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)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081）

高速鐵路運行速度快，要求線路具有高平順性、高穩(wěn)定性等特點。地基和路基的沉降會綜合反應(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)、運營和維護提供依據(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工、費時，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，全自動監(jiān)測系統(tǒng)無論從軟硬件上，還是從系統(tǒng)集成、維護、管理等服務(wù)上，都已經(jīng)具備了為封閉式運營的高速鐵路進行長期監(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)）可以對路基水平位移、垂直沉降進行全天候、遠(yuǎn)距離監(jiān)測，但是對環(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）技術(shù)可以在短時間內(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)合高精度點像中心定位技術(shù)，解算得到不同時刻下測點發(fā)出激光的點位變化，通過位姿修正算法，降低了列車振動對監(jiān)測系統(tǒng)的干擾，實現(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、靈敏度高等特點，適用于線路遠(yuǎn)距離監(jiān)測，溫度補償技術(shù)彌補了溫度對測量精度的影響。但是受限于光纖解調(diào)儀的性能，空間分辨率目前只能達到米級［9］。

總的來看現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)不能滿足高速鐵路對路基沉降監(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)。通過試驗研究，提出硬件電路與軟件補償相結(jié)合的方案，優(yōu)化工業(yè)設(shè)計提高系統(tǒng)對極限環(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)點與測點壓力差的變化，依據(jù)壓力與液柱標(biāo)定關(guān)系計算得到測點的相對變形，如圖1所示。

圖1 變形監(jiān)測系統(tǒng)工作示意

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

由伯努利原理，測點1的位置變化為

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

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

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

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

2 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)由物位計基準(zhǔn)點、測點、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)計算機遠(yuǎn)程實現(xiàn)實時數(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，可以動態(tài)調(diào)整上傳頻率和數(shù)據(jù)存儲，支持多種傳輸方式和多級聯(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；同時由于溫度變化也影響零點和靈敏度大小，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。考慮到硬件成本及系統(tǒng)精度要求，設(shè)計了硬件電路與軟件補償相結(jié)合的方案，通過試驗驗證其補償效果。

3.1.1 硬件補償試驗

硬件補償通過提供標(biāo)準(zhǔn)電壓激勵進行零漂補償，通過模擬放大、模擬電壓疊加進行溫度補償，其試驗電路如圖3所示。

圖3 硬件補償試驗仿真電路

圖4 不同溫度下試驗電路的輸出電壓

其中溫度補償試驗溫度為-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?？梢钥吹蕉啻巫x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。針對輸出電壓隨溫度呈現(xiàn)的非線性變化，通過大量實際數(shù)據(jù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析進行分段擬合，見圖5。經(jīng)校準(zhǔn)驗證，如圖6所示，輸出電壓隨溫度變化穩(wěn)定，補償效果明顯。

圖5 傳感器分段溫度補償函數(shù)

圖6 傳感器溫度補償效果

3.1.2 軟件補償試驗

未補償?shù)膲翰顐鞲衅鞯脑O(shè)計優(yōu)勢更加明顯，可塑性更強。但由于未做補償?shù)膲翰顐鞲衅魇茏陨硖匦运蓿诓煌臏囟认螺敵隽康钠戚^大，如圖7所示。且未補償型壓差傳感器零位及滿量程輸出的個體差異顯著且不可直接互換，因此，在傳感器實際使用中，須要采用軟件補償進行非線性數(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，為了對溫度漂移進行修正，須在同一壓力不同溫度下測量，分升溫和降溫2個過程標(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)和算法計算出5℃范圍內(nèi)的校準(zhǔn)系數(shù)，對溫度效應(yīng)進行補償。圖8為補償前后的沉降監(jiān)測傳感器工作狀態(tài)對比。可見補償后的傳感器工作性能穩(wěn)定，精度可達0.2 mm。

圖7 未經(jīng)軟件補償時傳感器不同溫度線性圖

圖8 溫度補償前后傳感器監(jiān)測值隨溫度變化曲線

3.2 長效性設(shè)計

結(jié)合高速鐵路運營高安全性要求，沉降監(jiān)測傳感器的工業(yè)設(shè)計殼體應(yīng)具備小巧便攜的特點。傳感器外殼以不銹鋼材料為主，外表面采用抗氧化處理，具備較強防侵蝕和密封防護能力。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結(jié)構(gòu)采用U型結(jié)構(gòu)，為高強度不銹鋼材質(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。高強度的外殼也可防止異物沖撞破壞測點，保護測線免受日照、雨雪等自然因素影響，保障監(jiān)測系統(tǒng)安全、長效工作。

為驗證監(jiān)測系統(tǒng)對極端環(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，持續(xù)時間約72 h，試驗結(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、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（保護罩）覆蓋，保護罩內(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營，本文將設(shè)備箱的安裝安全等級確定為一級，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產(chǎn)生的氣動力，不計除結(jié)構(gòu)自重、列車氣動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)計值；NRd，s為錨栓鋼材破壞受拉承載力設(shè)計值；為群錨受拉區(qū)總拉力設(shè)計值；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)計值；VRd，s為錨栓鋼材破壞受剪承載力設(shè)計值；為群錨中受剪錨栓總剪力設(shè)計值；VRd，cp為混凝土剪撬破壞受剪承載力設(shè)計值；Nsd為錨栓拉力設(shè)計值；Vsd為錨栓剪力設(shè)計值。可知，安全系數(shù)儲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)計厚度0.10 m。沉降測點布設(shè)于路肩位置，間距10 m，基準(zhǔn)點設(shè)置于接觸網(wǎng)桿基礎(chǔ)處。圖11為各測點變形時程曲線，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段路基變形時程曲線

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)。通過硬件電路補償、軟件算法補償，減小了溫度波動對數(shù)據(jù)的影響，系統(tǒng)精度可達到±0.2 mm。滿足高速鐵路路基建設(shè)、運營及維護中變形監(jiān)測的精度要求。

2）通過優(yōu)化工業(yè)設(shè)計，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，驗證了該系統(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確定為一級，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)儲備和膨脹錨固螺栓承載力均滿足規(guī)范要求，對高速鐵路安全運營無影響。