鐵路路基塌陷全過程演化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種鐵路路基塌陷全過程演化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法，屬于測(cè)量技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鐵路路基塌陷的機(jī)理十分復(fù)雜，隨著地質(zhì)構(gòu)造的活動(dòng)、地下水、大氣降水等自然環(huán) 境的變化及人為因素的影響，路基的塌陷破壞呈現(xiàn)突發(fā)性和偶然性，極易造成危及鐵路運(yùn) 行的巨大破壞，鐵路路基服役期間的塌陷監(jiān)測(cè)需依靠測(cè)試手段。鐵路路基塌陷是一個(gè)漸進(jìn) 性的過程，從深部變形、深部塌陷逐漸擴(kuò)展到表層路基塌陷的過程，有必要對(duì)鐵路路基塌陷 的全過程演化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保障鐵路路基的全壽命安全。
[0003] 傳統(tǒng)的鐵路路基變形測(cè)量和塌陷監(jiān)測(cè)主要在基床表層埋置監(jiān)測(cè)粧和沉降板，布設(shè) 測(cè)斜管、沉陷計(jì)、位移計(jì)、土壓力計(jì)等，依靠定期的人工量測(cè)和人工巡檢，因路基塌陷破壞具 有隱蔽性和突發(fā)性等特征，上述測(cè)斜管、沉陷計(jì)、位移計(jì)、土壓力計(jì)等簡陋的設(shè)備無法實(shí)現(xiàn) 鐵路路基塌陷的全過程演化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。激光和全自動(dòng)高精度全站儀僅能測(cè)量路基表層的變 形，激光在野外環(huán)境中易受到大氣衰減和湍流及光照、大氣衰減、雨、霧等天氣影響等的影 響，且無法監(jiān)測(cè)路基深部變形。光纖光柵傳感方法作為一種分布式的結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)手段，可 根據(jù)應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷路基結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力分布，但存在傳感器存活率過低、成本高昂、維 護(hù)困難等缺點(diǎn)，如應(yīng)用在巖土工程中尚需解決傳感器的封裝和耐久性等問題。合成孔徑雷 達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)、地質(zhì)雷達(dá)，GPS測(cè)量、攝影測(cè)量方法等僅能監(jiān)測(cè)路基表面的變形，無法監(jiān)測(cè) 路基內(nèi)部的變形，而路基塌陷主要時(shí)，在路基內(nèi)部形成滑移路徑，路基深部變形監(jiān)測(cè)尤為重 要。TDR電纜可確定路基滑動(dòng)面的位置，但無法確定滑動(dòng)的方向、難以準(zhǔn)確測(cè)量滑動(dòng)的變形 量，當(dāng)埋置鐵路路基下方20米的深部無法布線。綜上所述，目前現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法存在深部變 形監(jiān)測(cè)困難，無法實(shí)現(xiàn)鐵路路基塌陷的全過程演化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種鐵路路基塌陷全過程演化動(dòng)態(tài) 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決在山區(qū)、野外、雨水等各種環(huán)境中服役，且進(jìn)行鐵路路基深部變形、及鐵路路 基塌陷全過程演化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的問題。
[0005] 與此相應(yīng)的，本發(fā)明另一個(gè)要解決的技術(shù)問題是應(yīng)用上述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行鐵路路基 塌陷全過程演化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方法。
[0006] 就監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，-磁場(chǎng)發(fā)射元件，埋設(shè)在鐵路路基內(nèi)，發(fā)射磁場(chǎng)，
[0007] _兩套磁場(chǎng)探測(cè)裝置，位于路基表面，所述磁場(chǎng)探測(cè)裝置包括四個(gè)用于接收磁場(chǎng)發(fā) 射元件所發(fā)射的磁場(chǎng)信息的三軸磁傳感器、用以定位的GPS、用以傳輸三軸磁傳感器及GPS 數(shù)據(jù)的無線通訊模塊和電源，所述四個(gè)三軸磁傳感器呈正方形布置，所述GPS位于正方形 的中心，
[0008] -數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)，處理由無線通訊模塊傳輸?shù)腉PS和三軸磁傳感器的數(shù)據(jù)，對(duì)鐵路 路基塌陷全過程演化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。
[0009] 通過磁場(chǎng)發(fā)射元件發(fā)射磁場(chǎng)，由磁場(chǎng)探測(cè)裝置的三軸磁傳感器接收磁場(chǎng)發(fā)射元件 的磁場(chǎng)信息，由GPS取得磁場(chǎng)探測(cè)裝置的位置信息，通過無線通訊模塊將GPS和三軸磁傳感 器的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)將上述數(shù)據(jù)計(jì)算成磁場(chǎng)發(fā)射元件的三維位置 參數(shù)，并繪制隨著鐵路路基塌陷全過程演化的磁場(chǎng)發(fā)射元件的實(shí)時(shí)位置曲線，確定鐵路路 基塌陷的變形階段，并給出相應(yīng)的預(yù)警。
[0010] 進(jìn)一步的，磁場(chǎng)發(fā)射元件包括釹鐵硼永磁鐵、釹鐵硼永磁鐵外的依次包圍的高阻 尼橡膠隔震層、工程塑料防滲層和高耐久性混凝土層。采用釹鐵硼永磁鐵，因其磁性穩(wěn)定、 在自然界幾乎不減退，達(dá)到長期服役的目標(biāo)。采用高阻尼橡膠作為隔震層，防止磁場(chǎng)發(fā)射元 件中的釹鐵硼永磁鐵在列車的長期震動(dòng)荷載和其他撞擊作用下失去磁性。采用電磁穿透率 高、耐磨損、抗沖擊、防滲的工程塑料封裝，制作磁場(chǎng)發(fā)射元件的防滲封裝層。采用高耐久性 混凝土作為磁場(chǎng)發(fā)射元件的外殼，從而在野外、荒山、高原、高寒地區(qū)等惡劣環(huán)境下長期服 役。
[0011] 就監(jiān)測(cè)方法而言，包括如下步驟：
[0012] S1)通過三維離散元方法計(jì)算鐵路路基塌陷全過程演化，根根鐵路路基塌陷全過 程演化中的位移和應(yīng)力的大小，將鐵路路基的全過程塌陷演化分為5個(gè)不同的變形階段， 分別為：①路基深部變形擴(kuò)展階段，②路基深部塌陷擴(kuò)展階段，③路基表面變形擴(kuò)展階段， ④路基表面變形失穩(wěn)階段，⑤路基整體塌陷階段；
[0013] 在鐵路路基內(nèi)埋設(shè)磁場(chǎng)發(fā)射元件，通過三維離散元方法理論推演出該磁場(chǎng)發(fā)射元 件的運(yùn)動(dòng)軌跡，繪制磁場(chǎng)發(fā)射元件的運(yùn)動(dòng)軌跡與鐵路路基塌陷全過程演化的關(guān)系曲線；
[0014] S2)在鐵路路基內(nèi)埋設(shè)磁場(chǎng)發(fā)射元件，在路基表面任意選擇兩個(gè)測(cè)點(diǎn)（Xl，yi， Zl) 和（x2,y2,z2)設(shè)置磁場(chǎng)探測(cè)裝置；
[0015] S3)理論計(jì)算磁場(chǎng)發(fā)射元件在兩個(gè)測(cè)點(diǎn)（Xi,ypZ)和（x2,y2,z2)的磁場(chǎng)梯度值 (Bxx 1，BxyBxzByyByzD和（Bxx2,Bxy2,Bxz2,Byy2,Byz2):
[0016] S4)根據(jù)磁場(chǎng)探測(cè)裝置的實(shí)測(cè)值計(jì)算磁場(chǎng)發(fā)射元件在兩個(gè)測(cè)點(diǎn)（Xl，yi， Zl)和 2,Byy2,ByZ 2); _7] S5)根據(jù)理論值（Bxxi，Bxyi，Bxzi，Byyi，ByzJ和（Bxx2,Bxy2,Bxz2,Byy2,Byz2)與實(shí)測(cè) 值（BxxdBxy!，Bxz 〇Byy 〇ByzD和（Bxx2,Bxy2,Bxz2,Byy2,Byz2)，通 過優(yōu)化算法得到三維位置參數(shù)的解，使得計(jì)算磁場(chǎng)梯度與實(shí)測(cè)磁場(chǎng)梯度的擬合誤差最小， 得到磁場(chǎng)發(fā)射元件的三維位置參數(shù)(x，y，&A ,
[0018] S6)根據(jù)S5)得到的實(shí)時(shí)的磁場(chǎng)發(fā)射元件的三維位置參數(shù)J,民妒;)繪制隨著 鐵路路基塌陷全過程演化的磁場(chǎng)發(fā)射元件的實(shí)時(shí)位置曲線，對(duì)照S1)中理論計(jì)算得到的鐵 路路基塌陷全過程演化的關(guān)系曲線，確定鐵路路基塌陷的變形階段，并給出相應(yīng)的預(yù)警。
[0019] 進(jìn)一步的，所述S1)中的磁場(chǎng)發(fā)射元件的實(shí)際埋設(shè)位置由理論推演得出，具體包 括如下步驟：
[0020] SI. 1)對(duì)于5個(gè)變形階段，選擇能反映鐵路路基塌陷演變規(guī)律的i個(gè)典型位置，假 定在每個(gè)典型位置埋設(shè)磁場(chǎng)發(fā)射元件，即假定共埋設(shè)i個(gè)磁場(chǎng)發(fā)射元件；
[0021] SI. 2)對(duì)于假定的每一個(gè)埋設(shè)位置，通過三維離散元方法計(jì)算磁場(chǎng)發(fā)射元件在5 個(gè)變形階段的三維運(yùn)動(dòng)，得到與鐵路路基塌陷全過程演化相對(duì)應(yīng)的i個(gè)磁場(chǎng)發(fā)射元件的三 維運(yùn)動(dòng)軌跡，針對(duì)i個(gè)不同的埋設(shè)位置，比較i個(gè)磁場(chǎng)發(fā)射元件的三維運(yùn)動(dòng)軌跡與鐵路路基 塌陷全過程演化的趨勢(shì)，根據(jù)三維運(yùn)動(dòng)軌跡與全過程演化趨勢(shì)最接近的原則，推演出磁場(chǎng) 發(fā)射元件的最佳埋設(shè)位置。
[0022] 針對(duì)鐵路塌陷全過程監(jiān)測(cè)的重大需求，本發(fā)明提出一種鐵路路基塌陷全過程演化 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法，采用GPS全球定位系統(tǒng)和磁場(chǎng)定位系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)鐵路路基塌 陷全過程演化，且提出基于實(shí)測(cè)值的快速預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，解決鐵路路基深部塌陷不易監(jiān)測(cè)、且無 法實(shí)現(xiàn)全過程監(jiān)測(cè)的難題。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明的磁場(chǎng)發(fā)射元件的結(jié)構(gòu)框圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明的磁場(chǎng)探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0025] 圖3是GPS和4個(gè)三軸磁傳感器的分布圖；
[0026] 圖4是本發(fā)明的鐵路路基塌陷全過程演化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0027] 圖5是本發(fā)明的鐵路路基塌陷全過程演化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理實(shí)施示意圖；
[0028] 圖中：1-釹鐵硼永磁鐵、2-高阻尼橡膠隔震層、3-工程塑料防滲層、4-高耐久性混 凝土外殼、5-三軸磁傳感器、6-GPS、7-無線通訊模塊、8-電源、9-鐵路路基、10-磁場(chǎng)發(fā)射元 件、11-磁場(chǎng)探測(cè)裝置的測(cè)點(diǎn)1、12-磁場(chǎng)探測(cè)裝置的測(cè)點(diǎn)2、13-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】[0029] 實(shí)施例1
[0030] 本實(shí)施例為鐵路路基塌陷全過程演化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖5所示，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包 括磁場(chǎng)發(fā)射元件10、磁場(chǎng)探測(cè)裝置和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)13。
[0031]如圖1所示，磁場(chǎng)發(fā)射元件10包括釹鐵硼永磁鐵1、釹鐵硼永磁鐵外的依次包圍的 高阻尼橡膠隔震層2、工程塑料防滲層3和高耐久性混凝土層4。如圖4所示，磁場(chǎng)發(fā)射元 件位于鐵路路基9