本发明涉及工程建筑技术领域，具体而言，涉及一种铁轨沉降监测装置及铁轨沉降监测方法。
背景技术：
铁路在初建是大都是单线的，随着人口数量的极速增长和时代的发展，旅游业和运输事业逐渐膨胀起来，导致铁路运输量的供不应求，所以铁路线的单线变复线、新增、接长等施工已经雨后春笋般地出现在铁路工程中。铁路项目有许多单线扩建成复线的施工项目，既有线桥涵施工屡见不鲜。由于目前铁路列车速度逐渐提高，高速列车越来越多，其对线路的要求也越来越高，由此对轨道沉降的控制也更为严格。因此需要更加精密的监测手段，来监测施工条件下既有铁路的轨面沉降变形。
为了保证既有单线的顺利营运，还要保证施工的正常开展，在工程施工中特别是桥涵的施工面临边施工边运营的矛盾，不仅要保证列车安全运行，还必须保证正常施工，在对以往施工中出现的问题和我国列车发展的趋势进行分析可以得知，轨面沉降是影响高速列车安全运营的重要因素，为此对运营线路轨面进行实时的沉降监测十分必要。
传统的建设施工监测方法都是采用静力水准仪对桥墩的沉降进行监测或者精密水准测量技术与PSI相结合的方法来长期监测铁路沉降情况。既有铁路桥涵施工现场条件复杂，对于上述长期监测的方法，精度和监测力度还不足，信息不全面，不能实现实时监测现场处理，以保证现场施工的安全以及既有铁路的安全运营，而施工现场主要采取人工实地对既有铁路桥面巡查监测及单项监测，监测效率低、费时费力，受监测场地的限制和列车经过的影响。为了保证既有铁路在施工条件下安全运营，必须采用更加科学有效的监测方法对桥面轨道进行沉降监测。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种铁轨沉降监测装置及铁轨沉降监测方法，以解决现有技术中的铁路轨面沉降监测不全面、精度低的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种铁轨沉降监测装置，铁轨沉降监测装置设置在基体上，基体的至少一部分设置在铁轨的两侧，铁轨沉降监测装置包括：光纤光栅传感器，光纤光栅传感器与基体连接并且能够监测铁轨的沉降情况；数据处理组件，数据处理组件能够接收并处理光纤光栅传感器发出的传感信号，以确定铁轨的沉降情况。
进一步地，基体包括：多个横梁，各横梁平行于铁轨的轨枕且穿设在铁轨的底部；多个便梁，便梁沿铁轨的延伸方向设置在铁轨的两侧，且相邻两个横梁的端部通过便梁连接。
进一步地，光纤光栅传感器包括多个光纤光栅液位计，光纤光栅液位计与数据处理组件连接并发送沉降信号，数据处理组件根据接收到的沉降信号以确定铁轨的沉降情况；铁轨沉降监测装置还包括沿铁轨的延伸方向延伸的管体，管体设置在便梁的上表面，各光纤光栅液位计沿管体的延伸方向设置在管体内。
进一步地，便梁的两端设置有支墩，支墩上设置有箱体，箱体与管体的一端连接，管体远离箱体的一端为封闭端，箱体向管体内供液。
进一步地，多个光纤光栅液位计通过光缆串联并与数据处理组件连接。
进一步地，管体为波纹管。
进一步地，光纤光栅传感器还包括光纤光栅加速度计，光纤光栅加速度计设置在靠近涵体的便梁上，且光纤光栅加速度计与数据处理组件连接并发送加速度信号。
进一步地，便梁的两端设置有与底面连接的支墩，光纤光栅传感器包括多个光纤光栅裂缝计，光纤光栅裂缝计的一端与便梁连接，另一端与支墩连接，且光纤光栅裂缝计与数据处理组件连接并发送裂缝信号。
进一步地，光纤光栅裂缝计的一端固定在靠近涵体的便梁上，另一端固定在靠近涵体的支墩上。
进一步地，便梁的两端设置有与底面连接的支墩，光纤光栅传感器包括多个光纤光栅倾角计，光纤光栅倾角计设置在支墩的上表面，且光纤光栅倾角计与数据处理组件连接并发送倾斜信号，数据处理组件根据接收到的倾斜信号和沉降信号以确定铁轨的沉降情况。
进一步地，便梁的两端设置有与底面连接的支墩，光纤光栅传感器包括多个光纤光栅土压力计，光纤光栅土压力计设置在支墩侧壁，且位于便梁两端的支墩上的光纤光栅土压力计沿便梁的延伸方向相互靠近设置，光纤光栅土压力计与数据处理组件连接并发送压力信号。
进一步地，数据处理组件包括：数据采集部，数据采集部与光纤光栅传感器连接，并能够接收传感信号；数据传输部；数据处理部，传感信号经数据采集部、数据处理部传输给数据处理部，以在数据处理部内进行转换、分析和显示。
根据本发明的另一方面，提供了一种铁轨沉降监测方法，采用上述的铁轨沉降监测装置，铁轨沉降监测方法包括：根据实际检测的需要确定铁轨沉降监测装置的光纤光栅传感器的种类和数量；安装铁轨沉降监测装置，将光纤光栅传感器与铁轨沉降监测装置的数据处理组件连接；根据数据处理组件所显示出来的数据值监测铁轨的沉降情况。
进一步地，光纤光栅传感器的光纤光栅液位计测量的波长λ与铁轨的沉降值h之间的关系为：
其中，Kp为光纤光栅液位计的液位与波长的比值，Kt为波长偏移量与温度的比值，λ0为光纤光栅液位计的初始波长，T0为λ0检测时的温度值，T为λ检测时的温度值，ρ为铁轨沉降监测装置的管体内的液体的密度，g为重力加速度。
进一步地，当铁轨的沉降值h大于预设标准沉降值时，铁轨存在风险；或当铁轨的沉降值h小于或等于预设标准沉降值时，铁轨安全。
应用本发明的技术方案，基体作为整体的支撑，其部分穿设在铁轨的底部，并一部分在铁轨的两侧并向上伸出，用于安装其他组件，光纤光栅传感器作为主要的检测部分，利用光纤光栅将铁轨的沉降情况通过监测波长的形式反映出来，而数据处理组件将光纤光栅传感器发出的传感信号进行数据处理并将铁轨的沉降情况显示出来以方便判断。上述装置通过将光纤光栅传感器对铁轨进行监测，使得监测得到的数据更加全面准确，同时能够实现实时监测，提高了监测效率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明的轨沉降监测装置的结构示意图；
图2示出了图1中的光纤光栅液位计的结构示意图；以及
图3示出了本发明的铁轨沉降监测方法的工作原理图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、基体；11、横梁；12、便梁；13、支墩；14、箱体；21、光纤光栅液位计；22、管体；23、光纤光栅加速度计；24、光纤光栅裂缝计；25、光纤光栅倾角计；26、光纤光栅土压力计；30、数据处理组件；31、数据采集部；32、数据处理部。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
为了解决现有技术中的铁路轨面沉降监测不全面、精度低的问题，本发明提供了一种铁轨沉降监测装置及铁轨沉降监测方法。
如图1所示的一种铁轨沉降监测装置，铁轨沉降监测装置设置在基体10上，基体10的至少一部分设置在铁轨的两侧，铁轨沉降监测装置包括光纤光栅传感器和数据处理组件30，光纤光栅传感器与基体10连接并且能够监测铁轨的沉降情况；数据处理组件30能够接收并处理光纤光栅传感器发出的传感信号，以确定铁轨的沉降情况。
具体地，基体10作为整体的支撑，其部分穿设在铁轨的底部，并一部分在铁轨的两侧并向上伸出，用于安装其他组件，光纤光栅传感器作为主要的检测部分，利用光纤光栅将铁轨的沉降情况通过监测波长的形式反映出来，而数据处理组件30将光纤光栅传感器发出的传感信号进行数据处理并将铁轨的沉降情况显示出来以方便判断。上述装置通过将光纤光栅传感器对铁轨进行监测，使得监测得到的数据更加全面准确，同时能够实现实时监测，提高了监测效率。
可选地，基体10包括多个横梁11和多个便梁12，各横梁11平行于铁轨的轨枕且穿设在铁轨的底部；便梁12沿铁轨的延伸方向设置在铁轨的两侧，且相邻两个横梁11的端部通过便梁12连接。
在本实施例中，横梁11为多个且横梁11穿设在铁轨的底部的轻轨之间且与轨枕平行，便梁12为两个，两个便梁12分别设置在铁轨的两侧，且位于铁轨的同一侧的横梁11的端部均与该侧的便梁12的底部连接，以此形成整个基体10，光纤光栅传感器的至少一部分设置在便梁12的上表面。
需要说明的是，本实施例的铁轨沉降监测装置是应用在既有铁路桥涵的施工轨面上的，在施工时，通常会预先设置有支墩13，便梁12沿铁轨延伸方向的两端分别与相邻的两个支墩13连接，即总共有四个支墩13与基体10连接，光纤光栅传感器设置在支墩13或便梁12上。同时，铁轨的一个侧面设置有基坑边坡和涵体，且二者之间留有过道以便于施工。
如图2所示，光纤光栅传感器包括多个光纤光栅液位计21，光纤光栅液位计21与数据处理组件30连接并发送沉降信号，数据处理组件30根据接收到的沉降信号以确定铁轨的沉降情况；铁轨沉降监测装置还包括沿铁轨的延伸方向延伸的管体22，管体22设置在便梁12的上表面，各光纤光栅液位计21沿管体22的延伸方向设置在管体22内。
具体地，在远离涵体的一侧的便梁12上设置有管体22，且管体22沿铁轨的延伸方向设置，光纤光栅液位计21等间隔设置在管体22内，且通过光缆串联后与数据处理组件30连接，以便于将产生的沉降信号传输给数据处理组件30。
在本实施例中，便梁12的两端设置有支墩13，支墩13上设置有箱体14，箱体14的底部与管体22的一端连接，管体22远离箱体14的一端为封闭端，箱体14向管体22内供液，并使管体22内部充满液体且无气泡形成连通器。并且安装时，箱体14的液面的高度需要高于管体22的高度以使得管体22能够在重力作用下充满液体。
当铁轨沉降时，铁轨带动基体10一同发生沉降，进而设置在便梁12上的管体22也一同发生沉降，由于支墩13不会发生沉降，因而管体22内的液体的压强会发生变化，光纤光栅液位计21测量的波长也会发生变化，进而产生相应的沉降信号，实现沉降监测。光纤光栅液位计21本身的灵敏度较高，测量值更为精确。
需要说明的是，管体22为波纹管。
在本实施例中，光纤光栅传感器还包括光纤光栅加速度计23，光纤光栅加速度计23设置在靠近涵体的便梁12上，且光纤光栅加速度计23与数据处理组件30连接并发送加速度信号。光纤光栅加速度计23仅需要设置一个即可，为了保证监测准确，可以设置在便梁12的中间部位。光纤光栅加速度计23通过探测光纤光栅的中心波长相对变化量来监测相对加速度值，可以实现温度自补偿，同时，测量精度不受环境温度、光源波动和光缆传输损耗的影响，采用全光纤设计，可以在强磁场和高爆炸风险环境中精确监测振动。
在本实施例中，便梁12的两端设置有与底面连接的支墩13，光纤光栅传感器包括多个光纤光栅裂缝计24，光纤光栅裂缝计24的一端与便梁12连接，另一端与支墩13连接，且光纤光栅裂缝计24与数据处理组件30连接并发送裂缝信号。
具体地，光纤光栅裂缝计24设置在支墩13上且一端与支墩13上预设的预埋锚杆连接，另一端与便梁12连接，且只需要在靠近涵体的便梁12的支墩13上设置光纤光栅裂缝计24即可。光纤光栅裂缝计24通过产生裂缝信号并将裂缝信号传输给数据处理组件30以辅助判断铁轨的沉降情况，为铁轨的沉降提供参考。
在本实施例中，便梁12的两端设置有与底面连接的支墩13，光纤光栅传感器包括多个光纤光栅倾角计25，光纤光栅倾角计25设置在支墩13的上表面，且光纤光栅倾角计25与数据处理组件30连接并发送倾斜信号，数据处理组件30根据接收到的倾斜信号和沉降信号以确定铁轨的沉降情况。
具体地，在四个支墩13上均设置有光纤光栅倾角计25，以保证监测的准确性，安装时，需要保证光纤光栅倾角计25的底部水平安装，以使其初始的位置保持竖直，方便进行后续的数据处理。光纤光栅倾角计25能够产生倾斜信号，数据处理组件30根据沉降信号和倾斜信号共同判断铁轨的沉降情况，以确定铁轨的沉降范围。
在本实施例中，便梁12的两端设置有与底面连接的支墩13，光纤光栅传感器包括多个光纤光栅土压力计26，光纤光栅土压力计26设置在支墩13侧壁，且位于便梁12两端的支墩13上的光纤光栅土压力计26沿便梁12的延伸方向相互靠近设置，光纤光栅土压力计与数据处理组件30连接并发送压力信号。
具体地，在四个支墩13的侧壁上均设置有光纤光栅土压力计26，在实际操作时，可以将光纤光栅土压力计26预埋在支墩13上距离地面的高度为5米的位置处，并且位于同一个便梁12两端的支墩13上的光纤光栅土压力计26是相对设置的。光纤光栅土压力计26能够产生压力信号，数据处理组件30能够根据压力信号辅助判断铁轨的沉降情况，为铁轨的沉降提供参考。
可选地，数据处理组件30包括：数据采集部31、数据传输部和数据处理部32，数据采集部31与光纤光栅传感器连接，并能够接收传感信号；传感信号经数据采集部31、数据处理部32传输给数据处理部32，以在数据处理部32内进行转换、分析和显示。
具体地，传感信号包括上述的沉降信号、加速度信号、裂缝信号以及倾斜信号，数据采集部31将多个传感器的各种传感信号收集起来并进行初步处理以便于进行数据传输，数据传输部将初步处理的数据传输给数据处理部32，并由数据处理部32进行再次处理，以将各种传感信号转换为相应的参数数值并通过显示器显示出来。如果进行现场处理，数据传输部可以是导线传输，如果进行远距离处理和查看，可以将数据传输部设置成远程传输件，例如GPRS模块等。
在本实施例中，数据采集部31和数据传输部集成设置为便携式数据采集与传输箱，其中包括了智能采集模块、GPRS模块和电池及其他，智能采集模块由混合采集模块和扩展模块组成，数据处理部32主要包括电脑网站及云端数据库，远程计算机在电脑网站上调取GPRS模块传输的数据后进行数据采集分析和预警分析设计，并通过相应的显示器显示出来。数据处理部32还可以配备具备上网功能的手机SIM卡，以方便随时查看。
如图3所示的一种铁轨沉降监测方法，采用上述的铁轨沉降监测装置，铁轨沉降监测方法包括：根据实际检测的需要确定铁轨沉降监测装置的光纤光栅传感器的种类和数量；安装铁轨沉降监测装置，将光纤光栅传感器与铁轨沉降监测装置的数据处理组件30连接；根据数据处理组件30所显示出来的数据值监测铁轨的沉降情况。
具体地，施工时可以根据实际监测的需要选择相应种类和数量的光纤光栅传感器，然后安装沉铁轨降监测装置，并将光纤光栅传感器安装在基体10的相应位置。使用光纤光栅液位计21时，要先将多个光纤光栅液位计21用光缆穿过后放置在管体22的底部，然后将管体22的一端密封，另一端连接在箱体14的底部，再向箱体14内注水，使得液面的高度高于管体22的高度以保证管体22内充满水且无气泡；安装光纤光栅倾角计25时，要保证光纤光栅倾角计25的底部水平固定在支墩13的上表面；安装光纤光栅裂缝计24时，将其一端固定在支墩13的预埋锚杆上，另一端与便梁12的端部连接；使用光纤光栅接速度计时，只需要安装在靠近涵体的一侧的便梁12上即可。
铁轨沉降监测装置安装完毕后，将各个传感器的信号线接入便携式数据采集与传输箱中，并且保证传感器的接线口与便携式数据采集与传输箱对应连接，然后便携式数据采集与传输箱中的智能采集模块能够根据信号的类型自动选择采集的方式进行采集和处理，其主要过程为，传感器捕捉的传感信号通过信号线接入混合采集模块，智能采集模块自动识别传感器信号的类型，并进行相应的处理，以每3-5秒/次的速度对监测对象进行扫描，将数据进行缓存，然后打包进入GPRS模块。然后初步处理过的传感信号进入GPRS模块，利用“基康”现有网段，将信号数据连续发送至固定的网段上面，监控中心的远程计算机通过指定网站进行数据访问，并实现实时监测。便携式数据采集与传输箱中的电池为其供电，还可以增加其他部分增加便携式数据采集与传输箱的功能。
可选地，远程计算机登陆进入网站界面展示监测平面图，相应测点位置有数据监测窗口，打开会有测点数据随时间变化曲线图，并且对应各个监测点都设有预警值，以便于进行实时监测。
在本实施例中，光纤光栅传感器的光纤光栅液位计21测量的波长λ与铁轨的沉降值h之间的关系为：
其中，Kp为光纤光栅液位计21的液位与波长的比值，Kt为波长偏移量与温度的比值，λ0为光纤光栅液位计21的初始波长，单位为米，T0为λ0检测时的温度值，单位为开尔文K，T为λ检测时的温度值，单位为开尔文K，ρ为铁轨沉降监测装置的管体22内的液体的密度，单位为kg/m2，g为重力加速度，单位为m/s2。
当铁轨的沉降值h大于预设标准沉降值时，铁轨存在风险；
当铁轨的沉降值h小于或等于预设标准沉降值时，铁轨安全。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1、解决了现有技术中的铁路轨面沉降监测不全面、精度低的问题；
2、可以对既有铁路实现全面，适时，精确，高效的监测，能够及时发现监测位置微小的变形，及时采取对应措施；
3、整体结构安装方便，可随施工一同安装。
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。