CN110702068B

CN110702068B - 既有铁路沉降监测系统及监测方法

Info

Publication number: CN110702068B
Application number: CN201910831072.3A
Authority: CN
Inventors: 聂如松; 冷伍明; 唐永康; 孟宪洪; 何占元; 周思危; 梅慧浩; 杨奇; 赵春彦; 刘婞; 王新让; 刘平
Original assignee: Central South University; Shuohuang Railway Development Co Ltd; National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction Technology
Current assignee: Central South University; Shuohuang Railway Development Co Ltd; National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction Technology
Priority date: 2019-09-04
Filing date: 2019-09-04
Publication date: 2021-11-30
Anticipated expiration: 2039-09-04
Also published as: CN110702068A

Abstract

本发明所提供的既有铁路沉降监测系统及监测方法，适用于有砟轨道的路基沉降监测，特别适用于铁路路桥过渡段的路基沉降监测。其包括沉降板、水平梁、倾角传感器和信息采集设备，沉降板用于将路基沉降传递至水平梁，通过水平梁的倾斜以使倾角传感器作动，信息采集设备收集倾角传感器的倾斜角度，并进行数据处理，得出不同测点之间的路基沉降值。通过将较长距离铁路段路基沉降监测，分割为多段距离相对较短的路基沉降监测，提高了沉降的监测精度。

Description

既有铁路沉降监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，特别是涉及一种既有铁路沉降监测系统及监测方法。

背景技术

路基沉降在铁路的施工过程中以及完工以后都是难以避免的。由于沉降、不均匀沉降，会引起的轨道下沉和轨面弯折，影响线路的平顺性；在通过桥梁的轨道中，会引起桥台与路基的沉降差，当列车驶过这些地段时，由于沉降引起的轨道刚度和变形发生突变，使得轮轨间的动力作用增大，从而引起轨道破坏，影响行车的平稳性与安全性。为了及时了解路基在荷载作用下的沉降以及沉降变化趋势，以便提前采取有效措施，防止事故的发生，需要在路基的施工过程中以及完工以后一段时期设置沉降观测。完工后沉降观测要根据实际情况确定观测时间长短。

近年来随着轨道建设的快速发展，相关的安全问题越来越得到人们的重视。特别是现在高速铁路的出现，对路基形变的控制有了更高的要求，从而也使得路基沉降的测量、计算与控制显得更为重要。而在这三者中，沉降的测量是后两者的依据与基础。现有的监测方法选择多个基于重力加速度的倾角传感器来进行隧道、铁路轨道等较长距离的监测，这样成本大大增加，也同时引入了较大的误差，而且不能将其传感器的优势集中体现出来。

发明内容

基于此，有必要针对目前的路基沉降监测方法所存在成本高、误差大的问题，提供一种既有铁路沉降监测系统及其监测方法。

上述目的通过下述技术方案实现：

一种既有铁路沉降监测系统，包括：

沉降板，所述沉降板数量为至少两个，所述沉降板包括沉降标杆和安装底板，所述安装底板固定于铁路路基，所述沉降标杆顶部凸出于轨道道砟；

水平梁，所述水平梁数量为多个，所述水平梁两端分别固定连接于相邻两个所述沉降板顶部；

倾角传感器，所述倾角传感器数量为多个，每个所述水平梁内均设置有所述倾角传感器；

信息采集设备，所述信息采集设备用于收集所述倾角传感器采集到的倾角信息。

在其中一个实施例中，所述水平梁为方管。

在其中一个实施例中，所述倾角传感器设置于所述方管内。

在其中一个实施例中，所述方管上设置有安装槽，所述倾角传感器设置于所述安装槽内。

在其中一个实施例中，所述方管两端设置有安装托架，所述安装托架包括互相垂直设置的第一部和第二部，所述第一部固定连接于所述方管，所述第二部固定连接于所述沉降板顶部。

在其中一个实施例中，所述沉降板包括安装顶板，所述水平梁固定安装于所述安装顶板。

在其中一个实施例中，所述沉降板包括基准沉降板，所述基准沉降板设置于铁路桥台段，其余沉降板设置于路桥过渡段。

在其中一个实施例中，所述倾角传感器通过有线和/或无线传输方式与所述信息采集设备连接。

本发明还提供了一种既有铁路沉降监测方法，包括上述实施例中的既有铁路沉降监测系统，还包括以下步骤：

S10，将多个所述沉降板固定于铁路路基，并使沉降板顶部凸出于铁路道砟；

S20，将多个带有倾角传感器的水平梁固定连接于沉降板顶部，使得多个沉降板和水平梁形成串联结构，且每个水平梁端部距离铁路路基的距离相等；

S30，以其中一个沉降板为参考点计算路基沉降，依次累加相邻两个沉降板之间的相对沉降值，并得到特定沉降板处的路基沉降值。

在其中一个实施例中，还包括以下步骤S12，将其中一个沉降板设置于铁路桥台段，并以该沉降板作为基准参考点。

本发明的有益效果是：

附图说明

图1为本发明一实施例提供的既有铁路沉降监测系统的结构示意图；

图2为图1当中沉降板顶部处的局部放大图；

图3为本发明一实施例提供的既有铁路沉降监测系统应用于路桥过度段的结构示意图。

其中：

沉降板100；安装顶板110；水平梁200；安装托架210；倾角传感器300；路基面400；道砟500；轨枕600。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本文中为组件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明所提供的既有铁路沉降监测系统，适用于有砟轨道的路基沉降监测，特别适用于铁路路桥过渡段的路基沉降监测。其包括沉降板、水平梁、倾角传感器和信息采集设备，沉降板用于将路基沉降传递至水平梁，通过水平梁的倾斜以使倾角传感器作动，信息采集设备收集倾角传感器的倾斜角度，并进行数据处理，得出不同测点之间的路基沉降值。通过将较长距离铁路段路基沉降监测，分割为多段距离相对较短的路基沉降监测，提高了沉降的监测精度。

具体的，如图1和图2所示，沉降板100数量为多个，沉降板100包括沉降标杆和安装底板，安装底板固定于铁路路基，沉降标杆垂直于安装底板，沉降标杆的顶部和路基面400的距离保持不变，当路基发生沉降时，沉降标杆的顶部也会产生位移，其目的是将既有轨道中路基的沉降通过凸出于道砟500的沉降标杆显示。安装时，首先将轨道内的道砟500清除，使得铁路路基暴露，之后将安装底板固定于铁路路基表面，再回填道砟500。应当注意的是，要避免回填道砟500时，砟石对沉降标杆的挤压，导致沉降标杆产生变形或弯曲，影响沉降监测的准确性。且多个沉降板100应当结构、尺寸一致，使得多个沉降板100中沉降标杆的顶部与路基面400之间的距离相等。

水平梁200数量也为多个，其数量通常比沉降板100数量少一个，水平梁200的两端分别固定连接于相邻两个沉降板100的顶部。由于两个沉降板100顶部与路基面400的距离相等，当铁路路基并未产生沉降时，水平梁200应当是与路基面400平行的，通常情况下也是水平的；当铁路路基发生沉降时，由于产生沉降处的路基面400下降，使得支撑水平梁200两端的沉降板100中的其中一个下降，导致水平梁200产生倾斜。

倾角传感器300数量也为多个，其数量通常与水平梁200数量相同，并固定安装于水平梁200上。当水平梁200因沉降产生倾斜时，倾角传感器300能够监测到倾斜的产生和倾斜的角度大小，并传递给信息采集设备，信息采集设备根据倾角传感器300的倾斜角度以及水平梁200的长度，即可判断出水平梁200两端沉降板100之间的相对沉降值。

如图3所示，在路桥过渡段，由于构造物沉降与台背沉降不一致即产生差异沉降，导致高速行驶的列车通过时产生明显跳跃、颠簸，不仅影响行车舒适度和安全性，而且增加了车辆运营、铁路养护等成本。因此，对既有服役铁路桥头过渡段差异沉降的监测是桥头跳车亟待解决的问题，具有重要的工程实践意义。在本发明的其中一些实施例当中，由于铁路桥台处通常为钢筋混凝土结构，基础采用桩基础，一般不会发生沉降或者沉降非常小，故将一个沉降板100设置于铁路桥台层，并以此作为基准点以监测其他位置处的沉降。例如，设基准点处的沉降为0，在基准点一侧依次设有第二至第七个测量点，基准点和每个测量点处均设置有一个沉降板100，每相邻两个沉降板100之间设置有一个水平梁200，共计七个沉降板100，六个水平梁200。第二测量点相对于基准点的相对沉降为△S₁，第三测量点相对于第二测量点的相对沉降为△S₂，依次类推设置有△S₃至△S₆。若要测量第5测量点处的路基沉降S₅，则只需将△S₁至△S₄累加即可，即S₅＝△S₁+△S₂+△S₃+△S₄。应当注意的是，△S_n可以是正值也可以是负值，当为△S_n正值时，说明第n+1测量点相对于第n测量点较高，即第n测量点处沉降较为严重；当为△S_n负值时，说明第n+1测量点相对于第n测量点较低，即第n+1测量点处沉降较为严重。

如图1所示，在普通路基段，由于各个沉降板100处均有可能产生沉降，故难以找到一个相对不易产生沉降的测量点。可通过其他方式测得一个点处的沉降值，并以该沉降值作为基准计算其他点处的沉降值；也可以测量任意两点或多点之间的相对沉降。例如，沿铁路某一方向依次设有第一至第七测量点，每个测量点处均设置有一个沉降板100，每相邻两个沉降板100之间设置有一个水平梁200，共计七个沉降板100，六个水平梁200。第一测量点的沉降值为△S₀，第二测量点相对于第一测量点的相对沉降为△S₁，第三测量点相对于第二测量点的相对沉降为△S₂，依次类推设置有△S₃至△S₆。若要测量第5测量点处的路基沉降S₅，则只需将△S₁至△S₄累加即可，即S₅＝△S₀+△S₁+△S₂+△S₃+△S₄。对于普通路桥段，可通过在轨道路肩地表等不易发生沉降的位置设置水准仪，并测量沉降板100中沉降标杆顶部沿竖直方向的位移，以测得该处的沉降值。上述基准点和测量点均应位于铁路两铁轨之间的区域内。

为了适用于既有轨道的沉降监测，本发明还应用了一种有砟轨道路基沉降监测沉降板100，其包括安装底板、沉降标杆和保护套管：安装底板安装于有砟轨道路基上，作为整个监测装置的基础；沉降标杆固定连接于安装底板，并且和安装底板具有确定的位置关系，通过沉降标杆沿着铅垂方向的位移反应路基的沉降状况；保护套管套设于沉降标杆上，用以保护沉降标杆不受道砟500的挤压推动作用，保证沉降套管的位移只受路基沉降的影响。特别的，安装底板的形状能够发生改变，使得安装底板在变形前后具有收起状态和展开状态：处于收起状态时，安装底板的尺寸较小，且其尺寸最小处小于有砟轨道相邻两个轨枕之间的距离，使得监测装置能够从两个轨枕之间伸入；监测装置伸入后，安装底板变形至展开状态，使得安装底板的尺寸变大，并将安装底板固定在有砟轨道路基上，通过安装底板将路基沉降反映至沉降标杆上。

实施例一：

如图1和图2所示，实施例一种为普通铁路段处设置的既有铁路沉降监测装置，其包括EL1至EL5五个倾角传感器300，EL1左侧的沉降板100处为第一测量点，EL5右侧的沉降板100处为第六测量点，中间从左至右依次为第二至第五测量点，每个测量点之间的距离为1m-3m中任一值，例如图示中的2m。然后清除第一至第六测量点位置轨枕600间的道砟500，使得铁路路基面400暴露，并将事先预制好的沉降板100放置在测量点位置的路基面400上，并保持沉降标杆和设置于沉降标杆外侧的保护套管竖直，且沉降板100顶部低于钢轨顶面后回填并夯实道砟500。每两个相邻沉降板100之间设置有水平梁200，水平梁200中间位置设置有EL倾角传感器300，其内置有精度为2〞/2mm的水准气泡，通过电阻电桥来测量其变化，电桥电路输出量为电压，其读数与倾角成正比例，电压读数可转换为倾斜读数，单位为mm/m。每个沉降板100连接有两个水平梁200，使得多个水平梁200形成一种近似于首尾连接的串联结构，且多个倾角传感器300与信息采集设备以无线传输形式连接。

水平梁200为方管结构，沉降板100顶部设置有安装顶板110。安装时，首先将EL倾角传感器300安装于正方形截面的铝合金方管梁身内，然后将两块设有螺孔的正方形截面封头焊接固定与梁身两侧，再将一块呈直角状的安装托架210通过螺纹件于封头固定连接，最后将锚固有安装托架210的水平梁200通过底角螺丝及相关配件固定在两端设有螺孔的沉降板100安装顶板110上。在传感器的数据采集与分析过程中，EL读数仪可以记录EL倾角传感器300产生的电压值，需应用传感器率定表中的率定系数将电压值转换成以mm/m为单位的倾斜值，将这个倾斜值乘以水平梁200的测量长度(两个安装托架210的锚栓中心距离)，得到以mm为单位的数据。在监测过程中，用当前单位为mm的数据减去初始单位为mm的数据，就会得到相邻两个锚栓变化后的高度差值，即待监测的位移值。将多个水平梁200梁以串联形式首尾连接时，位移值也会从一支锚头累加到另一支上，从而可绘出反映路桥过渡段差异沉降的剖面图。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种既有铁路沉降监测系统，其特征在于，包括：

水平梁，所述水平梁数量为至少一个，所述水平梁两端分别固定连接于相邻两个所述沉降板顶部；

倾角传感器，所述倾角传感器数量为多个，每个所述水平梁均设置有所述倾角传感器；

信息采集设备，所述信息采集设备用于收集所述倾角传感器采集到的水平梁倾角信息。

2.根据权利要求1所述的既有铁路沉降监测系统，其特征在于，所述水平梁为方管。

3.根据权利要求2所述的既有铁路沉降监测系统，其特征在于，所述倾角传感器设置于所述方管内。

4.根据权利要求2所述的既有铁路沉降监测系统，其特征在于，所述方管上设置有安装槽，所述倾角传感器设置于所述安装槽内。

5.根据权利要求2所述的既有铁路沉降监测系统，其特征在于，所述方管两端设置有安装托架，所述安装托架包括互相垂直设置的第一部和第二部，所述第一部固定连接于所述方管，所述第二部固定连接于所述沉降板顶部。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的既有铁路沉降监测系统，其特征在于，所述沉降板包括安装顶板，所述水平梁固定安装于所述安装顶板。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的既有铁路沉降监测系统，其特征在于，其中至少一个所述沉降板为基准沉降板，所述基准沉降板设置于铁路桥台段，其余沉降板设置于路桥过渡段。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的既有铁路沉降监测系统，其特征在于，所述倾角传感器通过有线和/或无线传输方式与所述信息采集设备连接。

9.一种既有铁路沉降监测方法，其特征在于，包括如权利要求1-8所述的既有铁路沉降监测系统，还包括以下步骤：

S30，以其中一个沉降板为基准参考点计算路基沉降，依次累加相邻两个沉降板之间的相对沉降值△Sn，△Sn等于所述倾角传感器测得的倾斜角度和所述水平梁长度的乘积，并得到特定沉降板处的路基沉降值Sn。

10.根据权利要求9所述的既有铁路沉降监测方法，其特征在于，在路桥过渡段，步骤S10还包括以下步骤：S12，将其中一个沉降板设置于铁路桥台段；

步骤S30包括以下步骤：以设置于铁路桥台段的沉降板作为基准参考点计算路基沉降。