趙格立，柴金飛，徐建威，楊?；?/p>

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.中國(guó)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；3.中國(guó)鐵路呼和浩特集團(tuán)有限公司 工務(wù)處，呼和浩特 內(nèi)蒙古 010000)

1 工程概況

北方鐵路的軌道板底部經(jīng)常受冰凍災(zāi)害的影響。目前軌道板底部由于受凍脹、暗河沖蝕等作用出現(xiàn)了裂隙，當(dāng)受到列車荷載作用后排出地基中的水和氣體，出現(xiàn)翻漿冒泥現(xiàn)象，導(dǎo)致軌道整體下沉，極易造成“跳車”危害[1]。因此，決定采用“錨注一體化”的修復(fù)方法填充軌道板底部裂隙，對(duì)基底進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

基底補(bǔ)強(qiáng)過程中必然會(huì)使軌道板出現(xiàn)抬升現(xiàn)象。為了防止軌道板抬升過大，注膠過程中需對(duì)軌道板抬升進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通常使用軌距尺進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是由于軌距尺的水平(超高)測(cè)量精度只有0.1 mm，使其很難用于微小變形的監(jiān)測(cè)，尤其是本次監(jiān)測(cè)要求位移在1 mm以內(nèi)。光柵位移計(jì)具有較高的測(cè)量精度，能夠很好地適用于軌道板變形監(jiān)測(cè)，但是光柵位移計(jì)不僅成本高，而且不能隨時(shí)變換測(cè)站位置[2]。為了彌補(bǔ)光柵位移計(jì)的缺陷，本次監(jiān)測(cè)分別采用數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation，簡(jiǎn)稱DIC)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。DIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由散斑標(biāo)靶、鏡頭、計(jì)算機(jī)、UI-1540LE攝像機(jī)、DIC圖像處理軟件等組成。激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由激光器、標(biāo)靶、控制盒、計(jì)算機(jī)、供電電纜等組成。本次監(jiān)測(cè)的目的是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基底補(bǔ)強(qiáng)過程中軌道板的抬升，并及時(shí)發(fā)出停止注膠的預(yù)警信號(hào)，防止注膠過多導(dǎo)致軌道板抬升過大。

2 DIC監(jiān)測(cè)技術(shù)和激光位移監(jiān)測(cè)技術(shù)的原理及應(yīng)用

傳統(tǒng)的基于物理或機(jī)械的位移測(cè)量方法屬于接觸式測(cè)量，具有采樣點(diǎn)有限[3]、精度低等缺點(diǎn)，而光學(xué)測(cè)量中的DIC監(jiān)測(cè)技術(shù)和激光位移監(jiān)測(cè)技術(shù)以其非接觸、自動(dòng)化、高精度、速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和工程建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。

2.1 DIC監(jiān)測(cè)技術(shù)的原理及應(yīng)用

圖1 DIC監(jiān)測(cè)技術(shù)原理示意

相關(guān)系數(shù)C的計(jì)算公式為[5]

(1)

目前，DIC監(jiān)測(cè)技術(shù)主要用于室內(nèi)科學(xué)試驗(yàn)研究，而在實(shí)際工程中應(yīng)用較少，且大多是試驗(yàn)后期對(duì)圖像進(jìn)行處理。Shao等[6]通過對(duì)DIC監(jiān)測(cè)技術(shù)的相關(guān)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)處理功能。

在軌道板抬升監(jiān)測(cè)過程中，首先將散斑標(biāo)靶固定在監(jiān)測(cè)段的軌道上，攝像機(jī)固定在距散斑標(biāo)靶4～5 m的位置，調(diào)試攝像機(jī)鏡頭光圈及焦距，使散斑圖像全屏清晰呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上。其次，在注膠前先對(duì)散斑圖像進(jìn)行一次拍攝，對(duì)散斑圖像進(jìn)行標(biāo)定。最后，在注膠過程中對(duì)散斑圖像進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)拍攝，實(shí)時(shí)分析和處理散斑圖像。軌道板抬升監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)見圖2。

圖2 軌道板抬升監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)(DIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng))

2.2 激光位移監(jiān)測(cè)技術(shù)的原理及應(yīng)用

激光器發(fā)射出的激光射到標(biāo)靶內(nèi)的光敏元件上，通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電信號(hào)的大小僅與測(cè)點(diǎn)的位置有關(guān)。當(dāng)測(cè)點(diǎn)位置發(fā)生變化時(shí)會(huì)引起傳感器輸出信號(hào)的變化。標(biāo)靶輸出信號(hào)匯集到控制盒內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，在計(jì)算機(jī)上對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)點(diǎn)位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在基坑及滑坡變形、軌距、軌道直線度和輪對(duì)尺寸監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用較多[7-13]，但是很少用于施工過程中軌道板抬升監(jiān)測(cè)。

激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置與DIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相似。軌道板抬升監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)見圖3。

圖3 軌道板抬升監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)(激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng))

3 軌道板抬升監(jiān)測(cè)結(jié)果

在注膠過程中，要求軌道板抬升位移不大于1 mm，當(dāng)抬升位移超過1 mm的警戒值時(shí)需及時(shí)發(fā)出停止注膠的預(yù)警信號(hào)。

3.1 DIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果

DIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過DIC圖像處理軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和處理散斑區(qū)域軌道板抬升位移變化云圖，并通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)輸出軌道板抬升位移。選取代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。DIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與軌距尺測(cè)試結(jié)果對(duì)比見圖4。

圖4 DIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與軌距尺測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由圖4可知：在注膠壓力的作用下膠水流入裂隙，同時(shí)膠水的擠壓作用也撐大了裂隙，軌道板被迅速抬高。386 s 時(shí)軌道板最大抬升位移為 1.259 8 mm，超過警戒值(1 mm)，發(fā)出停止注膠的信號(hào)。停止注膠后軌道板在重力作用下緩慢下降，膠水也開始凝固，軌道板抬升位移最終保持在 0.800 0 mm 左右。

由圖4還可以看出，DIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與軌距尺測(cè)試的抬升位移隨時(shí)間的變化趨勢(shì)總體相似。說明DIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果具有一定的可靠性，并且DIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度為 0.000 1 mm，而軌距尺測(cè)量精度只有0.1 mm，在測(cè)量精度上DIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。

3.2 激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)標(biāo)靶輸出信號(hào)，信號(hào)通過控制盒處理后，在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)輸出軌道板抬升位移。選取代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與軌距尺測(cè)試結(jié)果對(duì)比見圖5。

圖5 激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與軌距尺測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由圖5可知，0～205 s軌道板抬升位移由0快速增至0.93 mm。這是由于在注膠壓力作用下膠水壓入裂隙中，裂隙被迅速填充且快速撐大，軌道板被迅速抬高。膠水注滿裂隙時(shí)，由于裂隙尖端的約束作用，繼續(xù)注膠比較困難，軌道板緩慢上升。419 s時(shí)軌道板最大抬升位移為1.27 mm，超過警戒值(1 mm)，發(fā)出停止注膠的信號(hào)。停止注膠后軌道板在重力作用下緩慢下降，膠水也開始凝固，最終抬升位移保持在0.81 mm左右。

由圖5還可以看出，激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與軌距尺測(cè)試的抬升位移隨時(shí)間的變化趨勢(shì)總體相似。說明激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果具有一定的可靠性，并且激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度為0.01 mm，而軌距尺測(cè)量精度只有0.1 mm，在測(cè)量精度上激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。

3.3 2種方法的對(duì)比

由以上分析可知，DIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都能夠有效地監(jiān)測(cè)和控制軌道的抬升位移。但是2種方法的測(cè)量精度相差甚大，DIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度為 0.000 1 mm，而激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度為0.01 mm。本次監(jiān)測(cè)要求位移不超過1 mm，2種方法的測(cè)量精度均滿足要求，但是對(duì)于更加精確的監(jiān)測(cè)，應(yīng)選用DIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

DIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很容易受到光源的影響，只有在亮度適中的條件下散斑圖像才足夠清晰，軟件才能分析處理。由于施工現(xiàn)場(chǎng)的其他光源會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果，所以保持散斑的亮度適中對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性很重要。而激光位移計(jì)接收的是高頻率、短波長(zhǎng)的激光，普通光源對(duì)其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性影響不大，可適用于露天、洞室等不同光源強(qiáng)度的場(chǎng)合。

DIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是對(duì)散斑進(jìn)行分析，分析時(shí)間取決于分析區(qū)域的大小，區(qū)域越大時(shí)間越長(zhǎng)。為了能夠?qū)崟r(shí)輸出數(shù)據(jù)，只能適當(dāng)延長(zhǎng)拍攝時(shí)間間隔，減小數(shù)據(jù)輸出頻率，數(shù)據(jù)量較少。而激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出頻率為20 Hz，數(shù)據(jù)量較大。本次監(jiān)測(cè)不是監(jiān)測(cè)高速動(dòng)態(tài)過程，所以2種方法均適用。

4 小結(jié)

1)本文驗(yàn)證了DIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在軌道板抬升監(jiān)測(cè)與控制中具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，可應(yīng)用于實(shí)際工程的監(jiān)測(cè)，為后續(xù)施工提供了保障。

2)2種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果均表明，在注膠過程中裂隙被填充且撐大，軌道板抬升，當(dāng)達(dá)到警戒值時(shí)停止注膠，軌道板緩慢下降，最后位移趨于穩(wěn)定。

3)2種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的適用環(huán)境和測(cè)量精度不同，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況合理地選用，從而更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。