光纖光柵傳感技術(shù)在高速鐵路軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張　政

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430063）

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光纖光柵傳感技術(shù)在高速鐵路軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張政

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063）

摘要高速鐵路列車運(yùn)行速度快，行車密度大，對(duì)直接承載列車運(yùn)行的軌道結(jié)構(gòu)有嚴(yán)格的要求。采用光纖光柵傳感技術(shù)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并根據(jù)關(guān)鍵位置可能發(fā)生的破壞建立預(yù)警應(yīng)對(duì)系統(tǒng)，有助于運(yùn)營(yíng)維護(hù)部門及時(shí)發(fā)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)存在的問題，通過采取相應(yīng)措施確保線路運(yùn)營(yíng)的安全性和平穩(wěn)性。本文結(jié)合目前已在國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)高鐵線路上實(shí)施的監(jiān)測(cè)案例，對(duì)光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用在高速鐵路軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的方法、優(yōu)點(diǎn)以及存在的問題進(jìn)行探討，并提出相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)措施，為高速鐵路軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)的發(fā)展提供實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞高速鐵路；光纖光柵傳感技術(shù)；軌道狀態(tài)；實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)

我國(guó)幅員遼闊，鐵路跨越區(qū)域廣，工程地質(zhì)因素多樣，高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)所面臨的使用環(huán)境復(fù)雜。而且，不斷提高的列車運(yùn)行速度和行車密度使得軌道結(jié)構(gòu)承載的周期性高速動(dòng)載增強(qiáng)，其與復(fù)雜環(huán)境因素結(jié)合產(chǎn)生的多重作用進(jìn)一步加速了軌道結(jié)構(gòu)損傷和破壞。

目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)部門對(duì)于高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和養(yǎng)護(hù)維修主要是在夜間天窗點(diǎn)內(nèi)依靠人工和軌道車巡檢，在有限的天窗時(shí)間內(nèi)往往難以完成轄區(qū)軌道結(jié)構(gòu)的全覆蓋檢查。最令人不安的是，運(yùn)營(yíng)部門無法實(shí)時(shí)掌握線路關(guān)鍵位置的軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對(duì)于白天運(yùn)營(yíng)過程中發(fā)生的病害險(xiǎn)情不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，這直接威脅到行車安全。在這些情況下，針對(duì)高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警就顯得尤為必要。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械、電類傳感檢測(cè)技術(shù)，光纖光柵傳感檢測(cè)技術(shù)具有無源器件特性、不受電磁干擾、遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸性能優(yōu)越、大量傳感器便于組網(wǎng)分布式測(cè)量、測(cè)試精度高、重復(fù)穩(wěn)定性好，以及可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)在線的數(shù)據(jù)采集和處理分析等優(yōu)點(diǎn)［1-6］。近些年來，光纖光柵傳感技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用在我國(guó)高速鐵路軌道系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

本文通過目前已在國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)高鐵線路上實(shí)施的監(jiān)測(cè)案例，對(duì)光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用在高速鐵路軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的方法、優(yōu)點(diǎn)以及存在的問題進(jìn)行探討，并提出相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)措施，為高速鐵路軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)的成熟發(fā)展提供實(shí)踐依據(jù)。

1　光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1. 1光纖光柵傳感技術(shù)原理［7-8］

光纖光柵（FBG，F(xiàn)iber Bragg Grating）傳感技術(shù)于1978年問世。FBG本質(zhì)是一段纖芯折射率周期性變化的光纖，長(zhǎng)度一般只有10 mm左右。如圖1所示。當(dāng)一束寬光譜光λ（如圖中的入射光譜）經(jīng)過光纖Bragg光柵時(shí)，被光柵反射回一單色光（如圖中的反射光譜），相當(dāng)于一個(gè)窄帶的反射鏡。反射光的中心波長(zhǎng)λB與光柵的折射率變化周期Λ和纖芯有效折射率neff有如下關(guān)系

圖1　光纖光柵結(jié)構(gòu)

圖2為光纖光柵結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。

當(dāng)光纖光柵周圍的應(yīng)力或溫度發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期Λ和纖芯有效折射率neff產(chǎn)生變化，從而使反射回的波長(zhǎng)發(fā)生變化。光纖光柵Bragg波長(zhǎng)的變化與環(huán)境溫度或應(yīng)變的變化呈線性變化關(guān)系，通過檢測(cè)光纖光柵Bragg波長(zhǎng)，就可以測(cè)得相應(yīng)環(huán)境變量。

圖2　光纖光柵工作原理

1. 2光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成［8-10］

光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感部分、傳輸光纖和光纖光柵解調(diào)儀三大部分，如圖3所示。由于光纖光柵可以制作成不同的中心波長(zhǎng)，因此多個(gè)光柵可以方便地串接在同一條光路上形成分布式測(cè)量系統(tǒng)。

圖3　光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意

光纖光柵信號(hào)處理器內(nèi)置超輻射寬帶光源，通過耦合器將光源耦合到現(xiàn)場(chǎng)光纖光柵探測(cè)器，現(xiàn)場(chǎng)光纖光柵探測(cè)器所反射的各中心波長(zhǎng)再次反射回耦合器，耦合器將反射信號(hào)送入波長(zhǎng)檢測(cè)單元，在波長(zhǎng)檢測(cè)單元中通過FP掃描技術(shù)感知各探測(cè)器反射的中心波長(zhǎng)值，比較各探測(cè)器中心波長(zhǎng)的變化量推算環(huán)境溫度、應(yīng)變等。光纖光柵信號(hào)處理器最后將檢測(cè)到的信息輸出并顯示，有報(bào)警等信息時(shí)同時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)。

1. 3光纖光柵傳感技術(shù)的特點(diǎn)

光纖光柵傳感技術(shù)的原理和本質(zhì)決定了其具有如下特點(diǎn)：

1）光纖光柵傳感器具有體積小、柔韌度高、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，可以方便地附掛在被測(cè)物體上，并且對(duì)被測(cè)物體既有行為影響較??；

2）光纖光柵傳感器具有高精度、高靈敏度和高穩(wěn)定性；

3）該技術(shù)采用的是光信號(hào)調(diào)制方式，本質(zhì)上具備優(yōu)良的抗電磁干擾能力，并且作為無源器件該技術(shù)采用的傳感設(shè)備和傳輸線路也不會(huì)對(duì)待測(cè)環(huán)境中的電路產(chǎn)生影響；

4）傳感設(shè)備和傳輸線路耐高溫、抗腐蝕，使用壽命長(zhǎng)；

5）該技術(shù)可將多個(gè)光纖光柵傳感器串聯(lián)在一個(gè)通道上，采用多通道解調(diào)儀即可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的多參數(shù)監(jiān)測(cè)；

6）光纖中光信號(hào)傳輸效能高、傳輸距離遠(yuǎn)，便于組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。

2　光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高速鐵路中的應(yīng)用

目前我國(guó)設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h的高速鐵路大都采用無砟軌道。對(duì)大跨度橋梁、路橋過渡段、長(zhǎng)大隧道、道岔區(qū)等容易出現(xiàn)問題的特殊地段需進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)類型不同，關(guān)注位置也各有側(cè)重。一般情況下，監(jiān)測(cè)都會(huì)涉及下面的內(nèi)容：

1）環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境因素；

2）鋼軌、軌道板、底座、下部基礎(chǔ)等軌道結(jié)構(gòu)組成部分的溫度場(chǎng)；

3）鋼軌與軌道板、軌道板與底座、底座與下部基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)層間相對(duì)位移；

4）鋼軌應(yīng)變，軌道板、底座板、寬接縫等結(jié)構(gòu)相關(guān)的鋼筋與混凝土內(nèi)部或表面應(yīng)變；

5）寬接縫、砂漿層、凸形擋臺(tái)與軌道板等結(jié)構(gòu)間離縫值以及梁縫伸縮量。

根據(jù)具體監(jiān)測(cè)工點(diǎn)實(shí)際情況制定相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方案和測(cè)點(diǎn)布置圖后，需要結(jié)合各類傳感器波段合理配置傳感器通道表以及每個(gè)傳感器的實(shí)際波長(zhǎng)。在光纖光柵解調(diào)儀通道數(shù)確定的條件下，應(yīng)按照便于現(xiàn)場(chǎng)施工的原則，“松散”安排各通道傳感器的數(shù)量和波長(zhǎng)，對(duì)每個(gè)傳感器內(nèi)的光柵波長(zhǎng)變化預(yù)留充足的波段范圍，避免在監(jiān)測(cè)過程中出現(xiàn)通道內(nèi)相鄰傳感器波峰重疊的情況發(fā)生，導(dǎo)致解調(diào)儀無法尋波解析出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2. 1傳感器的安裝

傳感器的安裝是現(xiàn)場(chǎng)施工耗時(shí)較長(zhǎng)的工作。若要監(jiān)測(cè)軌道結(jié)構(gòu)中混凝土和鋼筋的應(yīng)變等信息，則需在軌道結(jié)構(gòu)混凝土澆筑前就到現(xiàn)場(chǎng)預(yù)埋傳感器，整個(gè)監(jiān)測(cè)方案要做好施工全周期的策劃。

在軌道結(jié)構(gòu)中預(yù)埋傳感器，應(yīng)確認(rèn)傳感器引線足以伸出軌道結(jié)構(gòu)一定長(zhǎng)度。引線選擇具有厚實(shí)鎧裝層的延長(zhǎng)光纖，避免混凝土澆筑時(shí)引線斷裂，造成傳感器無法存活。引線伸出軌道結(jié)構(gòu)的部分應(yīng)外套橡膠管保護(hù)，并且要求混凝土澆筑時(shí)避免在傳感器安裝位置處過度振搗。

軌道結(jié)構(gòu)的各監(jiān)測(cè)量幾乎與環(huán)境溫度都屬?gòu)?qiáng)相關(guān)，在每個(gè)監(jiān)測(cè)工點(diǎn)都會(huì)安裝有環(huán)境溫度傳感器，環(huán)境濕度、風(fēng)速等傳感器根據(jù)工點(diǎn)的需要選擇性安裝。為了確保環(huán)境溫度測(cè)量準(zhǔn)確，應(yīng)將傳感器置于塔式防輻射罩內(nèi)，避免陽光直射（圖4）。并且，傳感器應(yīng)至少離地1. 2 m高，以免地面輻射溫度影響其測(cè)量。

圖4　環(huán)境溫度傳感器

在軌道結(jié)構(gòu)表面安裝溫度、位移和應(yīng)變等傳感器，需要等鋼軌鎖定、施工現(xiàn)場(chǎng)清場(chǎng)后再進(jìn)行，避免安裝的傳感器及引線被現(xiàn)場(chǎng)施工破壞。為了保護(hù)已安裝的傳感器，應(yīng)根據(jù)傳感器的安裝位置和傳感器的形狀設(shè)計(jì)合理的保護(hù)工裝，并且將傳感器的引線均外套加強(qiáng)橡膠管固定在軌道結(jié)構(gòu)表面（圖5）。

圖5　傳感器及其保護(hù)工裝

對(duì)于軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的測(cè)定，一般是在軌道施工完成后，采用取芯鉆自軌道板板頂向下貫穿到目標(biāo)深度，將溫度傳感器按照相應(yīng)的高度綁在鐵絲上深入孔內(nèi)（圖6），再用與被測(cè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等級(jí)相同或接近的混凝土封堵孔洞即可。

圖6　軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的測(cè)點(diǎn)布置

2. 2光纖熔接（圖7）

圖7　光纖熔接

傳感器安裝完畢后，需要按照通道配置表將每個(gè)通道里的傳感器首尾相連串聯(lián)成一串，再將這串傳感器的一端與主光纜的其中一芯連接。

在這個(gè)過程中，傳感器之間的連接是將不同傳感器的尾纖纖芯熔接在一起，并外套不銹鋼鋼管防護(hù)。與主光纜連接時(shí)，需要用到光纜串接盒，只需將該通道對(duì)應(yīng)的主光纜纖芯與傳感器串熔接在一起即可，其他截?cái)嗟闹鞴饫|纖芯需要在截?cái)嗵幹匦氯劢釉谝黄稹Ｕ麄€(gè)施工過程中的熔接工作非常耗時(shí)耗力，并且有可能因熔接接頭質(zhì)量問題返工，在熔接時(shí)要十分嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致。

2. 3傳輸光纜的鋪設(shè)

傳感器安裝、熔接完畢后，需要鋪設(shè)傳輸光纜將監(jiān)測(cè)工點(diǎn)的所有傳感器與光纖光柵解調(diào)儀等主機(jī)設(shè)備相連。在高速鐵路軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，一般線上將傳輸光纜置于線纜槽內(nèi)埋設(shè)。引出線下至機(jī)房?jī)?nèi)，若通過架空走線的方式，應(yīng)在光纜旁懸掛相應(yīng)標(biāo)示牌，注明光纜用途及責(zé)任人所屬單位和聯(lián)系方式；若通過埋地走線的方式，應(yīng)將光纜外套PE管，并做好防水工作，避免冬季光纜外積水結(jié)冰凍裂光纖。

2. 4數(shù)據(jù)采集設(shè)備及無線傳輸模塊

傳感器經(jīng)傳輸光纖連接至監(jiān)測(cè)工點(diǎn)附近的機(jī)房，機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備包括機(jī)柜、光纖光柵解調(diào)儀、終端盒、顯示器、鼠標(biāo)鍵盤以及無線模塊。

傳感器信號(hào)通過傳輸光纖接入終端盒內(nèi)，經(jīng)光纖光柵解調(diào)儀將光信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信息存儲(chǔ)在主機(jī)硬盤，并通過無線模塊定時(shí)將這些信息回傳至遠(yuǎn)端的主服務(wù)器進(jìn)行處理和分析。

2. 5數(shù)據(jù)處理及安全預(yù)警系統(tǒng)

在主服務(wù)器端安裝有集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和預(yù)警于一體的綜合管理平臺(tái)軟件。各監(jiān)測(cè)工點(diǎn)的數(shù)據(jù)回傳至主服務(wù)器后，由綜合管理軟件進(jìn)行分類管理。

首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別和篩除，去掉因傳感器自身穩(wěn)定性導(dǎo)致的數(shù)據(jù)大幅跳躍、非數(shù)字信息、明顯錯(cuò)誤信息等異常數(shù)據(jù)。再經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行整理，并將數(shù)據(jù)分析結(jié)果與預(yù)置的報(bào)警限值進(jìn)行對(duì)比，由特定的算法對(duì)報(bào)警情況進(jìn)行確認(rèn)，核實(shí)警情后，報(bào)警信息通過短信、微信、郵件等方式發(fā)送給高速鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)部門和服務(wù)器管理人員。

引入大數(shù)據(jù)概念，在積累了一定量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，通過分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與既有數(shù)據(jù)、警情以及對(duì)設(shè)計(jì)理論和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比和套用，評(píng)估被監(jiān)測(cè)區(qū)域的軌道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，對(duì)可能存在的警情進(jìn)行預(yù)警。

3　光纖光柵傳感技術(shù)的總結(jié)與探討

總結(jié)已實(shí)施的監(jiān)測(cè)案例，光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用在高速鐵路軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)上，有很多其他傳統(tǒng)檢測(cè)方法不具備的優(yōu)勢(shì)。但是，該技術(shù)目前應(yīng)用時(shí)也存在不少缺點(diǎn)，在后續(xù)的工作中需要研究改進(jìn)。

3. 1光纖光柵傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

鋼軌的溫度、應(yīng)變、縱向爬行位移等參數(shù)是比較重要的監(jiān)測(cè)量。鋼軌作為動(dòng)力電壓的回路和軌道電路信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，對(duì)傳感器的電磁干擾和受傳感器的反饋影響都比較強(qiáng)。由于光纖光柵傳感器的無源特性，用以監(jiān)測(cè)鋼軌參量，能夠完美地解決這個(gè)問題。

監(jiān)測(cè)鋼軌與軌道板的相對(duì)位移時(shí)，需要把傳感器安裝在相鄰扣件節(jié)點(diǎn)之間，對(duì)于有擋肩扣件，傳感器的安裝空間更加狹小。光纖光柵傳感器的核心光柵只有10 mm左右，在位移傳感器量程確定的情況下，改變光柵封裝工藝，就能把傳感器尺寸做得很小，方便地安裝在這個(gè)空間。測(cè)量CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層與軌道板張開離縫寬度時(shí)，留給傳感器的安裝長(zhǎng)度小于一塊軌道板的厚度，這樣苛刻的安裝環(huán)境光纖光柵傳感器也沒有任何問題。

軌道結(jié)構(gòu)中的很多參量值都是毫米級(jí)的變化量，光纖光柵傳感器具有高精度和高靈敏度，完全可以勝任這些參量值的數(shù)據(jù)采集；并且光纖光柵傳感器穩(wěn)定性很強(qiáng)，對(duì)于高速鐵路這種不易上道維護(hù)的環(huán)境更加適用。

軌道結(jié)構(gòu)呈細(xì)長(zhǎng)帶狀，采用光纖光柵傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)時(shí)，一般按照斷面分配通道，不同的斷面之間可以通過布置在線纜槽里的主光纜連接起來。光纖中光信號(hào)傳輸效能高、傳輸距離遠(yuǎn)，因此，光纖光柵傳感技術(shù)非常適合對(duì)長(zhǎng)遠(yuǎn)距離的帶狀軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3. 2光纖光柵傳感技術(shù)的缺點(diǎn)

為了減少光信號(hào)在光纜中傳輸?shù)哪芰繐p耗，需要將光纜斷頭采用纖芯熔接的方式連接起來。光纖光柵傳感器在安裝完畢后，需要在尾纖上熔接跳線接頭，然后插入單通道光纖光柵解調(diào)儀中記錄初始波長(zhǎng)數(shù)據(jù)。在整合通道內(nèi)的傳感器時(shí)，需要將傳感器之間首尾相連熔接起來，最后將傳感器串與主光纜熔接。上述熔接過程步驟繁瑣，熔接工作量也非常大，尤其是在既有線天窗時(shí)間內(nèi)上道熔接，由于視線不好，熔接成功率很低，這嚴(yán)重阻緩了傳感器的安裝進(jìn)度。而且對(duì)于光纖光柵傳感器，每支傳感器的波長(zhǎng)都必須根據(jù)具體項(xiàng)目確定，這就意味著傳感器不具通用性而無法大量備貨。所以，采用光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)的工點(diǎn)，傳感器前期準(zhǔn)備、安裝、調(diào)試工期會(huì)非常長(zhǎng)，這是該技術(shù)應(yīng)用在高速鐵路尤其是既有線上的一大劣勢(shì)。

近年來，我國(guó)北部地區(qū)也開通了哈大、哈齊等高速鐵路。這些地區(qū)冬天最冷的時(shí)候溫度可低至- 40℃，而光纖纖芯材料特性與玻璃相同，容易低溫脆斷［11］，這就決定了光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用在北部寒冷地區(qū)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大概率斷纖的情況。這在哈齊客專上的光纖光柵監(jiān)測(cè)工點(diǎn)中已經(jīng)有所體現(xiàn)，目前尚無很好的解決辦法。

3. 3相關(guān)問題的改進(jìn)

應(yīng)用光纖光柵傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)，既要保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后期運(yùn)行正常，減小數(shù)據(jù)采集偏差，又要保證線路運(yùn)營(yíng)安全。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝調(diào)試過程中需要注意改進(jìn)以下問題：

1）軌道結(jié)構(gòu)中傳感器預(yù)埋后，繼續(xù)在軌道上施工的工程車輛以及臨時(shí)安裝的精調(diào)爪等器具均可能對(duì)傳感器的引線造成嚴(yán)重的破壞。光纖光柵傳感器的引線斷頭若要熔接修復(fù)，斷頭兩端尾纖長(zhǎng)度需＞15 cm，而大多數(shù)預(yù)埋傳感器的引線斷頭均僅露出混凝土5～10 cm，這就會(huì)造成預(yù)埋的光纖光柵傳感器失效無法救活的情況。為此引線伸出混凝土面的部分除外套橡膠管保護(hù)外，如有條件應(yīng)在橡膠管露出混凝土部分再倒扣長(zhǎng)度＞10 cm的角鋼作防護(hù)。

2）為了防腐防銹，傳感器保護(hù)工裝一般采用不銹鋼制造，在線路通車運(yùn)營(yíng)后，不銹鋼工裝表面在陽光照射下會(huì)產(chǎn)生鏡面反射，有可能導(dǎo)致列車司機(jī)緊急剎車。因此，傳感器保護(hù)工裝外表面均需作亞光處理。

3）在軌道結(jié)構(gòu)上進(jìn)行傳感器和保護(hù)工裝的安裝以及連接光纜的走線，都需要在軌道結(jié)構(gòu)表面鉆孔進(jìn)行固定。不可避免地會(huì)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋絕緣和預(yù)應(yīng)力體系造成破壞。為了降低破壞程度，在設(shè)備安裝前需要根據(jù)實(shí)際的軌道結(jié)構(gòu)布筋圖，結(jié)合鋼筋探測(cè)儀來確定合適的安裝孔位，盡量避免鉆頭鉆削鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼棒的情形發(fā)生。考慮到線路運(yùn)營(yíng)時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)強(qiáng)烈，需要在特殊位置采用2個(gè)螺母疊加防松，并在螺母、螺栓上涂抹植筋膠，加強(qiáng)防松防銹措施。

4）在安裝監(jiān)測(cè)鋼軌相關(guān)參量的傳感器及其保護(hù)工裝時(shí)，需特別注意鋼軌與下部基礎(chǔ)中鋼筋網(wǎng)的絕緣措施，避免在鋼軌與大地之間形成通路，導(dǎo)致軌道電路紅光帶。

5）在北方寒冷區(qū)域，軌道結(jié)構(gòu)表面的防水措施如被破壞，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生過量積水無法排出，在冬天溫度低于0℃時(shí)積水結(jié)冰，會(huì)帶來脹裂軌道結(jié)構(gòu)混凝土的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在軌道結(jié)構(gòu)表面的鉆孔安裝工作完畢后，均需對(duì)孔洞四周涂抹植筋膠或采取其他措施進(jìn)行后期防水。

6）光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般采用無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程回傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，安放在現(xiàn)場(chǎng)的光纖光柵解調(diào)儀和無線模塊因頻繁地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，容易出現(xiàn)設(shè)備死機(jī)的情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集中斷。因此，需要在接收端主服務(wù)器中添加相應(yīng)的功能，能夠自動(dòng)偵聽和分析監(jiān)測(cè)工點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)回傳情況，在判斷出工點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備出現(xiàn)故障后，以短信或郵件方式通知服務(wù)器管理人員。

7）光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在安裝前備貨周期較長(zhǎng)，設(shè)備安裝和調(diào)試工作量巨大，加之軌道結(jié)構(gòu)后期監(jiān)測(cè)的較多參量的初值需要在軌道施工期間采集。為此，建議設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)文件中明確軌道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)方案，在軌道結(jié)構(gòu)施工期間就可同步進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝的相關(guān)工作。

4　結(jié)語

本文針對(duì)光纖光柵傳感技術(shù)的原理及其在高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用方法作了簡(jiǎn)要介紹，并結(jié)合具體實(shí)施案例分析該技術(shù)應(yīng)用時(shí)的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，總結(jié)已實(shí)施的光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，對(duì)實(shí)施過程中存在的問題給出了相應(yīng)改進(jìn)措施。

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（責(zé)任審編孟慶伶）

Application of Fiber Bragg Grating Sensing Technology to Monitoring of High Speed Railway Track Condition

ZHANG Zheng
（China Railway Siyuan Survey and Design Croup Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430063，China）

AbstractHigh density and speed of trains running on high speed railway require good track state. Fiber Bragg grating sensing technology is used to realize real-time online monitoring of track in service，and warning system is established for precaution of potential damage at critical sections. W ith identification of problems of track state in time，administers may take effective measures to ensure safety and stability of operation. In this paper，a case study was proposed. T he monitoring method，advantages and problems of fiber bragg grating sensing technology applied to high speed railway track condition monitoring were analyzed. T he corresponding optimization measures were suggested.

Key wordsHigh speed railway；Fiber Bragg grating sensing technology；T rack state；Real-time online monitoring

中圖分類號(hào)U216. 3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 17

文章編號(hào)：1003-1995（2016）05-0077-05

收稿日期：2016-03-05；修回日期：2016-03-18

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（Z2013-G001；2014G001-A）

作者簡(jiǎn)介：張政（1987—），男，工程師，碩士。