南京交通職業(yè)技術(shù)學院公路工程系張文斌芮麗

高鐵無碴軌道檢測技術(shù)發(fā)展綜述

南京交通職業(yè)技術(shù)學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所公認，無碴軌道是高速鐵路工程技術(shù)的發(fā)展方向。德國科隆—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)《中國鐵路中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，為滿足快速增長的旅客運輸需求，建立省會城市及大中城市間的快速客運通道，規(guī)劃“四縱四橫”鐵路快速客運通道以及四個城際快速客運系統(tǒng)。建設(shè)客運專線1.8萬km以上，客車速度目標值達到每小時200km及以上。高速鐵路無碴軌道安全檢測技術(shù)成為實現(xiàn)高速鐵路運輸安全的基礎(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)簡便、綜合造價低廉的特點，但容易變形，維修頻繁，維修費用較大。同時，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，高速鐵路基礎(chǔ)工程如果使用常規(guī)的軌道系統(tǒng)，道碴粉化嚴重，線路維修頻繁，安全性、舒適性、經(jīng)濟性相對較差。

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、維修費用，減少列車限速、中斷行車等對運營的干擾。無碴軌道不僅節(jié)省了養(yǎng)護維修費用，減少了對運營的干擾，而且大大改善工人的勞動條件，帶來顯著的社會效益與經(jīng)濟效益。無碴軌道突出的特點之一就是能確保軌道高度平順，保證旅客列車高速運行時的安全性和舒適度。無碴軌道的特點和性能對鐵路線路的設(shè)計和施工提出了更高的要求目前無碴軌道建設(shè)和維修都沒有達到自動化程度。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、高速鐵路軌道檢測技術(shù)概況

1.國外高速鐵路軌道檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。目前，高速鐵路發(fā)達國家利用高科技手段，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設(shè)備，檢測技術(shù)實現(xiàn)了重大飛躍。高速鐵路發(fā)達國家高速軌道檢測技術(shù)中檢測方式、檢測設(shè)備可靠性均有較大改善，檢測項目更加全面。軌道檢測技術(shù)通過計算機網(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，通過對檢測設(shè)備安裝接口方式的獨特設(shè)計（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、實時檢測與科學管理奠定了基礎(chǔ)。

2004年，美國ENSCO公司推出了最新的檢測車體系。開發(fā)了單用一控制臺同時測量操作技術(shù)，包括軌道外形和軌道橫斷面測量，聲學測量、輪軌波紋、懸鏈線測礙量、乘車舒適度、輪軌沖擊和魚外尾板檢測系統(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檢查。所有測量數(shù)據(jù)存儲在車載數(shù)據(jù)庫中，可以提供靈活的數(shù)據(jù)報告，以便進行數(shù)據(jù)分析。2006年6月12日，法國Iris320高速檢測車正式亮相。Iris320高速檢測車把單一的自驅(qū)動列車（行駛速度為320km／h，在某些條件下甚至達到350km／h）、全套基礎(chǔ)設(shè)施檢測和記錄功能集中在一起。2007年普拉塞·陶伊爾公司的EC-5軌道檢測車，檢測速度是160km／h，配備利用GPS和光學原理的非接觸慣性測量系統(tǒng)。軌道幾何尺寸測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能夠自動繪出。利用全自動激光系統(tǒng)掃描鋼軌，記錄下鋼軌的斷面，實時地檢測出鋼軌類型，計算出與標準形狀的偏差，標識出具體方位，還能測量出鋼軌結(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.國內(nèi)高速鐵路軌道檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。國內(nèi)軌道檢測技術(shù)經(jīng)過二十余年的集成創(chuàng)新研究，已初步形成了國內(nèi)軌道檢測技術(shù)體系，從檢測系統(tǒng)類型劃分為GJ-3、GJ-4、GJ-5三種類型（如表1），三種檢測設(shè)備代表了我國不同時期的軌道檢測技術(shù)發(fā)展水平。其中，GJ-4、GJ-5型檢測設(shè)備已成為我國既有線路軌道狀態(tài)監(jiān)控的主要手段，最高檢測速度達到200km/h。2009年3月27日，由中國南車集團南京浦鎮(zhèn)車輛廠自主研制的我國首輛200km/h軌道檢測車順利下線，是專門用于檢測高速鐵路軌道和路基安全技術(shù)參數(shù)，填補了我國在這一領(lǐng)域的研制空白。

表1 國內(nèi)高速鐵路軌道檢測技術(shù)

三、無碴軌道檢測系統(tǒng)測量原理

無碴軌道檢測系統(tǒng)是用于軌道測量的設(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、自動跟蹤、自動檢校、參數(shù)計算、性能穩(wěn)定、操作方便等特點，主要由軌檢小車、全站儀（內(nèi)置電臺）、控制器組成，如圖1所示。

測量過程中使用控制器進行測量操作，通過全站儀內(nèi)置電臺、主動跟蹤目標功能和軌檢小車上的藍牙通訊系統(tǒng)把軌道檢測系統(tǒng)連接成“三位一體”的檢測工具。測量時首先利用控制器向全站儀發(fā)出測量指令，并接收來自全站儀、軌檢小車測量采集的原始數(shù)據(jù)，然后使用控制器對原始數(shù)據(jù)進行綜合處理，計算出軌檢小車測量位置的軌道調(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量位置的軌道狀態(tài)，指導現(xiàn)場施工?？刂破魇擒壍罊z測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和信息傳輸?shù)闹袠?，通過電臺信號和全站儀連接，采用藍牙通訊和軌檢小車相連。目前，軌道檢測系統(tǒng)具有體積小、重量輕、容量大、功能全的特點。

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