高速铁路是我国陆路交通运输的重要组成部分,其轨道平顺性直接影响列车的行车安全性与乘坐舒适性。桥梁结构在我国高速铁路总里程中的占比接近70%,为了保证轨道的高平顺性,必须严格控制轨道的变形。实践表明,桥墩沉降是引起轨道不平顺性的第一诱因,尤其是相邻桥墩的差异沉降,严重的会影响行车安全。根据我国高速铁路设计规范要求,相邻桥墩的差异沉降应控制在5mm以内,水准测量重复精度要求不低于±1mm。如此高精度的监测目前主要是通过人工操作精密水准仪或者全站仪定期检测完成的。之所以缺少自动化的监测手段,就是由于桥墩相对差异沉降是极其缓慢的微小变化,通常是按年计算的亚毫米级。这不但对长期监测手段的稳定性提出了极高的要求,也对监测理论与关键技术方面等都提出新的挑战。光纤传感器同时具有远距离、抗电磁干扰的特点,相比于传统电学传感器,更适合高速铁路桥梁强电磁场环境下的沉降监测。本论文基于光纤低相干传感原理,针对相邻桥墩间差异沉降引起的诸如:梁箱伸缩缝、支座载荷等微小变化,设计了光纤低相干光学传感器。通过测量这些微小变化,实现对桥墩差异沉降的精密监测。论文主要研究内容如下:1.设计了低相干光学微位移传感器,并应用于京津城际高速铁路通州路段的梁箱伸缩缝实际监测。实测结果证明,所设计的伸缩缝传感器可以达到50μm的长期稳定监测精度,根据简支梁桥结构特点,从理论上推导出简支梁梁箱伸缩缝与桥墩沉降之间的关系,建立了通过梁箱伸缩缝变化来计算桥墩差异沉降的计算模型。将实测数据应用于该伸缩缝-沉降计算模型中,得到了合理的桥墩差异沉降值。2.针对大范围内多个桥墩沉降监测需要,在多个相邻梁箱伸缩缝处铺设低相干光学传感器,利用多通道高速采集模块,实现了12个传感器50k Hz的同时数据采集,并提出多干涉峰的寻峰算法,从而实现单通道下多传感器的峰值自动识别。这种同时测量的多个梁箱伸缩缝,对于溯源相关桥墩的差异沉降是必须的。3.为了探索更早期的桥墩差异沉降,提出使用低相干光纤应变传感器直接测量梁底四个支座所受的载荷变化,来反映桥墩的沉降趋势。设计中将光纤传感器沿下支座板外侧从上到下铺设三条传感光纤,在同一个荷载状态下这三个不同位置的传感器会测得三个相关的支座应变。通过构建神经网络模型,对实验测得的应力与应变之间的迟滞效应进行补偿,使测力支座的满量程误差控制在±6%以内,能够满足桥墩差异沉降早期预警所需的测量精度。4.针对列车运行经过差异沉降较严重区域时梁箱会产生异常振动的现象,设计了基于Sagnac干涉原理的光纤振动传感器,并提出了频域分析算法对振动状态进行识别。将光纤振动传感器与桥墩沉降、伸缩缝位移、支座载荷传感器进行有机结合,开发了振动触发的沉降监测系统,并设计了相应的算法逻辑与预警方案,对于监测不同尺度范围的高速铁路差异沉降具有工程实践意义。通过以上实验室研究与工程实际监测的结合,在实践中验证了光纤低相干光传感器在高铁桥墩差异沉降监测中的稳定性与可行性。提出的局部重点区域直接监测、大跨度区域伸缩缝间接监测、支座受力异常的早期监测及梁箱实时振动监测相结合的桥墩差异沉降监测方案,对维护高速铁路运行安全提供了重要的参考依据。