張志剛

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

隨著新型傳感器、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，各種自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大壩、堤防、高邊坡等重大建筑物和環(huán)境工程中得到了廣泛應(yīng)用，變形、滲流、滲壓、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)也日漸成熟。在高速鐵路的運(yùn)營過程中，外部條件的變化會(huì)影響高速鐵路線橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，需要通過運(yùn)營監(jiān)測(cè)找出變形大的區(qū)段，進(jìn)行實(shí)時(shí)養(yǎng)護(hù)維修，保證高速鐵路軌道的高平順性。在某些特殊的地段，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)已無法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求，而自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有自動(dòng)、實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，滿足高速鐵路特殊地段實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要。

1 測(cè)量原理

靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以液體連通器原理為基礎(chǔ)，通過不同測(cè)點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)儀對(duì)液面高度差的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)相對(duì)沉降的監(jiān)測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，相關(guān)測(cè)點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)儀通過通液管道彼此相連，其中一個(gè)或部分靜力水準(zhǔn)儀作為基準(zhǔn)點(diǎn)，其他的靜力水準(zhǔn)儀作為觀測(cè)點(diǎn)，協(xié)同完成相關(guān)測(cè)點(diǎn)的沉降測(cè)量。設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)與參考液面(儲(chǔ)液箱液面)之間的高度差為Ho，觀測(cè)點(diǎn)與參考液面之間高度為Hi，分別測(cè)出Hi與Ho的值，Hi-Ho的值為觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的高度△。當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)的高度發(fā)生變化時(shí)，本次測(cè)量的△值也相應(yīng)的變化，兩次△值的差即是沉降值。測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 測(cè)量原理

2 系統(tǒng)組成

靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由沉降感應(yīng)部分、數(shù)據(jù)采集傳輸部分、客戶端以及配套附屬等部分組成，如圖2所示。沉降感應(yīng)部分由靜力水準(zhǔn)儀和管線組成。管線包括液管、通氣管和電纜等。數(shù)據(jù)采集傳輸部分包括采集器、GPRS數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。采集器定時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通過GPRS(GMS-R)設(shè)備傳輸?shù)浇邮辗?wù)器并實(shí)時(shí)保存。配套附屬部分包括設(shè)備箱、參考液面箱和系統(tǒng)供電。設(shè)備箱內(nèi)部安放有采集器、GPRS和蓄電池等，均布設(shè)在電纜槽溝內(nèi)。參考液面箱是由儲(chǔ)液腔、液管和氣管端口等組成。系統(tǒng)供電由蓄電池和太陽能電池板、充電控制器等組成。用戶通過客戶端軟件，連接到服務(wù)器，可實(shí)時(shí)接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)可模擬出沉降曲線圖等相應(yīng)成果。系統(tǒng)為模塊化設(shè)計(jì)，靜力水準(zhǔn)儀使用壽命為15年以上，個(gè)別靜力水準(zhǔn)儀出現(xiàn)故障時(shí)，可進(jìn)行獨(dú)立更換，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)不產(chǎn)生影響。

圖2 系統(tǒng)組成

3 觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)

每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)靜力水準(zhǔn)儀，靜力水準(zhǔn)儀固定在金屬防護(hù)盒內(nèi)，防護(hù)盒使用膨脹螺栓固定在路基段穩(wěn)固位置、距離電纜溝邊緣0.5 m處，觀測(cè)點(diǎn)沿線布設(shè)，間距約50 m，見圖3。主要技術(shù)要求如下：

①靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行抗老化處理，保證使用壽命15年以上。

②金屬防護(hù)盒內(nèi)部進(jìn)行三防處理。

③防護(hù)盒使用膨脹螺栓固定在路肩的混凝土上，進(jìn)行防松動(dòng)處理。

④防護(hù)盒與混凝土層之間采用防振、防松措施緊固。

⑤靜力水準(zhǔn)儀電路采用單總線連接，液管以并聯(lián)方式連接，方便施工、維護(hù)和校準(zhǔn)。

圖3 觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意

4 系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

在某高速鐵路的某段路基上安裝了靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在0+708處涵洞頂上，具體的點(diǎn)位布設(shè)如圖4所示。該自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從2012年10月18日至2013年3月6日采集數(shù)據(jù)見圖5。

圖4 現(xiàn)場點(diǎn)位布設(shè)平面示意

圖5 路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化

由圖5看出，從2012年12月17日起至2013年2月21日止，監(jiān)測(cè)出現(xiàn)較大幅度的往上隆起現(xiàn)象，2013年1月18日自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)S3(0+757)變化最大，變化量為6.6 mm，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)S5(0+847)的變化量為6.1 mm。引起我們的注意，現(xiàn)場踏勘后沒有發(fā)現(xiàn)異常情況，分析后認(rèn)為是受氣溫變化影響，如圖6所示。

圖6 變化較大監(jiān)測(cè)點(diǎn)與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系示意

從2月17日開始隨著氣溫的回升，隆起現(xiàn)象逐步回落，到2月24日溫度變化在0 ℃左右，變化幅度較大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與溫度變化的關(guān)系相關(guān)性較大。

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

從2012年12月17日至2013年2月25日進(jìn)行了5期人工監(jiān)測(cè)，以2012年12月17日作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的起算基準(zhǔn)，各期的比較示意如圖7所示。

圖7 人工監(jiān)測(cè)各期數(shù)據(jù)比較分析

對(duì)人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，2013年1月7日與2013年1月18日兩期與2012年12月17日相比，人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)也有明顯的隆起現(xiàn)象，與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)呈現(xiàn)一致性，也表現(xiàn)出逐步隆起的一個(gè)過程，變化最大的一期出現(xiàn)在2013年1月18日，變化最大監(jiān)測(cè)點(diǎn)S5(0+847)的變化量為8.1 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)S3(0+757)變化量為7.2 mm，從人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)最大值比較來看，兩者最大變化量的差值在2 mm以內(nèi)。從2013年2月5日與2013年2月25日兩期數(shù)據(jù)與2013年12月17日數(shù)據(jù)相比，隆起量隨時(shí)間的推移也逐步回落，2013年2月25日基本恢復(fù)到首期變化的范圍附近，人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)基本保持一致。

5 結(jié)論

經(jīng)過人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)基本吻合，兩者監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)差值在毫米級(jí)范圍變化，說明自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可靠。

相比較人工監(jiān)測(cè)而言，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)量采集周期短的特性。從外部條件來講，人工監(jiān)測(cè)天窗時(shí)間作業(yè)不能得到保證，需要與多方面溝通協(xié)調(diào)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖然一次性設(shè)備投入大，但實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)觀測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、變形趨勢(shì)可視化顯示等變形監(jiān)測(cè)的全自動(dòng)化，克服了人工測(cè)量實(shí)時(shí)性差的不足，而且效率高，應(yīng)當(dāng)成為高速鐵路運(yùn)營監(jiān)測(cè)優(yōu)先選擇的一種測(cè)量方法和手段。

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