运营高速铁路路基高精度水平位移监测技术研究

闫宏业 蔡德钩 李竹庆 邓逆涛

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081）

路基是高速铁路平顺安全运营的重要基础［1］。我国高速铁路路基整体服役情况良好，发生过病害的长度占路基总长的6.51%［2］。沉降、上拱等异常变形往往伴随着路基水平位移。临近既有线地基处理、帮宽堆载等施工过程也会造成路基的水平偏移。高速铁路作业验收、经常保养、临时补修、限速级别的轨道静态几何尺寸容许偏差水平管理值分别仅为2，4，6，7 mm［3］。因此须要对路基水平位移进行高精度实时在线监测，为线路的建设、运营和维护提供依据。

常见的岩土体水平位移监测系统可分为滑动式、固定式等。考虑高速铁路运营与人员安全的管理要求，人工拉动下的滑动式监测难以实现实时在线监测，而电机驱动类监测技术受到零点漂移误差、探头导轮误差、测斜管扭转误差等影响［4］精度较低且系统外形较大，不适用于高速铁路轨旁安装，也不满足监测精度要求。阵列式位移测量技术（Shape Accelerometer Arrays，SAA）适用于滑坡体深层监测，但精度以及长期稳定性难以满足高速铁路路基变形监测要求［5］。固定式监测系统误差的产生主要有测斜管导槽扭转、零点漂移误差等原因。测斜管内有导向槽，实际埋设过程中导向槽易沿管长方向产生扭转。传感器在测量过程中受环境温度、列车振动等因素影响存在零点漂移误差。国内水平位移监测系统精度一般为5～10 mm/30 m，难以满足高速铁路路基对水平位移监测的高标准要求。

近年来，光纤传感监测技术在岩土工程中发展迅速，光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）监测、基于BOTDR 分布式监测可通过应变换算得出岩土体水平位移，具有抗干扰、耐腐蚀的特点［6-7］，但是光纤解调仪性能要求高，造价昂贵，不宜在高速铁路大规模应用。

鉴于此，本文基于三轴向测斜传感器设计了高速铁路路基水平位移监测系统，通过面向传感器级别的核心硬件电路设计、监测系统级别的算法补偿、系统安装设计，形成变形捕捉能力强、监测精度高、稳定性好、易于便携安装的高速铁路路基水平位移监测系统。将该系统应用于鲁南高速铁路地基处理施工影响下京沪高速铁路路基水平位移监测，以期指导地基处理方案的变更。

1 基本原理

高速铁路路基水平位移监测系统主要由传感器模块、数据采集模块、多通道通信模块和太阳能供电模块组成，可实现海量监测数据实时准确地采集、传输。通过对监测数据高速处理、综合分析、成图输出以及实时预警预报，实现高速铁路路基结构的安全评估。

图1 高速铁路路基水平位移监测系统工作原理

高速铁路路基水平位移监测系统工作原理如图1所示。各节测杆与测孔周围岩土体耦合变形，内置的三轴向测斜传感器可测得重力加速度与传感器输出轴的关系。以测孔轴线的坐标测量为基准，经过坐标变换计算出传感器输出轴与重力加速度的夹角，从而得出杆体瞬时的倾角。逐节计算各节测杆的x，y轴方向的位移，叠加可计算得到任意节测杆端点相对于基准点的位移。设基准点的坐标为(x0，y0)，则各段端点的平面坐标为

式中：L为单节测杆的长度；i为基准点以上各测杆端点的序号；n为测杆的总节数；θxi为第i节测杆轴线方向与x轴方向的夹角；θyi为第i节测杆轴线方向与y轴方向的夹角。

2 监测系统关键技术

2.1 传感器温度补偿试验

所用三轴向测斜传感器的敏感元件为硅材料，温度变化对其强度以及残余应力有很大影响，同时元件弹性模量和刚度也会发生变化，导致传感器会发生很大温度漂移。其次温度的变化导致封装材料吸收和释放部分气体，导致真空度的变化，进而影响内部机械结构的稳定性。由于集成电路中采用的各种电子器件都存在各自的温度系数，温度变化会对电子器件性能造成很大的影响，导致了传感器零点漂移稳定性能恶化。本文设计了核心硬件电路对温度误差进行补偿，同时设计了面向传感器级别的算法补偿，对温度零点漂移进行修正，长期监测精度可达1.0 mm/30 m。

2.1.1 核心硬件补偿试验

首先进行源数据滤波，解决加速度传感器的抖动问题，再读取温度，进行旋转二次函数校准，如图2 所示。图3为采用硬件补偿前后传感器在试验温度-40～80 ℃内加速度输出值，可见经硬件补偿后测试值稳定，较好地避免了温度变化对传感器精度的影响。

图2 硬件补偿方案

图3 硬件补偿前后加速度曲线

2.1.2 系统算法补偿试验

考虑集成传感器后独特的温度-角度输出特性，本文设计了升降温试验。试验时长约为24 h，记录不同温度值对应的传感器x轴输出零点漂移角度值，分析测试过程中每一个温度循环对应的输出曲线，得到x轴或y轴的拟合零点漂移直线，在实际输出角度中减去相应拟合计算出来的角度偏差，校准原始输出，分析在x，y轴的校准效果。试验方案见表1。

表1 温度补偿试验方案

考虑到高速铁路路基所处环境温度变化范围，试验时控制温度由常温降至-40 ℃附近，再连续阶段性升温至80 ℃，然后让其自然降温至常温。在每个温度点都要保温30 min 再进行角度实验。传感器固定于水平零位，中间无二次安装。

图4 为传感器x轴零点漂移拟合曲线，该拟合曲线综合考虑了被测传感器试验温度下降-上升-下降的完整过程，可见升温、降温过程中传感器的零点漂移特性存在差异，因此对去程和回程零点漂移进行了线性拟合。

图4 传感器x轴零点漂移拟合曲线

得到x轴的零点漂移拟合曲线后将其应用到数据后台，在收到传感器实时上报角度数据之后，对应减去测试温度下的角度偏差值，得到最终输出的角度误差，见图5。除去开始试验时的非稳定状态，其他时间可以将拟合误差大部分控制在0.004°范围内。

图5 x轴零点漂移拟合误差引起的角度误差

同理，得到传感器y轴影响测试与线性拟合曲线，以及最终输出的角度误差，见图6。可知，拟合角度误差大部分控制在0.01°范围内。

图6 传感器y轴零点漂移结果

2.2 温度补偿后误差分析

假设不同埋深的传感器由于温度变化产生的角度误差相等，分析深度30 m 范围内的误差累计到地面点位移测量中误差MD。根据误差传播定律［8］，假设L=1 m，MD的计算公式为

式中：σ为传感器测量位移的误差；θi为各节测杆中传感器的倾角读数。

由于cos2θi≤1，故MD的最大值为

式中：φ为传感器补偿后的角度误差。

根据数据温度补偿试验，取φ=0.01°，代入式（5）可得|MDmax|=±0.96 mm，保守取为MDmax=±1.0 mm。

2.3 监测系统安装方法

高速铁路路基水平位移监测系统的安装至关重要，安装的合理性决定监测系统精度与稳定性。实施步骤如下：

1）钻孔。根据设计要求，在相应位置放孔，用潜孔钻或地质钻机进行钻孔，孔径为91 mm，钻孔垂直偏差率应小于1.0%，孔深须严格满足设计要求。钻至指定设计深度后应清洗干净，孔内不能有岩芯碎块或其他杂质。压缩层内有砂层或含砂量较大时严禁水冲，必须干钻。钻探完成后孔口需修理平整、干净。

2）放入套管。套管采用内径28 mm 的PVC 给水管，每节2～4 m。采用管箍进行套管连接，衔接时管箍内壁涂抹密封胶水，以防止孔内漏水。套管管口应高出边坡平台面15～30 cm。有地下水时下套管应施加适当的下压荷载，以确保套管安装到指定深度。

3）填充空隙。PVC 套管与孔壁之间的空隙主要采用细砂或水泥进行填充。在必要的情况下放套管时侧壁设置注浆小管，对孔壁空隙进行注浆填充。顶部100 cm 范围内采用掺加膨胀剂的水泥砂浆进行充填与封闭，以防止大气降水进入钻孔内。植入水平位移自动监测传感器之前应对孔口进行封闭，以防止石子等物体掉落孔内，导致测孔堵塞，造成废孔情况。

4）植入水平位移传感系统。水平位移传感系统安装时，应尽量保证传感器呈较大圆顺弧度缓缓下放到保护套管中，下放过程中严禁扭转。必要时在传感器侧壁涂抹润滑剂，确保下放顺利。传感器下放前使传感器的x轴方向基本垂直于线路方向，并通过罗盘精确测量x轴的方位角。

5）约束管口。待水平位移传感系统下放3 d 后，经测试稳定，对传感器顶部施加不超过1 kN 下压荷载，同时采用不锈钢管箍将传感器与套管紧密箍紧，进行管口约束。确保传感器与套管之间的相对静止关系。约束管口之后读取初始读数。

6）设置保护井。为保证水平位移监测系统不被破坏，设置保护井对监测系统进行保护。保护井可采用钢筋架子，也可采用水泥砌体池，其尺寸为1.0 m×1.0 m×1.0 m。保护井外侧应设置醒目标示。

7）固定太阳能自供电系统和数据采集传输系统。安装之前应根据JGJ 145—2013《混凝土结构后锚固技术规程》［9］验算锚固安装的安全性。太阳能自供电系统和数据采集传输系统应采用φ8 mm 膨胀螺栓固定在稳定的水泥平台上，膨胀螺栓不少于4 个。供电系统的太阳能板应面向南面，确保光电转换效率。太阳能自供电系统的支架采用不锈钢支架，支架高度不超过1.8 m。数据采集传输系统固定在保护井内，太阳能自供电系统固定在保护井附近。

8）安装完成后，按规定的采集频率要求开展实时监测。

2.4 验证试验

水平位移传感器各自特性曲线带来的指标差异随机出现，对监测系统的精度有很大影响。要得到水平位移传感器集成后整条测线的完整曲线及各个测试点上报的倾角实时数据，对传感器的稳定性与一致性提出很高要求。此外刚性连接杆的强度与耐腐蚀性、扭转关节的自由转动能力、封装效果都对监测系统的精度与长期稳定性有很大影响。本文选取地质稳定、周围无新建工程扰动的户外场地进行效果验证。试验时将30 节测试单元串连为1 组测线，按要求安装在垂直地面的安装孔中。接入采集模块后连续采集数据，得到试验结果见图7。可知，在2018 年10月—2020 年1 月的监测期里，实测系统长期监测精度可达±1.0 mm/30 m，满足高速铁路路基变形监测的精度要求。

图7 监测系统稳定性测试水平位移发展曲线

3 工程应用

鲁南高速铁路引入曲阜东站后，在既有京沪高速铁路曲阜东站东侧新建鲁南车场，该段所涉及的路基工程称为鲁南场并场段路基工程。为实时评估新建线路地基处理过程引起的既有线路的横向水平位移，站台挡土墙墙趾外侧1 m 范围内按60 m 间距布设水平位移监测系统。监测孔距第一排管桩横向距离6.7 m，距京沪高速铁路3 股道轨道中心约22 m，距离Ⅰ股道轨道中心约29 m，现场布置如图8 所示。测孔左侧紧邻既有京沪高速铁路5 股道外侧挡墙，采用长度15 m的CFG桩进行地基处理；右侧为新建鲁南场管桩处理区，预应力混凝土管桩设计桩长30 m，桩间距2.0 m，直径0.4 m，引孔深度20 m。

图8 鲁南场地基加固区域水平位移监测断面

测孔处水平位移时程曲线见图9。可知，该监测系统可以监测到管桩在施工过程中存在的较明显挤土效应，京沪高速铁路正线路基坡脚产生较明显的水平位移，据此鲁南场并场段地基加固区域将原预应力混凝土管桩调整为CFG桩。

图9 高速铁路路基段地基深层土体水平位移时程曲线

4 结论

1）基于三轴向测斜传感器，设计了柔性连接的深层土体水平位移监测系统。通过面向传感器级别的核心硬件电路设计、监测系统级别算法补偿、稳定性测试等方法，测斜传感器精度达到0.01°。

2）形成了适合于高速铁路运营安全管理与高精度要求的系统安装方法，系统长期监测精度达到±1.0 mm/30 m，满足高速铁路路基水平位移高精度监测的需求。

3）该项监测技术成功应用于京沪高速铁路路基在新建鲁南高速铁路地基处理影响下的水平位移变形监测，指导了鲁南场并场段地基加固区域处理方案的调整。

4）此系统由于外形较小，可水平安装于高速铁路路基表面，在不影响列车安全运行条件下用于沉降、上拱、冻胀等竖向变形的监测，为路基异常变形规律的监测分析、工程整治方案的制定提供了依据。