高速铁路路基实时监测方案设计大学毕设论文.doc

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1、石家庄铁道大学毕业设计 高速铁路路基实时监测方案设计 The Real Time Monitoring Scheme Design of High-speed Roadbed 2016届 交通运输 学院专 业 交通运输 学 号 200906311 学生姓名 牟星 指导教师 00 完成日期 2010年 3月 10 日 摘 要在我国国民经济的不断发展下，高速铁路里程逐年提升。我国高速铁路列车运行速度高、行车密度大，加剧了列车与线路间的相互作用。然而，高速铁路路基在高速动车强大瞬时动态载荷情况下所产生的沉降、位移、线路不平顺和结构疲劳等缺乏有效的监测方法和试验数据支持。为了保证行车安全，对路基断面的

2、关键参数进行实时监测是十分必要的。首先，本论文通过大量分析国内外资料，梳理出了高速铁路路基设计的特点以及现有路基检监测的指标及方法。其次，通过分析比较，得出应重点监测路基沉降、弹性变形、土动应力以及地下水位等指标，继而给出了布点方案设计。最后，初步形成了高速铁路路基远程自动监测方案。本方案选用光纤光栅传感器对各项指标进行监测，具有抗电磁干扰、抗绝缘等优势，相较现有常规使用的其他传感器具有一定创新性。关键词：高速铁路；路基；光纤光栅传感器AbstractWith the rapid development of the national economy in China, the total m

3、ile of the high-speed railway has been constantly improved. Because of the high running speed and dense traffic of the high-speed railway in China, the interaction between trains and rail lines has been largely intensified, which requires effective methods to monitor the sedimentation and displaceme

4、nt on the roadbed caused by the heavy load of the trains. In order to guarantee the security of railway transportation, it is necessary to spy on the key parameters of the roadbed in real time.Firstly this dissertation has discussed the feature of designing high-speed railway roadbed and the approac

5、h of spying on the roadbed by reviewing a large number of literatures. Secondly through the contrastive analysis, the results show that roadbed sedimentation, elastic deformation, soil dynamic stress and groundwater level should be paid particular valued. Thirdly give the plan of stationing. Finally

6、 form a real time monitoring project of high-speed railway roadbed. This project choose fiber bragg grating sensors for real-time supervision, compared with other sensors, fiber bragg grating sensors possess the advantages of anti-electromagnetic interference and resisting insulation. This is a inno

7、vation. Keywords: High-speed railway; Subgrade; Fiber grating sensors目 录第1章 绪论11.1 研究目的和意义11.2 国内外现状21.2.1 高速铁路发展现状21.2.2 高速铁路路基监测现状21.2.3 光纤光栅传感技术发展现状41.3 论文研究内容5第2章 高速铁路路基监测内容梳理62.1 研究高速铁路路基监测的必要性62.2 高速铁路路基的设计特点及关键技术62.2.1 高速铁路路基的设计特点62.2.2 高速铁路路基的关键技术72.3 高速铁路路基应检内容及限值8第3章 高速铁路路基监测指标及方法选取113.1 高

8、速铁路路基的监测指标选取113.2 高速铁路路基监测方法选取113.3 FBG的原理123.4 FBG传感器较其他传感器的优点133.5 FBG传感器的应用13第4章 传感器选型及布点方案设计154.1 沉降变形监测154.2 动应力监测164.3 弹性变形监测174.4 地下水位监测184.5 路基监测布点原则194.6 布点方案设计20第5章 高速铁路路基监测方案设计225.1 构成监测方案的意义225.2 监测方案的构成225.2.1 数据采集单元235.2.2 数据传输与处理单元235.2.3 触发单元235.2.4 供电单元245.2.5 温度控制单元245.2.6 访问单元255.

9、3 方案整体网络拓扑图25第6章 结论与展望276.1 结论276.2 展望27参考文献28致谢29附录A .30附录B .37 石家庄铁道大学毕业设计第1章 绪论1.1 研究目的和意义目前我国高速铁路正在蓬勃发展，“四纵四横”高铁网已初具规模，且我们国家是典型的内陆型国家，人口稠密，地大物博，铁路在中长距离运输上较其他运输方式的优势在我国体现的十分明显。因而我们更需要高速、便捷的运输方式。而高速铁路刚好能满足这种需求，为我们国民远行提供非常大的方便。在向乘客供应快捷并且舒服的运输服务的同时，我们更应强调安全。若不能保证安全，一切都将无从谈起。安全是一切优质服务的前提和保障。高速铁路由于其速度

10、较快，对于各方面的要求更严格，保证轨道的平顺性是保证高速铁路安全的一个重要环节。图1-1是一起发生在2009年7月8日石太客专上的事故。由于连续的暴雨天气，一些地段的路基发生了不均匀的沉降。这次事故直接导致北京至太原多趟动车组列车限速行驶，造成晚点。严重影响了铁路系统良好的运输秩序。图1-2是胶济铁路“4.28”重大事故，T195次列车在从北京开往青岛四方的行驶过程中，由于路基不均匀沉降和超速运行，导致部分车厢脱离了线路，并与由徐州开往烟台的5034次旅客列车相撞。此次事故造成72人死亡，416人受伤，伤亡惨重，足以让每一位铁路人痛心疾首。图 1-1 图 1-2以上事故都是由于路基的不均匀沉降

11、导致轨道不平顺而造成的行车安全事故。事故的发生让人悲痛，痛定思痛，我们应该总结经验教训，不让悲剧重演。因此，我们应在第一时间发现路基出现的各种问题，加强对路基的安全监测。 1.2 国内外现状1.2.1 高速铁路发展现状日本新干线是世界上最先出现的高速铁路，于1964年正式运营，行驶速度超过200 km/h。20世纪60年代后期，欧洲的法国、德国等国家也纷纷效仿日本，开启了各自的高铁之旅，于1970年前后开始修建各自的高速铁路1。日本的高速铁路不仅为其创造了杰出的经济效益，而且使途径城市的经济得到迅猛增长。日本新干线是高速铁路商业运营的典范，且近50年来事故率都为0，非常值得我们像其学习、借鉴。

12、法国在高速铁路领域占据不寻常的地位。1972年的试运行中，TGV创造了318 km/h的高速铁路时速，从此TGV一直在高速铁路速度榜上独占鳌头。目前的记录是2007年创下的574.8 km/h。 德国的高铁项目称为ICE(Inter City Express)，是西方中开始建设较晚的。ICE的研发开始于1979年，其制造原理很大一方面借鉴了法国TGV，目前的速度记录是1988年跑出的409 km/h。我国高速铁路事业开始较晚，但后来居上。目前，我国高速铁路运营里程达1.9万公里，位居世界第一。当我国以高速铁路为骨架的快速铁路网建成，届时我国高速铁路运营里程将达到4万公里。我国已成为世界上高速铁

13、路发展速度最快、系统集成能力最强、运营里程最长、在建规模最大的国家。高速铁路已在我们的历史上画上了浓墨重彩的一笔。1.2.2 高速铁路路基监测现状高速铁路无砟轨道由于只能通过调整扣件系统来完善线路状态，所以为了保证轨道的平顺性，对路基的沉降变形十分重视2。出于这种原因，无砟轨道对轨下基础尤其是路基的变形要求会更加严格。线路的沉降变形深深影响着无砟轨道的建设以及运营时的耐久度，这也是目前高速铁路设计、施工过程控制的关键内容之一。为保证高速列车在土质路基无砟轨道上的运行安全，必须重视高速铁路建设期和运营期的路基监测。通过查阅资料，现阶段在高速铁路建设过程中，国内外通常采取观测桩、沉降水杯和全站仪等

14、进行路基面沉降监测。观测桩法干扰施工, 而且非常容易损坏。观测杆的上部高于地平面, 在建设过程中经常发生不必要的形变从而干扰我们测量的准确性。沉降水杯法埋设过程十分复杂，埋设前需要事先预估观测点的沉降变形量，另外测试精度较低（1mm），不适合进行高精度的沉降观测。同时沉降水杯法也不适合在严寒地区的冬天进行观测，测量软土困难。全站仪虽然可以做到24小时实时监测，但其投资较大，且日常维护较困难。在监测表层水平位移时，国内外现阶段采用小角法和全站仪，但这种两种方法都需要人工读数，测得的精度易受人为和环境因素影响，干扰施工且易遭到损害。对于运营期间的路基监测，目前都是在建成的线路挖沟或埋入，还没有设备

15、可以直接监测到路基的变形。除对传统的测试方法进行完善与改进，使它们可以做到连续监测且具有较高的精度外，开发如探地雷达这样的不干扰正常行车的快速无损检测技术也是十分必要的。目前国内外所采用的路基无损检测技术如表1-1所示。表1-1 路基无损检测技术方法仪器检测内容优点缺点高密度电法高密度电阻率测量系统，AGI高密度电阻率仪，高密度电阻率仪等探测路基下采空区、道砟陷槽、翻浆冒泥、岩溶等成本低、效率高、信息丰富主要用于地基勘察瑞雷面波瑞雷面波探测仪、瑞雷面波勘探系统等与波速密切相关的土体力学参数；基床强度及翻浆冒泥等路基病害测试精度高、简便、安全，成本较低，快速检测主要用于地基勘察探地雷达GPR/R

16、AMAG/EKKO-100结构层厚度、压实度、含水量、隐蔽性危害、病害、基床与地基土状态等可用于专用连续检测车，全面、无损、快速、精度高探地雷达可以进行连续的迅速无损监测，储存容量大，且可以及时处理问题。目前主要用于确定有砟轨道的道床病害以及路基的重大缺陷，检测出的病害存在位置更全面。一种新型、先进的探地雷达装置已经开始在美国被推广，布设在高铁列车上，在有砟轨道上运行，收集的数据可以通过技术处理生成图象来显示路基的横断面，有利于路基病害的及时解决。但由于其测试方法的限制，以及准确度受操作者水平影响较大，仍需与其他检测手段结合。对于运营期间路基动力响应测试方面，一般都是将监测仪器预先埋设。中南大

17、学王永和利用事先埋设好的土压力与加速度传感器，通过测得的数据，分析出了秦沈客专路桥过度区域的路基动力特性。兰州交通大学梁波通过分层埋置的加速度传感器和动应力传感器，得出了高速铁路路基动力响应的一般规律，并得出了影响动应力分布的主要因素。西南交通大学蒋关鲁进行了路基的动力模型研究，他采用的也是在模型中埋入一个土压力传感器，通过检测得到的数据，通过建立一个模型来分析在发生地震时无砟轨道路基的动力响应3。分析了诸多国内外监测方法，可以梳理出现有各种监测设备的所需要改进的地方大致可以分为以下三种：(1) 耗费大量人力，需要人工监测且干扰施工；(2) 所使用的监测设备精度不高，测得数值不精确；(3) 监

18、测设备抗干扰能力较差，且对环境有较高的要求。基于上述这些问题，通过查阅资料发现，光纤技术恰好可以解决以上问题，且随着光纤光栅技术的发展，越来越多的光纤光栅传感器已经投入使用。因此决定在高速铁路路基监测系统中使用光纤光栅传感器。1.2.3 光纤光栅传感技术发展现状光纤技术发展到现在已有40年的历史，它已经在通信和传感领域得到了大量使用，并引领着这些方面的变革。光纤技术被列为20世纪最伟大的发明，它潜移默化的影响着人类的生活，无法想象，没有光纤技术，我们的生活会是什么样。美国算是较早开展光纤技术研究的国家之一，且在国家重视与先进的科学水平的推动下，成为了光纤技术在全世界范围内的领军人。随后日本和欧

19、洲各国也开展了光纤技术的研究。我国发展光纤技术已有20年的历史，随着科研人员的不懈努力，各种光纤设备层出不穷，且对于光纤光栅的传感和解调技术也有了较完备的理论水平与技术水平。与其他传感器作对比，光纤传感器的优点是测量范围广、抗电磁干扰、性能稳定、传输量大、尺寸小、安全可靠等4。在种类繁多的光纤传感器中，光栅传感器便于安装、监测范围大、密度高、自动化程度高、数据精度高、抗干扰性强、对施工影响小而且技术成熟。光纤光栅传感器监测技术目前在国内已经广泛应用于大坝、海底动力电缆、海堤沉降等水工建筑物和构筑物，也已应用于公路和铁路边坡滑坡，桥梁结构变形、铁路线路钢轨及列车结构对等的监测。光纤光栅传感器可监

20、测的信号量也较为广泛，有温度、应力、速度、液位等。随着越来越多的传感器出现，但最主要的还是两种传感器：一种基于布拉格光栅的传感器，另一中是透射型光栅的传感器。目前，光栅布拉格光栅传感技术已经在许多领域展开应用，但在现实中限制其发展的主要因素是解调技术。由于解调技术的不够完善，导致许多研究不能转化为成品。这项关键问题的突破还需要先进技术的不断完善。1.3 论文研究内容本文重点研究高速铁路路基安全监测，通过分析比较现有的监测方法以及需要关注的监测内容，得出需要监测的技术指标，并提出所采用的监测设备及方法，并构建一个高速铁路路基安全监测方案。本论文所做的具体工作如下：(1) 查阅资料，分析案例，得出

21、高速铁路路基监测的必要性，梳理出高速铁路路基的设计特点与关键技术；(2) 总结了高速铁路路基监测中应检的内容，分析出最合理的监测指标；(3) 分析比较现有的监测方法，确定计划采用的监测方法；(4) 了解FBG传感器的原理、优点以及目前的应用；(5) 说明监测各项指标的布点方案；(6) 描述高速铁路路基自动监测方案的各个子单元。第2章 高速铁路路基监测内容梳理2.1 研究高速铁路路基监测的必要性控制路基的沉降变形是保证无砟轨道路基安全的关键之一，且由于高速铁路列车较普速列车速度更快，因此其对于线路路基的荷载和频率也与我们先前的经验有出入，且高速铁路对于路基的动力稳定性要求更为严格。在实际运营中，

22、我们发现路基动力稳定与乘客舒适、安全的体验息息相关，而且还会影响到后期路基维护的费用。目前，国内外都对于路基沉降展开了研究，但都是基于分析那些沉降量较大的地段的数据，对于高速铁路路基沉降的研究缺乏经验，且研究方法较少。因此必须结合大量的实时监测的数据，结合我们以往的经验，将预测值与实测值做对比，确定较合理的预测方法。我国学者在基于德国、日本等高速铁路建设与运营的经验和理论分析上，进行了大量的理论分析、数值模拟和室内试验，为我国高速铁路事业做出了巨大贡献，保证了我国高速铁路的顺利开通与营运。但在进行理论分析、数值模拟以及室内实验时，为了显示出某些主要因素的影响效果，会主观的避免或忽略某些次要因素

23、，这种方法是进行实验室模拟和解决工程问题时常用的，但与实际情况相比，难免会有很大出入。特别是在研究路基的动力稳定性时，按照我们目前所掌握的科学技术水平以及数据，并不能对于实际的路基和铁路运营情况提出合理的模型，并根据模型进行分析与预测。鉴于这种情况，我们在高速铁路路基长期动力稳定性研究上，还应该把主要精力放在通过实际监测获得大量数据，结合合理的理论分析，得出我们的结论。总上所述，研究高速铁路路基监测，并提出一个较为完整的系统，是十分必要且厄待解决的。2.2 高速铁路路基的设计特点及关键技术2.2.1 高速铁路路基的设计特点众所周知，高速铁路列车行驶速度快，因而各种技术标准较高，所以对轨道平顺性

24、要求更为严格，具体到我们路基层面，高速铁路与普通铁路路基相比较，具有以下特点：(1) 现有高速铁路路基，已经摒弃了传统的轨道、道床、土路基三者组合的结构，而是选用了更为立体的结构5。为了保证高铁列车行驶的安全，与普速铁路路基相比，研究人员加厚了基床表层，并改进路基的填料，加强了路桥过渡段的强度。(2) 高速铁路列车行驶速度较快，与普速列车相比，对轨道的荷载要大。因此需要一个更加平顺、均匀和稳定的轨下基础，所以我们必须严格控制变形。(3) 路基是运行系统的重要部分，路基的变形十分复杂，是一个困扰全世界的问题。日本及欧洲等国虽然实现了高速运输，但他们在一开始时并没有对高速铁路路基与普速铁路路基的区

25、别引起足够重视，没有单独为其设计一套监测体系。最终迫于无奈，只能辅以高昂的费用来强化线路结构，并耗费大量的人力物力来进行养护维修。前车之鉴，后事之师。2.2.2 高速铁路路基的关键技术(1) 路基填料适用性和功能性的基本要求一般来说，评判填料的适用性应考虑土的颗粒大小和强度、对水和环境的敏感性、抗剪强度、压缩性以及可压实性等方面。在对填料进行适用性评价时，可从微观、单元和现场试验不同层次和方面对其矿物成分、物理化学性质、动力稳定性、水稳定性、冻融稳定性、土力学性质（包括强度、压缩性和流变）以及可压实性等进行分析、检测。从无砟轨道上部结构对路基结构物的适用性要求来讲，无砟轨道的路基必须为其提供足

26、够的刚度和强度，来保证在长期动力荷载下整个系统的安全性。(2) 工后沉降、附加沉降以及路基的动力稳定性工后沉降包括地基（原状或加固后）在路堤和上部结构自重作用下发生的沉降变形和路基在基床表层、基床底层和上部结构自重和本身自重作用下发生的压缩变形6，工后沉降不宜超过15mm。附加沉降指路基结构物上部在长时间、反复的荷载作用下产生的塑性变形。路基所受到的长期荷载作用，最终就体现在路基的附加沉降上。因此，附加沉降是控制轨道耐久性的关键指标之一。根据德国的经验，在填料和填筑的质量满足德国铁路路基规范Ril836的要求下，附加变形一般不会超过5mm，一般不必作进一步的附加沉降分析7。路基动力稳定的研究，

27、要从短期和长期两个方面展开论述。路基的短期动力稳定主要讲的是在短时间内发生的高强度载荷作用下路基的稳定性，比如地震或者爆炸。相比较而言，在高速铁路的运营中，我们较为关注的是路基在长期荷载作用下的动力稳定。我们把铁路生命周期内，在长期轮轨动力作用下，路基的骨架不发生明显的颗粒重分布和粉碎，即不发生过大的附加沉降，称为路基的长期动力稳定。在动荷载作用下，路基土的变形可分为弹性和塑性两种。由于高速铁路速度较快，因此对于轨道平顺性有更加严格的要求。因此，除控制路基在列车荷载作用下产生的附加沉降外，我们还应严格控制所产生的弹性变形以及累加的附加变形。此外，分析路基的动力稳定性，还应该考虑路基振动速度和加

28、速度。德国给出了有效振动速度的合成值，并可以用于路基的动力稳定分析。铁路运营条件下基床和路基的振动速度受列车的型号、速度和轨道形式的影响，除此之外还与轨道的状态以及车辆的状态有关。根据德国铁路路基规范，当行车速度大于100km/h时，通常应在考虑路基长期动力稳定时将振动速度纳入其中；如果经过实测证实有效振动速度合成值小于5mm/s，那么就可以忽略振动对路基动力稳定性的影响。由此可见，控制上述的指标可保证路基的长期动力稳定。路基的长期动力稳定通过动应力、弹性变形和路基振动加速度等设计参数来保证，并将其作为稳定性分析理论和方法中的控制指标。目前，附加沉降的确定方法，主要有以往的经验公式计算、非线性

29、计算以及现场实际测量的方法，但得到的结果都不是十分理想，往往需要将这些方法结合使用。对于路基稳定性的研究，则大多是从路基的动应力与弹性变形这两个角度分析。经研究发现，弹性变形多发生于基床表层，而路基动应力的临界值也会随着速度的提高而降低。2.3 高速铁路路基应检内容及限值(1) 铺设无砟轨道的核心问题是路基的沉降控制，而不均匀沉降又是沉降控制的重点.因为不均匀沉降对车辆运行的平稳性和舒适感有很大影响，且对轨道结构也有很大的影响8。如果无法控制在一定范围内，将产生局部不平顺，最终难以修复和处理，直接导致铺设的难度加大，甚至失败。现阶段采用多种预测方法进行对比预测，预测的工后沉降、不均匀沉降及过渡

30、段的纵向变形折角满足要求如表2-1所示，即达到无砟轨道的铺设条件。由于预测方法本身的局限性以及现场实施环境的复杂性，建设期预测的工后沉降量与实际的沉降量通常存在差异。(2) 通过查阅资料可知，路基病害的严重程度会随着线路运行速度的提升而增加。且基床表层的临界动应力也会随着速度的提升而降低，这样更容易受到因为塑性变形而带来的损害。且即使路基的强度可以承受动应力，但反复荷载作用下所带来的变形也应该得到重视。因此，必须考虑高速条件下路基的动应力及其影响因素的变化情况和无砟轨道路基在长期动力荷载作用下的附加沉降。不仅如此，在运营期间或线路周围有新的施工时，路基监测和维护需要如日变形速率这样更为细化的监

31、测指标。这些都需要从高铁建设开始时，进行大量连续不断的监测，对收集到的数据进行综合处理和分析，并建模研究路基变形量与轨道状态之间的关系，进而分析路基变形对高速列车运行稳定性的影响。据高速铁路维修能力，即可能维修的最多次数，制定出符合我国国情的高速铁路路基变形技术标准。(3) 我们国家有许多地区深受地面下沉的威胁，华北平原就是其中之一，且近年来可以这种危害在逐年加大。且京沪高铁以及京津城际会通过这些沉降区段，这对高速铁路的运营会造成不少问题9。铁三院李国和根据地面沉降预测结果，提出：华北平原的地面下沉与地下水位的变化有关。而且让人更为紧张的的是，据预测多数地区未来的下沉趋势将远超工后沉降规定的量

32、。经过分析得知，造成地面下降的主要原因是抽取深层地下水，如果最终造成地面的均匀下沉，这对轨道的平顺性影响还较小。但如果由于水文地质原因造成了差异沉降，则会产生较大影响。同时，离抽水地点越近，地面发生不均匀下沉的可能性越大。经过分析计算，开采地下水能对轨道平顺性产生影响的范围是铁路两侧100米到200米。因此，铁路部门应该严令禁止在铁路附近开采地下水。(4) 路基病害是路基受自然因素的影响，出现局部下沉及膨胀，道床翻浆，甚至轨道各组成部分遭到破坏。在日常进行线路养护时，我们应该多关注路基病害，消除其对路基的负面影响。铁路路基病害按路基断面形状可分为路堤病害与路堑病害两类; 按发生的部位可分为基床

33、病害、路基本体病害和地基病害3种类型; 按表现形式可分为翻浆冒泥、下沉、挤出变形和冻害4类10。影响路基病害的因素有填料的性质、列车荷载、土动应力以及路基的温度和含水量。路基病害的发生是在这几种因素的共同影响及相互作用下，且不同的病害受这几种因素的影响程度不同。对于路基病害，要想对其进行合理控制，必须检测出病害情况，并分析成因。且路基病害的产生大多发生在运营阶段，检监测的基本要求在于不影响铁路正常运营，并且要能准确及时的传递前方信息。通过梳理资料，我们得到高速铁路路基应检内容和限值如表2-1所示。表2-1 高速铁路路基应检内容及限值内容限值备注沉降变形工后沉降不宜超过15mm；我国未对不均匀沉

34、降超过扣件调高量后的措施作出相应规定差异沉降过渡段不应大于5mm，折角不应大于1/1000附加沉降SN5mm一般情况下满足，验算困难水平位移表层水平位移作为监测路基沉降变形的重要参考分层水平位移动力稳定性临界动应力有砟轨道路基面设计动应力100kPa，基床以下路基/地基最大允许动应力50kPa现行规范未列出，有待进一步验证动剪应变试验确定或由经验曲线和公式获得，如前所述较难获得，取决于材料、施工方法和质量等弹性变形3.5mm有关研究给出，未列入规范有效振动速度均匀区段，地基为有利情况，设计速度300km/h时，为12m/s参见德国铁路路基规范（DS836）（1997）力学性能基床动刚度现场挖开

35、检测剪力等取土室内试验物理性质含水量一般仅在冻土地区监测地温工作环境地下含水组水位密切关注，以防对铁路产生影响附近地面沉降病害病害类型、程度、位置需综合判定第3章 高速铁路路基监测指标及方法选取3.1 高速铁路路基的监测指标选取通过第2章可知，高速铁路路基的工后沉降会严重影响行车安全，且由于路基填料不均匀性、地基土厚度和土层性质变化以及下水作用等问题，铁路路基的纵向不均匀沉降是无法规避的。不均匀沉降无论是对车辆的平稳还是舒适甚至安全都会造成影响，因此，应该重点关注并监测路基的工后沉降。土通常受到的都是剪切破坏，当动应力的最大值未达到临界动应力时，与一般的弹塑性材料不同，土的内部单元仍会发生循环

36、的塑性变形，但它会随循环次数增多逐渐趋于稳定6。随着线路速度的提高，基床表层的临界动应力就会下降，发生过大累计变形的可能性增大。因此，为了综合评判路基的动力稳定性，我们应该时刻关注路基的动应力与基床表层的弹性变形。可以通过在路基面安装位移计采集弹性变形，在路基体中分层埋设土压力盒采集土动应力。由于我们学校位于华北平原，所以对华北平原的研究更为方便。通过分析华北平原的案例，可以得知地下水的过度开采，会使采水地点附近的地表面出现漏斗状的下沉，进而影响到我们轨道的平顺性。因此除了严禁在铁路附近开井采水外，对地下水位的变化进行监测也是十分必要的。路基病害作为路基土体各影响因素不利效应累积的表现，且具有

37、隐蔽性、突发性等特点，也应给予重视。从目前的技术水平来看，全面勘察（探地雷达、瞬时电波或高密度电等）和原位区段（动力触探辅以取土试验等）相结合的方法是路基病害检测的有效方式。对于路基土体全部被覆盖的高速铁路无砟轨道路基，如何提高无损检测的准确性和精度是亟待解决的问题，必要时，可补充部分区段的原位测试。对于路基的动剪应变、有效振动速度、力学性能与物理性质这样的需要补充室内试验或者需要现场挖开检测甚至只在某些特定地形进行监测的指标，不计划列入路基监测系统监测指标当中，可以根据现场的实地情况进行筛选来确定具体监测什么。综上所述，本论文中高速铁路路基监测方案必须要监测的重点指标有：路基面沉降变形、动应

38、力、弹性变形以及地下水位变化。3.2 高速铁路路基监测方法选取通过前文的分析得出了本监测系统需要监测的重点指标，查阅大量国内外资料后，梳理出了国内外目前对于这些指标监测的具体方法以及各种方法的适用条件如表3-1所示。表3-1 路基监测技术内容方法或仪器适用条件沉降变形观测桩、沉降板、铁环分层沉降仪等需要人工读数，干扰施工且易损坏，测量精度易受外界环境影响光纤光栅传感器不易受到电磁干扰，可实时监测弹性变形位移计结果可靠，精度高，但需设置固定支座，需要投入较大的人力和物力891拾振器可对动位移进行直接测试，方法简单，可用于一般工程测试中路基病害瑞雷面波探测仪及勘察系统、高密度电阻率仪成本低、效率高

39、、信息丰富，主要用于地基勘察探地雷达（可用于专用连续检测车）检测路基结构的压实度、含水量、隐蔽性病害等，全面、无损、快速、精度高，但准确度易受操作者水平影响动应力地下水位土应力、含水量传感器一般需在施工期埋入，有助于分析路基变形机理及路基的动力响应规律通过查阅表3-1的内容，现有的监测沉降变形的观测桩、沉降板等方法需要人工读数且易干扰施工，而光纤光栅位移传感器可以解决这些缺点，所以监测路基沉降变形，选用光纤光栅位移传感器。现在大多数用位移计获得路基的弹性变形，但此方法需要投入大量人力，如果使用光纤光栅加速度传感器进行监测，人工的工作变为审阅解调仪输出的信息，减轻了工作量。对于监测土应力和含水量

40、，原有的传感器对于环境要求较高且易受电磁干扰，使用光纤光栅土压力传感器与光纤光栅水位计可以减轻这些因素的干扰，使监测更为安全、可靠。3.3 FBG的原理FBG（Fiber Bragg Grating光纤布拉格光栅）的探索始于上世纪70年代，加拿大渥太华通信研究中心Hill等人率先发现了光纤的光敏效应并制造出了第一根光纤光栅。光纤技术是通信技术的一大发明，并且从方方面面改变了人们的生活。光纤的光敏性，就是入射的外界光子和纤芯内的锗、磷等光纤粒子发生相互作用，导致沿纤芯轴向方向的折射率发生变化，从而在纤芯内形成空间相位光栅11，其作用就相当于是一个滤波器或反射镜。FBG的原理如图3-1所示。当满足

41、Bragg条件的入射光进入到光栅时，入射光就会发生全反射，而不满足Bragg条件的入射光就会透射出去。反射光波长公式如下所示： (3-1) 式中，折射率变化的周期，也称为Bragg光栅周期；n是纤芯的折射率；反射光的中心波长。通过公式我们可以看到，反射光的中心波长与光栅周期和折射率有关。因此当外界条件如应力、温度、应变等发生改变时，中心波长就会产生变化。我们通过波长的变化，就可以间接得到外界条件的变化情况。 图3-1 FBG原理3.4 FBG传感器较其他传感器的优点(1) 电类传感器相比不易受电磁辐射的干扰；(2) 光纤本身就是由电介质构成的，所以对电的绝缘性好，安全可靠；(3) 光纤是由石英

42、制成的，而石英是一种化学性质稳定性很高的物质，较难被腐蚀，即使处于恶劣的外界环境也不会出现问题；(4) 体积小，重量轻，可塑性高；(5) 传输损耗小，便于远距离监测；(6) 可测量的数据有温度、压强、应变、应力、液位等；(7) 光栅长度小，测量分辨率高；(8) 该类传感器可以将多个同时连入一根光纤内，便于系统的集成。3.5 FBG传感器的应用通过查阅资料，得知目前FBG传感器在各种领域被广泛应用。(1) 土木工程：由于FBG具有尺寸小、质量轻、使用灵巧的特点，因此已广泛应用于桥梁、岸堤、大坝等大型结构的健康安全以及力学参数监测。FBG传感器既可以贴在被测物体上，又可以埋入结构当中，十分方便，且

43、当需要监测多个指标时，多个传感器可以连入一根光纤内，便于系统的集成。(2) 电力工业：电力工业中时刻都存在着电磁干扰，一般的电类传感器显然不适合使用，而FBG不易受到电磁干扰，本质安全且拥有良好的绝缘性能，所以被广泛用于电力系统的温度以及位移监控。(3) 航空航天工业：飞机器上需要监测的指标有很多，诸如压力、振动、燃料液位等100多个指标，因此传感器的尺寸和重量就显得至关重要，FBG传感器尺寸小、质量轻，且性质安全稳定，因此被广泛运用在航空航天工业。(4) 石油化工工业：石油化工属于易燃易爆的领域，电类传感器如果用于监测石油液位或者放置在储气罐中会十分不安全。FBG传感器抗电磁干扰、性质稳定、

44、耐腐蚀的优点在这里被无限放大，因此，FBG传感器在石油化工领域具有广阔的应用前景，也逐渐推广到核工业中。(5) 医疗领域：在医疗领域FBG传感器也具有独特的优势。现在的医疗设备大多使用电子传感器，而目前医疗检测所使用的微波、激光都属于电磁波，这些电磁波会对电子传感器产生干扰，影响检测结果。FBG不受电磁干扰，而且体积较小，可以通过微创进入人体进行信息采集。第4章 传感器选型及布点方案设计4.1 沉降变形监测经过第二章的分析，我们知道现有监测路基沉降变形的沉降板法和铁环分层沉降仪都需要人工监测，易受环境影响，不利于实时监测。而FBG位移传感器可以省去人工监测，且对环境的适应性较高。其工作原理是监

45、测路基面相对于原土基的沉降量。查阅资料后得知，路基沉降精度应为1mm。图4-1 FBG位移传感器原理FBG位移传感器原理图如图4-1所示，由一根斜面钢棒和一个等腰悬臂梁构成，我们将两根FBG贴在在悬臂梁的两侧12。监测时，将滑动壳那一部分固定在基床表面，斜面刚棒底端固定在原土路基上。当路基面发生沉降变形时，滑动壳移动与顶珠产生相对位移，进而引起悬臂梁的形变，FBG也会跟着悬臂梁的形变产生弯曲。我们可以通过反射光波长的变化量得出沉降量。 FBG位移传感器安装方法如图4-2所示，我们需要将预埋的沉降板放置到原土路基上，将传感器安装在传递杆上，用托板和配重物使光纤沉降传感器固定在基床表层。当路基面发生沉降时，传感器中斜面钢棒将会同步下沉，使FBG发生弯曲，改变反射光波长，我们通过解调技术，便可获得沉降量。图4-2 FBG位移传感器安装示意图计划选用北京基盛公司制造的GS-TM-WY-FBG位移传感器，该传感器产品如图4-3所示。技术参数：量程：0100mm精度：1.0%FS分辨率：0.1%FS工作环境：-4060