许敏娟 周 宇

(1.昆明地铁运营有限公司,650021,昆明; 2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,201804,上海∥第一作者,工程师)

基于光纤光栅技术的城市轨道交通基础结构沉降实时监测研究

许敏娟1周 宇2

(1.昆明地铁运营有限公司,650021,昆明; 2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,201804,上海∥第一作者,工程师)

提出基于光纤光栅技术的轨道交通基础结构沉降监测方法,可实现大坡道、不同结构物的在线、分布式连续监测和数据无线传输。研发了轨道交通基础结构沉降实时监测装置。该装置能对沉降数据自动采集和处理,且实时显示结果,并在沉降超限时报警;沉降监测精度可达0.1 mm,超限误报率小于1%;具有良好的稳定性、监测的连续性；通过沉降监测可进一步预测沉降发展趋势。该装置适合关键基础结构地段的长期监测,满足运营中连续监测的需求,并为基础结构维护提供参考依据。

城市轨道交通; 基础沉降; 光纤光栅技术; 实时监测

城市轨道交通轨道及下部基础结构应保持较好的平顺性、稳定性和寿命。然而在频繁的列车动荷载作用下,基础结构会产生不均匀沉降,进而引发轨道几何不平顺,进一步恶化轮轨关系,增加城市轨道交通振动噪声,影响运营安全性与舒适度。对城市轨道交通基础设施沉降状态的监测是进行有效养护维修的关键。常用的沉降监测方法(如沉降板、变形观测桩等方法[1])主要适用于施工期间沉降测量,不适用于已经开通运营的线路。常规的电类传感器普遍存在寿命短、易受环境影响、易受电磁干扰、不能实时在线监测等缺点[2],其测量精度与使用条件受限。而人工沉降检测的效率较低,检测频次有限,误差较大,无法满足运营线路在线监测的要求[3-4]。

近年来光栅光纤技术以抗电磁干扰、动态响应快、灵敏度和测试精度高、耐久性强及可实现远距离实时监测等优点,在国内外桥梁、堤坝、边坡和隧道等工程结构监测方面广泛应用,均取得了很好的效果[5]。本文基于光纤光栅技术,研究城市轨道交通轨道基础结构沉降实时监测方法，以昆明某轨道交通线路典型的基础结构为监测实例,设计沉降监测方案,开发沉降数据处理软件,构建数据传输网络,从而研发了基础结构沉降实时监测装置,实现对运营条件下城市轨道交通基础结构的长期监测。

1 沉降监测关键技术原理

1.1 光纤光栅技术基本原理

光纤光栅是一种反射型滤波敏感器件。其原理是利用光纤材料的光敏性,通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入光纤芯,并在光纤芯内产生沿光纤芯轴向的折射率周期性变化,从而形成一种窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜,即永久性空间的相位光栅[5]。当一束宽光谱光经过光纤光栅时,波长满足光纤光栅布拉格条件的光将发生反射,而其余波长的光将发生透射(如图1所示)。

注：λ——波长；n光纤芯的折射率；D——光功率

图1 光纤光栅原理示意图

由图1可以看出,光波通过光纤光栅传感器后,反射波长为:

λB=2neΛ

(1)

式中：

ne——光纤光栅的有效反射系数;

Λ——光纤光栅的光栅周期。

由于当光纤光栅传感器检测的物理量(如位移、应力、应变、温度等)发生变化时,反射波长会发生漂移[2-4,6],故通过对比标定值即可得出所检测物理量的变化值。在光纤弹性范围内,基于反射波长与检测物理量线性关系可得

ΔλB=2neΔΛ+2ΔneΛ=

λB[(1-Pe)Δε+(α1+ξ)ΔT]=

KεΔε+KTΔT

(2)

式中：

Pe——光纤的弹塑性光学系数；

ξ——光栅传感器的热光学系数；

α1——光纤的线膨胀系数;

Δε——物体中性轴上的应变变化量；

ΔT——外部温度变化量；

Kε——与应变ε有关的应变响应系数；

KT——与温度T有关的应变响应系数。

1.2 光纤光栅静力水准仪沉降监测原理

光纤光栅静力水准仪主要由液体灌(筒体)、光纤光栅传感器、连通水管、排气管及安装支座等组成,其内部结构及安装示意图如图2所示。

图2 光纤光栅静力水准仪安装图及内部结构

1套静力水准设备至少需要2个及2个以上静力水准仪,包括1个基准点水准仪a(布置在不会有挠度变化,不会发生沉降的点位)和若干测点水准仪b。各静力水准仪加入液体,并使液面高于量程的中间位置,然后通过连通管连接在一起。基于连通器原理,当被测点发生挠曲等变化时,水准仪b位置也会改变，进而引起液筒的液面高度变化。液面位置变化过程如图3所示。

图3 静力水准仪工作原理

静力水准仪液面变化可通其过内置液位浮球被光纤光栅传感器识别。其反射波长发生漂移后,飘移值通过光纤传输到光纤光栅解调仪。通过式(2),将反射波长信号经解调仪解调,并考虑温度补偿,即可实现数值转换，得到

H=[(λS1-λS10)/K1-(λS01-λS00)/

K0]-[(λT1-λT10)×1.6/K1-

(λT0-λT00)×1.6/K0]

(3)

式中：

H——待测点沉降量;

λS1——待测点水准仪中应变计实测波长;

λS10——待测点水准仪中应变计零点波长;

λS01——基准点水准仪中应变计实测波长;

λS00——基准点水准仪中应变计零点波长;

λT1——待测点水准仪中温度计实测波长;

λT10——待测点水准仪中温度计零点波长;

λT0——基准点水准仪中温度计实测波长;

λT00——基准点水准仪中温度计零点波长;

K1——待测点水准仪标定系数;

K0——基准点水准仪标定系数。

1.3 长距离连续监测水准仪级联原理

静力水准仪安装时要求初始高程(相对基准测点高程)相同。在线路纵断面设计坡度变化较大的地段进行长里程连续监测时,静力水准仪安装位置会因场地受限,需设置级联传感器以通过转点法转置来达到测试要求。水准仪级联原理如图4所示。

图4 不同高程处水准仪级联原理

图4中A、B、C组水准仪均用以连续监测长距离基础的沉降,且3组水准仪均基于相同的基准点。B组水准仪所监测基础的设计高程高于A、C两组。为保证各水准仪初始液面高度要求,A、C两组水准仪可共用1个液体补给箱,而B组使用单独液体补给箱;A、B组和B、C组之间采用级联光纤光栅传感器。通过级联传感器来抵消高程不同的影响,从而实现长距离连续监测。

2 监测装置的现场试验与动态监控

2.1 不同结构地段测点布置方案设计

为研究本监测装置在不同结构、不同地段适用性及精确度,本次试验以昆明某轨道交通线路为监测实例。试验段全长300 m,包括40 m长的圆形盾构隧道、110 m长的矩形明挖隧道和150 m长的隧道-路基过渡段。试验段设计坡度为27.979‰,包括77 m长的直线段、2 m长的夹直线、60 m长的缓和曲线,以及116 m且长半径为350 m的圆曲线和25 m长且半径为 4 000 m的圆曲线。

按照试验要求,将测点按间隔30 m布置,采用双线测量,共布置11处测量断面。其中，盾构隧道区及矩形隧道区两侧各3处,过渡段U型槽区两侧5处。光纤光栅静力水准仪的平面布置如图5所示。

图5 不同结构区静力水准仪布置方案设计

由于盾构隧道至过渡段双线合拢,且两隧道间有挡墙。为对比线路两侧基础沉降数据及双线隧道单洞两侧沉降数据,除在线路两侧墙壁处布置水准仪外,在局部隧道的中间挡墙上也设置了沉降测点。试验共设置30个静力水准仪。各水准仪之间按图5以光缆连接,水准仪中连通器的水管连接方式相同。为了对比上下行线路及单线左右侧的沉降,在同一断面处设置级联传感器进行连接。由于试验段的线路设计坡度较大,故通过安装纵向级联传感器来实现整试验段的数据级联。试验段纵断面级联传感器布置如图6所示。

沿线路纵向,同一高度处的静力水准仪通过液面刻度对比来计算沉降;不同高度处水准仪之间通过纵向级联传感器及11通道解调仪来实现高度基准校正,以保证沉降数据准确。本试验采用的静力水准仪均带温度测量。

图6 试验段纵断面级联传感器布置方案

由于本次试验主要关注观测点之间相对沉降,而绝对沉降仅作为参考，因此,基准参考点可选隧道基准点或桥梁基准点中任意一处,并设置基准点水准仪。另在车站配置1台采集用工控机。

2.2 沉降数据处理及动态监控

由于监测距离较长、监测点多且测量期长,故现场沉降数据繁多，沉降结果也需进一步处理。而人工计算处理沉降结果不仅效率低,且存在超限警报迟滞。针对以上问题,现场配置了工控机服务器、VPN网络设备及辅助设备,开发沉降数据处理及监控应用程序,以实现基础沉降监测分析与动态监控功能。

如图7所示，基于光纤光栅技术的轨道交通沉降数据处理及实时监控应用装置(以下简为“沉降监测装置”)由服务器软件和客户端软件通过VPN网络连接组成。服务器软件集成于现场工控机服务器内部,负责接收解调器的监测数据,并进行现场存储和初步处理。客户端软件集成于监测终端,负责接收、存储数据,提供查询及报警功能。

图7 沉降监测装置示意图

服务器软件先对采集数据进行预处理(如降噪、消趋、平差及趋势判断)；随后，计算各测点相对基准点沉降量,并将数据封包、本地备份；最后，通过VPN设备和3G设备将数据导至客户端。客户端软件接收来自服务器的数据,根据读取结果绘制沉降曲线时域图，并初步曲线拟合,同时还可远程监视现场设备的运行状态、读取数据、浏览历史数据和发展规律趋势、调整监测参数，以及发出超限警报及发出设备故障警报。客户端软件的使用界面如图8所示。

沉降监测装置客户端软件可记录并显示现场每个传感器的沉降量及更新时间,能实现一周7天昼夜不间断连续性沉降监测,还能对沉降数据作自动处理、存储；可根据现场监测需要,对沉降的测量周期在5 s～24 h之间作调整,且测量结果实时发送；可通过设置数据等待时间来实现对现场传感器工作状态监测;可设置沉降上下限值,并据此自动评判沉降超限与否,同时将沉降超限及现场传感器失效故障以警报形式标记并通过无线传输通知工作人员。

图8 沉降监测装置客户端软件使用界面

以昆明轨道交通现场某测点沉降为例,沉降监测装置设定了每1 min记录一次沉降数据并长期监测。装置自动记录并存储每次沉降数据的更新时间、传感器编号、累计沉降量和相对沉降量,并对记录的沉降数据绘制时间-沉降值曲线(如图9所示)。图9中在350 min(即列车开始运营的时刻)后出现较大波动。现场布置的静力水准仪具有动态测量的能力。当列车通过时,列车引起的基础振动带动水准仪液面晃动,而液面压力和高差的瞬间变化被内部传感器捕捉记录;而当列车通过之后水准仪液面恢复平稳时,则所得沉降数值恢复正常。由于开通运营后列车反复通过,因此沉降曲线会不断出现幅值较大的波动，且过后趋于平稳。波动与平稳会交替循环。

图9 现场测点实测沉降变化

沉降监测装置所得的沉降数据变化规律与城市轨道交通运营的实际情况对应。这说明本装置能够对轨道交通基础结构沉降进行有效、动态、实时监测,可为基础结构维护提供参考依据。

3 结论

本文从关键技术、装置组成、监测点分布设计及数据处理应用方面详细介绍了基于光纤光栅技术的城市轨道交通基础沉降实时监测装置。通过现场试验验证,该装置具有良好的适用性和推广性。

(1) 该装置实现了对3个典型的城市轨道交通结构物(盾构隧道、矩形隧道、U型槽)及其过渡段在平面小半径曲线地段的监测。

(2) 该装置实现了对不同结构物之间沿线路纵向相对沉降、同一结构物沿线路纵向相对沉降、同一结构物沿线路横向侧倾等参数的监测。

(3) 该装置具有良好的稳定性，能够满足城市轨道交通现场恶劣条件要求,能防止如温度、湿度、电磁、噪声和振动等因素的干扰。

(4) 该装置保证了监测连续性,可实现一周7天不间断的连续测量。

(5) 该装置采用级联原理,能满足长距离和大坡道的测量及不同线路沉降的对比要求。

(6) 该装置具有实时性与自动处理功能，可调整对沉降的测量频率,并实时发送测量数据;还可并行实现对数据的收集、处理、存储及传送功能,并能对设备故障及沉降超限自动评判报警。

(7) 该装置可通过计算当前沉降值，来预测沉降发展趋势,为轨道基础维护提供参考。

(8) 该装置监控测量精度可达0.1 mm,超限报警误报率小于1%，性能优于人工测量。

[1] 花梅.高速铁路路基常用沉降变形监测方法浅析[J].铁道标准设计,2014,58:122-125.

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Real-time Monitoring System of Rail Transit Infrastructure Settlement Based on Fiber Bragg Grating Technology

XU Minjuan, ZHOU Yu

The real-time monitoring method of rail transit infrastructure settlement based on fiber bragg grating technology is proposed to realize the online, the distributed continuous-monitoring and the data wireless transmission on steep gradient and different structures of urban rail transit, on this basis, the rail transit infrastructure settlement real-time monitoring system is formed.The settlement data will be collected and processed automatically, the result be displayed in real time and alarmed when it is ultralimit.The precision of monitoring could reach 0.1mm and the false alarm rate is less than 1%. Results from field test show that the system has very fine stability and monitoring continuity, the settlement development tendency could also be predicted in the future. The system fits to long-term monitoring of the key infrastructure section and satisfies the requirements of continuous monitoring in urban rail transit operation, it could also provide references for the healthy maintenance of rail transit infrastructure.

urban rail transit; infrastructure settlement; fiber bragg grating technology; real-time monitoring

Kunming Rail Transit Operation Co.,Ltd.,650021,Kunming,China

TU 433: U 231

10.16037/j.1007-869x.2017.03.014

2015-07-21)