自动化监测系统在某高速铁路运营监测中的应用匡团结

张志刚

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

随着新型传感器、微电子技术和网络通信技术的发展，各种自动化监测系统在大坝、堤防、高边坡等重大建筑物和环境工程中得到了广泛应用，变形、渗流、渗压、温度、应力、应变等自动化监测技术也日渐成熟。在高速铁路的运营过程中，外部条件的变化会影响高速铁路线桥结构的稳定，需要通过运营监测找出变形大的区段，进行实时养护维修，保证高速铁路轨道的高平顺性。在某些特殊的地段，传统的人工监测已无法满足实时监测的要求，而自动化监测系统具有自动、实时采集监测数据的特点，满足高速铁路特殊地段实时监测的需要。

1 测量原理

静力水准自动化监测系统以液体连通器原理为基础，通过不同测点的静力水准仪对液面高度差的测量，实现对基准点与被测点相对沉降的监测。在实际应用中，相关测点的静力水准仪通过通液管道彼此相连，其中一个或部分静力水准仪作为基准点，其他的静力水准仪作为观测点，协同完成相关测点的沉降测量。设基准点与参考液面(储液箱液面)之间的高度差为Ho，观测点与参考液面之间高度为Hi，分别测出Hi与Ho的值，Hi-Ho的值为观测点相对于基准点的高度△。当观测点的高度发生变化时，本次测量的△值也相应的变化，两次△值的差即是沉降值。测量原理如图1所示。

图1 测量原理

2 系统组成

静力水准自动化监测系统由沉降感应部分、数据采集传输部分、客户端以及配套附属等部分组成，如图2所示。沉降感应部分由静力水准仪和管线组成。管线包括液管、通气管和电缆等。数据采集传输部分包括采集器、GPRS数据传输设备。采集器定时对传感器进行数据采集，数据通过GPRS(GMS-R)设备传输到接收服务器并实时保存。配套附属部分包括设备箱、参考液面箱和系统供电。设备箱内部安放有采集器、GPRS和蓄电池等，均布设在电缆槽沟内。参考液面箱是由储液腔、液管和气管端口等组成。系统供电由蓄电池和太阳能电池板、充电控制器等组成。用户通过客户端软件，连接到服务器，可实时接收监测数据，并根据数据可模拟出沉降曲线图等相应成果。系统为模块化设计，静力水准仪使用寿命为15年以上，个别静力水准仪出现故障时，可进行独立更换，对整个系统不产生影响。

图2 系统组成

3 观测点布设

每个观测点设置一个静力水准仪，静力水准仪固定在金属防护盒内，防护盒使用膨胀螺栓固定在路基段稳固位置、距离电缆沟边缘0.5 m处，观测点沿线布设，间距约50 m，见图3。主要技术要求如下：

①静力水准仪进行抗老化处理，保证使用寿命15年以上。

②金属防护盒内部进行三防处理。

③防护盒使用膨胀螺栓固定在路肩的混凝土上，进行防松动处理。

④防护盒与混凝土层之间采用防振、防松措施紧固。

⑤静力水准仪电路采用单总线连接，液管以并联方式连接，方便施工、维护和校准。

图3 观测点布设示意

4 系统的应用

4.1 自动化监测数据采集

在某高速铁路的某段路基上安装了静力水准自动化监测系统，基准点布设在0+708处涵洞顶上，具体的点位布设如图4所示。该自动化监测系统从2012年10月18日至2013年3月6日采集数据见图5。

图4 现场点位布设平面示意

图5 路基监测点数据变化

由图5看出，从2012年12月17日起至2013年2月21日止，监测出现较大幅度的往上隆起现象，2013年1月18日自动化监测点S3(0+757)变化最大，变化量为6.6 mm，自动化监测点S5(0+847)的变化量为6.1 mm。引起我们的注意，现场踏勘后没有发现异常情况，分析后认为是受气温变化影响，如图6所示。

图6 变化较大监测点与温度对应关系示意

从2月17日开始随着气温的回升，隆起现象逐步回落，到2月24日温度变化在0 ℃左右，变化幅度较大，监测点的数据与温度变化的关系相关性较大。

4.2 监测数据对比分析

从2012年12月17日至2013年2月25日进行了5期人工监测，以2012年12月17日作为监测数据的起算基准，各期的比较示意如图7所示。

图7 人工监测各期数据比较分析

对人工监测数据分析发现，2013年1月7日与2013年1月18日两期与2012年12月17日相比，人工监测点也有明显的隆起现象，与自动化监测呈现一致性，也表现出逐步隆起的一个过程，变化最大的一期出现在2013年1月18日，变化最大监测点S5(0+847)的变化量为8.1 mm，监测点S3(0+757)变化量为7.2 mm，从人工监测与自动化监测最大值比较来看，两者最大变化量的差值在2 mm以内。从2013年2月5日与2013年2月25日两期数据与2013年12月17日数据相比，隆起量随时间的推移也逐步回落，2013年2月25日基本恢复到首期变化的范围附近，人工监测与自动化监测基本保持一致。

5 结论

经过人工监测与自动化监测数据对比分析可知，自动化监测的数据与人工监测的数据基本吻合，两者监测的数据差值在毫米级范围变化，说明自动化监测的数据可靠。

相比较人工监测而言，自动化监测的数据具有实时性、数据量采集周期短的特性。从外部条件来讲，人工监测天窗时间作业不能得到保证，需要与多方面沟通协调，不能及时发现问题。自动化监测系统虽然一次性设备投入大，但实现了自动观测、数据实时传输、变形趋势可视化显示等变形监测的全自动化，克服了人工测量实时性差的不足，而且效率高，应当成为高速铁路运营监测优先选择的一种测量方法和手段。

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