高鐵無碴軌道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展綜述

南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路工程系張文斌芮麗

高鐵無碴軌道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展綜述

南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路工程系張文斌芮麗

隨著高速鐵路的發(fā)展，無碴軌道的采用被世界各國(guó)所公認(rèn)，無碴軌道是高速鐵路工程技術(shù)的發(fā)展方向。德國(guó)科隆—法蘭克福高速鐵路有90%區(qū)段采用無碴軌道；日本盛岡—八戶高速鐵路80%以上區(qū)段采用無碴軌道；九州新干線新八代—鹿兒島間線路90%區(qū)段采用無碴軌道。根據(jù)《中國(guó)鐵路中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，為滿足快速增長(zhǎng)的旅客運(yùn)輸需求，建立省會(huì)城市及大中城市間的快速客運(yùn)通道，規(guī)劃“四縱四橫”鐵路快速客運(yùn)通道以及四個(gè)城際快速客運(yùn)系統(tǒng)。建設(shè)客運(yùn)專線1.8萬km以上，客車速度目標(biāo)值達(dá)到每小時(shí)200km及以上。高速鐵路無碴軌道安全檢測(cè)技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)高速鐵路運(yùn)輸安全的基礎(chǔ)。

一、無碴軌道技術(shù)

“碴”的意思是巖石、煤等的碎片。在鐵路上，“碴”指作路基用的小塊石頭。傳統(tǒng)的鐵路軌道通常由兩條平行的鋼軌組成，鋼軌固定放在枕木上，之下為小碎石鋪成的路碴。路碴和枕木均起加大受力面、分散火車壓力、幫助鐵軌承重的作用，防止鐵軌因壓力太大而下陷到泥土里。此外，路碴還可以減少噪音、吸熱、減震、增加透水性等。這就是有碴軌道。傳統(tǒng)有碴軌道具有鋪設(shè)簡(jiǎn)便、綜合造價(jià)低廉的特點(diǎn)，但容易變形，維修頻繁，維修費(fèi)用較大。同時(shí)，使列車速度受到限制，不適于列車高速行駛。世界高速鐵路的發(fā)展證實(shí)，高速鐵路基礎(chǔ)工程如果使用常規(guī)的軌道系統(tǒng)，道碴粉化嚴(yán)重，線路維修頻繁，安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差。

無碴軌道初期投資比有碴軌道大，但無碴軌道結(jié)構(gòu)可大幅度減少養(yǎng)護(hù)、維修費(fèi)用，減少列車限速、中斷行車等對(duì)運(yùn)營(yíng)的干擾。無碴軌道不僅節(jié)省了養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，減少了對(duì)運(yùn)營(yíng)的干擾，而且大大改善工人的勞動(dòng)條件，帶來顯著的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。無碴軌道突出的特點(diǎn)之一就是能確保軌道高度平順，保證旅客列車高速運(yùn)行時(shí)的安全性和舒適度。無碴軌道的特點(diǎn)和性能對(duì)鐵路線路的設(shè)計(jì)和施工提出了更高的要求目前無碴軌道建設(shè)和維修都沒有達(dá)到自動(dòng)化程度。這意味著在施工工序和質(zhì)量控制都提出了很高的要求。

二、高速鐵路軌道檢測(cè)技術(shù)概況

1.國(guó)外高速鐵路軌道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。目前，高速鐵路發(fā)達(dá)國(guó)家利用高科技手段，研制開發(fā)具有綜合性、高精度、高速度、高智能、高可靠性的大型軌道檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重大飛躍。高速鐵路發(fā)達(dá)國(guó)家高速軌道檢測(cè)技術(shù)中檢測(cè)方式、檢測(cè)設(shè)備可靠性均有較大改善，檢測(cè)項(xiàng)目更加全面。軌道檢測(cè)技術(shù)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、光纖通信、激光攝像、高速光纖數(shù)字陀螺、數(shù)字濾波等技術(shù)的成功應(yīng)用，通過對(duì)檢測(cè)設(shè)備安裝接口方式的獨(dú)特設(shè)計(jì)（主要指安裝方式或懸掛方式改變），為高速鐵路軌道狀態(tài)安全、實(shí)時(shí)檢測(cè)與科學(xué)管理奠定了基礎(chǔ)。

2004年，美國(guó)ENSCO公司推出了最新的檢測(cè)車體系。開發(fā)了單用一控制臺(tái)同時(shí)測(cè)量操作技術(shù)，包括軌道外形和軌道橫斷面測(cè)量，聲學(xué)測(cè)量、輪軌波紋、懸鏈線測(cè)礙量、乘車舒適度、輪軌沖擊和魚外尾板檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采樣同步操作，最終利用GPS技術(shù)輸出來產(chǎn)生出軌道圖形和完成預(yù)檢查。所有測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在車載數(shù)據(jù)庫中，可以提供靈活的數(shù)據(jù)報(bào)告，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。2006年6月12日，法國(guó)Iris320高速檢測(cè)車正式亮相。Iris320高速檢測(cè)車把單一的自驅(qū)動(dòng)列車（行駛速度為320km／h，在某些條件下甚至達(dá)到350km／h）、全套基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)和記錄功能集中在一起。2007年普拉塞·陶伊爾公司的EC-5軌道檢測(cè)車，檢測(cè)速度是160km／h，配備利用GPS和光學(xué)原理的非接觸慣性測(cè)量系統(tǒng)。軌道幾何尺寸測(cè)量包括了線路空間圖中的軌距、線路縱向水平、鋼軌平整、道岔、曲線和坡度等諸多參數(shù)，利用GPS能夠自動(dòng)繪出。利用全自動(dòng)激光系統(tǒng)掃描鋼軌，記錄下鋼軌的斷面，實(shí)時(shí)地檢測(cè)出鋼軌類型，計(jì)算出與標(biāo)準(zhǔn)形狀的偏差，標(biāo)識(shí)出具體方位，還能測(cè)量出鋼軌結(jié)構(gòu)中的軌高、軌寬和斜軌的尺寸以及鋼軌磨耗的狀況。

2.國(guó)內(nèi)高速鐵路軌道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。國(guó)內(nèi)軌道檢測(cè)技術(shù)經(jīng)過二十余年的集成創(chuàng)新研究，已初步形成了國(guó)內(nèi)軌道檢測(cè)技術(shù)體系，從檢測(cè)系統(tǒng)類型劃分為GJ-3、GJ-4、GJ-5三種類型（如表1），三種檢測(cè)設(shè)備代表了我國(guó)不同時(shí)期的軌道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展水平。其中，GJ-4、GJ-5型檢測(cè)設(shè)備已成為我國(guó)既有線路軌道狀態(tài)監(jiān)控的主要手段，最高檢測(cè)速度達(dá)到200km/h。2009年3月27日，由中國(guó)南車集團(tuán)南京浦鎮(zhèn)車輛廠自主研制的我國(guó)首輛200km/h軌道檢測(cè)車順利下線，是專門用于檢測(cè)高速鐵路軌道和路基安全技術(shù)參數(shù)，填補(bǔ)了我國(guó)在這一領(lǐng)域的研制空白。

表1 國(guó)內(nèi)高速鐵路軌道檢測(cè)技術(shù)

三、無碴軌道檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量原理

無碴軌道檢測(cè)系統(tǒng)是用于軌道測(cè)量的設(shè)備，通過全站儀及軌檢小車內(nèi)部高精度的傳感器和現(xiàn)代高科技的通訊手段，獲取軌道線形的狀態(tài)參數(shù)。具有無線傳輸、自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)檢校、參數(shù)計(jì)算、性能穩(wěn)定、操作方便等特點(diǎn)，主要由軌檢小車、全站儀（內(nèi)置電臺(tái)）、控制器組成，如圖1所示。

測(cè)量過程中使用控制器進(jìn)行測(cè)量操作，通過全站儀內(nèi)置電臺(tái)、主動(dòng)跟蹤目標(biāo)功能和軌檢小車上的藍(lán)牙通訊系統(tǒng)把軌道檢測(cè)系統(tǒng)連接成“三位一體”的檢測(cè)工具。測(cè)量時(shí)首先利用控制器向全站儀發(fā)出測(cè)量指令，并接收來自全站儀、軌檢小車測(cè)量采集的原始數(shù)據(jù)，然后使用控制器對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，計(jì)算出軌檢小車測(cè)量位置的軌道調(diào)整參數(shù)（主要包括線路中線偏差值、軌面高低偏差值、水平超高偏差值），最后通過控制器向軌檢小車發(fā)出軌道調(diào)整信息，跟蹤軌道調(diào)整過程中軌檢小車測(cè)量位置的軌道狀態(tài)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工?？刂破魇擒壍罊z測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和信息傳輸?shù)闹袠?，通過電臺(tái)信號(hào)和全站儀連接，采用藍(lán)牙通訊和軌檢小車相連。目前，軌道檢測(cè)系統(tǒng)具有體積小、重量輕、容量大、功能全的特點(diǎn)。

從幾十年前的手工檢測(cè)到如今的電子設(shè)備檢測(cè)和高科技探測(cè)系統(tǒng)，軌道檢測(cè)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在我國(guó)高速鐵路現(xiàn)行速度超過350km／h時(shí)，適用高速軌道檢測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，要求軌道檢測(cè)設(shè)備不僅具備時(shí)速350km以上檢測(cè)速度的檢測(cè)能力，更重要的是所有檢測(cè)設(shè)備具有更高的可靠性和安全性，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目更全，檢測(cè)精度更高，系統(tǒng)更加智能化、人性化。未來軌道檢測(cè)系統(tǒng)具有小巧靈活，向無人值守便攜式方向發(fā)展，檢測(cè)數(shù)據(jù)以無線方式傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，實(shí)現(xiàn)等速檢測(cè)。這也是我國(guó)的無碴軌道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展研究難點(diǎn)與方向。