一种位移传递式高速铁路路基变形测量方法与流程

本发明属于高铁路基变形监测技术领域，具体涉及一种位移传递式高速铁路路基变形测量方法。

背景技术：

路基变形控制技术是我国高铁技术研究中一个重要内容，关系到列车快速、安全、舒适运营。路基变形监测为路基安全预警预报、变形控制、病害整治、设计方案优化等提供重要的数据支持，其意义重大。

目前，我国进行高铁路基变形监测主要采用人工水准测量方法，该方法通过埋设监测点、基准点，定期安排测量人员携带测量设备上线测量基准点与监测点相对高差。该方法具有明显的缺点，每次测量携带测量设备较大较重，测量过程受风雪天气影响，需要测量人员较多，需要测量人员到达测点进行测量，每个测点测量精度存在差异，测量精度与基准点稳定性、基准点数量、距离、测线长度等因素有关，因此这种方式成本高，风险大，效率低、精度难以保证。

另一方面，路基变形监测采用电阻式位移计、振玄式位移计、光栅光纤位移计、静力水准仪等结合自动采集模块和无线传输模块实现自动化监测也是常见的监测方法。这些方法监测精度和自动化程度高，但成本高，后期维护困难。设备在安装接线过程中密封不到位导致后期传输线缆短路或断路而检修困难，另外设备采集过程中受信号干扰而测值异常，设备供电系统受风雪天气影响而不稳定，因此自动监测方法也存在很多弊端，适合在小范围内使用。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种位移传递式高速铁路路基变形测量方法。

本发明的技术方案是：一种位移传递式高速铁路路基变形测量方法，包括以下步骤：

ⅰ.监测点钻孔及引线槽开槽

根据勘察资料和路基设计方案确定钻孔深度、孔径尺寸、采用钻机类型、引线槽开槽路线及深度，并现场作业实施；

ⅱ.底部法兰盘、测杆、测杆套管安装入孔

根据钻孔实际深度确定测杆长度、数量，将底部法兰盘与测杆一端连接固定，在测杆另一端套上测杆套管，将安装好测杆、测杆套管的底部法兰盘放入钻孔的孔底；

ⅲ.钻孔回填至孔口以下一定深度

将测杆套管上提并在孔口进行临时固定，用混凝土回填料进行浇筑填充，待孔底混凝土回填料硬化后，将测杆套管放置在混凝土回填料表面，用钻孔取芯拌砂回填料对钻孔进行回填；

ⅳ.位移传递与误差控制线缆分别穿入线缆套管

根据引线开槽长度和测数位置确定位移传递线缆及套管长度、误差控制线缆及套管长度，并将线缆穿入套管内；

ⅴ.将位移传递线缆套管与顶部法兰盘固定

将位移传递线缆套管的引出端与顶部法兰盘连接固定；

ⅵ.将位移传递线缆与测杆顶端固定

将位移传递线缆套管中的位移传递线缆引出端与钻孔内测杆顶端连接固定，用于路基变形位移传递；

ⅶ.误差控制线缆引出端与其套管引出端固定

将误差控制线缆的引出端与顶部法兰盘套管连接固定，将误差控制线缆套管引出端进行固定，用于路基变形位移传递误差控制；

ⅷ.孔口固定以及位移传递与误差控制线缆套管绑扎呈束并顺槽外引

在位移传递线缆套管、误差控制线缆套管安装固定之后，在线缆套管的自由端拉出孔口多余线缆，将顶部法兰盘安装固定，并进行钻孔回填，套管绑扎呈束放入引线槽引至测数端，然后用c30混凝土砂浆埋设回填

ⅸ.位移传递与误差控制线缆及套管的测数端分别安装固定于测数套管

根据测数套管长度和变形预留量剪去线缆套管测数端多余线缆，将线缆头固定连接在测数套管内的滑动圆柱轴中心，外部线缆套管测数端与测数套管固定，两套线缆与线缆套管分别安装在两套测数套管后固定测数套管便于后期测数；

ⅹ.千分表插入测数套管进行测数

每个监测点每次测数需要分别测数两组测数套管，测数前先将数显千分表探针归零，待读数稳定后保存测数结果，

ⅹⅰ.监测数据整理分析并形成监测报告

现场监测完成后，对每个监测点每次两组测数分别计算平均值，两组平均值之差作为测点本次变形量，整理、统计和分析多次监测结果，结合其它数据综合分析路基变形规律，形成路基变形监测报告。

步骤ⅸ中测数套管测数端口内径加工尺寸根据千分表探针外套管外径确定，并在测孔内壁均匀涂抹润滑油。

步骤ⅹ中为了减小系统误差，可拔出探针重复测3~5次。

步骤ⅲ中混凝土回填料进行浇筑时，出浆端送达孔底采用高压泵压入方式，保证浇筑质量。

步骤中ⅱ中测杆穿入测杆套管过程中在测杆外壁均匀涂抹润滑油，保测杆套管在孔底以上岩土体发生垂向位移时不带动测杆上下移动。

步骤ⅸ中测数套管为两个，所述测数套管中均设置有滑动的滑动圆柱轴，所述滑动圆柱轴分别与位移传递线缆、误差控制线缆相连接。

步骤ⅸ中测数套管与位移传递线缆管套、误差控制线缆套管端部平齐固定，保证其中线缆不外露。

步骤ⅸ中测数套管设置在固定支架中，所述测数套管处于无重力影响的水平状态。

本发明在路基表面垂直钻孔至稳定层，安装埋设测杆、底部法兰盘及测杆套管，通过套管使测杆与钻孔壁岩土体分离，测杆底部用混凝土锚固在稳定部位，在路基表面安装的顶部法兰盘，用混凝土将盘面与路基面固定为整体，当路基发生垂向变形时顶部法兰盘可通过开槽套管带动位移传递线缆套管自由上下移动，并传递路基变形进行测量，精度可达到10^-3mm，完全满足路基变形控制精度要求。

本发明提高了路基变形监测精度，回避了传统水准方法以及自动监测方法存在的一系列弊端，提高了监测效率和数据质量，降低了监测成本。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的结构示意图；

其中：

1线缆套管2路基表面

3顶部法兰盘套管4线缆

5测杆连接管固6测杆套管连接管固

7钻孔取芯拌砂回填料8混凝土回填料

9路基稳定层10顶部法兰盘

11ⅰ号圆柱12ⅱ号圆柱

13中粗砂回填料14ⅲ号圆柱

15测杆套管16测杆

17底部法兰盘18数显千分表

19测数套管20固定支架。

具体实施方式

以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：

如图1~2所示，一种位移传递式高速铁路路基变形测量方法，包括以下步骤：

ⅰ.监测点钻孔及引线槽开槽

根据勘察资料和路基设计方案确定钻孔深度、孔径尺寸、采用钻机类型、引线槽开槽路线及深度，并现场作业实施；

ⅱ.底部法兰盘、测杆、测杆套管安装入孔

根据钻孔实际深度确定测杆16长度、数量，将底部法兰盘17与测杆16一端连接固定，在测杆16另一端套上测杆套管15，将安装好测杆16、测杆套管15的底部法兰盘17放入钻孔的孔底；

ⅲ.钻孔回填至孔口以下一定深度

将测杆套管15上提并在孔口进行临时固定，用混凝土回填料8进行浇筑填充，待孔底混凝土回填料8硬化后，将测杆套管15放置在混凝土回填料8表面，用钻孔取芯拌砂回填料7对钻孔进行回填；

ⅳ.位移传递与误差控制线缆分别穿入线缆套管

根据引线开槽长度和测数位置确定位移传递线缆及套管长度、误差控制线缆及套管长度，并将线缆穿入套管内；

ⅴ.将位移传递线缆套管与顶部法兰盘固定

将位移传递线缆套管的引出端与顶部法兰盘连接固定；

ⅵ.将位移传递线缆与测杆顶端固定

将位移传递线缆套管中的位移传递线缆引出端与钻孔内测杆16顶端连接固定，用于路基变形位移传递；

ⅶ.误差控制线缆引出端与其套管引出端固定

将误差控制线缆的引出端与顶部法兰盘套管6连接固定，将误差控制线缆套管引出端进行固定，用于路基变形位移传递误差控制；

ⅷ.孔口固定以及位移传递与误差控制线缆套管绑扎呈束并顺槽外引

在位移传递线缆套管、误差控制线缆套管安装固定之后，在线缆套管的自由端拉出孔口多余线缆，将顶部法兰盘安装固定，并进行钻孔回填，套管绑扎呈束放入引线槽引至测数端，然后用c30混凝土砂浆埋设回填

ⅸ.位移传递与误差控制线缆及套管的测数端分别安装固定于测数套管

根据测数套管长度和变形预留量剪去线缆套管测数端多余线缆，将线缆头固定连接在测数套管内的滑动圆柱轴中心，外部线缆套管测数端与测数套管固定，两套线缆与线缆套管分别安装在两套测数套管后固定测数套管19便于后期测数；

ⅹ.千分表插入测数套管进行测数

每个监测点每次测数需要分别测量两组测数套管，测数前先将数显千分表18探针归零，缓慢插入测数套管端口孔内，待读数稳定后保存测数结果，

ⅹⅰ.监测数据整理分析并形成监测报告

现场监测完成后，对每个监测点每次两组测数分别计算平均值，两组平均值之差作为测点本次变形量，整理、统计和分析多次监测结果，结合其它数据综合分析路基变形规律，形成路基变形监测报告。

步骤ⅸ中测数套管测数端口内径加工尺寸根据数显千分表18探针外套管外径确定，并在测孔内壁均匀涂抹润滑油。

步骤ⅹ中为了减小系统误差，可拔出探针重复测3~5次。

步骤ⅲ中混凝土回填料进行浇筑时，出浆端送达孔底采用高压泵压入方式，保证浇筑质量。

步骤中ⅱ中测杆穿入测杆套管过程中在测杆外壁均匀涂抹润滑油，保测杆套管在孔底以上岩土体发生垂向位移时不带动测杆上下移动。

步骤ⅸ中测数套管为两个，所述测数套管19中均设置有滑动的滑动圆柱轴，所述滑动圆柱轴分别与位移传递线缆、误差控制线缆相连接。

步骤ⅸ中测数套管19与位移传递线缆管套、误差控制线缆套管端部平齐固定，保证其中线缆不外露。

步骤ⅸ中测数套管设置在固定支架中，所述测数套管处于无重力影响的水平状态。

其结构包括包括设置在钻孔孔底中的底部法兰盘17，所述底部法兰盘17上设置有测杆16，所述测杆16外壁处套有测杆套管15，所述底部法兰盘17固定在路基稳定层9中，所述路基稳定层9由混凝土回填料8浇筑形成，所述测杆套管15固定在钻孔中，所述测杆套管15、钻孔内壁之间填充有钻孔取芯拌砂回填料7，所述钻孔顶部设置有顶部法兰盘10，所述顶部法兰盘10中设置有顶部法兰盘套管3，所述顶部法兰盘套管3插入到钻孔中，所述顶部法兰盘套管3与钻孔内壁之间设置有中粗砂回填料13。

本发明的测量装置，包括测杆16，所述测杆16固定在路基稳定层9中，所述路基稳定层9上设置有岩土体，所述岩土体中形成使测杆16通过的钻孔，所述岩土体上的路基处设置有顶部法兰盘10，所述顶部法兰盘10下端设置有顶部法兰盘套管3，所述顶部法兰盘套管3安装到钻孔中，所述测杆16上部插入到钻孔中，所述顶部法兰盘套管3中设置有线缆套管1，所述线缆套管1中设置有测量用的线缆4。

所述线缆套管1包括位移传递套管和误差控制套管。

所述位移传递套管内的线缆4为能够沿其抽拉的位移线缆，所述位移线缆的一端与测杆16的顶部相固定。

所述顶部法兰盘10中形成对线缆套管1进行容纳固定的线缆槽，位移传递套管通过线缆槽固定引导后其另一端与测数套管18相固定。

所述测数套管18中形成阶梯孔，所述阶梯孔的大径段处设置有滑动的滑动圆柱轴，所述位移线缆穿过测数套管18的小径段与滑动圆柱轴相连。

所述测数套管18的大径段中设置有弹簧，所述弹簧的一端与滑动圆柱轴相连，弹簧的另一端与测数套管18的阶梯面相连，所述弹簧为压簧从而使位移线缆处于紧绷状态。

所述测数套管18水平安装在固定支架20中，所述测数套管18的端部设置有对滑动圆柱轴进行测量的数显千分表18。

所述钻孔中设置有测杆套管15，所述测杆16从测杆套管15中穿过，所述测杆套管15、测杆16之间为间隙配合。

所述误差控制套管内的线缆4为能够沿其抽拉的误差控制线缆，所述误差控制线缆与测杆套管15相连，所述误差控制套管的另一端固定在另一个测数套管19中。

所述位移线缆的移动量与误差控制线缆的移动量之差为路基变形量。

所述测杆16的下端与底部法兰盘17相连，所述底部法兰盘17设置在路基稳定层9中，所述路基稳定层9由混凝土回填料8浇筑形成。

所述测杆套管15、钻孔内壁之间填充有钻孔取芯拌砂回填料7，所述顶部法兰盘套管3与钻孔内壁之间设置有中粗砂回填料13。

所述顶部法兰盘10与路基表面2平齐。

优选的，所述测杆16为多节拼装结构，所述测杆16由多个管件组成，所述管件中形成内螺纹，所述多个管件通过测杆连接管固5进行固定，所述测杆连接管固5外壁处形成外螺纹，所述测杆连接管固5的两端分别拧入到两个管件中。

优选的，所述测杆套管15为多节拼装结构，所述测杆套管15由多个套管件组成，所述套管件外壁处形成外螺纹，所述测杆套管连接管固6将两个相邻的测杆套管15进行固定，所述套管件外壁处的外螺纹拧入到测杆套管连接管固6的内螺纹中。

所述测杆16上端设置有ⅲ号圆柱14，所述ⅲ号圆柱14中形成能够容纳线缆4的通孔，并通过螺栓将插入的线缆进行固定。

所述位移传递套管的端部设置有ⅰ号圆柱11，所述ⅰ号圆柱11中形成能够使线缆通过的通孔。

所述误差控制套管的端部设置有ⅱ号圆柱12，所述ⅱ号圆柱12中形成能够使线缆通过的通孔。

相应的，所述顶部法兰盘套管3中形成能够使误差控制线缆通过的线槽，从而避免与测杆16上的ⅲ号圆柱14发生干涉。

实施例一

ⅰ.监测点钻孔及引线槽开槽s1

在路基监测点施工状态具备监测条件后，根据勘察资料和路基设计方案确定钻孔深度，孔径尺寸，采用钻机类型，引线槽开槽路线及深度，并在路基表面2进行钻孔作业。

所述路基监测包括路基冻胀变形监测和路基沉降变形监测。

优选的，路基冻胀变形监测要求钻孔深度根据路基设计最大冻结深度、路基防冻胀填料厚度等因素综合确定，钻孔孔径一般为90mm，钻孔采用干钻法。

优选的，路基沉降变形监测要求钻孔深度根据路基填筑高度、地基软弱层厚度、地基处理深度、地下水水位等因素综合确定，钻孔孔径一般为108mm，钻孔采用水钻法。

其中，引线槽开槽宽度和深度根据线缆套管外径和引线数量确定，开槽尽可能直，不宜过宽过大，拐点处圆弧过渡。其圆弧半径大于10mm，保证其中线缆能够滑动。

相应的，钻孔结束后需要清除孔内沉渣，孔底夯实，测量钻孔实际深度、引线槽长度。

路基变形监测可实现不同层位对比监测，即将多个相邻不同深度监测点引线汇总引出进行同期监测和数据对比。

ⅱ.底部法兰盘、测杆、测杆套管安装入孔s2

其中，底部法兰盘17厚度0.5cm，直径8cm，中心开螺纹孔。

测杆16为镀锌钢管，外径为34mm，两端开内丝扣，便于安装测杆连接管固5，所述安装测杆连接管固5能够将两节测杆16连接成为一个整体。

测杆套管15为镀锌钢管，内径为40mm，两端开外丝扣，便于安装测杆套管连接管固6，所述测杆套管连接管固6中形成内螺纹，所述测杆套管15两端外螺纹拧入到测杆套管连接管固6中，从而将两个相邻的测杆套管连接管固6连接成为一个整体。

根据钻孔实际深度确定测杆16长度、数量，先将底部法兰盘17与测杆16一端连接固定，然后将该测杆16另一端与相邻测杆16连接固定至指定长度，最终使连接底部法兰盘17的测杆延伸长度比钻孔实际深度小20cm，根据测杆16长度，连接测杆套管15，使测杆套管15长度小于测杆16长度50cm，将测杆16的另一端穿入测杆套管15内，测杆16穿入测杆套管15过程中在测杆16外壁均匀涂抹润滑油，将安装好测杆16和测杆套管15的底部法兰盘17放入孔底中。

ⅲ.钻孔回填至孔口以下一定深度s3

将测杆套管15上提100cm并在孔口用管钳临时固定防止掉落，用掺早强剂的c30混凝土（粗骨料最大粒径不超过5mm）从孔底浇筑，为了保证浇筑质量，将导管出浆端送达孔底采用高压泵压入方式，浇筑深度根据监测类型和孔深确定。

相应的，一般冻胀变形监测孔深较小，浇筑深度20cm左右，沉降变形监测孔深较大，浇筑深度50cm左右。

待孔底混凝土硬化后将测杆套管15底端放置在混凝土浇筑体上表面，用捣碎后去除粒径超过30mm的钻孔取芯材料拌砂回填孔，每次回填20~30cm深后夯实填料，当孔深较大底部回填困难时，可直接用中粗砂回填，直到孔口以下50cm左右结束。

ⅳ.位移传递与误差控制线缆分别穿入线缆套管s4

根据引线开槽长度和测数位置，确定位移传递线缆、误差控制线缆及二者套管长度，为安装方便，位移传递线缆、误差控制线缆的长度比其套管长度大100cm。

优选的，位移传递线缆套管、误差控制线缆套管内出厂前注入专用润滑油，用于冻胀监测的套管内润滑油必须满足抗冻条件，分别截取相同长度线缆和线缆套管各两套，采用专业钢钳截断线缆及套管时要保证两端齐平。

将线缆穿入套管后弯曲套管一圈（直径约20cm）进行推拉测数，线缆在套管内推拉力为20n时可以正常滑移满足安装条件。

ⅴ.位移传递线缆套管引出端与钻孔顶部法兰盘固定s5

将位移传递线缆外部套管的引出端与钻孔顶部法兰盘10连接固定。顶部法兰盘10直径30cm，厚度0.5cm，表面镂空便于安装后孔内回填，中心开孔，顶部法兰盘套管3加工长度为20cm，其直径比测杆16内径略小，顶部法兰盘套管3侧面开槽，顶部开外丝扣，底部开内丝扣，通过一对螺母将顶部法兰盘10卡在顶部法兰盘套管3，顶部法兰盘套管3侧面开槽的宽度比线缆套管1直径大5mm，顶部法兰盘套管3的底部内嵌长度3cm开外丝扣的ⅰ号圆柱11，ⅰ号圆柱11开孔上端直径与线缆套管1外径一致且长度为2cm，下端直径小于线缆套管内径大于线缆直径且长度为1cm。

ⅰ号圆柱11面距离上表面0.5cm下表面1.5cm分别开一带内丝扣小圆孔贯穿圆柱轴穿线孔，将线缆套管引出端嵌入圆柱孔内到达大孔底，在两小孔内拧入螺丝至线缆套管紧卡于圆柱轴孔内。

ⅵ.位移传递线缆位移引出端与测杆顶端连接固定s6

将步骤ⅳ中穿好的位移传递线缆，其一端将位移从孔口引出，将线缆的位移引出端与钻孔内测杆16顶端连接固定。

优选的，其固定方法为：在测杆16顶端开内丝扣，加工长度为3cm侧面为螺纹的ⅲ号圆柱14，直径以能顺利拧入测杆内为宜，在ⅲ号圆柱14开一贯通小圆孔，直径以线缆能顺利穿入为宜，在圆柱侧面分别距离上表面和下表面1cm位置开一带内丝扣小圆孔贯穿圆柱轴穿线孔，线缆穿入圆柱轴孔并露头1cm后在两小孔内拧入螺丝至线缆紧卡于圆柱轴孔内，要求螺丝完全嵌入圆柱体内，然后将圆柱拧入测杆顶端。

ⅶ.误差控制线缆引出端与其套管引出端固定s7

将误差控制线缆的引出端与外部套管端连接固定，加工长度为4cm直径为2cm的ⅱ号圆柱12，轴中心上端开孔长度2cm直径与线缆套管外径一致，下端开孔长度2cm直径小于线缆套管内径且大于线缆直径，距离圆柱顶面和底面1cm、2cm于侧面开四个带内丝扣小孔，将线缆引出端从圆柱顶面轴孔穿入，超出底面1cm，用2颗螺丝从圆柱侧面下部两孔拧紧扣住线缆，将线缆套管引出端从圆柱顶面轴孔穿入2cm，用2颗螺丝从圆柱侧面上部两孔拧紧扣住线缆套管。

ⅷ.孔口固定以及位移传递与误差控制线缆套管绑扎呈束并顺槽外引s8

在两套线缆及套管在孔口安装固定之后，在线缆套管的另一端拉出孔口多余线缆，将误差控制线缆套管引出端靠近位移传递线缆套管引出端，将位移传递线缆套管从法兰盘下部套管侧槽引出，两套套管绑扎呈束，从孔口呈弧形引出，放入引线槽引至测数端后用c30混凝土砂浆埋设回填。钻孔用中粗砂回填后孔口法兰盘用c30混凝土浇筑固定。

ⅸ.位移传递与误差控制线缆及套管测数端分别安装固定于测数套管s9

安装前需在滑动圆柱表面、测数套管内壁均匀涂抹润滑油。测数套管的线缆套管固定端为长度4cm侧面开外丝扣圆柱，轴中心上端开孔长度2cm直径与线缆套管外径一致，下端开孔长度2cm直径小于线缆套管内径且大于线缆直径，距离圆柱顶面1cm、2cm于侧面开两个带内丝扣小孔，将线缆测数端从圆柱顶面轴孔穿入，超出底面一定长度，其长度根据测数量程、测数套管内压缩弹簧长度确定，剪去线缆套管测数端多余线缆，线缆套管测数端穿入圆柱顶面轴孔内2cm，用2颗螺丝从圆柱侧面上部两孔拧紧扣住线缆套管。

将线缆4测数端穿入弹簧后固定连接在滑动圆柱轴中心，该滑动圆柱长度3cm，一端轴中心开孔长度2cm，直径比线缆直径稍大，滑动圆柱的表面和侧面光滑，在滑动圆柱侧面距离开孔端0.5cm、1.5cm开两个带丝扣小孔，线缆测数端穿入孔后用两颗螺丝拧紧，将测数端安装好的线缆及线缆套管嵌入测数套管，通过线缆套管固定端嵌入测数套管拧紧固定。

所述弹簧使线缆处于绷紧状态。

测数套管测数端口内径加工尺寸根据千分表探针外套管外径确定，一般为0.5~1cm。两套线缆与线缆套管分别安装在两套测数套管后用支架固定测数套管便于后期测数。

ⅹ.千分表插入测数套管进行测数s10

为了控制线缆传递位移过程中受温度和其它外界环境影响而产生的误差，需在每个监测点每次测数两组测数套管，路基面钻孔孔口附近变形量等于位移传递测数结果与误差控制测数结果之差。为了减小系统和操作误差，可拔出探针重复测3~5次。

ⅹⅰ.监测数据整理分析并形成监测报告s11

现场监测完成后，对每个监测点每次两组测数分别计算平均值，计算与孔内测杆和大法兰盘连接固定引出的测数套管测数平均值与另一套测数套管测数平均值之差作为测点本次变形量，整理、统计和分析多次监测结果，计算路基累计变形量、变形速率、预测变形发展趋势，绘制相关曲线，结合其它数据综合分析路基变形规律，形成路基变形监测研究报告。

本发明在路基表面垂直钻孔至稳定层，安装埋设测杆、底部法兰盘及测杆套管，通过套管使测杆与钻孔壁岩土体分离，测杆底部用混凝土锚固在稳定部位，在路基表面安装的顶部法兰盘，用混凝土将盘面与路基面固定为整体，当路基发生垂向变形时顶部法兰盘可通过开槽套管带动位移传递线缆套管自由上下移动，并传递路基变形进行测量，精度可达到10^-3mm，完全满足路基变形控制精度要求。

本发明提高了路基变形监测精度，回避了传统水准方法以及自动监测方法存在的一系列弊端，提高了监测效率和数据质量，降低了监测成本。