鐵路路基塌陷全過程演化動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法
【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態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，屬于測量技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鐵路路基塌陷的機理十分復(fù)雜，隨著地質(zhì)構(gòu)造的活動、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 行的巨大破壞，鐵路路基服役期間的塌陷監(jiān)測需依靠測試手段。鐵路路基塌陷是一個漸進 性的過程，從深部變形、深部塌陷逐漸擴展到表層路基塌陷的過程，有必要對鐵路路基塌陷 的全過程演化進行實時監(jiān)測，保障鐵路路基的全壽命安全。
[0003] 傳統(tǒng)的鐵路路基變形測量和塌陷監(jiān)測主要在基床表層埋置監(jiān)測粧和沉降板，布設(shè) 測斜管、沉陷計、位移計、土壓力計等，依靠定期的人工量測和人工巡檢，因路基塌陷破壞具 有隱蔽性和突發(fā)性等特征，上述測斜管、沉陷計、位移計、土壓力計等簡陋的設(shè)備無法實現(xiàn) 鐵路路基塌陷的全過程演化動態(tài)監(jiān)測。激光和全自動高精度全站儀僅能測量路基表層的變 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)測手段，可 根據(jù)應(yīng)變監(jiān)測數(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 護困難等缺點，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 達干涉測量技術(shù)、地質(zhì)雷達，GPS測量、攝影測量方法等僅能監(jiān)測路基表面的變形，無法監(jiān)測 路基內(nèi)部的變形，而路基塌陷主要時，在路基內(nèi)部形成滑移路徑，路基深部變形監(jiān)測尤為重 要。TDR電纜可確定路基滑動面的位置，但無法確定滑動的方向、難以準確測量滑動的變形 量，當埋置鐵路路基下方20米的深部無法布線。綜上所述，目前現(xiàn)有監(jiān)測方法存在深部變 形監(jiān)測困難，無法實現(xiàn)鐵路路基塌陷的全過程演化動態(tài)監(jiān)測的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(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態(tài) 監(jiān)測系統(tǒng)，解決在山區(qū)、野外、雨水等各種環(huán)境中服役，且進行鐵路路基深部變形、及鐵路路 基塌陷全過程演化動態(tài)監(jiān)測的問題。
[0005] 與此相應(yīng)的，本發(fā)明另一個要解決的技術(shù)問題是應(yīng)用上述監(jiān)測系統(tǒng)進行鐵路路基 塌陷全過程演化動態(tài)監(jiān)測的方法。
[0006] 就監(jiān)測系統(tǒng)而言，-磁場發(fā)射元件，埋設(shè)在鐵路路基內(nèi)，發(fā)射磁場，
[0007] _兩套磁場探測裝置，位于路基表面，所述磁場探測裝置包括四個用于接收磁場發(fā) 射元件所發(fā)射的磁場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)，對鐵路 路基塌陷全過程演化動態(tài)監(jiān)測和預(yù)警。
[0009] 通過磁場發(fā)射元件發(fā)射磁場，由磁場探測裝置的三軸磁傳感器接收磁場發(fā)射元件 的磁場信息，由GPS取得磁場探測裝置的位置信息，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)計算成磁場發(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發(fā)射元件的實時位置曲線，確定鐵路路 基塌陷的變形階段，并給出相應(yīng)的預(yù)警。
[0010] 進一步的，磁場發(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，達到長期服役的目標。采用高阻尼橡膠作為隔震層，防止磁場發(fā)射元 件中的釹鐵硼永磁鐵在列車的長期震動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，制作磁場發(fā)射元件的防滲封裝層。采用高耐久性 混凝土作為磁場發(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)測方法而言，包括如下步驟：
[0012] S1)通過三維離散元方法計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個不同的變形階段， 分別為：①路基深部變形擴展階段，②路基深部塌陷擴展階段，③路基表面變形擴展階段， 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)磁場發(fā)射元件，通過三維離散元方法理論推演出該磁場發(fā)射元 件的運動軌跡，繪制磁場發(fā)射元件的運動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)磁場發(fā)射元件，在路基表面任意選擇兩個測點（Xl，yi， Zl) 和（x2,y2,z2)設(shè)置磁場探測裝置；
[0015] S3)理論計算磁場發(fā)射元件在兩個測點（Xi,ypZ)和（x2,y2,z2)的磁場梯度值 (Bxx 1，BxyBxzByyByzD和（Bxx2,Bxy2,Bxz2,Byy2,Byz2):
[0016] S4)根據(jù)磁場探測裝置的實測值計算磁場發(fā)射元件在兩個測點（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)與實測 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，使得計算磁場梯度與實測磁場梯度的擬合誤差最小， 得到磁場發(fā)射元件的三維位置參數(shù)(x，y，&A ,
[0018] S6)根據(jù)S5)得到的實時的磁場發(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發(fā)射元件的實時位置曲線，對照S1)中理論計算得到的鐵 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] 進一步的，所述S1)中的磁場發(fā)射元件的實際埋設(shè)位置由理論推演得出，具體包 括如下步驟：
[0020] SI. 1)對于5個變形階段，選擇能反映鐵路路基塌陷演變規(guī)律的i個典型位置，假 定在每個典型位置埋設(shè)磁場發(fā)射元件，即假定共埋設(shè)i個磁場發(fā)射元件；
[0021] SI. 2)對于假定的每一個埋設(shè)位置，通過三維離散元方法計算磁場發(fā)射元件在5 個變形階段的三維運動，得到與鐵路路基塌陷全過程演化相對應(yīng)的i個磁場發(fā)射元件的三 維運動軌跡，針對i個不同的埋設(shè)位置，比較i個磁場發(fā)射元件的三維運動軌跡與鐵路路基 塌陷全過程演化的趨勢，根據(jù)三維運動軌跡與全過程演化趨勢最接近的原則，推演出磁場 發(fā)射元件的最佳埋設(shè)位置。
[0022] 針對鐵路塌陷全過程監(jiān)測的重大需求，本發(fā)明提出一種鐵路路基塌陷全過程演化 動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，采用GPS全球定位系統(tǒng)和磁場定位系統(tǒng)，用于監(jiān)測鐵路路基塌 陷全過程演化，且提出基于實測值的快速預(yù)警標準，解決鐵路路基深部塌陷不易監(jiān)測、且無 法實現(xiàn)全過程監(jiān)測的難題。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明的磁場發(fā)射元件的結(jié)構(gòu)框圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明的磁場探測裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0025] 圖3是GPS和4個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態(tài)監(jiān)測系統(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態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的原理實施示意圖；
[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-磁場發(fā)射元 件、11-磁場探測裝置的測點1、12-磁場探測裝置的測點2、13-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。
【具體實施方式】[0029] 實施例1
[0030] 本實施例為鐵路路基塌陷全過程演化動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，如圖5所示，該監(jiān)測系統(tǒng)包 括磁場發(fā)射元件10、磁場探測裝置和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)13。
[0031]如圖1所示，磁場發(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，磁場發(fā)射元 件位于鐵路路基9