[发明专利]一种利用激光远程测量路基沉降的装置与方法

说明书

技术领域

本发明属于光学测量和几何位置测量技术领域，涉及一种利用激光远程测量路基沉降的装置与方法。

背景技术

路基沉降在道路的施工过程中以及完工以后都是难以避免的。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；在通过桥梁的轨道中，会引起桥台与路基的沉降差，当列车驶过这些地段时，由于沉降引起的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。为了及时了解路基在荷载作用下的沉降以及沉降变化趋势，以便提前采取有效措施，防止事故的发生，需要在道路的施工过程中以及完工以后一段时期设置沉降观测。完工后沉降观测要根据实际情况确定观测时间长短。

近年来随着轨道建设的快速发展，相关的安全问题越来越得到人们的重视。特别是现在高速铁路的出现，对路基形变的控制有了更高的要求，从而也使得路基沉降的测量、计算与控制显得更为重要。而在这三者中，沉降的测量是后两者的依据与基础。然而，相对于人工的路基沉降测量，能够远程测量路基沉降的设备将是路基沉降测量的发展趋势。

目前用于测量道路路基沉降观测装置主要有水杯沉降仪、沉降板测量装置、剖面沉降仪、PVC管沉降仪、磁环沉降仪。

水杯沉降仪用连通器原理，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。其测量系统包括沉降杯、观测杯、管路包括柔性管道、阀门和连接器，沉降杯与观测杯由管路连通，里面装有液体。例如专利号为200520044774.0、名称为《一种沉降仪》的中国专利，将沉降盒置于路基或结构物底部，而将刻度管尺置于路基或结构物之外，在路基或结构物之外获得路基或结构物的沉降。该系统将路基外部一点，即观测杯所在位置作为基准点，其不足之处在于，测量点与基准点之间通过管路连接，若由于外界因素导致柔性管道膨胀或者管路渗漏等，将影响测量结果的准确性。此外，观测杯所在位置离路基越远，该位置由于施工所受的影响越小，但同时会增加埋设管路的成本。

沉降板测量装置的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。在测量之前，必须对每个沉降板埋设相应的水准点，经过一段稳定时间对全路段水准点进行联测，使各个水准点在一个基准高程上，参见汪祖民、吴宪章，《苏嘉杭高速公路软土地基沉降观测作业方法》，《华东公路》2006年第2期。由于是人工测量，增加了工作量和成本，而且精度容易受到影响。

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器。由敏感器件测量出探头所在处的倾角，通过一定关系式将倾角转换成水平或垂直位移，然后累加得到被测点与初始位置线的距离，再对不同时期测量结果的对比分析，可以确定各土层的水平或垂直位移的结果(参见张红春、侯建军，《PVC管剖面沉降仪在高速公路路基沉降观测中的应用》，《公路》2007年第8期、常建梅、赵玉成、冯怀平，《水平测斜仪在路基沉降测量中的应用》，《山西建筑》2004年第16期)。该测量方法的基准就是PVC管的初始位置线，其测量准确度与管的埋设有关，且测得的也是一个相对沉降量，若要对几根PVC管测得数据进行比较，还必须用另外的方法建立一个统一的基准。

磁环沉降仪是一种分层沉降仪，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。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相对沉降量。为得到绝对沉降量，一般将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(参见赵洪勇、刘建坤、崔江余，《高速铁路路基沉降监测方法的认识与评价》，《路基工程》2001年第6期)。该方法是将最底层的沉降标所在位置视为不动点，要使其真正的不沉降，一般要将孔打得很深，这样增加了操作难度和成本。

总结起来，现有技术普遍存在以下三个主要缺点：(1)依靠人工测量或纪录，测量效率低，检测精度低；(2)选择基准点时，稳定性和低成本不能兼得；(3)测量不能远程监控，也不能进行自动测量。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种利用激光远程测量路基沉降的装置。该装置利用先进的激光测量技术实现，可以对路基的沉降进行远程自动测量，可达亚毫米级甚至更高的测量精度。