳感器測量位移的誤差；θi為各節(jié)測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為傳感器補償后的角度誤差。

根據(jù)數(shù)據(jù)溫度補償試驗，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)測系統(tǒng)安裝方法

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

1）鉆孔。根據(jù)設計要求，在相應位置放孔，用潛孔鉆或地質鉆機進行鉆孔，孔徑為91 mm，鉆孔垂直偏差率應小于1.0%，孔深須嚴格滿足設計要求。鉆至指定設計深度后應清洗干凈，孔內不能有巖芯碎塊或其他雜質。壓縮層內有砂層或含砂量較大時嚴禁水沖，必須干鉆。鉆探完成后孔口需修理平整、干凈。

2）放入套管。套管采用內徑28 mm 的PVC 給水管，每節(jié)2～4 m。采用管箍進行套管連接，銜接時管箍內壁涂抹密封膠水，以防止孔內漏水。套管管口應高出邊坡平臺面15～30 cm。有地下水時下套管應施加適當?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砂或水泥進行填充。在必要的情況下放套管時側壁設置注漿小管，對孔壁空隙進行注漿填充。頂部100 cm 范圍內采用摻加膨脹劑的水泥砂漿進行充填與封閉，以防止大氣降水進入鉆孔內。植入水平位移自動監(jiān)測傳感器之前應對孔口進行封閉，以防止石子等物體掉落孔內，導致測孔堵塞，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，應盡量保證傳感器呈較大圓順弧度緩緩下放到保護套管中，下放過程中嚴禁扭轉。必要時在傳感器側壁涂抹潤滑劑，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路方向，并通過羅盤精確測量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)測試穩(wěn)定，對傳感器頂部施加不超過1 kN 下壓荷載，同時采用不銹鋼管箍將傳感器與套管緊密箍緊，進行管口約束。確保傳感器與套管之間的相對靜止關系。約束管口之后讀取初始讀數(shù)。

6）設置保護井。為保證水平位移監(jiān)測系統(tǒng)不被破壞，設置保護井對監(jiān)測系統(tǒng)進行保護。保護井可采用鋼筋架子，也可采用水泥砌體池，其尺寸為1.0 m×1.0 m×1.0 m。保護井外側應設置醒目標示。

7）固定太陽能自供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)。安裝之前應根據(jù)JGJ 145—2013《混凝土結構后錨固技術規(guī)程》［9］驗算錨固安裝的安全性。太陽能自供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)應采用φ8 mm 膨脹螺栓固定在穩(wěn)定的水泥平臺上，膨脹螺栓不少于4 個。供電系統(tǒng)的太陽能板應面向南面，確保光電轉換效率。太陽能自供電系統(tǒng)的支架采用不銹鋼支架，支架高度不超過1.8 m。數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)固定在保護井內，太陽能自供電系統(tǒng)固定在保護井附近。

8）安裝完成后，按規(guī)定的采集頻率要求開展實時監(jiān)測。

2.4 驗證試驗

水平位移傳感器各自特性曲線帶來的指標差異隨機出現(xiàn)，對監(jiān)測系統(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線的完整曲線及各個測試點上報的傾角實時數(shù)據(jù)，對傳感器的穩(wěn)定性與一致性提出很高要求。此外剛性連接桿的強度與耐腐蝕性、扭轉關節(jié)的自由轉動能力、封裝效果都對監(jiān)測系統(tǒng)的精度與長期穩(wěn)定性有很大影響。本文選取地質穩(wěn)定、周圍無新建工程擾動的戶外場地進行效果驗證。試驗時將30 節(jié)測試單元串連為1 組測線，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)，得到試驗結果見圖7。可知，在2018 年10月—2020 年1 月的監(jiān)測期里，實測系統(tǒng)長期監(jiān)測精度可達±1.0 mm/30 m，滿足高速鐵路路基變形監(jiān)測的精度要求。

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

3 工程應用

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新建魯南車場，該段所涉及的路基工程稱為魯南場并場段路基工程。為實時評估新建線路地基處理過程引起的既有線路的橫向水平位移，站臺擋土墻墻趾外側1 m 范圍內按60 m 間距布設水平位移監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測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)場布置如圖8 所示。測孔左側緊鄰既有京滬高速鐵路5 股道外側擋墻，采用長度15 m的CFG樁進行地基處理；右側為新建魯南場管樁處理區(qū)，預應力混凝土管樁設計樁長30 m，樁間距2.0 m，直徑0.4 m，引孔深度20 m。

圖8 魯南場地基加固區(qū)域水平位移監(jiān)測斷面

測孔處水平位移時程曲線見圖9?？芍?，該監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測到管樁在施工過程中存在的較明顯擠土效應，京滬高速鐵路正線路基坡腳產(chǎn)生較明顯的水平位移，據(jù)此魯南場并場段地基加固區(qū)域將原預應力混凝土管樁調整為CFG樁。

圖9 高速鐵路路基段地基深層土體水平位移時程曲線

4 結論

1）基于三軸向測斜傳感器，設計了柔性連接的深層土體水平位移監(jiān)測系統(tǒng)。通過面向傳感器級別的核心硬件電路設計、監(jiān)測系統(tǒng)級別算法補償、穩(wěn)定性測試等方法，測斜傳感器精度達到0.01°。

2）形成了適合于高速鐵路運營安全管理與高精度要求的系統(tǒng)安裝方法，系統(tǒng)長期監(jiān)測精度達到±1.0 mm/30 m，滿足高速鐵路路基水平位移高精度監(jiān)測的需求。

3）該項監(jiān)測技術成功應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，指導了魯南場并場段地基加固區(qū)域處理方案的調整。

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，在不影響列車安全運行條件下用于沉降、上拱、凍脹等豎向變形的監(jiān)測，為路基異常變形規(guī)律的監(jiān)測分析、工程整治方案的制定提供了依據(jù)。