CN105203626A - 铁路路基塌陷全过程演化动态监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路路基塌陷全过程演化动态监测系统，包括埋设于铁路路基内的磁场发射元件、位于路基上的两套磁场探测装置和数据控制系统，磁场探测装置包括四个用于接收磁场发射元件所发射的磁场信息的三轴磁传感器、用以定位的GPS、和用以传输三轴磁传感器及GPS数据的无线通讯模块，四个三轴磁传感器呈正方形布置，GPS位于正方形的中心；数据控制系统通过处理由无线通讯模块传输的GPS和三轴磁传感器的数据，对铁路路基塌陷全过程演化动态监测和预警。同时，本发明还公开了一种监测方法，该方法用于监测铁路路基塌陷全过程演化，且提出基于实测值的快速预警标准，解决了铁路路基深部塌陷不易监测、且无法实现全过程监测的难题。

Description

铁路路基塌陷全过程演化动态监测系统及监测方法

技术领域

本发明是一种铁路路基塌陷全过程演化动态监测系统及监测方法，属于测量技术领域。

背景技术

铁路路基塌陷的机理十分复杂，随着地质构造的活动、地下水、大气降水等自然环境的变化及人为因素的影响，路基的塌陷破坏呈现突发性和偶然性，极易造成危及铁路运行的巨大破坏，铁路路基服役期间的塌陷监测需依靠测试手段。铁路路基塌陷是一个渐进性的过程，从深部变形、深部塌陷逐渐扩展到表层路基塌陷的过程，有必要对铁路路基塌陷的全过程演化进行实时监测，保障铁路路基的全寿命安全。

传统的铁路路基变形测量和塌陷监测主要在基床表层埋置监测桩和沉降板，布设测斜管、沉陷计、位移计、土压力计等，依靠定期的人工量测和人工巡检，因路基塌陷破坏具有隐蔽性和突发性等特征，上述测斜管、沉陷计、位移计、土压力计等简陋的设备无法实现铁路路基塌陷的全过程演化动态监测。激光和全自动高精度全站仪仅能测量路基表层的变形，激光在野外环境中易受到大气衰减和湍流及光照、大气衰减、雨、雾等天气影响等的影响，且无法监测路基深部变形。光纤光栅传感方法作为一种分布式的结构应变监测手段，可根据应变监测数据判断路基结构内部的受力分布，但存在传感器存活率过低、成本高昂、维护困难等缺点，如应用在岩土工程中尚需解决传感器的封装和耐久性等问题。合成孔径雷达干涉测量技术、地质雷达，GPS测量、摄影测量方法等仅能监测路基表面的变形，无法监测路基内部的变形，而路基塌陷主要时，在路基内部形成滑移路径，路基深部变形监测尤为重要。TDR电缆可确定路基滑动面的位置，但无法确定滑动的方向、难以准确测量滑动的变形量，当埋置铁路路基下方20米的深部无法布线。综上所述，目前现有监测方法存在深部变形监测困难，无法实现铁路路基塌陷的全过程演化动态监测的难题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种铁路路基塌陷全过程演化动态监测系统，解决在山区、野外、雨水等各种环境中服役，且进行铁路路基深部变形、及铁路路基塌陷全过程演化动态监测的问题。

与此相应的，本发明另一个要解决的技术问题是应用上述监测系统进行铁路路基塌陷全过程演化动态监测的方法。

就监测系统而言，-磁场发射元件，埋设在铁路路基内，发射磁场，

-两套磁场探测装置，位于路基表面，所述磁场探测装置包括四个用于接收磁场发射元件所发射的磁场信息的三轴磁传感器、用以定位的GPS、用以传输三轴磁传感器及GPS数据的无线通讯模块和电源，所述四个三轴磁传感器呈正方形布置，所述GPS位于正方形的中心，

-数据控制系统，处理由无线通讯模块传输的GPS和三轴磁传感器的数据，对铁路路基塌陷全过程演化动态监测和预警。

通过磁场发射元件发射磁场，由磁场探测装置的三轴磁传感器接收磁场发射元件的磁场信息，由GPS取得磁场探测装置的位置信息，通过无线通讯模块将GPS和三轴磁传感器的数据传输至数据控制系统，数据控制系统将上述数据计算成磁场发射元件的三维位置参数，并绘制随着铁路路基塌陷全过程演化的磁场发射元件的实时位置曲线，确定铁路路基塌陷的变形阶段，并给出相应的预警。

进一步的，磁场发射元件包括钕铁硼永磁铁、钕铁硼永磁铁外的依次包围的高阻尼橡胶隔震层、工程塑料防渗层和高耐久性混凝土层。采用钕铁硼永磁铁，因其磁性稳定、在自然界几乎不减退，达到长期服役的目标。采用高阻尼橡胶作为隔震层，防止磁场发射元件中的钕铁硼永磁铁在列车的长期震动荷载和其他撞击作用下失去磁性。采用电磁穿透率高、耐磨损、抗冲击、防渗的工程塑料封装，制作磁场发射元件的防渗封装层。采用高耐久性混凝土作为磁场发射元件的外壳，从而在野外、荒山、高原、高寒地区等恶劣环境下长期服役。

就监测方法而言，包括如下步骤：

S1)通过三维离散元方法计算铁路路基塌陷全过程演化，根根铁路路基塌陷全过程演化中的位移和应力的大小，将铁路路基的全过程塌陷演化分为5个不同的变形阶段，分别为：①路基深部变形扩展阶段，②路基深部塌陷扩展阶段，③路基表面变形扩展阶段，④路基表面变形失稳阶段，⑤路基整体塌陷阶段；

在铁路路基内埋设磁场发射元件，通过三维离散元方法理论推演出该磁场发射元件的运动轨迹，绘制磁场发射元件的运动轨迹与铁路路基塌陷全过程演化的关系曲线；

S2)在铁路路基内埋设磁场发射元件，在路基表面任意选择两个测点(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)设置磁场探测装置；

S3)理论计算磁场发射元件在两个测点(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)的磁场梯度值(B_xx-1,B_xy-1,B_xz-1,B_yy-1,B_yz-1)和(B_xx-2,B_xy-2,B_xz-2,B_yy-2,B_yz-2)：

S4)根据磁场探测装置的实测值计算磁场发射元件在两个测点(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)的磁场梯度值(B′_xx-1,B′_xy-1,B′_xz-1,B′_yy-1,B′_yz-1)和(B′_xx-2,B′_xy-2,B′_xz-2,B′_yy-2,B′_yz-2)；

S5)根据理论值(B_xx-1,B_xy-1,B_xz-1,B_yy-1,B_yz-1)和(B_xx-2,B_xy-2,B_xz-2,B_yy-2,B_yz-2)与实测值(B′_xx-1,B′_xy-1,B′_xz-1,B′_yy-1,B′_yz-1)和(B′_xx-2,B′_xy-2,B′_xz-2,B′_yy-2,B′_yz-2)，通过优化算法得到三维位置参数的解，使得计算磁场梯度与实测磁场梯度的拟合误差最小，得到磁场发射元件的三维位置参数

S6)根据S5)得到的实时的磁场发射元件的三维位置参数绘制随着铁路路基塌陷全过程演化的磁场发射元件的实时位置曲线，对照S1)中理论计算得到的铁路路基塌陷全过程演化的关系曲线，确定铁路路基塌陷的变形阶段，并给出相应的预警。

进一步的，所述S1)中的磁场发射元件的实际埋设位置由理论推演得出，具体包括如下步骤：

S1.1)对于5个变形阶段，选择能反映铁路路基塌陷演变规律的i个典型位置，假定在每个典型位置埋设磁场发射元件，即假定共埋设i个磁场发射元件；

S1.2)对于假定的每一个埋设位置，通过三维离散元方法计算磁场发射元件在5个变形阶段的三维运动，得到与铁路路基塌陷全过程演化相对应的i个磁场发射元件的三维运动轨迹，针对i个不同的埋设位置，比较i个磁场发射元件的三维运动轨迹与铁路路基塌陷全过程演化的趋势，根据三维运动轨迹与全过程演化趋势最接近的原则，推演出磁场发射元件的最佳埋设位置。

针对铁路塌陷全过程监测的重大需求，本发明提出一种铁路路基塌陷全过程演化动态监测系统及监测方法，采用GPS全球定位系统和磁场定位系统，用于监测铁路路基塌陷全过程演化，且提出基于实测值的快速预警标准，解决铁路路基深部塌陷不易监测、且无法实现全过程监测的难题。

附图说明

图1是本发明的磁场发射元件的结构框图；

图2是本发明的磁场探测装置的结构框图；

图3是GPS和4个三轴磁传感器的分布图；

图4是本发明的铁路路基塌陷全过程演化动态监测系统的结构框图；

图5是本发明的铁路路基塌陷全过程演化动态监测系统的原理实施示意图；

图中：1-钕铁硼永磁铁、2-高阻尼橡胶隔震层、3-工程塑料防渗层、4-高耐久性混凝土外壳、5-三轴磁传感器、6-GPS、7-无线通讯模块、8-电源、9-铁路路基、10-磁场发射元件、11-磁场探测装置的测点1、12-磁场探测装置的测点2、13-数据控制系统。

具体实施方式

实施例1

本实施例为铁路路基塌陷全过程演化动态监测系统，如图5所示，该监测系统包括磁场发射元件10、磁场探测装置和数据处理系统13。

如图1所示，磁场发射元件10包括钕铁硼永磁铁1、钕铁硼永磁铁外的依次包围的高阻尼橡胶隔震层2、工程塑料防渗层3和高耐久性混凝土层4。如图4所示，磁场发射元件位于铁路路基9内，具体埋设方法是：在铁路路基9的坡面上竖向钻孔，将磁场发射元件埋设在路基深部，埋设深度h不大于30米，通常根据地质条件h取10米～20米，埋设完毕后填不少于0.3米厚的砂土、再灌浆至路基的坡面。磁场发射元件随铁路路基坍塌运动并发射磁场。

如图4所示，磁场探测装置数量为两套分别位于测点111和测点212，如图2所示，每套磁场探测装置包括四个用于接收磁场发射元件所发射的磁场信息的三轴磁传感器5、用以定位的GPS6、和用以传输三轴磁传感器及GPS数据的无线通讯模块7，所述四个三轴磁传感器5呈正方形布置，所述GPS6位于正方形的中心，三轴磁传感器5、GPS6和无线通讯模块7由电源8提供电源。

数据控制系统13包括计算机终端和网络，接收无线通讯模块的数据，并将数据计算成磁场发射元件的三维位置参数，并绘制随着铁路路基塌陷全过程演化的磁场发射元件的实时位置曲线，确定铁路路基塌陷的变形阶段，并给出相应的预警。

实施例2

本实施例为应用上述铁路路基塌陷全过程演化动态监测系统进行铁路路基坍塌监测的方法。

该监测方法包括如下步骤：

S1)通过三维离散元方法计算铁路路基塌陷全过程演化，根根铁路路基塌陷全过程演化中的位移和应力的大小，将铁路路基的全过程塌陷演化分为5个不同的变形阶段，分别为：①路基深部变形扩展阶段，②路基深部塌陷扩展阶段，③路基表面变形扩展阶段，④路基表面变形失稳阶段，⑤路基整体塌陷阶段。上述计算的铁路路基塌陷全过程为理论计算推演，针对铁路路基塌陷的全过程，给出相应的5个预警标准。第①阶段为安全，客运列车和货运列车可正常通过。第②阶段为轻度危险，普通客运列车可正常通过，高速客运列车和货运列车必须减速通过，应选择部分区域的路基进行加固。第③阶段为较危险，普通客运列车必须减速通过，高速客运列车和货运列车不得通过，应选择更大区域的路基进行加固。第④阶段为危险，铁路路基即将破坏，客运列车和货运列车不得通过，铁路路基必须马上进行加固。第⑤阶段为极度危险，铁路路基已经破坏且已危及轨道，客运列车和货运列车都不得通过，铁路路基必须进行加固。

在铁路路基内埋设磁场发射元件，通过三维离散元方法理论推演出该磁场发射元件的运动轨迹，绘制磁场发射元件的运动轨迹与铁路路基塌陷全过程演化的关系曲线，该关系曲线也就是给出了与铁路路基塌陷5个变形阶段的相对应的路基深部传感石块位移的范围，本步骤的关系曲线是理论计算出的关系曲线，即用理论推演出的磁场发射元件的运动轨迹与铁路路基塌陷全过程演化的5个阶段相比较得出的。

S2)在路基表面任意选择两个测点(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)设置磁场探测装置，磁场探测装置中的四个三轴磁传感器的编号分别为A、B、C、D，GPS编号为O，如图2所示，ABCD四个三轴磁传感器的XYZ轴方向相同，其中AB位于X轴，CD位于Y轴，ABCD的分布中心为原点O。

S3)理论计算磁场发射元件在两个测点(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)的磁场梯度值(B_xx-1,B_xy-1,B_xz-1,B_yy-1,B_yz-1)和(B_xx-2,B_xy-2,B_xz-2,B_yy-2,B_yz-2)：

磁场发射元件中的钕铁硼永磁铁视为磁偶极子，磁场发射元件中的钕铁硼永磁铁激发的磁场的磁感应强度为B_a，铁轨激发的磁场的磁感应强度B_t，地磁场的磁感应强度为B_e，附近的环境磁场为噪声磁场，其磁感应强度为B_n。

当磁场探测装置在铁路路基上进行监测时，磁场探测装置中的三轴磁传感探头测得的磁感应强度为B，其相应的磁场梯度张量为G。则，B＝B_a+B_t+B_e+B_n。由于铁轨的尺寸和磁导率恒定，铁路的磁场保持恒定，直接计算铁轨产生的磁场B_t。B_n为具有脉动性质的噪声磁场，通过小波滤波的方式消除。则三轴磁传感探头测得的磁感应强度为B中，仅剩下B_a+B_e。

相应的，磁场梯度张量G，含有G_a+G_e，由于地球磁场的梯度张量值一般比地磁异常的梯度值梯度张量小得多，所以G_a+G_e≈G_a，即得到了磁场发射元件中的钕铁硼永磁铁激发的磁场的磁场梯度张量G_a。

磁场发射元件中的钕铁硼永磁铁激发磁场，由于磁场发射元件中的钕铁硼永磁铁与磁场探测装置的距离比钕铁硼永磁铁的尺寸大得多，将磁场发射元件中的钕铁硼永磁铁视为磁偶极子，其磁矩为m(m_x,m_y,m_z)。磁场发射元件的磁矩，与磁场发射元件在坐标系中的方位有关，展开后为m为磁矩的模，由钕铁硼永磁铁的尺寸、剩磁和矫顽力确定。θ和为钕铁硼永磁铁的方位角，反映磁场发射元件的滚动。磁场梯度张量定位中的未知数由磁矩参数m(m_x,m_y,m_z)和位置参数x,y,z简化为参数

在路基表面任意选择两个测点，采用磁场探测装置进行测量磁场发射元件的磁感应强度。磁场发射元件在任一测点处的磁感应强度为：

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\[\frac{3(m\·r)r}{r^5}-\frac{m}{r^3}\]---\left(1\right)$

式中，μ₀为介质磁导率，m(m_x,m_y,m_z)为钕铁硼永磁铁的磁矩，r＝xi+yj+zk为磁场发射元件至测点的位矢，r＝|r|。

磁感应强度B的梯度张量为：

$G_{ij}=\frac{\∂B_i}{\∂r_j}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\[-\frac{15\left(m\·r\right)r_i{r}_j}{r^7}+\frac{3m_i{r}_j}{r^5}+\frac{3m_j{r}_i}{r^5}+\frac{3\left(m\·r\right){\mathrm{\δ}}_{ij}}{r^5}\]---\left(2\right)$

${\mathrm{\δ}}_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}1& i=j\\ 0& i\≠j\end{array}\right.---\left(3\right)$

如表示成空间三个方向(x,y,z)的变化率，则磁场梯度张量包括9个要素，即：

$G_a=\left[\begin{array}{ccc}\frac{\∂B_x}{\∂x}& \frac{\∂B_x}{\∂y}& \frac{\∂B_x}{\∂z}\\ \frac{\∂B_y}{\∂x}& \frac{\∂B_y}{\∂y}& \frac{\∂B_y}{\∂z}\\ \frac{\∂B_z}{\∂x}& \frac{\∂B_z}{\∂y}& \frac{\∂B_z}{\∂z}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{B}_{xx}& B_{xy}& B_{xz}\\ B_{yx}& B_{yy}& B_{yz}\\ B_{zx}& B_{zy}& B_{zz}\end{array}\right]---\left(4\right)$

根据公式(1)-(4)计算出(B_xx-1,B_xy-1,B_xz-1,B_yy-1,B_yz-1)和(B_xx-2,B_xy-2,B_xz-2,B_yy-2,B_yz-2)。

S4)根据磁场探测装置的实测值计算磁场发射元件在两个测点(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)的磁场梯度值(B′_xx-1,B′_xy-1,B′_xz-1,B′_yy-1,B′_yz-1)和(B′_xx-2,B′_xy-2,B′_xz-2,B′_yy-2,B′_yz-2)：

测量磁场发射元件在磁场探测装置所在的测点激发的磁场，得到磁感应强度B′_A，B′_C，B′_B和B′_D。上述磁感应强度均为三维矢量(B′_x，B′_y，B′_z)，则磁场发射元件在磁场探测装置所在的测点处激发的磁场梯度如下：

$B_{xx}^{\′}\≈\frac{B_{xA}^{\′}-B_{xB}^{\′}}{L}---\left(5a\right)$

$B_{yy}^{\′}\≈\frac{B_{yC}^{\′}-B_{yD}^{\′}}{L}---\left(5b\right)$

B′_zz≈-B′_xx-B′_yy(5c)

$B_{yz}^{\′}=B_{zy}^{\′}\≈\frac{B_{zC}^{\′}-B_{zD}^{\′}}{L}---\left(5d\right)$

$B_{xz}^{\′}=B_{zx}^{\′}\≈\frac{B_{zA}^{\′}-B_{zB}^{\′}}{L}---\left(5e\right)$

$B_{xy}^{\′}=B_{yx}^{\′}\≈\frac{B_{xC}^{\′}-B_{xD}^{\′}+B_{yA}^{\′}-B_{yB}^{\′}}{2L}---\left(5f\right)$

式中，式中，B′_xi、B′_yi和B′_zi(i＝A，B，C，D分别对应四个三轴磁传感器中的一个)为磁感应强度，直接由磁场探测装置中的4个三轴磁传感器测量得到。L为X轴及Y轴上两个三轴磁传感器之间的距离，建议取0.3～0.5米。

S5)根据理论值(B_xx-1,B_xy-1,B_xz-1,B_yy-1,B_yz-1)和(B_xx-2,B_xy-2,B_xz-2,B_yy-2,B_yz-2)与实测值(B′_xx-1,B′_xy-1,B′_xz-1,B′_yy-1,B′_yz-1)和(B′_xx-2,B′_xy-2,B′_xz-2,B′_yy-2,B′_yz-2)，通过优化算法得到三维位置参数的解，使得计算磁场梯度与实测磁场梯度的拟合误差最小，得到磁场发射元件的三维位置参数

在无源空间中，磁感应强度的旋度为0，即则磁场梯度张量为对称，B_xy-B_yx＝0，B_yz-B_zy＝0，B_xz-B_zx＝0；磁感应强度的散度为0，即 则其迹traceG＝B_xx+B_yy+B_zz＝0。故在磁场梯度张量的9个要素中，仅有5个要素是独立的。

由于存在5个未知数如果仅有1个测点、即只有5个非线性方程，则无法求得真实的唯一解。因此，在2个测点(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，得到两组实测磁场梯度值(B′_xx-1,B′_xy-1,B′_xz-1,B′_yy-1,B′_yz-1)和(B′_xx-2,B′_xy-2,B′_xz-2,B′_yy-2,B′_yz-2)，即通过优化算法寻找三维位置参数的解，使得计算磁场梯度与实测磁场梯度的拟合误差最小，即：

$\begin{array}{c}E=\min \{\[{(B_{xx-1}-B_{xx-1}^{\′})}^2+{(B_{xy-1}-B_{xy-1}^{\′})}^2+{(B_{xz-1}-B_{xz-1}^{\′})}^2+{(B_{yy-1}-B_{yy-1}^{\′})}^2+{(B_{yz-1}-B_{yz-1}^{\′})}^2\\ +{(B_{xx-2}-B_{xx-2}^{\′})}^2+{(B_{xy-2}-B_{xy-2}^{\′})}^2+{(B_{xz-2}-B_{xz-2}^{\′})}^2+{(B_{yy-2}-B_{yy-2}^{\′})}^2+{(B_{yz-2}-B_{yz-2}^{\′})}^2\]/10{\}}^{\frac{1}{2}}\end{array}---\left(6\right)$

式中，(B_xx-1,B_xy-1,B_xz-1,B_yy-1,B_yz-1)和(B_xx-2,B_xy-2,B_xz-2,B_yy-2,B_yz-2)为通过式(1)，式(3)～式(4)计算得到的磁场梯度，均含有未知的参数(B′_xx-1,B′_xy-1,B′_xz-1,B′_yy-1,B′_yz-1)和(B′_xx-2,B′_xy-2,B′_xz-2,B′_yy-2,B′_yz-2)为在2个测点的实测磁感应强度再根据式(5)转换、得到的磁场梯度。

通过遗传算法等优化搜索算法求解式(6)，即可得到磁场发射元件的三维位置参数

S6)根据S5)得到的实时的磁场发射元件的三维位置参数绘制随着铁路路基塌陷全过程演化的磁场发射元件的实时位置曲线，并与S1)中的铁路路基塌陷全过程演化的关系曲线进行对比，也就是用实际测量出的磁场发射元件的实时位置曲线与S1)中理论推演出的关系曲线进行对比，尤其是与S1)中铁路路基塌陷5个变形阶段的相对应的磁场发射元件位移的范围进行比较，快速地确定铁路路基塌陷处所的变形阶段，并给出相应的预警。

另一方面，根据磁场发射元件的实测位移，对前述S1)中的铁路路基塌陷全过程演化的关系曲线进行修正，以此作为下一次预警的基准关系曲线。

作为上述技术方案的进一步改进，所述S1)中的磁场发射元件的实际埋设位置由理论推演得出，具体包括如下步骤：

S1.1)对于S1)推演的铁路路基塌陷全过程的5个变形阶段，选择能反映铁路路基塌陷演变规律的i个典型位置，为节省计算工作量，一般取i≤20，假定在每个典型位置埋设磁场发射元件，即假定共埋设i个磁场发射元件；

S1.2)对于假定的每一个埋设位置，通过三维离散元方法计算磁场发射元件在5个变形阶段的三维运动，得到与铁路路基塌陷全过程演化相对应的i个磁场发射元件的三维运动轨迹，针对i个不同的埋设位置，比较i个磁场发射元件的三维运动轨迹与铁路路基塌陷全过程演化的趋势，根据三维运动轨迹与全过程演化趋势最接近的原则，推演出磁场发射元件的最佳埋设位置。针对选定的最佳埋设位置，分析磁场发射元件在铁路路基塌陷5个阶段中承受挤压、剪切等受力形式，根据磁场发射元件的外部混凝土的抗压和抗拉强度，计算磁场发射元件的几何尺寸、容重和形状等参数。

综上，本发明的监测方法，首先理论推演铁路路基塌陷全过程，并将全过程分为5个阶段，同时，理论计算磁场发射元件的运动轨迹，绘制磁场发射元件的运动轨迹与铁路路基塌陷全过程演化5个阶段的关系曲线，然后实际监测铁路路基内的磁场发射元件的实时三维位置参数根据实时三维位置参数绘制随着铁路路基塌陷全过程演化的路基深部传感石块的实时位置曲线，将实时位置曲线与关系曲线对比，最后由磁场发射元件的位移来对铁路路基坍塌进行预警。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种铁路路基塌陷全过程演化动态监测系统，其特征在于：包括

-磁场发射元件(10)，埋设在铁路路基内，发射磁场；

-两套磁场探测装置，位于路基表面，所述磁场探测装置包括四个用于接收磁场发射元件所发射的磁场信息的三轴磁传感器(5)、用以定位的GPS(6)、和用以传输三轴磁传感器及GPS数据的无线通讯模块(7)，所述四个三轴磁传感器(5)呈正方形布置，所述GPS(6)位于正方形的中心；

-数据控制系统(13)，处理由无线通讯模块传输的GPS(5)和三轴磁传感器(6)的数据，对铁路路基塌陷全过程演化动态监测和预警。

2.根据权利要求1所述的铁路路基塌陷全过程演化动态监测系统，其特征在于：所述磁场发射元件(10)包括钕铁硼永磁铁(1)、钕铁硼永磁铁外的依次包围的高阻尼橡胶隔震层(2)、工程塑料防渗层(3)和高耐久性混凝土层(4)。

3.一种铁路路基塌陷全过程演化动态监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1)通过三维离散元方法计算铁路路基塌陷全过程演化，根根铁路路基塌陷全过程演化中的位移和应力的大小，将铁路路基的全过程塌陷演化分为5个不同的变形阶段，分别为：①路基深部变形扩展阶段，②路基深部塌陷扩展阶段，③路基表面变形扩展阶段，④路基表面变形失稳阶段，⑤路基整体塌陷阶段；

在铁路路基内埋设磁场发射元件，通过三维离散元方法理论推演出该磁场发射元件的运动轨迹，绘制磁场发射元件的运动轨迹与铁路路基塌陷全过程演化的关系曲线；

S2)在路基表面任意选择两个测点(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)设置磁场探测装置；

S3)理论计算磁场发射元件在两个测点(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)的磁场梯度值(B_xx-1，B_xy-1,B_xz-1,B_yy-1,B_yz-1)和(B_xx-2,B_xy-2,B_xz-2,B_yy-2,B_yz-2)：

S4)根据磁场探测装置的实测值计算磁场发射元件在两个测点(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)的磁场梯度值(B′_xx-1,B′_xy-1,B′_xz-1,B′_yy-1,B′_yz-1)和(B′_xx-2,B′_xy-2,B′_xz-2,B′_yy-2,B′_yz-2)；

S5)根据理论值(B_xx-1,B_xy-1,B_xz-1,B_yy-1,B_yz-1)和(B_xx-2,B_xy-2,B_xz-2,B_yy-2,B_yz-2)与实测值(B′_xx-1,B′_xy-1,B′_xz-1,B′_yy-1,B′_yz-1)和(B′_xx-2,B′_xy-2,B′_xz-2,B′_yy-2,B′_yz-2)，通过优化算法得到三维位置参数的解，使得计算磁场梯度与实测磁场梯度的拟合误差最小，得到磁场发射元件的三维位置参数

S6)根据S5)得到的实时的磁场发射元件的三维位置参数绘制随着铁路路基塌陷全过程演化的磁场发射元件的实时位置曲线，对照S1)中理论计算得到的铁路路基塌陷全过程演化的关系曲线，确定铁路路基塌陷的变形阶段，并给出相应的预警。

4.根据权利要求3所述的铁路路基塌陷全过程演化动态监测方法，其特征在于：所述S1)中的磁场发射元件的实际埋设位置由理论推演得出，具体包括如下步骤：

S1.1)对于5个变形阶段，选择能反映铁路路基塌陷演变规律的i个典型位置，假定在每个典型位置埋设磁场发射元件，即假定共埋设i个磁场发射元件；

S1.2)对于假定的每一个埋设位置，通过三维离散元方法计算磁场发射元件在5个变形阶段的三维运动，得到与铁路路基塌陷全过程演化相对应的i个磁场发射元件的三维运动轨迹，针对i个不同的埋设位置，比较i个磁场发射元件的三维运动轨迹与铁路路基塌陷全过程演化的趋势，根据三维运动轨迹与全过程演化趋势最接近的原则，推演出磁场发射元件的最佳埋设位置。