高速鐵路無砟軌道監(jiān)測技術(shù)

王玉澤,王森榮

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

高速鐵路無砟軌道監(jiān)測技術(shù)

王玉澤,王森榮

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

總結(jié)我國高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)形式,分析運營過程中可能存在無砟軌道上拱、梁端凸臺或底座開裂、扣件失效、砂漿層離縫、軌道結(jié)構(gòu)開裂、線下基礎(chǔ)沉降等問題,提出采用電阻應(yīng)變片式、振弦式、光纖光柵、電渦流非接觸式、無線傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控、預(yù)警機(jī)制等測試和監(jiān)控方法以及道岔區(qū)板式無砟軌道綜合監(jiān)測、橋上42號道岔區(qū)及臨時端刺區(qū)受力和變形監(jiān)測、隧道內(nèi)CRTS I型減振型板式無砟軌道減振測試、CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度及變形監(jiān)測等應(yīng)用實例。并探討采用高清攝像頭圖像識別、利用紅外熱成像、利用光纖的振動和聲學(xué)傳感等新技術(shù)在無砟軌道安全監(jiān)控中應(yīng)用。

高速鐵路；無砟軌道；病害；監(jiān)控；測試

1 無砟軌道總體結(jié)構(gòu)形式及運營狀況

我國已開通運營及在建高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)類型主要有：雙塊式無砟軌道、CRTSⅠ型板式無砟軌道、CRTSⅡ型板式無砟軌道和CRTSⅢ型板塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)等。見表1。

無砟軌道結(jié)構(gòu)根據(jù)是否縱連/單元，總體可分為縱連式和單元式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點如表2所示。

1.1 無砟軌道主要結(jié)構(gòu)形式及其特點[1-2]

(1)雙塊式無砟軌道(圖1)

雙塊式無砟軌道主要由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板、底座/支承層等組成。其主要特點是：軌道結(jié)構(gòu)采用橋上單元、路基和隧道連續(xù)，路基連續(xù)道床板端部設(shè)置端梁結(jié)構(gòu)，橋上分塊道床板設(shè)置限位凹槽結(jié)構(gòu)限位，雙塊式軌枕采用工廠化預(yù)制，道床板、支承層、底座均采用現(xiàn)場澆筑成型，施工靈活，與不同類型線下基礎(chǔ)工程的適應(yīng)性較好。

表1 我國無砟軌道主要結(jié)構(gòu)類型及鋪設(shè)線路

表2 縱連式和單元式無砟軌道及其結(jié)構(gòu)特點

圖1 雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)

(2)CRTSⅠ型板式無砟軌道(圖2)

CRTSⅠ型板式無砟軌道主要由鋼軌、扣件、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿、底座、凸形擋臺及其周圍填充樹脂等組成。軌道結(jié)構(gòu)為單元分塊式，采用凸型擋臺限位，臺后路基不需設(shè)置端刺、端梁等限位結(jié)構(gòu)，軌道板采用工廠化預(yù)制，軌道板下設(shè)置砂漿調(diào)整層，結(jié)構(gòu)體系受力明確。

圖2 CRTSⅠ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)

(3)CRTSⅡ型板式無砟軌道(圖3)

CRTSⅡ型板式無砟軌道路基地段主要由鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、水泥乳化瀝青砂漿及支承層等部分組成。橋上軌道結(jié)構(gòu)與路基地段有所不同，軌道板仍進(jìn)行縱向聯(lián)結(jié)，下部設(shè)連續(xù)澆筑的鋼筋混凝土底座，并在底座與梁面保護(hù)層之間設(shè)置滑動層，底座板兩側(cè)設(shè)置側(cè)向限位擋塊。軌道板相互之間通過縱向精軋螺紋鋼筋連接為連續(xù)結(jié)構(gòu)，軌道板下設(shè)砂漿調(diào)整層，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。

圖3 CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)

(4)CRTSⅢ型板式無砟軌道(圖4)

CRTSⅢ型板式無砟軌道主要由鋼軌、扣件、軌道板、自密實混凝土、底座或支承層等部分組成。軌道結(jié)構(gòu)為單元分塊式，軌道板采用工廠化預(yù)制，軌道板與板下自密實混凝土形成“復(fù)合板”結(jié)構(gòu)，復(fù)合板與底座采用限位凹槽限位，臺后路基不需設(shè)置端刺、端梁等限位結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力明確。

圖4 CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)

1.2 無砟軌道運營中可能存在的問題[3-8]

目前，對京津、武廣、鄭西、鄭武、廣珠、滬寧、京滬、廣深港等已開通高速鐵路無砟軌道使用情況調(diào)研，各類無砟軌道的總體使用情況良好，實現(xiàn)了無砟軌道“高穩(wěn)定性、高平順性和少維修性”的目標(biāo)。但在結(jié)構(gòu)設(shè)計、預(yù)制件制造和施工過程控制等一些技術(shù)細(xì)節(jié)上仍有不足，導(dǎo)致個別地段無砟軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一些問題。

(1)個別地段縱連無砟軌道結(jié)構(gòu)(CRTSⅡ型板式、路基地段雙塊式無砟軌道)高溫季節(jié)的軌道上拱問題

縱向連續(xù)鋪設(shè)的無砟道床受溫度荷載影響大，溫度變化時，由于受到縱向約束，軌道結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生縱向變形，但在溫度升高或降低時，軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生壓力或拉力。溫度荷載是影響無砟軌道結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計的重要因素，需通過合理配筋來控制混凝土裂縫寬度和間距。這類軌道結(jié)構(gòu)現(xiàn)場的表現(xiàn)是：低溫季節(jié)混凝土出現(xiàn)一定間距的細(xì)小裂縫，高溫季節(jié)裂縫閉合。

CRTSⅡ型板式軌道為縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)，目前局部地段在高溫季節(jié)出現(xiàn)了超出相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)限定值的軌道板上拱現(xiàn)象，影響軌道平順性。上拱位置大多出現(xiàn)在軌道板間接縫區(qū)域，初步分析產(chǎn)生上拱的主要原因有：施工未嚴(yán)格按軌道板設(shè)計合龍溫度進(jìn)行縱連；軌道板間寬、窄接縫施工質(zhì)量不良或在低溫季節(jié)對軌道板間接縫位置出現(xiàn)的較大離縫采用非彈性材料進(jìn)行充填修補(bǔ)，間接形成了軌道板縱連溫度降低，在升溫荷載下，板端軌道板與砂漿層拉應(yīng)力超過粘結(jié)力。

路基地段雙塊式無砟軌道為縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)，前期開通運營線路個別地段道床板出現(xiàn)上拱現(xiàn)象，其位置主要在路橋過渡段的端梁錨固區(qū)域和道床板后澆區(qū)段。初步分析產(chǎn)生上拱的主要原因有：連續(xù)道床板形成(鎖定)的施工溫度偏低；道床板與支承層或支承層與基床表層的界面狀態(tài)因拉毛質(zhì)量或施工機(jī)械運行等影響，相對“光滑”。合理的界面狀態(tài)能夠使得道床板的縱向力在錨固區(qū)域內(nèi)相對均勻傳遞，若摩擦系數(shù)偏低，將會形成縱向力在端梁結(jié)構(gòu)部位集中傳遞，產(chǎn)生上拱問題。

(2)個別溫度跨度較大的橋上CRTSⅠ型板式無砟軌道，梁端半圓形凸形擋臺與底座連接部位開裂問題

有些無砟軌道結(jié)構(gòu)由于受線形限制，經(jīng)組織相關(guān)單位經(jīng)過設(shè)計檢算滿足鋼軌、橋梁安全性和穩(wěn)定性要求后，在溫度跨度超過200 m的一些橋上未鋪曲線型鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。運營中在溫度力作用下，由于小阻力扣件復(fù)合墊板生銹，縱向阻力變大，導(dǎo)致個別地段梁端半圓形凸臺開裂。

(3)無砟軌道個別扣件失效

部分開通運營高鐵線路出現(xiàn)扣件失效、彈條斷裂、墊板竄出、螺旋道釘被拔起、軌下復(fù)合墊板、調(diào)高墊板竄動等問題。初步分析其原因：施工精調(diào)和維護(hù)階段扣件安裝操作不當(dāng)，扣件扭矩安裝過大；扣件套管或螺旋的制造質(zhì)量不滿足要求等。

(4)板式無砟軌道砂漿填充層離縫

砂漿充填層是板式無砟軌道最易產(chǎn)生病害的薄弱部位。

對于CRTSⅠ型板式軌道，為施工、維修方便，水泥乳化瀝青砂漿采用袋裝灌注法充填，砂漿充填層離縫的主要原因包括：施工環(huán)節(jié)未根據(jù)軌道板與底座的間隙大小適當(dāng)調(diào)整灌注袋尺寸；曲線地段灌注工藝不當(dāng)引起軌道外側(cè)灌注不飽滿；砂漿充填量不足；單元軌道板受溫度梯度影響的翹曲變形等。

對于縱向連續(xù)的CRTSⅡ型板式軌道結(jié)構(gòu)，水泥乳化瀝青砂漿采用模筑法充填，要求軌道板與砂漿間處于良好粘結(jié)狀態(tài)。砂漿充填層離縫的主要原因：砂漿與軌道板底部、底座或支承層(拉毛質(zhì)量)的界面狀態(tài)；砂漿材料的收縮；曲線地段灌注工藝不當(dāng)引起軌道外側(cè)灌注不飽滿；砂漿充填量不足；溫度荷載的影響等。

(5)無砟軌道混凝土裂縫、底座伸縮縫、凸臺周圍樹脂離縫等問題

無砟軌道現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)一般按容許開裂設(shè)計，并根據(jù)耐久性要求(裂縫限值、鋼筋保護(hù)層等)進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋。

路基地段CRTSⅠ型板式軌道底座每隔10～20 m設(shè)有橫向伸縮縫，受溫度荷載影響沿線路縱向底座會產(chǎn)生伸縮變形，易受伸縮縫材料(大多采用熱融瀝青)、環(huán)境溫度、施工質(zhì)量等因素影響，部分地段伸縮縫狀態(tài)存在劣化現(xiàn)象。

CRTSⅠ型板式無砟軌道凸形擋臺周圍填充樹脂材料，袋裝灌注法施工，受溫度荷載、溫度跨度較大橋梁的伸縮變形、材料收縮等因素影響，部分凸形擋臺周圍 (尤其在底座伸縮縫、大跨梁端附近)產(chǎn)生離縫現(xiàn)象。

CRTSⅡ型板式無砟軌道兩相鄰軌道板連接處的寬接縫為現(xiàn)澆混凝土，目前發(fā)現(xiàn)寬接縫處混凝土與軌道板存在裂縫，一般為0.2～0.5 mm。

(6)雙塊式軌枕與道床板分離、松動，雙塊式軌枕開裂

雙塊式軌枕為采用桁架鋼筋將兩個軌枕塊連接的預(yù)制部件，在道床板澆筑時由于振搗不密實、道床板開裂、列車動荷載等作用下，雙塊式軌枕與道床板有出現(xiàn)分離、松動情況，主要表現(xiàn)有軌枕周邊現(xiàn)澆混凝土碎裂、掉塊、混凝土枕邊冒白漿、鋼筋裸露等。

(7)無砟軌道防排水系統(tǒng)不暢、密封材料開裂失效

一般路基地段無砟軌道采用線間設(shè)集水井方式排水，橋梁地段線間設(shè)泄水孔或通過分塊道床板板縫向兩側(cè)排水方式，隧道內(nèi)線間設(shè)排水溝、隧道洞口處線路兩側(cè)通過線路縱坡向外排水。當(dāng)有些地段排水不暢，會導(dǎo)致無砟軌道積水，使水侵入路基結(jié)構(gòu)，在列車動荷載作用下，個別地段出現(xiàn)“冒泥”現(xiàn)象，路基出現(xiàn)不均勻沉降，影響軌道結(jié)構(gòu)的耐久性。

(8)線下基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降變形，影響軌道結(jié)構(gòu)平順性。

2 高速鐵路無砟軌道安全監(jiān)測主要方法

軌道結(jié)構(gòu)引導(dǎo)列車的運行，一旦出現(xiàn)病害直接影響列車運行的安全性和舒適性。同時一些無砟軌道病害出現(xiàn)前，在結(jié)構(gòu)變形、位移、受力等方面表現(xiàn)異常，有些可以通過日常的軌檢車檢測發(fā)現(xiàn)，有些需要通過監(jiān)控、監(jiān)測等技術(shù)進(jìn)行分析，判斷病害發(fā)生情況，以便提前進(jìn)行預(yù)知維修。

目前高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)測試和監(jiān)控中，常用的方法有以下幾個方面。

(1)采用電阻應(yīng)變片式測試[9]，主要用于短期動態(tài)測試。

(2)采用振弦式測試和監(jiān)控，一般用于靜態(tài)測試。

(3)采用光纖光柵測試和監(jiān)控[10]，可用于靜態(tài)和動態(tài)測試。

(4)采用電渦流非接觸技術(shù)進(jìn)行測試和監(jiān)控。

(5)采用視頻遠(yuǎn)程實時精準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)[11-12]，主要用于靜態(tài)測試。

(6)采用數(shù)據(jù)無線傳輸、實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、建立預(yù)警機(jī)制。

2.1 電阻應(yīng)變片式測試和監(jiān)控方法

電阻式測試即通過在不同應(yīng)變及溫度下電阻絲的電阻值發(fā)生變化，利用惠斯登電橋，將其變化為電壓進(jìn)行應(yīng)變的測試。該方法既可以測試結(jié)構(gòu)的靜態(tài)應(yīng)變，又可以測試結(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)變。鐵路在聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中，一般采用該方法。由于應(yīng)變片容易損壞，壽命較短，因此一般電阻式應(yīng)變計主要用于結(jié)構(gòu)物短期測試，不適合于長期測試和監(jiān)測。見圖5。

圖5 電阻應(yīng)變片現(xiàn)場組橋及IMC數(shù)據(jù)采集儀

2.2 振弦式測試和監(jiān)控方法

振弦式通常包括固定在端塊或被測元件之間的鋼弦，通過測量張緊鋼弦的頻率變化來測量鋼弦的張力或應(yīng)變等物理量。影響振弦式儀器長期穩(wěn)定性的因素很多，最重要的因素包括鋼弦及其相關(guān)部件材料的選擇、鋼弦的固定技術(shù)、盡可能地減小由于溫度和應(yīng)變引起的弦線徐變以及減小潛在的腐蝕。高質(zhì)量的振弦式傳感器應(yīng)具有良好的設(shè)計工作特性和較低的長期漂移。

振弦式監(jiān)測采集系統(tǒng)主要可對高速鐵路無砟軌道鋼軌、軌道板、底座、橋梁等溫度及隧道內(nèi)氣溫，對鋼軌與軌道板、底座與軌道板、凸臺與軌道板、摩擦板與橋臺、支承層與端刺、連續(xù)梁與相鄰簡支梁縱橫向、梁縫等相對位移，對連續(xù)軌道結(jié)構(gòu)鋼筋拉應(yīng)力、混凝土壓應(yīng)力等進(jìn)行監(jiān)測。

圖6～圖8分別是采用溫度傳感器監(jiān)測軌道板溫度、采用位移計監(jiān)測軌道板與底座的相對位移和采用鋼筋應(yīng)力計監(jiān)測底座鋼筋應(yīng)力的現(xiàn)場安裝。

圖6 溫度傳感器安裝

圖7 位移計安裝

2.3 光纖光柵測試和監(jiān)控方法(圖9～圖14)

作為一種新興的應(yīng)用技術(shù)，光纖傳感器能在極限溫度、腐蝕、真空和危險的環(huán)境中正常工作，為以前諸多極為棘手的監(jiān)測、監(jiān)控難題的解決提供了新的技術(shù)手段。光纖光柵測試和監(jiān)控方法是利用光纖材料的光敏性(外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起的折射率永久性變化)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可進(jìn)行靜態(tài)或動態(tài)應(yīng)變測試，以及結(jié)構(gòu)物的長期應(yīng)變監(jiān)測。

圖8 鋼筋應(yīng)力計安裝

圖9 軌道板溫度監(jiān)測

圖10 道床相對底座位移監(jiān)測

圖11 橋梁梁縫寬度監(jiān)測

圖12 鋼軌溫度及應(yīng)力監(jiān)測

與傳統(tǒng)的監(jiān)測傳感器相比，光纖傳感器具有許多獨特的優(yōu)點：(1)抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全，適合于智能結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測；(2)質(zhì)量輕、體積小、外形可變； (3)對被測介質(zhì)影響??；(4)具有極高的靈敏度和分辨率；(5)便于復(fù)用，便于成網(wǎng)，有利于與現(xiàn)有光通信技術(shù)組成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)；(6)使用期限內(nèi)維護(hù)費用低；(7)傳輸頻帶較寬，便于實現(xiàn)時分或者頻分多路復(fù)用，可進(jìn)行大容量信息的實時測量，使大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測成為可能;(8) 光纖傳輸，適合遠(yuǎn)距離監(jiān)測；(9)可以制備成應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、振動等多種傳感器；(10)波長編碼，不受光源的光強(qiáng)波動影響，穩(wěn)定性好；(11)一根光纖中寫入多個光柵，易于實現(xiàn)分布式自動化在線監(jiān)測。

圖13 無砟軌道光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖14 光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)組成

2.4 電渦流非接觸測試和監(jiān)控方法(圖15)

電渦流非接觸測試和監(jiān)控方法是采用高頻電渦流效應(yīng)為原理的非接觸式測試方法。電渦流位移傳感器是以高頻電渦流效應(yīng)為原理的非接觸式技術(shù)系統(tǒng)?？刂破鲀?nèi)產(chǎn)生的高頻振蕩電流通過同軸電纜流入探頭圈中，線圈將產(chǎn)生一個高頻電磁場。當(dāng)被測金屬體靠近該線圈時，由于高頻磁場的作用，在金屬表面上就產(chǎn)生感應(yīng)電流，即電渦流。

該電流產(chǎn)生一個交變磁場，方向與線圈磁場方向相反，這個磁場相互疊加就改變了原線圈的阻抗。所以探頭與被測體金屬表面距離的變化可通過探頭線圈阻抗的變化來測量。控制器根據(jù)探頭線圈阻抗的變化輸出一個與距離成正比的直流電壓，即實現(xiàn)位移測試。

電渦流非接觸監(jiān)測方法可適用于靜態(tài)位移測試、結(jié)構(gòu)物的長期位移監(jiān)測，也可適用于動態(tài)監(jiān)測。其特點是長期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測量、響應(yīng)速度快、不受油水等介質(zhì)的影響。

圖15 電渦流非接觸位移傳感器及現(xiàn)場安裝

2.5 視頻遠(yuǎn)程實時精準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)(圖16)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般由攝像、傳輸、控制、顯示、記錄5部分組成。攝像機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)線纜或同軸視頻電纜將視頻圖像傳輸?shù)娇刂浦鳈C(jī)，控制主機(jī)再將視頻信號分配到監(jiān)視器及錄像設(shè)備。通過控制主機(jī)，操作人員可發(fā)出指令，對攝像機(jī)的動作進(jìn)行控制及對鏡頭進(jìn)行調(diào)焦變倍的操作。利用特殊的錄像處理模式，可對圖像進(jìn)行錄入、回放、調(diào)出及儲存等操作。

利用高清攝像頭對無砟軌道或關(guān)鍵位置進(jìn)行拍攝，然后通過圖像識別技術(shù)，來進(jìn)行分析判斷，達(dá)到安全監(jiān)控的目的。利用高清攝像頭可監(jiān)控內(nèi)容有：軌道部件使用情況，如扣件彈條是否斷裂、螺旋道釘是否拔起、斷軌，以及軌道結(jié)構(gòu)的相對位移和變形等。

該監(jiān)控方法的局限性是單個攝像頭監(jiān)控范圍有限，夜間拍攝的范圍有限。今后需重點對圖像識別技術(shù)在高速鐵路無砟軌道工程監(jiān)控中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

圖16 視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

2.6 無線傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控、預(yù)警機(jī)制(圖17)

無線傳輸即現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)后，均能實時的將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)椒?wù)器中。

遠(yuǎn)程監(jiān)控是基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸，在服務(wù)器上可實現(xiàn)實時遠(yuǎn)程監(jiān)控；同時還可開放服務(wù)器，任一計算機(jī)可連接到服務(wù)器進(jìn)行實時查看。

預(yù)警機(jī)制即對監(jiān)測物理量科對高于某值進(jìn)行報警，也可對低于某值進(jìn)行報警，同時還可預(yù)先設(shè)定某一危險區(qū)間進(jìn)行報警。報警可通過連接聲光報警裝置，同時，可將報警信息以短信方式發(fā)送到指定手機(jī)上。

圖17 光纖光柵無限遠(yuǎn)程監(jiān)控示意

3 高速鐵路無砟軌道安全監(jiān)控實例

鐵四院擁有中國鐵建第一軌道工程實驗室，前期在宜萬、武康二線、武廣、滬杭、京滬、廣深港、寧杭等鐵路上，開展了軌道參數(shù)、幾何狀態(tài)、動力性能、振動、噪聲等室內(nèi)外及現(xiàn)場試驗、狀態(tài)監(jiān)測和安全評估等試驗和監(jiān)控。

3.1 道岔區(qū)板式無砟軌道綜合監(jiān)測

2009～2012年，針對武廣高鐵世界上首組橋上道岔板式無砟軌道，建立遠(yuǎn)程在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，由監(jiān)測點傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成。

道岔區(qū)板式無砟軌道綜合監(jiān)測過程采用光纖光柵技術(shù)系統(tǒng)對無縫道岔、無砟軌道、無縫線路的溫度、應(yīng)變和位移進(jìn)行連續(xù)采集；采用振弦式技術(shù)系統(tǒng)對縱連底座板混凝土和鋼筋應(yīng)變進(jìn)行連續(xù)采集；實現(xiàn)數(shù)據(jù)連續(xù)采集、無線傳輸、實時監(jiān)測、自動報警等功能，自動化程度高，現(xiàn)場無需值守，確保人員的安全，驗證了橋上道岔區(qū)采用底座縱連的板式軌道結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。道岔區(qū)板式無砟軌道綜合監(jiān)測如圖18所示。

圖18 道岔區(qū)板式無砟軌道綜合監(jiān)測

3.2 橋上42號道岔區(qū)及臨時端刺區(qū)受力和變形監(jiān)測

2010年9～11月，為了驗證臨時端刺臨時代替永久端刺方案的可靠性，確定列車側(cè)向通過橋上42號道岔的安全性和舒適性，建立遠(yuǎn)程在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，由監(jiān)測點傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成，如圖19所示。

采用振弦式技術(shù)系統(tǒng)對底座板應(yīng)變、底座板與橋梁縱向相對位移、橋墩墩頂縱向位移進(jìn)行連續(xù)采集；采用電渦流非接觸技術(shù)系統(tǒng)對底座板與橋面豎向相對位移進(jìn)行連續(xù)采集，對確保聯(lián)調(diào)聯(lián)試和試運營的安全發(fā)揮了重要作用。

圖19 橋上42號道岔區(qū)及臨時端刺區(qū)受力和變形監(jiān)測

3.3 隧道內(nèi)CRTSⅠ型減振型板式無砟軌道振動測試

2011年6～7月，開展隧道內(nèi)CRTSⅠ型減振型板式無砟軌道振動測試試驗。評價減振板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的減振效果，評估高速列車通過減振板式無砟軌道結(jié)構(gòu)時的安全性和舒適性；驗證減振板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，為其優(yōu)化和完善結(jié)構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)；通過對減振軌道-非減振軌道過渡段的位移、振動參數(shù)的動力測試，評估過渡段設(shè)置的合理性。如圖20所示。

圖20 隧道內(nèi)CRTSⅠ型減振型板式無砟軌道振動測試

3.4 CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度及變形監(jiān)測

針對2013年夏季南方地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)高溫，CRTSⅡ型板式無砟軌道出現(xiàn)局部上拱情況，從8月開始，逐步進(jìn)行溫度場及軌道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測。為進(jìn)一步分析掌握高速鐵路運營狀態(tài)下無砟軌道的受力機(jī)理提供實測數(shù)據(jù)，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及控制措施提供依據(jù)。如圖21所示。

3.5 無砟軌道現(xiàn)場視頻監(jiān)控測試

針對個別工點的無砟軌道結(jié)構(gòu)，采用球機(jī)和槍機(jī)組合可以精準(zhǔn)查看現(xiàn)場無砟軌道的離縫、裂縫、變形、鋼軌與道床板(軌道板)位移、道床板(軌道板)與底座位移等。我院已分別針對CRTSⅠ型板式無砟軌道、CRTSⅡ型板式無砟軌道現(xiàn)場設(shè)置了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)全方位控制并查看現(xiàn)場無砟軌道運營情況，實時觀測了位移和裂縫、離縫情況，并采用自主開發(fā)的軟件系統(tǒng)精度識別達(dá)到了mm級，為工務(wù)養(yǎng)護(hù)提供了良好的檢查和監(jiān)控平臺。如圖22所示。

圖21 CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度及變形監(jiān)測

圖22 無砟軌道現(xiàn)場視頻監(jiān)測

4 無砟軌道安全監(jiān)測新技術(shù)應(yīng)用探討

采用振弦式和光纖光柵進(jìn)行監(jiān)測的方式，本質(zhì)上還是點對點的監(jiān)測，通過定性判斷對可能出現(xiàn)問題的關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測可靠性受傳感器布置的數(shù)量和位置影響較大。同時監(jiān)測主要是對應(yīng)力、應(yīng)變、位移、溫度等物理量進(jìn)行實測，從而進(jìn)行安全性的判斷，具有一定的局限性。結(jié)合目前航空航天、電力、石油等相關(guān)行業(yè)中的監(jiān)測技術(shù)，對高速鐵路無砟軌道安全檢測新技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行探討。

4.1 利用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控[13]

利用物體的紅外輻射特點，采用紅外熱成像儀攝像機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，主要適用于溫度監(jiān)測，優(yōu)點是可監(jiān)測攝像頭可見范圍內(nèi)的所有物體表面溫度，可探測極小溫度差(0.05 ℃)，但只能探測表面溫度，不能探測內(nèi)部溫度。如圖23所示。

圖23 利用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行溫度監(jiān)控

4.2 利用光纖安全檢測(OFSS)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控

利用光纖的振動、聲學(xué)傳感技術(shù)，將光纖沿線路密貼布置，探測任一事件的振動聲學(xué)響應(yīng)，采用高性能信號處理技術(shù)實時處理振動聲學(xué)信號并提取信號特征，與預(yù)設(shè)事件信號進(jìn)行對比，從而判別事件的行為?？蓪崿F(xiàn)各類型聲學(xué)信號探測。

可監(jiān)測的內(nèi)容有：外物入侵、物體墜落、斷軌、扣件異常、車輪異常、無砟軌道上拱損壞等，即具備判別振動聲學(xué)差異的事件。

目前市場上相關(guān)產(chǎn)品可監(jiān)控1～3 kHz的頻率響應(yīng)范圍，單套設(shè)備監(jiān)控范圍達(dá)40 km，事件定位精度達(dá)10 m以內(nèi)。如圖24所示。

圖24 利用光纖安全檢測技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控

5 結(jié)論

(1)我國無砟軌道結(jié)構(gòu)根據(jù)是否縱連/單元，總體可分為縱連式和單元式結(jié)構(gòu)；單元式結(jié)構(gòu)受溫度荷載的影響較小，一般軌道板/道床板長度為5～7 m，底座為15～20 m，軌道結(jié)構(gòu)裂縫控制相對較好；縱連式結(jié)構(gòu)受溫度荷載的影響較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計時溫度荷載是其主要荷載，結(jié)構(gòu)整體性相對較好，需要解決單元軌道板間連接、連續(xù)結(jié)構(gòu)端部縱向限位等關(guān)鍵設(shè)計，后期出現(xiàn)病害可能性相對較大。

(2)無砟軌道結(jié)構(gòu)可能存在的病害有：個別地段縱連無砟軌道結(jié)構(gòu)(CRTSⅡ型板式、路基地段雙塊式無砟軌道)高溫季節(jié)的軌道上拱；個別溫度跨度較大的橋上CRTSⅠ型板式無砟軌道，梁端半圓形凸形擋臺與底座連接部位開裂；無砟軌道個別扣件失效；板式無砟軌道砂漿填充層離縫；無砟軌道混凝土裂縫、底座伸縮縫、凸臺周圍樹脂離縫；雙塊式軌枕與道床板分離、松動，雙塊式軌枕開裂；無砟軌道防排水系統(tǒng)不暢、密封材料開裂失效；線下基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降變形，影響軌道結(jié)構(gòu)平順性等問題。

(3)目前高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)測試和監(jiān)控中，常用的方法有：采用電阻應(yīng)變片式測試，主要用于短期動態(tài)測試；采用振弦式測試和監(jiān)控，一般用于靜態(tài)測試；采用光纖光柵測試和監(jiān)控，可用于靜態(tài)和動態(tài)測試；采用電渦流非接觸技術(shù)進(jìn)行測試和監(jiān)控；采用視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控，一般用于靜態(tài)位移測試；采用數(shù)據(jù)無線傳輸、實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、建立預(yù)警機(jī)制。

(4) 對利用紅外熱成像、利用光纖的振動和聲學(xué)傳感等新技術(shù)進(jìn)行無砟軌道安全監(jiān)控進(jìn)行探討。

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Monitoring Technique for Ballastless Track of High-speed Railway

WANG Yu-ze, WANG Sen-rong

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

This paper Summarizes the ballastless tracks structures used in high-speed railway, analyzes the potential track defects during the service period, such as doming of the ballastless track, cracking of bollard block or track base, fastener failure, cracks between track slab and cement asphalt mortar cushion, track structure fractures, differential settlement of foundation. It proposes different advanced equipment and methods to monitor ballastless track structures by means of strain gauge sensor, hyun sensors, FBG sensors, eddy current non-contact sensor, wireless transmission equipment, remote monitoring system, early warning mechanism instruments and etc. it also Introduces application examples of monitoring and field test, integrated monitoring of ballastless track in turnout zone, stress and deformation monitoring of NO.42 turnout on the bridge and end-spine zone, the test of damping CRTSI slab ballastless track in tunnel, temperature and deformation monitoring of CRTSⅡ slab ballastless track. Investigation is made of the application of high-definition camera image recognition, thermal imaging, optical fiber vibration sensor, acoustic sensors in the ballastless track safety monitoring.

High-speed railway; Ballastless track; Track defects; Monitoring; Test

2015-05-07

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題(Z2013-G001)

王玉澤(1960—)，男，教授級高級工程師，中國工程勘察大師，1982年畢業(yè)于西南交通大學(xué)鐵道工程專業(yè)。

1004-2954(2015)08-0001-09

U238； U213.2+44

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.001