铁路路基结构健康在线自动化监测

　　铁路路基是承受并传递轨道重力及列车动态作用的结构，是轨道的基础，是保证列车运行的重要建筑物。路基是一种土石结构，处于各种地形地貌、地质、水文和气候环境中，有时还遭受各种灾害，如洪水、泥石流、崩塌、地震等。为了保证路基的正常运营，对路基进行沉降监测是必不可少的。

　　监测目的及意义

　　变形在一定的限度之内属正常现象，但一旦超过某一限度，就会危及行车安全。通过监控量测信息反馈，可以达到如下目的：

• 　　>监测路基产生的沉降，评价其安全性及对行车的影响程度。

• 　　>对路基在施工及运营期间的状态进行监测，及时有效地对路基的保护提供依据，确保工程的顺利进行。

• 　　>将实时监测结果反馈设计单位，为优化设计提供依据，以进行信息化施工。

• 　　>积累轨行区垂直位移监测数据，为后续其他工程积累信息。

　　监测依据及监测系统设计原则

　　1.监测依据

1. 　　1)《工程测量规范》(GB50026一2007);

2. 　　2)《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB50911-2013);

3. 　　3)《铁路工务安全规则》(铁总运[2014]170号)、《高速铁路路基修理规则》(铁总运[2015]60号);

4. 　　4)《铁路技术管理规程》(高铁部分)(TG/01-2014)、《铁路营业线施工安全管理办法》(铁办[2012]280号)。

　　2.监测系统设计原则

　　监测系统是获取铁路路基全生命周期运营状态的工具。监测设计原则主要遵循以下几点：

1. 　　1)统一性：充分考虑施工监测和运营期监测的共享，进行统一设计和统一管理。

2. 　　2)可靠性：对现场的硬件设备长期处于户外，对其进行防水、防潮、防尘处理，保证设备正常运行。

3. 　　3)先进性：设备的选择、监测系统功能应与现在监测技术发展水平、结构安全监测的相关理论发展相适应，具有先进和超前预警性。

4. 　　4)易维护：应选择操作简单和易于维护管理的系统，对技术水平和能力不高的人员也能及时维护。

5. 　　5)成本最优：本方案的一个设计原则就是利用最优布点方式做到既节省项目成本、后期维护投入的人力和物力，又能达到预期的监测效果。

　　传统检测与在线自动化监测

　　传统上对铁路路基的监测，可以通过人工目测检查或借助于便携式仪器测量得到的信息来进行，但是人工检查方法在实际应用中有很大的局限性。

　　区别见表1：

　　为了更好推动结构监测行业的发展，铁路路基安全监测系统把在线安全监测系统与云计算有机结合，为各个系统进行数据储存，数据分析，实现安全跟踪，实时响应，实时报警等强大功能。具体如下：

1. 　　1、能够实现远程自动化监控，无需人员多次进入施工现场;

2. 　　2、系统可实现无线传输，无需长距离布设线缆、光缆;

3. 　　3、实现测试数据信息化管理，相关人员可以通过不同权限登入以太网或者利用手机取得现场结构安全数据及安全评估信息;

4. 　　4、通过传感器得到丰富的荷载效应等数据，通过系统分析，并与计算结果进行对比，可以得出结构的实际状态变化发展趋势，了解结构的安全状况;

5. 　　5、当结构出现异常信息时，系统自动进行预报警，并通过短信方式将信息及时转达给相关管理人员，并提示后台及时对结构当前状态进行安全评估。

　　监测方案设计

　　1.测点布置

　　(1)表面路基监测

　　把静力水准仪安装在铁路路基、枕木、轨道板等地方，根据现场情况进行图个测点布设，把基准点设在相对稳定的点，通过液位变化量得出沉降量。

　　(2)深层路基监测

　　在路基填筑阶段，将静力水准仪埋入路基中进行监测，把静力水准仪基准点设在路基外较为稳定的点。

　　在路基填筑阶段，将静力水准仪埋设在路堤中心。埋设时首先整平地面，要将第一层填料铺好压实，在沉降板预埋处将填料挖至原地面。根据标准，需要制作一块400mm*500mm，厚度不小于10mm的路基沉降板放入，保持其紧贴地面;然后将静力水准仪的L支架锁在路基沉降板上，在把设备安装到L支架上，并制作长宽高为300mm*200mm200mm的箱体保护罩，两侧在底部与路基沉降板接触位置预留50mm的孔洞，最后将保护罩通过M8以上规格的不锈钢螺丝锁在路基沉降板上。

　　同一平面的监测点之间，通过使用直径50mm，壁厚大于5mm的钢管联通各保护罩，方便将通气、通液和通讯线缆连接起来，出了路基后，继续使用直径50mm，壁厚大于5mm的钢管连接到监测基准点支架上，连接上对应的基准点。线管拐弯部分，可以使用和保护罩一样的箱体，用于保护线管，避免因施工损坏线管，影响后续的监测。

　　设备安装、数据调试正常后，将挖坑处填土夯实。

　　2.数据采集制度与传输

　　（1）采集制度

　　对结构物监测因素进行实时测量;可根据人工设置时间段进行采集。本系统所测监测因素均为静态采集，时间可设为每5分钟采集一次。

　　（2）数据传输

　　数据无线传输方式通过成熟的GPRS/4GLTE网络，灵活地控制设备的采集制度，实现远程传输。该方案中现场不需要额外部署采集前置机和通信线路，直接通过无线传输模块实现对现场设备数据的采集和控制，简单方便。

　　结构物无线实时在线健康监测系统拓扑图如图所示。将传感器布设在铁路路基各测点，传感器与采集器对应连接，将采集器与无线传输设备DTU相连，将数据通过移动网络传输到平台。

　　3.人工复核监测方案

　　(1)监测项目预警值

　　铁路路基沉降：控制值士10mm，预警值士5mm。

　　(2)沉降监测的基本要求

1. 　　1)观测前对所用的水准仪、水准尺按有关规定进行校验，并作好记录，在使用过程中不能随意更换;

2. 　　2)首次进行观测，应适当增加测回数，一般取2~3次的平均数据作为初始值;

3. 　　3)固定观测人员、观测线路和观测方式;

4. 　　4)定期进行基准点校核、测点检查和仪器的校验，确保量测数据的准确性和连续性;

5. 　　5)记录每次测量时的气象情况、施工进度和现场工况，以供监测数据分析时参

　　(3)监测方法

　　沉降值计算：观测方法采用精密水准测量方法。基点和附近基准点联测取得初始高程。观测时各项限差宜严格控制，每测点读数高差不宜超过0.3mm，对不在水准路线上的观测点，一个测站不宜超过3个，如超过时，应重读后视点读数，以作核对。计算公式：

　　1.静力水准仪基准点液位高度变化量Ahl可按下列公式计算：

　　Ahl=基准点初始液位高-基准点当前液位高2.静力水准仪各观测点液位高度变化量Ahi可按下列公式计算：

　　Ahi=观测点初始液位高-观测点当前液位高3.各观测点沉降或抬高的变化量(沉降量)Hi可按下列公式计算：

　　AHi=Ahi-Ahl(0.01mm)

　　注：1.观测点计算值△Hi为负值时表示观测点下降;

　　2.观测点计算值△Hi为正值时表示观测点上升。

　　在条件许可的情况下，尽可能的布设导线网，以便进行平差处理，提高观测精度，然后按照测站进行平差，求得各点高程。

　　(4)数据分析与处理

　　根据监测数据绘制时间位移曲线散点图和距离位移曲线散点图，根据沉降规律判断铁路路基的稳定状态和施工措施的有效性。

　　4.监测频率

　　静力水准仪系统安装好后应连续采集24小时，确定稳定的初始值。系统采集频率5分钟/次，全天采集288次数据。

　　5.数据处理及信息反馈

　　（1）监测数据的处理

　　采集的监测数据以数值和图形图表等多种形式描述各项监测项目的变化趋势。

　　根据各个量测项目采集的数据，进行数据处理、分析，并提供给设计、监理、施工和工务部门作为改变施工方法、加强管理等依据。

　　根据监测数据分析结果进行下列分析，提供作为变更设计和施工方法的依据，实现监测的根本目的。

1. 　　1)随时把握铁路路基的安全性，提供监测分析结果及评价周报及月报。

2. 　　2)根据监测数据分析结果，对其进行理论分析。

3. 　　3)提供完整的监测结果分析报告书，总结评价铁路路基的安全性，以便为类似工程提供参考。

　　（2）信息反馈

　　本项目监测采用实时在线监测和人工监测相结合的方式。当天的监测成果在下次监测前应报送铁路路基管理方或施工方，叙述监测点情况及有关注意问题。如遇报警情况，应第一时间口头/电话通知，并于2小时内提交正式报警资料。周报表在每周末最后一天报送铁路路基管理方或施工方。月报表主要归入工程监测总结报告中，在月末30日前报送铁路路基管理方或施工方。

　　监测平台展示

　　监测平台主要计算自动化监测数据，并以图表展示，利用阀值对监测值进行有效判断实现自动报警。

　　1、实时监测—对结构变形、受力等自动化在线数据查看监测。

　　2、安全预警——数据异常时，通知用户。

　　3、集成功能一—各类设备管理、在线统计。