铁路路基监测方案样本.doc

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温州某铁路路基
监测方案

投标单位: 上海华测导航技术有限公司

目录
第一章 监测设计的原则、 依据和技术指标 2
1.1概况和监测目的 2
1.2监测依据 2
1.3系统技术指标 2
第二章 立体监测设计 4
2.1监测系统内容 4
第三章 现场子系统 6
3.1 现场监测各子系统 6
3.1.1 GPS自动化监测 6
3.2.1固定测斜深部位移监测 10
3.3.1静力水准沉降监测 13
3.4.1梁式测斜仪沉降监测 17
第四章 现场施工 19

第一章 监测设计的原则、 依据和技术指标
1.1概况和监测目的
本监测系统是一个集结构分析计算、 计算机技术、 通信技术、 网络技术、 传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程, 监测范围主要是温州南站部分线路, 长约1.5KM, 该区域两侧需要修建新的铁路轨道线路。
本监测系统的监测目标则是在新铁路路基的施工过程中, 对原铁路铁轨和周边区域进行沉降位移观测, 能够及时发现施工过程主要是打桩对原铁路路基产生的影响。一旦发现监测数值达到或者超过预警值, 采取相应的措施进行处理, 停止施工或者采取加固措施, 保障温州南站这部分铁路路段的正常营运, 维护国家和人民的生命财产安全。
1.2监测依据
1.《客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南》( 铁建设[ ]158号) ;
2.《高速铁路工程测量规范》( TB10601- ) ;
3．《国家一、 二等水准测量规范》( GB12897— ) ;
4．《建筑沉降变形测量规程》( JGJ/T8- ) ;
5．《铁路客运专线竣工验收暂行办法》( 铁建设[ ]183号) ;
6．《客运专线无砟轨道铁路施工技术指南》( TZ216- ) ;
7．《工程测量规范》( GB0026－93) ;
8．《全球定位系统( GPS) 铁路测量规程》( TB10054－97) ;
9．《客运专线无砟轨道铁路设计指南》( 铁建设函[ ]754号) ;
11．铁道部有关规定。
1.3系统技术指标
1) 各监测点的响应时间最快可为几分钟一次, 系统可根据需要进行设置;
2) 各监测子系统的监测精度达到国内先进水平: 表面位移监测水平3-5mm, 内部位移监测精度1.5″( 量程不同, 精度不同) 等。
3) 系统完全是自动运行, 系统管理员可对系统进行远程控制、 参数设置等操作;
4) 用户可根据各监测点位置的地质情况分别设置预警值, 如果某监测点监测结果超过预警值, 系统则经过短消息、 声光或者E-mail的方式自动报警给相关人员;
5) 数据分析软件可自动分析各监测点的实时与历史变化情况, 从而对铁路及路基当前的情况进行评估, 为现场施工人员提供比较准备的数据进行参考。
第二章 立体监测设计
本次监测铁路线路长为1.5Km, 主要监测内容为铁路两侧的路肩的位移和沉降、 铁路周边内部位移和铁路轨道的沉降。
2.1监测系统内容
监测系统主要由: 野外传感器采集系统、 数据通讯系统和监控预警系统三大部分组成。根据现场情况, 我们主要采用GPS、 静力水准、 测斜仪和梁式测斜仪这四种设备对铁路进行监测, GPS部分能够根据情况由全站仪进行替换, 布设的GPS点由砧板替代。具体布设图如下:

图2-1铁路断面监测点布设图
1) 野外传感器部分:
（1） 铁路路肩表面位移监测( 水平和沉降)
a) 基于GPS实时高精度表面位移监测, 数量10个监测点, 其中两侧各放置5个GPS监测点, 选择稳定区域安装1个基站;
（2） 内部监测:
a) 固定测斜监测, 数量12套, 在监测铁路的两侧间隔约300米一个测斜孔, 每个孔深约5米, 放置3个测斜仪, 按照0.5米, 2米, 5米的深度放置;
（3） 铁路轨道监测:
a) 静力水准监测, 铁路两边的路肩上的走线槽边上布设监测点, 每隔约100米1个监测点, 铁路每侧都需要架设1个基准点, 基准点的位置能够选在监测区域的桥墩上, 共计32个点。
b) 水平梁式测斜仪, 在铁轨的枕木上安装, 每隔50米一个, 共计30个, 能够测出铁轨的沉降。
2) 数据传输部分:
考虑到通讯实时性和稳定性, 并结合现场情况, 本次监测项目采用GPRS或者光纤的通讯方式。 具体采用何种方式能够现场确定, 距离超过3KM以上能够采用GPRS通讯方式, 距离在3KM以下能够考虑光纤。经过各种传输方式将传感器数据传送到监控中心, 进行统一解算和处理。
3) 数据处理与控制子系统: 由布置在监控中心的小型机系统、 服务器系统及软件系统组成;
4) 辅助支持系统: 包括外场机柜、 外场机箱、 配电及UPS、 防雷等子系统。
第三章 现场子系统
3.1 现场监测各子系统
3.1.1 GPS自动化监测
3.1.1.1工作原理
全球定位系统(global positioning system, 缩写为GPS), 是美国国防部于1973年11月授权开始研制的海陆空三军共用的新一代卫星导航系统。GPS由空间部分、 地面监控部分和用户接收机3部分组成。经过20多年的研究和试验, 整个系统于1994年完全投入使用。在地球上任何位置、 任何时刻GPS可为各类用户连续地提供动态的三维位置、 三维速度和时间信息, 实现全球、 全天候的连续实时导航、 定位和授时。当前、 GPS已在大地测量、 精密工程测量、 地壳形变监测、 石油勘探等领域得到广泛应用。
具体定位原理如下图:

图3-2 GPS差分示意图
我们采用的方案是: 在监测点上建立无人值守的GPS观测站, 同时将在稳固区域建立基准站, 同时将这两者观测的卫星信号传输到解算中心, 经过软件控制, 实现实时监测解算和变形分析、 预报。
3.1.1.2 GPS监测
GPS监测总体分为三大部分, 即传感器子系统、 数据传输子系统、 辅助支持系统三大部分组成, 下图为现场监测系统的拓扑图:

图3-3 GPS监测系统拓扑图

图3-4监测区域GPS分布点图
A. GPS参考站
GPS参考站的建设主要包括站址选择、 基建、 仪器设备的选择及设备安装:
1) 参考站位置的选择
本次参考站要求建立在地基稳定的地点, 同时远离大功率的发射源( 高压塔等) 。能够考虑在铁路沿线附近选择地基稳固的地方建立参考站。
2) 参考站基建

图 3-4参考站观测墩示意图
B. 监测点
监测点建设和基站差不多, 需要在选择的位置建造永久性的观测墩, 同时安装GPS设备。图纸参考如下, 观测墩的高度能够根据现场确定, 1-1.5米高。

图3-5 观测墩设计图

图3-6监测站设备安装示意图
3.2.1固定测斜深部位移监测
固定测斜的基准点有孔底和孔口两种取法, 孔底法是孔深打到稳定的基岩上, 此时基准为孔内的最后一个传感器; 本次采用以孔口为基准的方法。
在铁路路肩内布设固定测斜仪来实现连续自动观测。
以下为该子系统设计示意图和拓扑图:

图3-9 子系统设计拓扑图

图3-10测斜孔分布和侧面图
1) 固定倾斜仪的选择和安装
本项目采用的固定式测斜仪是采用了世界上顶尖级伺服加速度计制造而成, 具有测量范围宽、 高分辨率等优异性能。有坚固的不锈钢外壳, 并有良好的密封性能, 适用于测斜管内安装, 监测各类建筑物结构的倾斜角度和位移量。配套设备JTM-G7600B型高精度ABS测斜管。

固定式测斜仪外形 高精度ABS测斜管外形
图3-12 固定测斜和测斜管实物图
2) 固定式测斜仪主要技术参数:

(1) 安装

图3-13 固定测斜仪的安装
固定式测斜仪测斜管内安装方法如图三所示, 每只测斜传感器与安装附件连接好。传感器的导向定位机构严格处于同一平面内。两导轮之间的间距即为测斜仪的”标距”。多只传感器串联使用时, 需按图三所示将单只传感器分别用同时连接配件连接固定可靠, 顺举放入测斜管中。
3.3.1静力水准沉降监测
静力水准系统是测量两点间或多点间相对高程变化的精密仪器。
本次监测的静力水准监测主要分布在铁轨两侧的走线槽位置, 每一侧固定一台基准点, 作为标准点, 能够选在铁路沿线的一处桥墩处, 比较稳固且不受施工的影响。

图3-14安装方式示意图

图3-15静力水准监测点分布图
3.3.1.1工作原理
静力水准系统又称连通管水准仪, 系统至少由两个观测点组成, 每个观测点安装一套静力水准仪。静力水准仪的贮液容器相互用通液管完全连通, 贮液容器内注入液体, 当液体液面完全静止后系统中所有连通容器内的液面应同在一个大地水准面上▽O, 此时每一容器的液位由传感器测出, 即初始液位值分别为: H10、 H20、 H30、 H40、 ·····Hi0, 如图示。
假设被测物体测点1作为基准点, 测点2的地基下沉, 测点3的地基上升, 测点4的地基不变等等, 当系统内液面达到平衡静止后形成新的水准面▽i0, 则各测点连通容器内的新液位值分别为: H1、 H2、 H3、 H4······Hi, 如图示。
系统各测点的液位由静力水准仪传感器测得, 各测点液位变化量分别计算为: △h1=H1-H10、 △h2=H2-H20、 △h3=H3-H30、 △h4=H4-H40······△hi=Hi-Hi0。其中计算结果: △hi为正值表示该测点贮液容器内的液面升高, △hi为负值表示该测点贮液容器内的液面降低, 如图示。
在此, 选定测点1为基准点, 则其它各测点相对基准点的垂直位移(沉降量)为: △H2=△h1-△h2、 △H3=△h1-△h3、 △H4=△h1-△h4、 ······△Hi=△h1-△hi。其中计算结果: △Hi为正值表示该测点地基抬高, △Hi为负值表示该测点地基沉降, 如图示。
如果知道两测点间的水平距离L, 则两测点间相对倾斜的变化也可算得, 如图示3。

图3-15原理图

图3-16原理图2

JTM-U8000A 型磁致式静力水准仪是应用”磁致伸缩”技术研制而成。具有精度高、 分辨率高、 重复性好、 稳定性好、 非接触式测量、 寿命长、 安装方便、 环境适应性强等特点。用于测量土石坝、 廊道、 梁柱等构建物多测点之间不均匀微量沉降的可靠仪器。
主要技术指标:
测点数量: 　
2 ～ 30 点( 根据用户需要)
测量范围:
100mm、 200mm ( 根据用户需要)
分 辨 力: 　
0.01％ FS
不重复度:
0.01％ FS
非线性误差:
0.01％ FS
供电电压:
12VDC
输出形式: 　
±5VDC、 RS485
工作环境温度:
－ 25 ～ +70℃
3.4.1梁式测斜仪沉降监测

图3-15梁式测斜仪分布图
梁式倾斜仪的最大特点是能在建筑物或面板坝原有固定角度的基础上进行精密测量; 换言之, 就是把建筑物或面板坝原有固定角度调整为本梁式倾斜仪的零点后再进行倾斜的测量。
本次监测采用梁式测斜仪主要是固定在枕木的上面, 能够非常精确地测量铁轨一端的沉降情况, 同时也不影响铁路的运行。根据铁路的长度, 设置50米一个, 监测密度足够了。
主要技术参数
测量范围
X±15°
( 0.26g)
X±30°
( 0.5g)
X±60°
( 1.0g)
X±90°
( 1.0g)
分辨率
0.003°
0.006°
0.012°
0.018°
精度
0.01°
0.02°
0.03°
0.04°
频率响应( Hz)
28
28
28
28
抗冲击
0( g)
工作温度
-40℃~85℃
极限工作温度
-55℃~125℃
注: X为建筑物或面板坝原有固定角度, 由用户确定。此值为本仪器的零位。
埋设与安装
梁式倾斜仪的使用场合很多, 仪器的工作及施工条件不完全相同, 因此埋设安装的方法也不完全一样, 一般安装示意图如下。如安装在枕木上, 能够选择用树脂胶粘贴在枕木表面或者枕木边上。

第四章 现场施工
因为监测的铁路路段还在运行阶段, 不能够影响到铁路的正常运营, 因此施工时间只能够选择在夜间11点到凌晨3点之间。
1、 GPS参考站能够在铁路护栏外的合适区域建造, 只要不超过5KM的范围内的坚固区域都能够进行选择, 白天即可施工, 不影响铁路运行; 铁路路肩上的GPS监测点需要差不多两百米的距离选择一个点, 白天能够在现场选点, 晚上进行施工, 具体方案还是建造永久性观测墩, 参考第三章;
2、 固定测斜仪选择在护栏移动后在路肩的位置打孔, 总共12个孔, 设计深度5-6米即可, 采用洛阳铲的方法, 人工进行开孔, 先取掉路肩的石块, 在选定的区域, 用洛阳铲开孔。一般一个人在晚上即可打好1-2个孔;
3、 静力水准的安装方法和GPS类似, 需要在选定的监测点进行支架的预埋, 也是在夜晚进行施工;
4、 梁式测斜仪, 主要是采用树脂固定在枕木上, 由于监测时间1年不是很长, 这种方法足够满足监测需要, 这个不需要施工, 只需要将测斜仪粘固好在枕木上即可, 同时将线缆走入到走线槽内, 预留好。