铁路路基塌陷监测系统及监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种铁路路基塌陷监测系统，包括跟踪装置、无人机监测系统和数据控制系统。跟踪装置包括磁场发射元件，用以激发磁场；无人机监测系统，包括无人机、设置在无人机顶部的GPS和分别位于无人机左右机翼的三轴磁传感探头，无人机于跟踪装置埋设段上方沿铁路线路飞行，三轴磁传感探头用以接收跟踪装置激发的磁感应强度；数据控制系统将无人机监测系统的监测信息处理成路基的深部变形并进行铁路路基塌陷的早期预警。本发明还公开了一种使用上述系统的监测方法。该监测系统和方法实现了大规模巡航式的铁路路基塌陷监测，解决了铁路路基深部塌陷不易监测、且需跨越超长铁路线路的难题，并满足在野外、荒山、高原、高寒地区等恶劣环境下全天候工作的要求。
【专利说明】铁路路基塌陷监测系统及监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测量【技术领域】，特别涉及一种铁路路基塌陷监测系统及监测方法。
【背景技术】
[0002] 我国是一个幅员辽阔、地形地貌复杂多变的多山地区，山地面积约占国土总面积 的69%，西南山区地壳受到强烈的挤压作用，构造活动性强；另一方面，我国分布着广阔的 岩溶区域，铁路在选线过程中不可避免地要穿越岩溶区域。由于地质断层构造的复杂性、长 期抽取地下水、大气降水及地表水渗入、河水水位涨落、溶洞顶板岩层自身强度不够，及铁 路桥涵及隧道施工等自然环境和工程因素的影响下，极易导致路基塌陷，在铁路沿线已屡 屡发生，严重影响行车安全，已成为铁路工程中的一大公害。铁路路基的塌陷，尤其是岩溶 区域的路基塌陷已成为铁路建设，特别是高铁建设亟待解决的重大工程问题。
[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，耗费大量的人力物 力；山区地质地貌复杂，滑坡、落石等对仪器设备的维护、巡检人员的安全均造成很大的威 胁，同时，因路基塌陷破坏具有隐蔽性和突发性等特征，人工测量和人工巡检已无法适应高 铁路基塌陷监测的需要。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。
[0004] 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，极易造成危及高铁运 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，另一方面，铁路路线长达上 千公里甚至上万公里，需要一种大规模、分布式的监测手段。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种解决铁路路基深部塌陷不易监 测、且需跨越超长路线的难题，并满足在野外、荒山、高原、高寒地区等恶劣环境下全天候工 作的要求的铁路路基塌陷监测系统。
[0006] 与其相应，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精准测量、 监控铁路路基塌陷的方法。
[0007] 就监测系统而言，包括
[0008] -跟踪装置，数量为多个，沿铁路路基的长度方向埋设，包括磁场发射元件；
[0009] -无人机监测系统，于跟踪装置上方飞行，包括无人机、设置在无人机顶部的GPS 和分别位于无人机左右机翼的三轴磁传感探头；
[0010]-数据控制系统，将无人机监测系统的监测信息处理成路基的深部变形并进行铁 路路基塌陷的早期预警。
[0011] 进一步的，所述无人机监测系统还包括分别位于无人机左、右侧机翼上的三维旋 转平台；所述三轴磁传感探头数量为两个，为分别位于左、右侧机翼上的三维旋转平台上的 左侧三轴磁传感探头和右侧三轴磁传感探头。
[0012] 进一步的，所述磁场发射元件为钕铁硼永磁铁。
[0013] 进一步的，所述跟踪装置还包括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。
[0014] 进一步的，所述跟踪装置位于路基埋设深度10-20米，相邻跟踪装置的间距为50 米。
[0015] 进一步的，无人机沿铁路线路飞行，为更精确地监测铁路路基的深部塌陷、根据各 类列车的高度，无人机巡航高度取5?10米。
[0016] 本发明的铁路路基塌陷监测系统包括跟踪装置、无人机监测系统和数据控制系 统。跟踪装置包括磁场发射元件，用以激发磁场；无人机监测系统，包括无人机、设置在无 人机顶部的GPS和分别位于无人机左右机翼的三轴磁传感探头，三轴磁传感探头为高速采 样三轴磁传感探头，无人机于跟踪装置埋设段上方沿着铁路线路飞行，三轴磁传感探头用 以接收跟踪装置激发的磁感应强度；数据控制系统，将无人机监测系统的监测信息处理成 路基的深部变形并进行铁路路基塌陷的早期预警。实现了大规模巡航式的铁路路基塌陷监 测，解决了铁路路基深部塌陷不易监测、且需跨越超长路线的难题，并满足在野外、荒山、高 原、高寒地区等恶劣环境下全天候工作的要求。
[0017] 就监测方法而言，包括如下步骤：
[0018] SI)计算跟踪装置在三维旋转平台的旋转中心P处激发的磁场梯度：
【权利要求】
1. 一种铁路路基塌陷监测系统，其特征在于：包括 -跟踪装置（3)，数量为多个，沿铁路路基（1)的线路方向埋设，包括磁场发射元件； -无人机监测系统（2)，于跟踪装置上方沿铁路线路飞行，包括无人机（5)、设置在无人 机顶部的GPS(6)和分别位于无人机左右机翼的三轴磁传感探头； -数据控制系统（4)，将无人机监测系统的监测信息处理成路基的深部变形并进行铁 路路基塌陷的早期预警。
2. 根据权利要求1所述的铁路路基塌陷监测系统，其特征在于：所述无人机监测系统 (2)还包括分别位于无人机左、右侧机翼上的三维旋转平台（7、9);所述三轴磁传感探头数 量为两个，为分别位于左、右侧机翼上的三维旋转平台（7、9)上的左侧三轴磁传感探头（8) 和右侧三轴磁传感探头（10)。
3. 根据权利要求2所述的铁路路基塌陷监测系统，其特征在于：所述磁场发射元件为 钕铁硼永磁铁（11)。
4. 根据权利要求3所述的铁路路基塌陷监测系统，其特征在于：所述跟踪装置还包括 钕铁硼永磁铁（1)外的依次包围的高阻尼橡胶隔震层（12)、工程塑料防渗层（13)和高耐久 性混凝土层（14)。
5. 根据权利要求4所述的铁路路基塌陷监测系统，其特征在于：所述跟踪装置位于路 基下的埋设深度为10-20米，相邻跟踪装置的间距为50米。
6. -种铁路路基塌陷监测方法，其特征在于：包括如下步骤： 51) 计算跟踪装置在三维旋转平台的旋转中心P处激发的磁场梯度：
式中，Bxk、Byk和Bzk(k=A，B，C，D)为三维旋转平台在360°范围内每旋转90°由三轴 磁传感探头测量，然后将铁轨激发的磁场、噪声磁场、无人机监测系统的固有干扰磁场消除 后得到；d为三轴磁传感探头绕三维旋转平台的旋转半径，取0. 3?0. 5米； 52) 计算磁场梯度张量的模量CT:
式中，Bxx，Byy，Bzz，Bxy，Bxz和Byz由式（1)计算得到； 53) 计算磁场梯度张量的模量的局部梯度变化：
式中，CTfi为无人机飞行方向的右侧的磁传感探头中心的磁场梯度张量的模量，Cts为 无人机飞行方向的左侧的磁传感探头中心的磁场梯度张量的模量；L为左、右侧机翼上的 两个三轴磁传感探头的旋转中心的距离，取2.O?3.O米； 54) 计算无人机上2个磁传感探头的旋转中心的连线的中心O点至第i个路基深部跟 踪装置中心的距离:
式中，j= 1，2,3为当第i个跟踪装置在无人机的监测范围之内时，在其航迹上连续选 择的3个测点；CTij,左和CTij,右由式⑵计算得到；ΛCTij由式（3)计算得到； 55) 计算第i个跟踪装置中心的坐标为（Xi，yi，Zi):
式中，（Xij，yij，Zij)，（j= 1，2,3)为无人机上O点的坐标，通过GPS测得，rn、ri2和ri3 由式（4)计算得到；由式（5)?式（7)，得到第i个路基深部跟踪装置中心的坐标为（Xi，yi， Zi)； 56) 计算第i个跟踪装置的三维位移（Ui，Vi，Wi): 无人机沿着铁路线路每巡航一次均得到所有跟踪装置中心的坐标，将（Xi^pZi)与无 人机前一次巡航监测时、经过第i个跟踪装置时计算出的（X'i，太i，Z'J比较，得到第 1个跟踪装置的三维位移（1^，\，&)，通过三维位移（1^，\，&)判断铁路路基深部变形的安 全性，并进行塌陷的早期预警。
【文档编号】G01B7/24GK104457551SQ201510006742
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2015年1月7日 优先权日:2015年1月7日
【发明者】江胜华, 江文华, 姚捷, 汪时机, 李伟清 申请人:西南大学