铁路高陡岩质边坡微震监测系统的制作方法

本实用新型涉及铁路安全监测领域，尤其是一种铁路高陡岩质边坡微震监测评估系统及监测方法。

背景技术：

近年来，随着铁路的快速发展，山区铁路沿线面临大量的开挖高陡岩质边坡，受扰动坡体应力不断调整，其内部将产生局部弹塑性能集中现象，当能量集聚到某一临界值时，引起高陡岩质边坡内部微裂隙的产生和扩展，形成微震。当变形达到一定阈值时，便会造成边坡失稳破坏导致滑坡灾害的发生，严重威胁铁路建设和运营安全。

微震现象是20世纪30年代末由美国矿业局人员L.Obert最早发现，随后美国、南非和加拿大等国研究人员相机开展相关研究工作，经历多年发展，微震现象及其相关监测分析技术已从实验室研究层面走向工程层面，相关设备也从机械式，发展到电子模拟系统，再到全数字化微震监测系统。目前该监测技术已在矿山开采、石油开发、水利水电和核废料储存等领域进行成功应用。我国开展为微震监测方面的研究起步较晚，工程应用也较少。在引进国外先进微震监测系统的基础上，不断创新和改进，在各领域进行了大量卓有成效的研究和应用工作。现有的微震监测系统包括安装与待测边坡的微震传感器、数据采集站、传输光缆、现场数据综合处理主机、无线传输模块、事件定位与统计分析软件。数据采集站实时采集微震传感器采集的微震信号，并将微震信号转换成数字信号后，通过有线光缆传输到现场数据综合处理主机；现场数据综合处理主机对接收的各通道微震监测信号进行对比、分析后，将其传输至数据中心服务器；数据中心服务器实时显示监测信号的波形图，确认微震事件的发生。通过微震监测系统可实现对微震信号进行远距离、实时、动态、自动监测，通过计算分析获得震源位置、发震时刻和震源强度等因素参数。

山区铁路穿越地质条件较为复杂区域，需开展边坡微震监测点分散，分布范围广，而且大多设置在环境较恶劣的地区，而且现场缺乏熟悉的问诊信息分析人员和大规模背景应力场计算所需要的计算机等设备，因此微震监测数据需要实时发送到计算分析中心的后端中心服务器进行处理。目前用于远程监控系统的数据传输方式采用有线和无线两种。数据有线传输方式只适用于小范围小区域的监控系统，线路维护量大，很难保证其传输质量。无线传输多采用基于GPRS的无线传输方式，实现监测数据远程高精度、无失真的数据传输，但受网络信号和数据传输量的限制，其适用范围具有局限性。

高陡岩质边坡开挖打破了内部应力平衡，导致坡体结构、应力环境以及岩体力学参数都将发生变化，使得边坡的变形破坏机理具有模糊性。在数值计算中很难确保输入参数和边界条件的可靠性，进而对边坡的稳定性状态做出准确的评价。因此，“岩体实时参数实时标定”和“数值模型的选取”已成为开挖高陡岩质边坡理论分析与数值模拟的“瓶颈”性问题。

在铁路高陡边坡开挖施工和运营过程中，其稳定性问题显得尤为重要。因此，为保障铁路边坡开挖和运营期间的安全性，就需要科学有效的监测系统来获得坡体应力变化及岩体的物理力学特征的时效特性，实时掌握边坡变形发展趋势的动态信息，为边坡的稳定性做出实时评价，对于指导防治工程设计、减少边坡滑坡灾害造成的经济损失具有十分重要的社会意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种铁路高陡岩质边坡微震监测方法和监测系统。本实用新型采用有线和无线并行的监测数据传输方式，保障数据传输的稳定性、可靠性和方便性，实现对开挖扰动作用下的高陡岩质边坡应力重分布和微震活动性的实时监测和分析，以获得开挖边坡的应力增高带、微震位置、发震时刻、震源强度、微震密度等因素参数，并对潜在滑带(破裂带)的岩体力学参数进行实时修正，最终对开挖过程中的边坡稳定性进行实时、动态评估。

本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是，铁路高陡岩质边坡微震监测系统，包括下述部分：

采集处理单元，包括加速度传感器、应力传感器、位移传感器和授时同步模块；

与采集处理单元形成通信连接的采集仪主站；

远程通信单元，用于建立采集仪主站和远程服务器之间的远程通信。

进一步的，还包括：

与采集处理单元形成通信连接的本地服务器；

与采集处理单元形成通信连接的远程服务器；

所述本地服务器与远程服务器之间为通信连接。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型基于铁路沿线开挖高陡岩质边坡特殊性，建立了铁路高陡岩质边坡微震监测传感器的现场无线组网方式及监测数据无线和铁路专网有线的双通道传输模式，解决了复杂地质环境条件下布线灵活、维护方便、高效传输等问题，大大提高了铁路高陡岩质边坡微震监测系统的工作效率，节约了系统成本，具有广阔的应用前景。

本实用新型为铁路开挖高陡岩质边坡的微震活动性演化规律和动态稳定性评估提供了可靠的硬件支撑。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为主被动无线通信及轮询通讯数据流向示意图；

图3为考虑微震损伤的高陡岩质边坡稳定性评估流程图；

具体实施方式

本实用新型工作流程包括下述步骤：

1)现场取得边坡岩体岩样，通过室内三轴和单轴试验获得岩石强度、弹性模量、岩石的m、s值；

2)获得边坡岩体的粘聚力和内摩擦角；

3)边坡微震发生后通过传感器采集并计算，得到微震的定位、能量；

4)计算岩体损伤变量和损伤模量；

5)计算微震震源范围内岩体质量分类指标的RMR的损伤：

6)基于受扰动岩体计算获得微震范围内岩体的m、s值：

7)基于边坡应力监测获得边坡内部应力值，并通过计算获得微震范围岩体的强度力学参数；

8)对边坡计算模型参数进行调整，并最终获得边坡的稳定性评价。本实用新型实现了对高陡岩质边坡稳定性的准确监测和评估。

本实用新型还提供铁路高陡岩质边坡微震监测系统，包括下述部分：

与加速度传感器、应力传感器、位移传感器连接的采集仪从站；

与采集仪从站形成通信连接的采集仪主站；

与采集仪主站形成远程通信连接的远程服务器；

与采集仪从站形成通信连接的本地服务器；

所述本地服务器与远程服务器之间为通信连接。

具体的说，监测系统包括安装于高陡岩质边坡的信号接收单元，与所述信号接收单元相连的采集仪从站，与所述采集仪从站相连的数传电台和采集仪主站两种信号采集单元；与所述的数传电台相连的中心数传电台，以及与所述中心数传电台相连的串口转换网口模块和交换机，与所述交换机相连的本地服务器，并通过铁路专网与远程服务器相连，实现监测原始数据的实时传输；与所述采集主站相连的DTU，并通过无线网与远程服务器相连，实现监测数据解算结果的实时传输。

所述接收处理单元用于接收铁路高陡岩质边坡的微震、坡体内部应力、地表位移等信号，并将所述原始信号发送给数传电台，计算结果数据发送给采集仪主站或采集仪主站对采集仪从站进行主动索取数据。所述数传电台用于微震监测原始数据进行汇集，并将汇集数据通过中心数传电台、串口转换网口模块和交换机传输到本地服务器，所述本地服务器通过铁路专网传输至远程服务器。所述的采集仪主站用于对微震、应力、位移等计算数据进行汇集，并将数据通过DTU无线传输方式发送至远程服务器。

优选地，所述信号接受单元包括多种传感器，如加速度传感器、应力传感器、位移传感器等，传感器并通过一定的方式进行布设，所述加速度传感器用于接受开挖高陡岩质边坡内部岩体破裂的微震信号，所述应力传感器用于接受开挖边坡内部应力变化情况，所述位移传感器用于接受开挖边坡的宏观变形量，所述传感器通过信号线与采集仪从站相连。

优选地，所述采集仪从站用于对微震、应力、变形等信号进行汇集，对监测数据进行实时计算分析，并与所述的采集仪主站实现无线组网。所述的无线组网采用433Mhz无线通讯模块，具有LORA扩频技术，能够在极低的功耗条件下，实现长达1.5Km的无线通信。

优选地，所述采集仪主站用于对采集仪从站的计算结果数据进行收集，并通过DTU将数据传送至远程中心服务器。

优选地，所述数传电台用于对微震、应力、变形等信号的原始监测数据传输至中心数传电台，实现监测现场的无线组网。

优选地，所述串口转换网口模块和交换机实现通信两端传输信息的需求。

优选地，所述本地服务器对原始监测数据进行存储，并将数据通过铁路专网传输至远程服务器。

优选地，所述远程服务器对原始监测数据和计算结果数据进行存储，对高陡岩质边坡的应力环境、变形特征和破裂情况进行分析，并对高陡岩质边坡的稳定性进行实时、动态评估。

优选地，所述传感器和采集单元均采用太阳能供电。

优选地，所述采集单元具有数据的双向交互、数据降噪、变频控制和固件远程升级。

优选地，所述客户端为电脑和手机。

所述微震监测评估方法还包括所述加速度传感器、应力传感器和位移传感器布设，该步骤包括：

以待测高陡岩质边坡为基点，结合边坡开挖情况，空间等间距布设至少5个加速度传感器，为避免开挖松弛带的滤波影响，保证信号接受的稳定性及可靠性，需要把传感器固定在孔深1～2.5m的钻孔内。也可采用深钻孔，将传感器安装在岩体内部。

对所述待测高陡岩质边坡的坡体结构开展调查，依据坡体结构确定应力重要监测部位，应力传感器的监测深度必须涵盖应力重要监测部位。

对所述待测高陡岩质边坡的坡顶可能出现拉裂变形的区域开展调查，位移传感器安装在拉裂变形区域的外侧，基准点布设于基础稳定区域，并将基准点钻孔深入基岩稳定区域。

优选地，根据处理后的监测数据对开挖高陡岩质边坡的微破裂、应力分布、变形情况进行计算分析，并对高陡岩质边坡的稳定性开展实时评估，步骤包括：

通过微震监测获得微震位置、微震密度、微震能级、发震时刻等信息，确定边坡的应力集中带(破裂带)；

通过应力监测获得破裂区的应力条件，对破裂带岩体强度力学参数进行修正；

以边坡应力状态及岩体强度力学参数对所述高陡岩质边坡开展稳定性评估。

实施例

铁路高陡岩质边坡微震监测系统，其结构示意图如图1所示。包括用于采集微震、应力和位移信号的采集处理单元，用于接受微震原始数据的现场有线服务单元，用于汇集、传输处理后微震、应力、变形数据的现场无线服务单元，用于接受、存储、分析决策的远程服务器。

其中采集处理单元包括采集仪从站，用于接收铁路高陡岩质边坡的微震、坡体内部应力、地表位移等信号，并将所述微震原始信号通过数传电台发送给中心数传电台，对计算处理后的微震、应力和位移数据发送至采集仪从站或采集仪主站对采集仪从站进行主动索取数据；采集仪从站至少5台用于采集岩质边坡中微震信号的加速度传感器，至少2台用于采集坡体内部应力的应力传感器和坡表位移的位移传感器。

其中现场有线服务单元包括与采集处理单元信号输出端无线相连的中心数传电台，用于数据传输方式转换的串口转网口模块，用于接受、存储、处理的本地服务器；现场服务器信号输入端通过网线与交换机、串口转网口模块与中心数传电台相连。

其中现场无线服务单元包括与采集处理单元信号输出端无线相连的采集仪主站，用于将数据通过无线网络发送出去的DTU。

本实施例中采集仪主站和从站的主被动无线通信及轮询通讯数据流向示意图如图2所示。现场采集系统采用无线组网方式，通信协议中加入主被动相结合通信机制，确保在第一时间捕获异常情况。

本实施例中考虑微震损伤的高陡岩质边坡稳定性评估流程图如图3所示。评估系统首先导入边坡计算的模型参数，其中强度参数可采用室内、室外试验获得；采集边坡内部应力和微震信号，采用卡尔曼滤波对初始信号进行降噪，提高监测精度和数据的准确性；基于实时的应力条件对模型进行修正，并对采集的微震信号进行计算，获得微震震级、位置、发震时刻及密度等参数，确立岩质边坡潜在滑带；基于微震能量、发育密度等，采用岩体裂化分析方法对潜在滑带(破裂带)的力学参数进行反演分析；在得岩质边坡实时、动态的力学参数和应力环境条件下，开展边坡稳定性评价。