李竹慶 蔡德鉤 閆宏業(yè) 陳鋒

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

高速鐵路運(yùn)行速度快，要求線路具有高平順性、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。地基和路基的沉降會(huì)綜合反應(yīng)到路基面上，直接影響到軌道結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)。

高速鐵路建設(shè)期路基填筑完成后須評(píng)估路基沉降量值，確定沉降變形的趨勢以指導(dǎo)軌道結(jié)構(gòu)的建設(shè)，數(shù)據(jù)精度要求不應(yīng)低于±1 mm［1］；某些高速鐵路線路運(yùn)營期面臨路基沉降、上拱等病害，變形發(fā)展速率僅為1～3 mm，造成線路平順性持續(xù)劣化；運(yùn)營期高速鐵路注漿抬升、刮除落道等病害整治過程中，路基變形應(yīng)控制在容許的范圍之內(nèi)，需對(duì)施工過程中的路基變形開展高精度監(jiān)測，信息化指導(dǎo)施工［2-3］。通過路基變形高精度監(jiān)測分析，為高速鐵路線路的建設(shè)、運(yùn)營和維護(hù)提供依據(jù)。

從現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)來看，使用傳統(tǒng)儀器人工測量比較費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，且精度較差，難以滿足目前高速鐵路建設(shè)快速發(fā)展的需求；隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，全自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)無論從軟硬件上，還是從系統(tǒng)集成、維護(hù)、管理等服務(wù)上，都已經(jīng)具備了為封閉式運(yùn)營的高速鐵路進(jìn)行長期監(jiān)測的技術(shù)條件［4］。一方面，衛(wèi)星技術(shù)被廣泛應(yīng)用。如利用GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）可以進(jìn)行高精度監(jiān)測，已廣泛應(yīng)用于變形控制網(wǎng)的建立等，但是在隧道等環(huán)境下無法使用［5］；GNSS（Global Navigation Satellite Systems，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）可以對(duì)路基水平位移、垂直沉降進(jìn)行全天候、遠(yuǎn)距離監(jiān)測，但是對(duì)環(huán)境適應(yīng)性較差，不能滿足不同氣候條件下監(jiān)測數(shù)據(jù)的持續(xù)穩(wěn)定，后期數(shù)據(jù)處理分析難度較大［6］；InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar，合成孔徑雷達(dá)）技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)獲取大范圍的地面沉降信息，但其精度不能滿足高速鐵路毫米級(jí)變形監(jiān)測要求［7］。另一方面，激光測量、視覺測量、圖像處理算法的使用豐富了監(jiān)測手段。如Min等［8］結(jié)合高精度點(diǎn)像中心定位技術(shù)，解算得到不同時(shí)刻下測點(diǎn)發(fā)出激光的點(diǎn)位變化，通過位姿修正算法，降低了列車振動(dòng)對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)的干擾，實(shí)現(xiàn)了較高精度的沉降監(jiān)測。但是環(huán)境溫度、空氣質(zhì)量對(duì)測量系統(tǒng)的影響較大。分布式光纖傳感沉降監(jiān)測具有傳感器體積小、抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高等特點(diǎn)，適用于線路遠(yuǎn)距離監(jiān)測，溫度補(bǔ)償技術(shù)彌補(bǔ)了溫度對(duì)測量精度的影響。但是受限于光纖解調(diào)儀的性能，空間分辨率目前只能達(dá)到米級(jí)［9］。

總的來看現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)不能滿足高速鐵路對(duì)路基沉降監(jiān)測系統(tǒng)體積小、安裝方便、精度高、功耗低、性能穩(wěn)定、長期使用的綜合要求。

本文基于液位壓差原理，研發(fā)路基沉降變形監(jiān)測系統(tǒng)。通過試驗(yàn)研究，提出硬件電路與軟件補(bǔ)償相結(jié)合的方案，優(yōu)化工業(yè)設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)對(duì)極限環(huán)境的適應(yīng)性，并分析檢算現(xiàn)場錨固安裝的可靠性。通過現(xiàn)場工程應(yīng)用，驗(yàn)證該系統(tǒng)的高精度采集與穩(wěn)定可靠性能。

1 監(jiān)測原理

沉降監(jiān)測技術(shù)是通過測量基準(zhǔn)點(diǎn)與測點(diǎn)壓力差的變化，依據(jù)壓力與液柱標(biāo)定關(guān)系計(jì)算得到測點(diǎn)的相對(duì)變形，如圖1所示。

圖1 變形監(jiān)測系統(tǒng)工作示意

假設(shè)初始時(shí)刻為t0，基準(zhǔn)點(diǎn)、測點(diǎn)1到儲(chǔ)液罐的液面高度分別為h0，h1，此時(shí)測點(diǎn)1與基準(zhǔn)點(diǎn)高程差Δh=h1-h0。經(jīng)過t時(shí)間后，測點(diǎn)1所在位置發(fā)生變化，距離液面高度為h′1，則此時(shí)測量點(diǎn)1與基準(zhǔn)點(diǎn)高度差Δh′=h′1-h0。測量點(diǎn)1的本期變形Δht為

由伯努利原理，測點(diǎn)1的位置變化為

式中：P1t0為t0時(shí)測點(diǎn)1的液體壓強(qiáng)；P1t1為t1時(shí)測點(diǎn)1的液體壓強(qiáng)；ρ為液路中液體密度；g為重力加速度。

在以上基礎(chǔ)上，對(duì)P（測點(diǎn)壓力傳感器讀數(shù)）、ρ進(jìn)行溫度修正，對(duì)g進(jìn)行本地修正即可獲取較高的測量精度。

式中：It1，It0為不同時(shí)刻下，當(dāng)環(huán)境溫度為T時(shí)的溫度總修正系數(shù)；It為溫度T時(shí)的溫度總修正系數(shù)；Imt為溫度為T時(shí)，液體密度修正系數(shù)；Ilt為溫度為T時(shí)，管路長度修正系數(shù)；Iyt為溫度為T時(shí)，壓力傳感器空載修正系數(shù)。

測點(diǎn)1的本期變形的和即為累計(jì)變形。通過選取高精度芯片與溫度誤差精細(xì)補(bǔ)償，監(jiān)測精度可達(dá)±0.2 mm。

2 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)由物位計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)、測點(diǎn)、供電模塊、采集模塊、傳輸模塊和遠(yuǎn)程控制終端組成，其構(gòu)成如圖2所示。其中高效的太陽能控制器和耐低溫鉛酸電池結(jié)合充放電控制管理集成為一體的供電模塊，可滿足系統(tǒng)長期供電要求。通過全兼容性傳輸系統(tǒng)，可在室內(nèi)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制，其性能可靠、穩(wěn)定、耐用，配置靈活，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整上傳頻率和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，支持多種傳輸方式和多級(jí)聯(lián)組網(wǎng)。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成

3 監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 傳感器溫度補(bǔ)償

傳感器敏感元件所用硅敏材料的靜態(tài)特性與環(huán)境溫度有著密切的聯(lián)系。實(shí)際工作中，由于傳感器的工作環(huán)境溫度變化較大，溫度變化引起輸出量變化較大，帶來較大的測量誤差；同時(shí)由于溫度變化也影響零點(diǎn)和靈敏度大小，直接影響到傳感器的靜態(tài)特性，所以必須采取措施來減少或消除溫度變化帶來的影響?？紤]到硬件成本及系統(tǒng)精度要求，設(shè)計(jì)了硬件電路與軟件補(bǔ)償相結(jié)合的方案，通過試驗(yàn)驗(yàn)證其補(bǔ)償效果。

3.1.1 硬件補(bǔ)償試驗(yàn)

硬件補(bǔ)償通過提供標(biāo)準(zhǔn)電壓激勵(lì)進(jìn)行零漂補(bǔ)償，通過模擬放大、模擬電壓疊加進(jìn)行溫度補(bǔ)償，其試驗(yàn)電路如圖3所示。

圖3 硬件補(bǔ)償試驗(yàn)仿真電路

圖4 不同溫度下試驗(yàn)電路的輸出電壓

其中溫度補(bǔ)償試驗(yàn)溫度為-40～80℃，以5℃間距多次采集數(shù)據(jù)，得到不同溫度下的電壓輸出，見圖4。可以看到多次讀數(shù)的平均值和單次采樣值基本一致，說明了傳感器在固定溫度下性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)基本無波動(dòng)。針對(duì)輸出電壓隨溫度呈現(xiàn)的非線性變化，通過大量實(shí)際數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行分段擬合，見圖5。經(jīng)校準(zhǔn)驗(yàn)證，如圖6所示，輸出電壓隨溫度變化穩(wěn)定，補(bǔ)償效果明顯。

圖5 傳感器分段溫度補(bǔ)償函數(shù)

圖6 傳感器溫度補(bǔ)償效果

3.1.2 軟件補(bǔ)償試驗(yàn)

未補(bǔ)償?shù)膲翰顐鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)優(yōu)勢更加明顯，可塑性更強(qiáng)。但由于未做補(bǔ)償?shù)膲翰顐鞲衅魇茏陨硖匦运?，在不同的溫度下輸出量的偏移較大，如圖7所示。且未補(bǔ)償型壓差傳感器零位及滿量程輸出的個(gè)體差異顯著且不可直接互換，因此，在傳感器實(shí)際使用中，須要采用軟件補(bǔ)償進(jìn)行非線性數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和溫度校準(zhǔn)。校準(zhǔn)階段須要采集同一溫度，多組不同壓力下傳感器輸出。另外，為了對(duì)溫度漂移進(jìn)行修正，須在同一壓力不同溫度下測量，分升溫和降溫2個(gè)過程標(biāo)定。在溫度范圍內(nèi)每間隔5℃采集傳感器輸出電壓，使用既定的數(shù)據(jù)和算法計(jì)算出5℃范圍內(nèi)的校準(zhǔn)系數(shù)，對(duì)溫度效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。圖8為補(bǔ)償前后的沉降監(jiān)測傳感器工作狀態(tài)對(duì)比?？梢娧a(bǔ)償后的傳感器工作性能穩(wěn)定，精度可達(dá)0.2 mm。

圖7 未經(jīng)軟件補(bǔ)償時(shí)傳感器不同溫度線性圖

圖8 溫度補(bǔ)償前后傳感器監(jiān)測值隨溫度變化曲線

3.2 長效性設(shè)計(jì)

結(jié)合高速鐵路運(yùn)營高安全性要求，沉降監(jiān)測傳感器的工業(yè)設(shè)計(jì)殼體應(yīng)具備小巧便攜的特點(diǎn)。傳感器外殼以不銹鋼材料為主，外表面采用抗氧化處理，具備較強(qiáng)防侵蝕和密封防護(hù)能力。連接方式采用自密式接頭，確保連接方便。

傳感器與傳輸管路的保護(hù)結(jié)構(gòu)采用U型結(jié)構(gòu)，為高強(qiáng)度不銹鋼材質(zhì)，通過藥劑螺栓固定。U型槽內(nèi)填充阻燃保溫材料，保證測線基本處于同溫環(huán)境，有利于溫度效應(yīng)影響。高強(qiáng)度的外殼也可防止異物沖撞破壞測點(diǎn)，保護(hù)測線免受日照、雨雪等自然因素影響，保障監(jiān)測系統(tǒng)安全、長效工作。

為驗(yàn)證監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)性，在模擬極限工作溫度（高溫60℃、低溫-40℃）條件下開展了穩(wěn)定性試驗(yàn)，持續(xù)時(shí)間約72 h，試驗(yàn)結(jié)果見圖9。在極限工作溫度條件下位移傳感器測得液高數(shù)據(jù)波動(dòng)很小，傳感器電子電路與包括密封氣體和液壓管路的監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行，精度能夠控制在±0.2 mm內(nèi)，滿足高速鐵路路基變形監(jiān)測的要求。

3.3 系統(tǒng)安裝及安全性分析

3.3.1 監(jiān)測設(shè)備安裝要求

物位計(jì)、傳輸總線平行于線路方向先通過M8藥劑螺栓固定在底座板側(cè)面底部，然后用鍍鋅U型槽（保護(hù)罩）覆蓋，保護(hù)罩內(nèi)填充阻燃保溫材料并通過M8螺栓固定在底座板上。

在工控設(shè)備箱位置按工控設(shè)備箱外形尺寸加大50 mm開槽（槽深100 mm），箱體通過藥劑螺栓向下固定在槽底墊層，同時(shí)澆筑抗裂砂漿固定。箱內(nèi)放置工業(yè)蓄電池、控制盒、太陽能供電設(shè)備，箱頂設(shè)置太陽能板，如圖10所示。

圖10 工控設(shè)備箱安裝示意

3.3.2 設(shè)備箱安全性檢算分析

綜合設(shè)備箱的穩(wěn)固狀態(tài)直接影響到高速鐵路的安全運(yùn)營，本文將設(shè)備箱的安裝安全等級(jí)確定為一級(jí)，分析錨固安裝的安全性。設(shè)備箱安裝使用過程中僅考慮正常使用工況，不考慮地震、人防工況。假定主要受力為列車通過時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)力，不計(jì)除結(jié)構(gòu)自重、列車氣動(dòng)力以外的其他外來荷載。依據(jù)JGJ 145—2013《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》［10］進(jìn)行膨脹螺栓鋼材受拉破壞、混凝土錐體受拉破壞、混凝土劈裂受拉破壞、膨脹螺栓鋼材受剪破壞、混凝土邊緣破壞、混凝土剪撬破壞、拉剪復(fù)合受力破壞檢算，結(jié)果見表1。其中，為群錨中受拉力最大錨栓的拉力設(shè)計(jì)值；NRd，s為錨栓鋼材破壞受拉承載力設(shè)計(jì)值；為群錨受拉區(qū)總拉力設(shè)計(jì)值；NRd，c為混凝土錐體破壞受拉力承載力標(biāo)準(zhǔn)值；為群錨中剪力最大錨栓的剪力設(shè)計(jì)值；VRd，s為錨栓鋼材破壞受剪承載力設(shè)計(jì)值；為群錨中受剪錨栓總剪力設(shè)計(jì)值；VRd，cp為混凝土剪撬破壞受剪承載力設(shè)計(jì)值；Nsd為錨栓拉力設(shè)計(jì)值；Vsd為錨栓剪力設(shè)計(jì)值。可知，安全系數(shù)儲(chǔ)備與膨脹錨固螺栓的承載力均滿足JGJ 145—2013要求。

表1 設(shè)備箱安全性檢算結(jié)果

4 工程應(yīng)用

針對(duì)京張高速鐵路有砟、無砟軌道瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)，采用路基沉降監(jiān)測系統(tǒng)開展封閉效果與受力變形特性監(jiān)測研究。試驗(yàn)段有砟、無砟軌道均采用全斷面瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)，封閉層設(shè)計(jì)厚度0.10 m。沉降測點(diǎn)布設(shè)于路肩位置，間距10 m，基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置于接觸網(wǎng)桿基礎(chǔ)處。圖11為各測點(diǎn)變形時(shí)程曲線，數(shù)據(jù)穩(wěn)定連續(xù)。2019年11月至2020年2月15日隨溫度降低路基發(fā)生凍脹變形，變形最大位置在K151+485，最大變形量為2.18 mm。隨后溫度升高，凍結(jié)層融化，路基變形回落至開始水平。整體來看路基平順性較好，未見明顯變形。

圖11 京張高速鐵路瀝青混凝土試驗(yàn)段路基變形時(shí)程曲線

5 結(jié)論

1）基于液位壓差原理，研發(fā)了高速鐵路路基沉降監(jiān)測系統(tǒng)。通過硬件電路補(bǔ)償、軟件算法補(bǔ)償，減小了溫度波動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)的影響，系統(tǒng)精度可達(dá)到±0.2 mm。滿足高速鐵路路基建設(shè)、運(yùn)營及維護(hù)中變形監(jiān)測的精度要求。

2）通過優(yōu)化工業(yè)設(shè)計(jì)，提升了監(jiān)測系統(tǒng)的長效性。經(jīng)極端溫度下穩(wěn)定性試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在極端環(huán)境下的適應(yīng)性。

3）經(jīng)檢算，將設(shè)備箱的安裝安全等級(jí)確定為一級(jí)，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)儲(chǔ)備和膨脹錨固螺栓承載力均滿足規(guī)范要求，對(duì)高速鐵路安全運(yùn)營無影響。