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】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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粧和沉降板，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】
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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，
[0007] _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，
[0008] -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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 就监测方法而言，包括如下步骤：
[0012] 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；
[0013] 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；
[0014] 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（Xl，yi， Zl) 和（x2,y2,z2)设置磁场探测装置；
[0015] S3)理论计算磁场发射元件在两个测点（Xi,ypZ)和（x2,y2,z2)的磁场梯度值 (Bxx 1，BxyBxzByyByzD和（Bxx2,Bxy2,Bxz2,Byy2,Byz2):
[0016] 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（Xl，yi， Zl)和 2,Byy2,ByZ 2); _7] S5)根据理论值（Bxxi，Bxyi，Bxzi，Byyi，ByzJ和（Bxx2,Bxy2,Bxz2,Byy2,Byz2)与实测 值（BxxdBxy!，Bxz 〇Byy 〇ByzD和（Bxx2,Bxy2,Bxz2,Byy2,Byz2)，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(x，y，&A ,
[0018] S6)根据S5)得到的实时的磁场发射元件的三维位置参数J,民妒;)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。
[0019] 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：
[0020] SI. 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；
[0021] SI. 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。
[0022] 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】
[0023] 图1是本发明的磁场发射元件的结构框图；
[0024] 图2是本发明的磁场探测装置的结构框图；
[0025] 图3是GPS和4个三轴磁传感器的分布图；
[0026] 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；
[0027] 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；
[0028] 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】[0029] 实施例1
[0030] 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。
[0031]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