现代传感器技术

石家庄铁道大学

培养单位：大型结构研究所 学科专业：安全技术及工程 课程名称：现代传感器技术 任课教师：李剑芝 学生姓名：张纪松 学 号：120121903 考试日期：2013年01月04日

研究生学院

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摘要：高速、重载铁路线路的建设对我国传统铁路设计、施工、检测等提出了新的

挑战。特别对路基沉降及变形的要求显著提高，这就需要对线路路基的沉降与变形进行长期监测，对不符合要求的路基及时进行维护，同时研究不同条件下路基的沉降与变形规律。针对路基沉降变形监测工程中存在的耗费大量人力，无法实时掌握路况信息的问题，目前有研制开发了的温度不敏感型光纤光栅沉降位移传感器，其量程达到100 mm，测量精度0.1 mm。此外还有对CCD检测系统的优化，对光学系统进行设计，信号采集系统以及数据处理方法进行研究，并进行相关实验。

关键词：路基沉降 路基沉降变形 光纤光栅 CCD 光纤传感技术

1.绪论

近年来, 为了满足我国铁路交通建设事业的不断发展, 以及列车提速等多方面

的要求, 高速铁路的广泛修建已经成为我国铁路交通事业发展的必然趋势。在铁路线路工程的设计与施工中,路基沉降观测是重要的技术管理项目之一, 对于工程项目整体质量的实现也具有重要的意义。路基是承受高速铁路轨道结构重量和列车载荷的基础, 也是线路工程中最不稳定、最薄弱的环节,因此, 在高速铁路的建设过程中, 科学、合理的运用路基沉降观测技术是提升工程质量, 确保项目交付使用后路基、轨道、桥梁的稳定性, 满足设计要求的关键项目。

2.路基沉降的概述

路基沉降与许多因素有关，诸如土地因素、施工因素、路堤荷载的大小、运行期的交通量以及时间因素等。它是动态的，随着上述因素的变化，受力与沉降情况也发生变化。荷载不断增大的过程中，路基土体从弹性状态进入塑性状态，然后进入屈服状态，直到极限状态，最后到破坏状态。

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从内因上讲，路基沉降往往是土层孔隙发生压缩变形，引起路基在竖直方向的变形；从外因上讲，路基沉降是由外荷载作用在地基上，并在地基中产生附加应力，附加应力使土体原有的应力状态发生变化，使地基土产生竖向、侧向和剪切变形，导致各点竖向和侧向位移，竖向位移即为沉降。 路基沉降的主要危害有以下二个方面：

①由于沉降、不均匀沉降，会引起的轨道下沉和轨面弯折，影响线路的平顺性。 ②在通过桥梁的轨道中，必然存在桥台与路基的沉降差，当列车驶过这些地段时，由于轨道刚度和变形发生突变，使得轮轨间的动力作用增大，从而引起轨道破坏，影响行车的平稳性与安全性。

2.1路基沉降变形相关概念

2.1.1 变形的定义

线下结构由于荷载、环境等作用引的起随时间发生的位移。 2.1.2 沉降的定义

基础设施在竖直方向产生的变形，包括下沉和隆起，向下为“正”，向上为“负”。 2.1.3 工后沉降的定义 有砟轨道工后沉降定义：

有砟轨道基础设施竣工铺轨工程（包括铺碴）开始时的沉降量与最终形成的总沉降量之差。

无砟轨道工后沉降定义：

在铺轨工程完成以后，基础设施产生的沉降量。 2.1.4 差异沉降定义(无砟轨道）

在铺轨工程完成以后，路桥或路隧等连接处产生的沉降差。

2.1.5 折角的定义(无砟轨道）

在铺轨工程完成以后，路基与桥梁或隧道间由于过渡段沉降造成的弯折角度。

2.2路基沉降的组成

路基总沉降是由不同阶段的沉降组成，与铁路运营直接相关的是路基的工后沉

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降，要注意有砟轨道和无砟轨道对工后沉降计算的起点是不一样的。

有砟轨道和无砟轨道对工后沉降计算的起点是不一样的，有砟轨道工后沉降从B点开始计算，无砟轨道从A点开始计算。 路基的工后沉降主要由三部分组成： ①路基填土的压密下沉； ②行车引起的基床累计变形；

③地基产生的路基工后沉降 2.2.1路基填土压密下沉

路基填土压密下沉是由填土自重引起的，主要发生在两个阶段，第一是施工阶

段的下沉，不计入工后沉降；第二是施工完成后对后期运营有影响的工后沉降。由于路基是散体材料填筑而成的，其填土产生一定的压密下沉是正常的，其大小取决于填料和压实质量。 按下列方式考虑：

根据目前各国的经验，路堤填土总的压密下沉量中有相当一部分是施工期间完成，对于剩下部分的工后沉降还没有较好的算法，工后沉降大概占总的压密下沉量的1/3。

A日本按路堤高度的0.1～0.5%计算。

B德国按公式s=h2/3000（h为路堤高度，单位m）估算。 C我国按路堤高度的0.1～0.5%估算。

D按照现在高速铁路和客运专线对路基填料、压实质量严格要求，按上述方法估算得到的数值是偏大的。若能合理安排施工并有一定的放置时间，路基本体的压密沉降很小可以在施工期间基本完成，不计入工后沉降 2.2.2 行车引起的基床累计下沉

运营阶段由于行车（动应力作用）引起的基床累计下沉，主要是列车通过道床

传递到路基面的动荷载引起道床嵌入基床的下陷量。根据日本经验一年运营后的累计下沉量1～2.5mm，且一年时间行车后趋于稳定。我国还还缺乏高速条件下的实测数据。对于有砟轨道来说，这部分的沉降量很小，一般不计入工后沉降。 2.2.3 地基下沉引起的工后沉降

地基下沉引起的工后沉降主要与地基类型、处理措施、填土高度、施工周期等

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因素有关。对于一般地基而言，其工后沉降有限，都能满足要求，但对于软土地基来说，由于压缩性大、渗透系数小、强度低等特点，路基建成后的沉降量大且延续时间较长才能完成。路基工后沉降主要是由地基沉降而引起的。

2.3沉降观测目的及相关指标值

2.3.1路基沉降观测目的

①是用来指导现场路基施工填筑速率;②是用来推算路基工后沉降。

A相关规范对路基沉降均提出了明确的要求： B 铁路特殊路基设计规范》要求：

“在软土地基上填筑路堤时，应在边坡坡脚外设置边桩，在路堤中心线地面上设置沉降观测设备，进行水平位移和沉降观测，控制填土速率，测定地基沉降值，同时作为验交时控制工后沉降量的依据。”

C《时速300-350公里新建客运专线铁路设计暂行规定》要求：

“软土及松软土地基上填筑路堤时，应在边坡坡脚外设置边桩进行水平位移观测，在路堤基底地面设置沉降观测设备进行沉降观测。在路堤填筑过程中，必须控制填土速率。控制标准应为：路堤中心地面沉降速率≤1.0cm/每昼夜，坡脚水平位移速率≤0.5cm/每昼夜。应根据沉降观测情况进行综合分析，以推算地基的最终沉降量，并及时调整工艺、工法使地基处理达到预定的控制要求，同时应作为验交时控制工后沉降量的依据。”

D《客运专线无碴轨道铁路设计指南》要求：

“软土路堤在填筑过程中，必须控制填土速率。控制标准为：路堤中心地面沉降速率每昼夜不得大于10mm，坡脚水平位移速率每昼夜不得大于5mm。”“土质地基路基均应进行工后沉降分析。路基在无碴轨道铺设完成后的工后沉降应满足扣件调整和线路竖曲线圆顺的要求。”

从以上三本规范的规定可见，无砟轨道铁路要求凡土质地基路基均应进行工后沉降观测分析，其它铁路的软土地基或设计要求地段应进行工后沉降观测分析。 2.3.2 指导现场施工

现场路堤施工应根据沉降观测结果严格控制填筑速率，应满足路堤中心沉降每

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昼夜不得大于10mm，或边桩水平位移每昼夜不得大于5mm，否则应立即停止填筑，待观测值恢复到限值以内，沉降稳定后再恢复填土，必要时采用卸载措施。 路堤施工中必须严格控制填土速率，过快的填土速率会破坏地基土的结构，加大沉降总量，以往铁路路基的施工对填土速率的控制主要是从路基的稳定着眼的，以减少沉降为目的的控制施工速率的做法是从高速公路的建设开始的，秦沈铁路客运专线采用了相同的控制标准。实践证明对于沉降总量比较大的软土地基，应采用这个标准。

2.3.3路基工后沉降标准

根据沉降观测数据分析回归沉降与时间的关系曲线，预测最终沉降和工后沉降。

工后沉降控制标准根据铁路等级不同指标值也不一样。 表1 路基工后沉降控制标准

铁路等级 旅客列车车速度 Km/h 工后沉降量 一般地段 路桥过渡段 沉降速率 客运专线 无渣轨道 有渣轨道 300～350 300～350 200～250 200 200 120～160 ≤120 ≤15mm ≤5cm ≤10cm ≤15 ≤15cm ≤20cm ≤30cm ≤5mm ≤3cm ≤5cm ≤8cm ≤8cm ≤10cm —— —— ≤2cm/年 ≤3cm/年 ≤4cm/年 ≤4cm/年 ≤5cm/年 —— I级铁路 II级铁路

A无砟轨道工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量15mm；有足够资料证明、沉降比较均匀、长度大于20m的路基，允许的最大工后沉降量为30mm，

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并且调整轨面高程后的竖曲线半径应能满足下列要求：

Rsh?0.4Vsj （2-1）

式中：Rsh——轨面圆顺的竖曲线半径，m Vsj——设计最高速度，km/h

2 B路桥或路隧交界处的差异沉降不应大于5mm，过渡段沉降造成的路基与桥梁或隧道的折角不应大于1/1000。

2.4 路基沉降的检测方法

沉降观测按部位可分为表层沉降观测、深层(分层)沉降观测和断面沉降观测。

经过多年的发展，沉降观测方法不断完善，观测仪器类型也越来越多，但不同的观测方法和观测仪器适用于不同的工程地质条件。目前，沉降监测常用的方法有：监测桩、沉降杯、沉降板、磁环沉降仪、水压式剖面沉降仪和水平测斜仪等。接下来，将对以上这些方法做一个简单的介绍。 2.4.1 监测桩

用木桩和钢钎钉入土中，用水准仪持平，即可测量土体表面的沉降量。一个监

测桩只能观察路面上一点的沉降，若要进行整个断面的沉降测量，必须埋设多个监测桩。在不同位置埋设的监测桩的尺寸有着不同的要求。此方法最简便，但只能测定建筑物表面的沉降值，无法测试土体内部某一位置的沉降，对填土施工有干扰。 2.4.2 沉降水杯测量

监测路基内部变形最有效、最经济的手段之一是沉降水杯测量。沉降水杯利用

连通器原理，把路基内部某一点的高程映射到路基外部，故测量路基外部该映射点的高程即可知道路基内部观测点的高程。通过一定时间段监测该映射点高程的变化，即可清晰点绘出路基内部观测点的形变历程。而这些形变历程是研究路基变形机理及规律的基础数据。

其优点在于观测方法原理简单、浅显易懂、造价低廉。其缺点是3根管的埋设要求比较高，如果埋设不平顺，容易形成气泡阻塞水管，使测试无法进行；在比较寒冷的地区也不适应；直接目测观测水杯读取液面刻度值，精度较低(±lmm)。

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该方法用于室内试验观测比较容易，用于实际工程观测时，由于现场条件复杂、天气变化异常、实际操作比较困难，一般较少使用。 2.4.3 沉降板

沉降板一般用于观测软土地基总沉降，测试地基面在不同处理措施、不同荷载

条件下地基面的沉降分布。沉降板作为沉降动态观测的方法之一，以其代价低、设置方法简单、易观测被广泛采用，取代了一些地区使用仪器观测，但数据的准确性和精确性容易受影响。

沉降板的工作原理：沉降板底座随着路基沉降，通过与底座相连的测杆，可以测得底座埋设处的路基沉降值。 由沉降量的概念可知：

?2??1 （2-2） 式中：?1——沉降板的观测初始标高(即原地面标高)； ?2——沉降板的观测过程标高(即观测中标高)；

?2??3?nL0 （2-3）

式中：?3——路基施工过程中(或路基完工后)的测量标高； n——钢管观测段的个数； L0——钢管观测段的长度。

则沉降量:

S（2-4） ??3?nL0??1???3??1??nL0

2.4.4 磁环沉降仪

磁环沉降仪是分层沉降仪中运用最为广泛的一种。 磁环沉降仪所用传感器是根

据电磁感应原理设计，将磁感应沉降环(沉降标)预先通过钻孔方式埋入地下待测的各点位置，当传感器通过磁感应环时，产生电磁感应信号送至地面仪表显示，同时发出声光报警(一般是蜂鸣器发出信号)。读取孔口标记点上对应钢尺的刻度数值，即为沉降环的深度。一般每次测量值与前次测值相减即为该测点的沉降量。但是实

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际测量中可以根据条件，选择孔口标高或最底层沉降标位置作为监测基准点，通过对不同时期测量结果的对比分析，可以确定各土层的沉降(或隆起)结果。 2.4.5 水压式分层沉降仪

水压式分层沉降仪是对磁环沉降仪的一种改进，改用水压探测器作为敏感元件

进行测量，可以消除磁环沉降仪缺点中对测量结果的影响。水压式分层沉降仪所用传感器是水压探测器，垂直钻孔，在孔的内壁涂上可也随着土层沉降变形的合成树脂，将带有小孔的隔板预先通过钻孔方式埋入地下待测的各点位置，然后将多个水压探测器固定在相应的隔板上由防水导线与测量装置相连接。在孔内注入足量的水，通过测量隔板处的水压可以测得该处的沉降值。 2.4.6 位移传感分层沉降仪

位移传感分层沉降仪单个整体单元包括沉降板、电测位移传感器、测杆、锚头、

锚板、金属软管、波纹管；其中电测位移传感器上端与沉降板联接，下端和锚头相连，测杆安装在金属软管内；电测位移传感器、金属软管、测杆、锚头、锚板外套波纹管；两个或多个整体单元层串联成一体，组成两个或多个层面的分层沉降仪；该仪器整体埋设，电测位移传感器的导线从沉降板通孔集中引出，不会影响路面的压实施工，从而保证测量值与实际值趋于一致，行车过程也可测量；采用电测位移传感器，可快速、准确地直接实时测量沉降量；实现远程传输，实现自动测量和长期运行观测

2.4.7 PVC管测斜仪器。

PVC管沉降仪(也称测斜仪)是一种测定钻孔倾角和方位角的原位监测仪PVC管沉降仪按使用方式不同，可分为滑动式测斜仪和固定式测斜仪。固定式是将测斜仪测头固定在土体内某点位移的位置，用传输信号电缆引出地面进行观测。采用固定式测斜仪观测的测点，一般用于活动式测斜仪难以做到观测的测点，其费用高，测头损坏难以维修，目前采用甚少。活动式测斜仪探头便于维修，并可进行多点连续观测，应用十分广泛。若按敏感元件不同则可分为伺服加速度计式、电阻应变片式、钢弦式、差动电阻式等。由于伺服加速度计式测斜仪精度高、长期稳定性好，现己被广泛采用。若按仪器测量方向不同则可分为垂向测斜仪(测量水平位移)、水平测斜仪(测量垂向位移)和斜向测斜仪(测量斜面的法向位移)。

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3.铁路路基沉降观测技术创新的路径

3.1 光纤光栅传感器在路基沉降监测中的应用研究

针对路基沉降变形监测工程中存在的耗费大量人力，无法实时掌握路况信息的

问题，研制开发了温度不敏感型光纤光栅沉降位移传感器，其量程达到100mm，测量精度0.1 mm。对两个多月的现场试验数据分析表明，光纤沉降位移传感器实时反映了路基面的沉降状况，尤其对降水等因素引起的路基面沉降速率的变化能够及时准确的响应。 3.1.1 传感器设计 3.1.1.1 原理

光敏性光纤受到紫外光干涉条纹的曝光后，会在纤芯中产生周期性折射率调制，从而形成一种一维光栅，即光纤布拉格光栅(FBG)。根据耦合模理论，当一束宽谱光进入光纤中传输时，由于FBG的波长选择作用，满足布拉格波长条件的光会被反射回光纤入射端，其余波长的光会自由的透过。

图3-1 光纤光栅工作原理图

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