楊永明

(中國鐵路總公司工程管理中心，北京 100844)

高速鐵路無砟軌道整治效果評估方法探討

楊永明

(中國鐵路總公司工程管理中心，北京 100844)

軌道系統的服役狀態(tài)直接影響高速列車的安全、平穩(wěn)運行。隨著無砟軌道結構的大量投入使用，無砟軌道病害成為影響線路平順性和穩(wěn)定性的主要因素之一。目前病害的整治措施有很多，但如何對整治效果進行有效的評估是日常維護工作的難點之一。結合目前我國高速鐵路無砟軌道結構存在的幾種主要病害和整治方法，對軌道動態(tài)檢測、光纖傳感監(jiān)測和地質雷達無損檢測3種整治評估方法進行介紹和對比，為整治評估方法在高速鐵路無砟軌道上的推廣應用提供參考。

高速鐵路；無砟軌道；病害整治；效果評估

1 無砟軌道整治評估的意義

新世紀以來，高速鐵路飛速發(fā)展，無砟軌道已成為我國高速鐵路的主要軌道結構形式，在實際工程中大量應用。為保證高速列車的安全平穩(wěn)運行，高速鐵路對軌道的平順性提出了更高要求。然而無砟軌道病害的出現對軌道結構產生了一定程度的影響，比如京津城際的路基差異沉降，京滬高速鐵路的CRTSⅡ板式無砟軌道的底座板拉開及膠接絕緣軌端灼傷，石太客運專線CRTSⅠ型軌道板預應力鋼棒折斷，京廣高速鐵路的CRTSⅡ軌道板寬窄接縫擠碎及軌道板上拱，遂渝線無砟軌道板CA砂漿開裂剝離等問題[1-2]。

安全是鐵路的生命線。在對上述病害進行有效維修和整治的基礎上，迫切需要一套切實可行的整治評估方法，對無砟軌道的整治效果進行合理評估，確認維修方法是否可行有效，防范由于整治維修的缺陷造成運營中安全事故的發(fā)生。

目前，對于軌道結構病害整治效果評估、檢測的主要方法有軌道動態(tài)檢測法[3-4]、地質雷達無損檢測法[5-6]以及光纖傳感監(jiān)測評估法[7-8]等。據此，結合高速鐵路無砟軌道結構的幾種主要病害和整治方法，對目前的幾種無砟軌道整治評估方法進行介紹和對比分析，為其在高速鐵路無砟軌道整治評估上的推廣應用提供參考。

2 無砟軌道結構主要病害及整治方法

2.1 板式無砟軌道主要病害整治

CRTSⅠ和CRTSⅡ板式無砟軌道病害主要是砂漿傷損，砂漿傷損形式主要包括：砂漿層與軌道板裂縫、砂漿層缺損掉塊和砂漿層裂縫。板式無砟軌道中的CA砂漿填充于軌道板與混凝土底座板之間。當溫度梯度作用下軌道板發(fā)生翹曲，下部基礎沉降或砂漿破損等，均可能導致軌道板與CA砂漿離縫，致使軌道出現不平順。目前的整治方法為在軌道板與CA砂漿離縫區(qū)域填充高密度灌注膠，使軌道板與CA砂漿層形成整體，恢復軌道結構的整體性和連續(xù)性[9]。

2.2 雙塊式無砟軌道主要病害整治

雙塊式無砟軌道為現場澆筑混凝土結構，由于施工等各種原因，可能存在混凝土內部不密實、空隙、空洞和鋼筋異常，道床板與支承層離縫拱起，道床板表面裂紋和軌枕四周裂縫等[10]。對于道床板離縫一般也是采取注漿處理，寬度大于0.2 mm的裂縫采用“表面封閉法”封閉。

2.3 無砟軌道路基差異沉降

高速鐵路無砟軌道運營中，無砟軌道局部地段出現不同程度的下沉現象，致使軌面局部不平順。當無砟軌道沉降量較小時，目前普遍采用軌下墊板的扣件調整方案來滿足線路的平順性。當沉降量較大超過扣件的調整能力時，則采用注膠抬升的方法[11]。

2.4 無砟軌道鋼軌病害整治

高速鐵路開通后鋼軌逐步出現波磨、頂面麻坑、魚鱗紋等問題。而波磨的出現又會引起彈條折斷及“抖車”等問題。目前的整治方法是利用鋼軌打磨車對鋼軌進行打磨。

2.5 無砟軌道其他病害整治

除了上述病害外，底座板斷裂、軌道板寬窄接縫擠碎、雙塊式軌枕與道床板分離、側向擋塊混凝土拉裂、凸形擋臺周圍樹脂離縫等也是高速鐵路運營過程中出現過的病害。這些病害主要是由于在極端氣候條件下溫度變化幅度較大所致。如果這些病害造成的軌道結構傷損較為輕微，可以采取修復的辦法，如果較為嚴重就得對破損部位進行替換。

3 無砟軌道整治效果評估方法

3.1 軌道動態(tài)檢測評估法

高速列車行車的安全性和舒適性體現在軌道的平順性上。軌道系統作為鐵路運營設備的基礎，它直接承受列車荷載，引導列車前行。在列車的動力作用下，軌道會發(fā)生一定的彈性變形和永久變形。這種變形的大小是不固定的，它隨著列車的速度和質量的不同而變化。因此，軌道幾何狀態(tài)一直處于動態(tài)變化中，僅僅依靠人工檢查已經不能全面真實地反映。

目前在我國CRH380A-001、CRH380B-002等綜合檢測列車上使用的是GJ-6型軌道檢測系統。該系統采用激光攝像式的軌道檢測技術，將自動位置探測器、慣性組件和攝像組件安裝在位于車輛轉向架的檢測梁內，梁的空間運動通過慣性傳感器檢測。根據激光光學傳感器探測到的鋼軌位置數據得到鋼軌的幾何參數。檢測內容包括高低、軌向、水平、軌面不平順、曲線外軌超高、軌距、曲率、三角坑、車體水平和垂直振動加速度等指標。其中軌向的檢測精度為±0.4 mm，軌距和三角坑的檢測精度為±0.5 mm，水平和高低檢測精度為±0.6 mm[12]。圖1為軌檢車高低和軌向波形。

利用軌道檢測車可以對線路的彈性變形和永久變形的疊加狀態(tài)進行動態(tài)檢測，較好地反映線路真實情況。對于軌道板與CA砂漿離縫、無砟軌道路基差異沉降、鋼軌波磨等病害引起的軌道不平順，通過對比分析整治前后的波形圖，就可以準確地評估維修方法是否可行有效。

由于軌道檢測車提高了檢測效率和精度，并能綜合評價列車安全性指標，因此軌道檢測車一直是檢查軌道病害、指導線路養(yǎng)護維修、保障行車安全的重要手段。

3.2 光纖傳感監(jiān)測評估法

隨著我國鐵路行車速度的不斷提高，為提高運輸效率，保障列車的安全平穩(wěn)運行，對行車狀態(tài)的實時性、穩(wěn)定性和準確性監(jiān)測尤為重要。光纖傳感技術具有精度和靈敏度高、穩(wěn)定性好、抗電磁干擾、使用壽命長、易于網絡化等優(yōu)點，可對速度、加速度、位移、溫度、振動等參數進行準確檢測。因此可以使用光纖傳感技術對軌道狀態(tài)進行監(jiān)測，通過將整治前后的監(jiān)測數據進行對比，判斷無砟軌道病害是否修復，通過長期監(jiān)測還可評估整治方法的耐久性和穩(wěn)定性。

光纖光柵利用光纖的光敏性制成。當光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應變等物理量發(fā)生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的波長發(fā)生變化，通過測量物理量變化前后反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況，從而實現對應力和溫度等的測量[7]。圖2為光纖光柵的原理。

圖2 光纖光柵原理示意

(1)軌道溫度和應力監(jiān)測

軌道和軌道板的溫度變化反映了其受力情況，較大的溫度變化會使鋼軌內部產生較大的伸縮附加力，造成斷軌或脹軌。較大的軌道板溫度梯度場會使軌道板發(fā)生開裂或翹曲，因此對軌道溫度監(jiān)測非常必要。分布式光纖溫度傳感器能夠連續(xù)測量光纖沿線各處的溫度，測量距離可以長達幾千米，定位精度達到米級，溫度的測量精度可以達到0.1 ℃，能夠在監(jiān)測軌道溫度的同時確定溫度異常點位置，特別適用于線路的大范圍多點測量和監(jiān)測。

溫度的變化會使基礎設施產生熱脹冷縮，引起鋼軌產生較大的應力。將光纖光柵應力傳感器粘貼在鋼軌的腰部，利用應變片的變形帶動光柵變形就可得出鋼軌應變數據，通過轉換就可以得到鋼軌應力值。應變的測量精度可以達到1 με。圖3為粘貼在鋼軌腰部的光纖光柵應力傳感器。

圖3 光纖光柵應力傳感器

(2)軌道振動監(jiān)測

波磨是一種常見的鋼軌磨損。鋼軌出現波磨后，列車通過時會引起其走行部位產生附加垂直振動，列車的橫向振動引起橫向沖擊力，這些都關系到列車的脫軌系數。當軌道結構產生病害后，列車運行時會產生異常振動，通過對比病害整治前后的列車振動加速度，就可以準確判斷出維修的效果。

目前可以采用在列車上安裝光纖加速度傳感器的評估方法。通過采集車體振動信號來監(jiān)測鋼軌波磨及由其引起的列車橫向振動。圖4為光纖加速度傳感器結構示意。

圖4 光纖加速度傳感器結構示意

(3)扣件健康狀況監(jiān)測

通過監(jiān)測列車經過時鋼軌軌底的應力變化能夠識別出扣件的健康狀況。武漢理工大學的范典等人基于光纖傳感技術設計了如下實驗[13]：光纖應變傳感器A和B之間的扣件是牢固的，光纖應變傳感器B和C之間的扣件是松動的。當列車依次經過A、C兩個傳感器時，光纖應變傳感器A產生的應力曲線是清晰平滑的，而光纖應變傳感器C產生的應力曲線上隨著機車的前進明顯疊加了許多異常的應變沖擊，由此可以判斷出扣件的健康情況。圖5為實驗系統結構。

圖5 實驗系統結構

3.3 地質雷達無損檢測評估法

地質雷達無損檢測法是基于高頻電磁波探測地下地質構造與特征的電磁波探測技術。探測時發(fā)射天線向地下連續(xù)發(fā)射脈沖式高頻電磁波，當電磁波傳播過程中遇到地下介質的電磁性差異分界面時，就會發(fā)生反射和透射，通過接收天線接收傳回地表的電磁波[14]。電磁波在傳播過程中，其波形、路徑和電磁場強度會隨所通過的介質的幾何形態(tài)和電性性質發(fā)生變化。圖6為地質雷達的原理示意。

圖6 地質雷達原理示意

對于軌道結構內部病害，如板間離縫，混凝土內部不密實和空洞等，均可以采用地質雷達法進行探測。同樣當對這些軌道內部病害進行整治后，也可采用地質雷達法進行評估，判斷無砟軌道病害的修復情況。

圖7為用地質雷達法探測到的道床板與支撐層間的空隙[5]。圖8為正常的無砟軌道典型檢測圖像[5]。通過將進行病害整治后的無砟軌道檢測圖像與圖7和圖8進行對比，就可以評估維修方法對病害的修復程度。

圖7 道床板與支撐層間的空隙

圖8 正常的無砟軌道典型檢測圖像

綜上所述，3種檢測方法均能對無砟軌道的整治效果進行評估，但各有其優(yōu)缺點。軌檢車檢測內容廣，精度高，但主要針對的是軌道幾何形位的測試；同時軌檢車檢測周期較長，無法對軌道結構長期連續(xù)測量。光纖傳感技術可以實現對軌道結構的長期監(jiān)測，但主要是靜態(tài)測試，無法反映列車運行時基礎設施的真實狀態(tài)。地質雷達技術可以對軌道的內部病害進行探測，檢測效果直觀，但其檢測時易受各種電磁干擾的影響，且分辨率隨探測深度的增加而減小。

4 結論

針對無砟軌道結構的主要病害及整治方法，介紹了軌道動態(tài)檢測、光纖傳感監(jiān)測和地質雷達無損檢測3種整治評估方法，得出以下結論。

(1)無砟軌道的常見病害包括軌道板與砂漿離縫，基礎沉降，鋼軌病害等，對應的整治措施為灌注膠，扣件調整和鋼軌打磨等。

(2)無砟軌道病害整治的效果最終體現在軌道結構的平順性上，利用軌道檢測車可以對CA砂漿離縫、無砟軌道路基差異沉降、鋼軌波磨等病害引起的軌道不平順進行動態(tài)檢測，準確地評估病害引起的軌道不平順在整治結束后是否已經減小或消除。軌道檢測車是目前指導維修、保證高速鐵路運行安全最主要的檢測評價手段，具有檢測效率高，精度高等優(yōu)點，但僅能檢測軌道的平順狀態(tài)。

(3)光纖傳感技術具有非電檢測、可遠傳、體積小、質量小、抗電磁干擾、精度高、使用壽命長等優(yōu)點，光纖的成本低廉和容易操作性為以后的維護工作奠定了一定的基礎。采用光纖傳感技術對無砟軌道病害整治后的軌道系統進行長期監(jiān)測可以評價所采用的維護方法的耐久性和長期穩(wěn)定性，可以實現實時、自動監(jiān)測。但是，光纖傳感器在其今后的發(fā)展中，還有許多實際工程應用方面的問題需要解決，以實現光纖傳感器的更廣泛應用。

(4)雷達探測法對板間的離縫、雙塊無砟軌道內部混凝土不密實和空洞等主要病害，可以實現快速、準確地無損探測，檢測結果可以準確地反應病害發(fā)育的范圍、深度。并可借助該技術直觀地看到整治后的軌道細部圖像，從而判斷病害評估維修方法和修復的程度是否可行有效。雷達探測法目前是各類檢測手段中最為方便、快捷和準確的方法，但是總體探測的經驗尚少，還需要更多的實踐總結。

(5)3種無砟軌道整治效果評估方法均有其優(yōu)缺點和適用范圍，具體的評估方法應根據現場的實際情況和使用需求來確定。

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An Approach to Quantitative Assessment Method for the Remedy of Ballastless Track of High-Speed Railway

YANG Yong-ming

(Project Management Center of China Railway Corporation， Beijing 100844， China)

Service status of track has a direct influence on the safety and stability of high-speed train operation. With the extensive use of ballastless track， the defect of ballastless track has become one of the main factors affecting the regularity and stability of track. Now there are many remedy measures for ballastless track， but the assessment of the effectiveness of remedy measures remains one of the difficulties in daily maintenance. In view of the major defects of ballastless track and the corresponding remedy measures， this paper introduces and compares the three assessment methods such as track dynamic testing， fiber sensing monitoring and geologic radar inspection， which provide

for the application of quantitative assessment method for ballastless track of high-speed railway．

High-speed railway; Ballastless track; Defect remedy; Quantitative assessment

2014-10-15；

2015-02-13

楊永明(1975—)，男，高級工程師，1999年畢業(yè)于西安公路交通大學機械制造工藝及設備專業(yè)，工學學士；2010年畢業(yè)于中國地質大學建筑與土木工程專業(yè)，工程碩士，E-mail：5054342@qq.com。

1004-2954(2015)10-0064-04

U238； U216.9

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.015