铁路地表变形自动监测技术及其工程应用



铁路地表变形自动监测技术及其工程应用

冯谦1，徐学勇2，吴天鹏3

（1.中国地震局地震研究所地震大地测量重点实验室，湖北武汉430071；2.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州310014；3.武汉铁路局武汉桥工段，湖北武汉430063）

摘要：为掌握采矿过程中对临近武九铁路线某段路基的变形影响程度，针对铁路沿线地形复杂、无法通视、无供电及网络等条件，采用全自动监测预警系统，对武九线某段路基的稳定状态进行远程连续监测，并建立预警及信息管理系统。全套系统运用传感技术、数据采集与传输技术和信息管理技术。通过一段时间的运行应用，该系统能实时掌握该段铁路路基变形状态，出现险情也可第一时间预警，达到保障铁路运营安全的目的。

关键词：变形监测技术；全自动监测预警系统；自动采集；无线传输；铁路路基沉降

0　引言

随着城市建设的发展，高层建筑、多层地下室、地下铁道、公路、铁路以及地下工业和民用设施越来越多地涌现。而通过监测手段实时掌握此类建（构）筑物变形和稳定性状态变得复杂和突出，成为工程界和建设行政主管部门十分关注的问题。

随着时代发展和科技进步，表面位移监测法的一些常规仪器，包括全站仪、经纬仪、水准仪、GPS监测以及新近发展的GPS手机监测和InSAR技术等[1-4]，也逐渐得到应用。但以铁路路基监测为例，目前常规方法测得数据的连续性差，准确性和精确度也较低，亦或价格十分昂贵。有时路基变形失稳具有突发性，利用这些采集到的数据也很难真实、实时、全面地了解其变形的情况，更难以判断变形的发展趋势及作出准确预警，达不到真正意义上的实时监测监控目的。移动通信和Internet技术的发展给社会带来深刻的变化，而GPRS无线数据传输技术的成熟，使它在许多行业中得以应用，为测控系统的数据传输提供了一种新的手段[5]。鉴于国内近年屡次发生多起突发性变形及垮塌事故，建（构）筑物的实时监测系统的推广和应用已成为了工程监测界现代化发展的趋势，本文将讨论铁路路基沉降全自动监测预警及信息管理系统的开发与应用。

1　系统的基本原理

建立全自动监测预警及信息管理系统，主要目的是掌握现场监测对象的实时变形情况，因此选择传感器作为主要的现场监测单元，通过位于现场的终端数据采集器把各监测点的数据实时采集汇总。由于野外条件制约，无法利用Internet发送数据，故采用GPRS模块负责对数据进行TCP/IP协议转换，再以GPRS数据包的形式发送至GPRS无线基站，GPRS无线基站将数据处理后发送到Internet。位于远程监控中心的服务器，接入Internet，利用自行开发的信息管理系统即可实时接收和分析监测数据，并可实现多用户的远程监测数据实时共享[6]。该系统数据传输拓扑图如图1所示。

图1　监测系统数据传输拓扑图

2　系统的构成

2.1传感器子系统

传感器采用HC-1211型静力水准仪，它是一种用于测量多点相对沉降的高精密液位系统测量仪，仪器由主体容器、连通管、位移传感器等部分组成，传感器均采用通液管连接，各容器的液位由位移传感器测出，传感器挂有自由浮球，当液位发生变化，浮球的悬浮力即被传感器感应。在多点系统中，所有传感器的垂直位移均是相对于基准点的，基准点的垂直位移则是相对恒定的，或者是可用于其他人工观测手段准确确定的，以便能精确计算静力水准系统各测点的沉降变化[7]。

2.2数据采集与传输子系统

采用分布式数据采集单元对传感器子系统采集到的监测数据进行自动采集和汇总。每个数据采集终端系统配备数据采集模块、无线网络收发器、防雷控制器、供电系统各1套。现场与远程测控中心之间采用GPRS无线网络连接的方式。供电系统采用太阳能电池结合蓄电池装置。

2.3信息管理子系统

该子系统通过服务器接收数据后通过整理、计算和分析，可远程对系统技术参数进行修改、数据调取和趋势分析，对监测现场进行远程调度指挥。本系统同时具备声控报警和短信报警功能，对超过预警值的监测点进行及时报警。

3　工程实例

3.1项目概况

武汉至九江铁路线（以下简称武九线）西起湖北省武汉市，东到江西省九江市，全长261km，全线已完成电气化工程，可以行驶和谐号，是国家路网“沿江通道”的重要组成部分，铁路等级为一级复线。武九线某段共计650 m长区域的路基，临近湖北鄂州某铁矿地下采矿区，最近的距离距铁路线仅为100m，如图2所示。由于矿区工程地质条件复杂，断层、岩脉纵横交错，加之矿山频繁的生产爆破振动，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害更为严重[8-10]，因此迫切需要对该区域的铁路路基的稳定性进行实时动态变形监测，以保障铁路运行安全。

3.2监测系统的设计与实施

由于在铁路沿线跨度较长，为满足供电要求，为4个监测标段布设。即：路基两侧各分两个标段，约20m一个监测点，分为上行一段（17个测点）、上行二段（16个测点）、下行一段（17个测点）和下行二段（18个测点），共计68个测点；铁路上下行各布设两个基准点，共计74套静力水准仪；各测点通过水管、电缆线与基准点连通。设备平面布设如图3所示。

由于铁路延线施工环境极为复杂，铁路网外的场地和资源有限，故不适合建数据采集中心及配电房。现用4套GPRS无线采集传输系统分别架设在铁路上、下行线两标段的中间点附近，另用太阳能电池配电瓶的供电系统代替野外配电房，为监控中心服务器提供远程数据传输使用。每个数据采集终端均配备数据采集器、网络无线收发器、太阳能电池面板结合蓄电池套装和防雷设备。共布设4套数据采集终端系统。

3.3预警及信息管理系统

系统可实时查看现场各基准点及监测点的数据、时间-位移曲线图、沉降速率、变形趋势分析和发布的预警信息；可分监测点或按标段整体下载沉降数据；任意调取某个时间段内的整体沉降曲线图。

如某点数据超过设置的预警值，可立即发出声控警报音，并同时通过手机短信发送给设置好的固定收信人，可让相关人员在第一时间知道现场的具体情况，以便及时采取措施，保障铁路基础设施建设的安全。

3.4监测成果与分析

通过调取2012年11月期间的数据信息，截止11月30日，上行1段沉降变形最大的为16号点，累计沉降量达6.70mm；上行2段沉降变形最大的为28号点，累计沉降量达3.30mm；下行1段沉降变形最大的为7号点，累计沉降量达2.90mm；下行2段沉降变形最大的为21号点，累计沉降量达6.10mm。各标段沉降变形趋势如图4所示。

图2　采矿区与武九线平面位置图

图3　设备平面布设示意图

图4　11月期间各标段沉降变形趋势图

分析表明：截至目前，武九线K88+600～K89+ 250标段各项数据正常，当次沉降量和累计沉降量变化不大，均未超过铁路部门设置的预警值。铁路路基结构稳定，处于安全状态。

4　结束语

（1）铁路路网布局多穿过野外，沿线的地质灾害多发，常规监测方法效率低下，且无法随时了解现场的动态监测结果，影响快速决策，很难达到及时预警的目的。针对这些情况，采用自动采集技术、无线传输技术以及计算机软硬件技术相结合的全自动实时监测系统。

（2）采用VisualC++网络编程技术，以SQLServer 2005为后台数据库，开发的铁路路基沉降全自动监测预警及信息管理系统，实现了对监测数据的远程实时接收和信息化管理分析，为管理部门及时了解现场监测结果和快速决策提供了强有力的平台支持。

（3）通过在武汉至九江铁路线K88+600～K89+250段中的路基沉降监测应用，表明此监测系统具有实时性、稳定性、无线通信、无人值守和低功耗的特点。根据实时沉降监测结果，可以综合预测采矿诱发地质灾害发生的风险，为铁路线的防灾减灾提供参考依据。

参考文献

[1] 邬晓岚，涂亚庆.滑坡监测的一种新方法——TDR技术探析[J] .岩石力学与工程学报，2002，21（5）：740-744.

[2] 万华琳，蔡德所，何薪基，等.高陡边坡深部变形的光纤传感监测试验研究[J] .三峡大学学报：自然科学版，2001，23（1）：20-23.

[3] 邬晓岚，涂亚庆.滑坡监测方法及新进展[J] .中国仪器仪表，2001（1）：10-12.

[4] 周策，陈文俊，汤国起.滑坡崩塌岩体推力监测系统的研究[J] .探矿工程(岩土钻掘工程)，2004（1）：43-46.

[5] 彭华，吴珍汉，马秀敏.青藏铁路无人值守地应力综合监测站[J] .地质力学学报，2006，12（1）：96-104．

[6] 邬凯，盛谦，张勇慧，等．山区公路路基边坡地质灾害远程监测预报系统开发及应用[J] .岩土力学，2010，11（30）：3683-2685．

[7] 张成平，张顶立，骆建军，等．地铁车站下穿既有线隧道施工中的远程监测系统[J] .岩土力学，2009，6（30）:1861-1866.

[8] 吕建红，袁宝远.边坡监测与快速反馈分析[J] .河海大学学报，1999，27（6）：98-102.

[9] 罗志强.边坡工程监测技术分析[J] .公路，2002（5）：45-48.

[10] 金爱兵，孙金海，吴顺川.露天矿深部开采边坡稳定性分析与治理方案研究[J] .金属矿山，2005（6）：5-8，13.

收到修改稿日期：2013-07-05

中国地震局地震研究所所长基金项目（IS201126053）

Technique and engineering application of automatic monitoring system of railway embankment deformationFENG Qian1，XU Xue-yong2，WU Tian-peng3

（1. Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Wuhan 430071 China；2. HydroChina Huadong Engineering Corporation，Hangzhou 310014，China；3. Wuhan Bridge Section of Wuhan Railway Bureau，Wuhan 430063，China）

Abstract:In view of the severe conditions along the railway of complex terrain，lack of intervisibility，no power supply and no internet access，the automatic monitoring and warning system will be used to acquire the deformation degree of a certain subgrade influenced by mining near the railway line from Wuhan to Jiujiang. The system is to monitor the stability of the subgrade in a continuous way to establish an early-warning and information management system. By conducting the sensor technology，data collecting technology and information management technology，the system will acquire the deformation degree in real time，and send early-warning signal at the very first moment as any danger incurs，thus to ensure the safety of railway operation.

Key words:deformation monitoring technology；automatic monitoring and early-warning system；automatic collection；wireless transmission；subgrade settlement of railway

基金项目：国家自然科学基金项目（41101519）

收稿日期：2013-05-23；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.024

文章编号：1674-5124（2013）05-0088-04

文献标志码：A

中图分类号：U216.9；TP206+.3；TP274+.2；TU311.3

作者简介：冯谦（1982-），男，湖北武汉市人，工程师，硕士，主要从事岩土工程检测监测方面的研究。