CN104019795A - 铁路沉降监测***及在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铁路沉降监测***及在线监测方法，所述监测***包括数据采集站、基准静力水准仪、监测静力水准仪，数据采集站、基准静力水准仪和监测静力水准仪上均设有电缆接头，基准静力水准仪和监测静力水准仪上的电缆接头串联后通过电缆与所述数据采集站连接；基准静力水准仪和监测静力水准仪上均设有通气管接头和液体管接头，基准静力水准仪和监测静力水准仪上的通气管接头通过气体管串联，基准静力水准仪和监测静力水准仪上的液体管接头通过液体管串联。本发明基于电感调频原理和智能化监测方法，实现对铁路路基、桥涵、隧道和过渡段发生沉降情况的自动化监测，有效地排除人工干预因素，提高测量精度，并减少人工劳动强度。

Description

铁路沉降监测***及在线监测方法

技术领域

本发明属于铁路、公路路基等基础工程监测领域，具体涉及一种铁路沉降监测***及在线监测方法。

背景技术

地面沉降又称为地面下沉或地陷，在《地质灾害防治条例》中，它被定义为“缓变性地质灾害”，是在自然和人类工程经济活动影响下，由于地下松散地层固结压缩，导致地壳表面标高降低的一种局部的下降运动(或工程地质现象)。铁路、公路路基表面，特别是路桥过渡段等在施工过程及施工完成之后，会因为载荷、施工质量、区域沉降(地下水开采、周边施工等)引起路基、桥涵、隧道和过渡段的沉降。目前，在铁路施工阶段和工后一段时间内进行沉降观测的方法主要采用监测桩、沉降水杯测量、沉降板、磁环沉降仪、水压式剖面沉降仪或水平测斜仪。这些方法都是基于人工测量来实现的，具有以下缺点：

(1)测量精度较低：需定期对测量设备进行校核、标定；测量精度受技术人员素质、专业技术水平影响较大；

(2)受天气因素影响较大：人工测量受天气因素影响较大，对能见度、温度、湿度等气候条件要求较高；

(3)需要人工参与，人工记录数据，并将数据录入数据库中，不能实现全天候无人值守测量；

(4)在铁路运行期间，上述基于人工的沉降观测方法，其连续性、精确性和实时性难以保证。

发明内容

本发明是为解决上述技术问题，提供一种铁路沉降监测***及在线监测方法，实现对铁路路基、桥涵、隧道和过渡段发生沉降情况的自动化监测，有效地排除人工干预因素，提高测量精度，并减少人工劳动强度。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种铁路沉降监测***，包括数据采集站、一个设立于基准点的基准静力水准仪、以及至少一个设立于监测点的监测静力水准仪，所述数据采集站、基准静力水准仪和监测静力水准仪上均设有电缆接头，所述基准静力水准仪和监测静力水准仪上的电缆接头串联后通过电缆与所述数据采集站连接；

所述基准静力水准仪和监测静力水准仪上均设有通气管接头和液体管接头，所述基准静力水准仪和监测静力水准仪上的通气管接头通过气体管串联，所述基准静力水准仪和监测静力水准仪上的液体管接头通过液体管串联。

优选的，所述基准静力水准仪和监测静力水准仪均选用电感式智能静力水准仪。

其中，所述基准静力水准仪和监测静力水准仪的结构相同，包括金属保护罩、通过保护罩固定螺栓组件固定连接于所述金属保护罩下方的静力水准仪安装底座、罩设于金属保护罩内的水准盒和静力水准仪底座，所述水准盒和静力水准仪底座围设成的容腔内灌装有防冻液；

所述水准盒的外侧上方自上而下设有所述电缆接头、智能化组件和电感调频传感器；

所述水准盒的上端设有所述通气管接头，下端设有所述液体管接头；

所述水准盒的内侧上部设有与所述电感调频传感器连接的浮筒支撑杆，所述浮筒支撑杆的下端连接有浮筒；

所述静力水准仪底座通过调高螺杆组件与所述静力水准仪安装底座固定连接；

所述静力水准仪安装底座上设有固定螺栓组件。

其中，所述数据采集站内设有远程通信模块，可集中监控所有监测点的沉降值。

本发明还提供一种利用上述的铁路沉降监测***的在线监测方法，包括如下步骤：

(1)安装基准静力水准仪：选择不受沉降影响的铁路路基、桥涵、隧道、过渡段作为基准点，将基准静力水准仪固定安装在该基准点上；

(2)安装监测静力水准仪：在易发生沉降的铁路路基、桥涵、隧道、过渡段上安装监测静力水准仪；

(3)设置数据采集站：按照***内部协议进行数据采集站的设置；

(4)建立监测***：将基准静力水准仪和监测静力水准仪上的电缆接头串联后通过电缆与所述数据采集站连接，将基准静力水准仪和监测静力水准仪上的通气管接头通过气体管串联，将基准静力水准仪和监测静力水准仪上的液体管接头通过液体管串联，建成监测***；

(5)灌装液体：向基准静力水准仪和监测静力水准仪内灌入液体，直至液体充满整条液体管线；

(6)数据采集：通过数据采集站采集各基准静力水准仪和监测静力水准仪的初始液位值和沉降后的液位值；

(7)利用下述各式计算监测点的沉降值：

${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{H}_{i1}\×S_i={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{H}_{i2}\×S_i$    式(1)；

H₁₁-(H₁₂-X₁)＝H₂₁-(H₂₂-X₂)＝……H_n1-(H_n2-X_n)   式(2)；

式(2)中，以第1个静力水准仪为基准静力水准仪，则第i个监测静力水准仪的沉降值为：

X_i＝[H₁₁-(H₁₂-X₁)]-(H_i1-H_i2)，i＝2～n   式(3)；

上述各式中，H_i1为第i个静力水准仪的原始液位；H_i2为第i个静力水准仪的变化后的液位；S_i为第i个静力水准仪的水准盒的横截面积；X_i为第i个静力水准仪的沉降值。

其中，所述步骤(5)中，基准静力水准仪和监测静力水准仪中的液面高度处于量程的3/10～7/10位置，优选中间位置即量程的1/2位置处。此步骤中液面的初始位置由仪器精确测出。

优选的，所述步骤(7)中各个静力水准仪的水准盒的横截面积相等，则由式(1)可推得：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{i1}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{i2}=0,n=4.$

优选的，所述步骤(7)中以第1个静力水准仪为基准静力水准仪，且其沉降值为0，则由式(2)可推得：

X_i＝(H₁₁-H₁₂)-(H_i1-H_i2)，i＝2～n。

上述的在线监测方法还包括步骤(3)之后的设置转点，用于连接2个不同液面的子监测***，转点处包括2个静力水准仪，分别按照对应的子监测***进行布置。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

1、上述方案中，基于电感调频原理和智能化监测方法，测量原理是利用液体在连通的管道中，会由于重力的作用下，在不同位置的液面高度会相同，采用一个不受沉降影响的基准静力水准仪的沉降值作为基准，与其它监测静力水准仪受沉降影响而变化的液位值经过计算得到沉降值；并且由于采用同一液体管道，不受外界大气压变化的影响，采用智能化组件，受温度变化的影响较少。

2、本发明的在线监测方法可自动测试，不需要人工干预，大大提高测量精度，并大大减少人工劳动强度。

附图说明

图1为本发明的工作原理图；

图2为本发明实施例一中静力水准仪的结构示意图；

图3为实施例一初始时的状态示意图；

图4为实施例一中监测静力水准仪发生沉降后的状态示意图。

附图标记说明：

1、金属保护罩；

2、电缆接头；

3、智能化组件；

4、电感调频传感器；

5、通气管接头；

6、浮筒支撑杆；

7、水准盒；

8、浮筒；

9、防冻液；

10、液体管接头；

11、调高螺杆组件；

12、固定螺栓组件；

13、静力水准仪底座；

14、静力水准仪安装底座；

15、保护罩固定螺栓组件；

20、数据采集站；

21、监测静力水准仪；

22、电缆；

23、气体管；

24、液体管；

25、基准静力水准仪。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例一：一种铁路沉降监测***，包括数据采集站20、一个设立于基准点的基准静力水准仪25、三个设立于监测点的监测静力水准仪21，所述基准静力水准仪25和监测静力水准仪21均选用电感式智能静力水准仪。本铁路沉降监测***采用如图1所示的工作原理对铁路路基、桥涵、隧道或过渡段上监测点的沉降进行在线监测，假定左侧的布置在基准点的电感式智能静力水准仪为基准静力水准仪，右侧的布置在待测点的电感式智能静力水准仪为监测静力水准仪，图1从左到右描绘了当待测点沉降(垂直位移发生变化)时，液面的变化情况。

如图3、图4所示，所述数据采集站20、基准静力水准仪25和监测静力水准仪21上均设有电缆接头2，所述基准静力水准仪25和监测静力水准仪21上的电缆接头2串联后通过电缆22与所述数据采集站20连接。

所述基准静力水准仪25和监测静力水准仪21上均设有通气管接头5和液体管接头10，所述基准静力水准仪25和监测静力水准仪21上的通气管接头5通过气体管23串联，所述基准静力水准仪25和监测静力水准仪21上的液体管接头10通过液体管24串联，这样当监测点发生沉降时，基准静力水准仪和监测静力水准仪的液面相对于其筒体的位置就会变化，测试这种变化就可计算出监测点相对于基准点的垂直位移量，从而达到监测铁路路基、桥涵、隧道或过渡段沉降的目的。

如图2所示，所述电感式智能静力水准仪包括金属保护罩1、通过保护罩固定螺栓组件15固定连接于所述金属保护罩1下方的静力水准仪安装底座14、罩设于金属保护罩1内的水准盒7和静力水准仪底座13，所述水准盒7和静力水准仪底座13围设成的容腔内灌装有防冻液9。

所述水准盒7的外侧上方自上而下设有所述电缆接头2、智能化组件3和电感调频传感器4，利用电感调频传感器4可以测得液位变化量，然后通过智能化组件3的智能化处理，转变为数字信号传给数据采集站20。

所述水准盒7的上端设有所述通气管接头5，下端设有所述液体管接头10。

所述水准盒7的内侧上部设有与所述电感调频传感器5连接的浮筒支撑杆6，所述浮筒支撑杆6的下端连接有浮筒8。

所述静力水准仪底座13通过调高螺杆组件11与所述静力水准仪安装底座14固定连接。

所述静力水准仪安装底座14上设有固定螺栓组件12，用于将静力水准仪与路基、桥涵、隧道或过渡段固定连接。

所述数据采集站20内设有远程通信模块，可集中监控所有监测点的沉降值。

本发明实施例一还提供一种利用上述的铁路沉降监测***的在线监测方法，包括如下步骤：

(1)安装基准静力水准仪：选择不受沉降影响的铁路路基、桥涵、隧道、过渡段作为基准点，将基准静力水准仪固定安装在该基准点上；

(2)安装监测静力水准仪：在易发生沉降的铁路路基、桥涵、隧道、过渡段上安装监测静力水准仪；

(3)设置数据采集站：在待测区域附近，按照***内部协议进行数据采集站的设置；

(4)建立监测***：将基准静力水准仪和监测静力水准仪上的电缆接头串联后通过电缆与所述数据采集站连接，将基准静力水准仪和监测静力水准仪上的通气管接头通过气体管串联，将基准静力水准仪和监测静力水准仪上的液体管接头通过液体管串联，建成监测***；

(5)灌装液体：向基准静力水准仪和监测静力水准仪内灌入液体，直至液体充满整条液体管线，基准静力水准仪和监测静力水准仪中的液面高度处于量程的中间位置，即液面高出水准盒高度的1/2，由仪器精确测出；

(6)数据采集：通过数据采集站采集各基准静力水准仪和监测静力水准仪的初始液位值和沉降后的液位值；

(7)本技术方案中连通液位***计算的依据有两个：一是各静力水准仪的水准盒内的液体总体积不变；二是各个水准盒内的水平面变化一致，因而可利用下述各式计算监测点的沉降值：

${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{H}_{i1}\×S_i={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{H}_{i2}\×S_i$    式(1)；

H₁₁-(H₁₂-X₁)＝H₂₁-(H₂₂-X₂)＝……H_n1-(H_n2-X_n)   式(2)；

式(2)中，以第1个静力水准仪为基准静力水准仪，则第i个监测静力水准仪的沉降值为：

X_i＝[H₁₁-(H₁₂-X₁)]-(H_i1-H_i2)，i＝2～4   式(3)；

上述各式中，H_i1为第i个静力水准仪的原始液位；H_i2为第i个静力水准仪的变化后的液位；S_i为第i个静力水准仪的水准盒的横截面积；X_i为第i个静力水准仪的沉降值。

优选的，所述步骤(7)中各个静力水准仪的水准盒的横截面积相等，则由式(1)可推得：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{i1}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{i2}=0,n=4.$

所述步骤(7)中以第1个静力水准仪为基准静力水准仪，且其沉降值为0，则由式(2)可推得：

X_i＝(H₁₁-H₁₂)-(H_i1-H_i2)，i＝2～4。

又因，基准静力水准仪和监测静力水准仪的初始液面高度一致，则：

X_i＝H_i2-H_i2，i＝2～4。

上述的在线监测方法还包括步骤(3)之后的设置转点，用于连接2个不同液面的子监测***，转点处包括2个静力水准仪，分别按照对应的子监测***进行布置。

采用转点方式的原因是：采用电感式智能静力水准仪监测沉降，要求各静力水准仪的初始液面处于同一水平位置，也就是要求电感式智能静力水准仪要安装在同一水平位置，这个要求对于坡度较大或距离比较长的情况，是难以实现的，此时需采取转点方式进行沉降监测。转点方式实际上就是设置多条水平线，在线的端点重叠，使得测量的数据可以靠重叠点传递。

本发明基于电感调频原理和智能化监测方法，测量原理是利用液体在连通的管道中，会由于重力的作用下，在不同位置的液面高度会相同，采用一个不受沉降影响的基准静力水准仪的沉降值作为基准，与其它监测静力水准仪受沉降影响而变化的液位值经过计算得到沉降值；并且由于采用同一液体管道，不受外界大气压变化的影响，采用智能化组件，受温度变化的影响较少。本发明的在线监测方法可自动测试，不需要人工干预，大大提高测量精度，并大大减少人工劳动强度。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种铁路沉降监测***，其特征在于，包括数据采集站、一个设立于基准点的基准静力水准仪、以及至少一个设立于监测点的监测静力水准仪，所述数据采集站、基准静力水准仪和监测静力水准仪上均设有电缆接头，所述基准静力水准仪和监测静力水准仪上的电缆接头串联后通过电缆与所述数据采集站连接；

所述基准静力水准仪和监测静力水准仪上均设有通气管接头和液体管接头，所述基准静力水准仪和监测静力水准仪上的通气管接头通过气体管串联，所述基准静力水准仪和监测静力水准仪上的液体管接头通过液体管串联。

2.根据权利要求1所述的铁路沉降监测***，其特征在于，所述基准静力水准仪和监测静力水准仪均选用电感式智能静力水准仪。

3.根据权利要求1或2所述的铁路沉降监测***，其特征在于，所述基准静力水准仪和监测静力水准仪的结构相同，包括金属保护罩、通过保护罩固定螺栓组件固定连接于所述金属保护罩下方的静力水准仪安装底座、罩设于金属保护罩内的水准盒和静力水准仪底座，所述水准盒和静力水准仪底座围设成的容腔内灌装有防冻液；

所述水准盒的外侧上方自上而下设有所述电缆接头、智能化组件和电感调频传感器；

所述水准盒的上端设有所述通气管接头，下端设有所述液体管接头；

所述水准盒的内侧上部设有与所述电感调频传感器连接的浮筒支撑杆，所述浮筒支撑杆的下端连接有浮筒；

所述静力水准仪底座通过调高螺杆组件与所述静力水准仪安装底座固定连接；

所述静力水准仪安装底座上设有固定螺栓组件。

4.根据权利要求1所述的铁路沉降监测***，其特征在于，所述数据采集站内设有远程通信模块。

5.一种利用如权利要求1～4中任一项所述的铁路沉降监测***的在线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)安装基准静力水准仪：选择不受沉降影响的铁路路基、桥涵、隧道、过渡段作为基准点，将基准静力水准仪固定安装在该基准点上；

(2)安装监测静力水准仪：在易发生沉降的铁路路基、桥涵、隧道、过渡段上安装监测静力水准仪；

(3)设置数据采集站：按照***内部协议进行数据采集站的设置；

(4)建立监测***：将基准静力水准仪和监测静力水准仪上的电缆接头串联后通过电缆与所述数据采集站连接，将基准静力水准仪和监测静力水准仪上的通气管接头通过气体管串联，将基准静力水准仪和监测静力水准仪上的液体管接头通过液体管串联，建成监测***；

(5)灌装液体：向基准静力水准仪和监测静力水准仪内灌入液体，直至液体充满整条液体管线；

(6)数据采集：通过数据采集站采集各基准静力水准仪和监测静力水准仪的初始液位值和沉降后的液位值；

(7)利用下述各式计算监测点的沉降值：

${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{H}_{i1}\×S_i={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{H}_{i2}\×S_i$    式(1)；

H₁₁-(H₁₂-X₁)＝H₂₁-(H₂₂-X₂)＝……H_n1-(H_n2-X_n)   式(2)；

式(2)中，以第1个静力水准仪为基准静力水准仪，则第i个监测静力水准仪的沉降值为：

X_i＝[H₁₁-(H₁₂-X₁)]-(H_i1-H_i2)，i＝2～n   式(3)；

上述各式中，H_i1为第i个静力水准仪的原始液位；H_i2为第i个静力水准仪的变化后的液位；S_i为第i个静力水准仪的水准盒的横截面积；X_i为第i个静力水准仪的沉降值。

6.根据权利要求5所述的在线监测方法，其特征在于，所述步骤(5)中，基准静力水准仪和监测静力水准仪中的液面高度处于量程的3/10～7/10位置。

7.根据权利要求5所述的在线监测方法，其特征在于，所述步骤(7)中各个静力水准仪的水准盒的横截面积相等，则由式(1)可推得：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{i1}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{i2}=0,n=4.$

8.根据权利要求5所述的在线监测方法，其特征在于，所述步骤(7)中以第1个静力水准仪为基准静力水准仪，且其沉降值为0，则由式(2)可推得：

X_i＝(H₁₁-H₁₂)-(H_i1-H_i2)，i＝2～n。

9.根据权利要求5所述的在线监测方法，其特征在于，还包括步骤(3)之后的设置转点，用于连接2个不同液面的子监测***，转点处包括2个静力水准仪，分别按照对应的子监测***进行布置。