徐玉勝

（中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，廣東深圳518034）

光纖傳感技術(shù)在高鐵基礎(chǔ)設施安全監(jiān)測中的應用

徐玉勝

（中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，廣東深圳518034）

在廣深港客運專線蓮花湖橋隧試驗段應用光纖傳感技術(shù)對鋼軌橫向位移、鋼軌應變、橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺相對位移等進行了監(jiān)測。分析結(jié)果表明：列車經(jīng)過時，鋼軌軌腰與軌底處最大拉應變約為170×10-6，鋼軌橫向位移在1.0 mm以內(nèi)，橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺相對最大變形橫向約為0.8 mm，縱向約為1.5 mm。分布式光纖傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)可以定性地反應溫度作用下鋼軌的應變狀態(tài)，高鐵基礎(chǔ)設施現(xiàn)場安全監(jiān)測宜采用光柵傳感和分布式光纖傳感相結(jié)合的方式。

光纖傳感技術(shù)；高鐵基礎(chǔ)設施；安全監(jiān)測

目前對高鐵基礎(chǔ)設施狀態(tài)的安全監(jiān)測及檢測主要依靠天窗期開行綜合檢測列車和人工巡視。為了在高鐵運營期間進行實時監(jiān)測，需要在高鐵基礎(chǔ)設施上布設傳感器。工程監(jiān)測領(lǐng)域應用較為成熟的監(jiān)測儀器有電阻式傳感器和振弦式傳感器。高鐵線路的牽引動力電流以及軌道信號電流限制了電阻式傳感器的應用，而振弦式傳感器在長期監(jiān)測時易出現(xiàn)零點漂移，也限制了其在高鐵基礎(chǔ)設施長期監(jiān)測中的應用。光纖傳感技術(shù)與傳統(tǒng)的電類傳感器和機械傳感器相比，具有抗電磁干擾、耐腐蝕、質(zhì)量輕、體積小、兼?zhèn)鋫鞲泻蛡鬏敼δ?、壽命長、可實現(xiàn)遠距離的監(jiān)測與傳輸、使用期限內(nèi)維護費用低等優(yōu)點，非常適合于高鐵基礎(chǔ)設施的長期實時監(jiān)測。

1　光纖傳感技術(shù)簡介

光纖傳感技術(shù)是一種以光纖為媒質(zhì)，光為感知載體和信號傳輸載體的傳感技術(shù)。當光波在光纖中傳輸時，一旦受到外界應力、溫度等因素的影響，其傳輸光的波長、頻移等參數(shù)會發(fā)生改變，通過對這些參數(shù)的監(jiān)測，可獲知光纖外面的環(huán)境信息。光纖傳感技術(shù)采用的傳感器按照傳感范圍可以劃分為單點式光纖光柵傳感器和分布式光纖傳感器。

1.1單點式光纖光柵傳感器

單點式光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化的相位光柵，當光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應力、應變或其他物理量發(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，波長與待測應變或溫度為一一對應關(guān)系，通過測量結(jié)構(gòu)物變形前后反射光波長的變化，就可以獲得對應應變或溫度的變化。為了消除溫度的影響，光纖光柵類傳感器通常包含2個光纖光柵，并對稱放置或其中1個懸空放置以實現(xiàn)溫度補償。光纖光柵傳感器工作原理見圖1。

圖1　光纖光柵傳感器工作原理

波長變化隨應變和溫度的變化規(guī)律為

式中：ΔλB為中心波長變化量；k為應變系數(shù)；Δε為應變量；α為光纖光柵溫度系數(shù)；ΔT為溫度變化量。

1.2分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感器基于布里淵散射工作原理（見圖2）。解調(diào)設備在光纖兩端注入泵浦光和連續(xù)探測光，當2束光頻率差等于光纖某點的布里淵頻移時，弱的連續(xù)光信號將被強的脈沖泵浦光放大，使解調(diào)信號增大，解調(diào)靈敏度增高。當光纖某點發(fā)生應變或溫度變化時，布里淵頻移會發(fā)生相應變化，頻移變化與應變或溫度變化為一一對應關(guān)系，關(guān)系形式如式（1）。

圖2　分布式光纖布里淵散射工作原理

2　應用案例

廣深港客運專線蓮花湖橋隧試驗段位于東莞市長安鎮(zhèn)和大嶺山鎮(zhèn)交界處，該段包括橋梁（10 m）、普通路基（70 m）和隧道（20 m）?？紤]到影響高鐵運營安全，現(xiàn)場主要對鋼軌橫向位移、鋼軌應變、橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺之間相對位移等項目進行監(jiān)測。鋼軌橫向位移、橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺相對位移采用光柵位移計傳感器，鋼軌應變監(jiān)測采用了分布式光纖和光纖光柵傳感器2種。光纖傳感器布設如圖3所示。光纖傳感器檢測項目見表1。

圖3　光纖傳感器布設示意

表1　光纖傳感器檢測項目

用于監(jiān)測鋼軌橫向位移的光柵位移計一端通過膨脹螺絲固定在軌道板上，另一端通過特制夾具固定在鋼軌軌底處。鋼軌橫向位移光柵位移計布設見圖4。

監(jiān)測鋼軌應變的分布式光纖和光纖光柵傳感器均布設在鋼軌軌腰與軌底交界處，按照設定的預張拉量對分布式光纖和光纖光柵傳感器張拉之后涂膠水固定。

監(jiān)測橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺相對位移的光柵位移計沿線路縱向和橫向分別布設，光柵位移計一端通過膨脹螺絲固定在墩臺上，另一端通過膠水固定在橋梁橫向限位裝置上。

圖4　鋼軌橫向位移光柵位移計布設示意

3　測試數(shù)據(jù)分析

3.1鋼軌橫向位移

3.1.1列車經(jīng)過時鋼軌橫向位移

列車經(jīng)過時，按照1 kHZ頻率采集數(shù)據(jù)，得到的鋼軌變形見圖5。可見，列車車輪經(jīng)過測點時，鋼軌橫向位移最大，最大值約1.0 mm，整列列車經(jīng)過之后，鋼軌橫向變形立即復原。

圖5　列車經(jīng)過時光柵位移計所測變形

3.1.2溫度作用下鋼軌橫向位移

為了確定溫度荷載對鋼軌橫向位移的影響，按照1次/10 min的采集頻率采集數(shù)據(jù)。1 d內(nèi)溫度作用下鋼軌變形量變化曲線見圖6（a），溫度變化曲線見圖6（b）。

圖6　鋼軌溫度變形與溫度隨時間變化趨勢

由圖6知，測試當天現(xiàn)場溫度在19.5～35.5℃，溫度作用下鋼軌橫向位移最大值約0.2 mm，表明該路段溫度變化引起的鋼軌橫向位移較小。列車荷載對鋼軌作用時間較短，列車經(jīng)過后橫向位移立刻恢復，鋼軌橫向位移主要是溫度變化引起的熱脹冷縮所致。

3.2鋼軌應變

3.2.1列車經(jīng)過時鋼軌應變

由于列車運行速度非?？?，為了捕捉到列車經(jīng)過時鋼軌應變的變化，按照1 kHz頻率動態(tài)采集數(shù)據(jù)。列車經(jīng)過時某測點的鋼軌應變變化見圖7。

圖7　列車經(jīng)過時光纖光柵傳感器所測鋼軌應變

由圖7可知，列車車輪經(jīng)過測點時傳感器所測應變出現(xiàn)明顯波峰，單節(jié)車輛前后車輪經(jīng)過測點時間間隔為0.31 s，按照列車速度300 km/h計算，車廂長度為25.8 m，與單節(jié)車廂實際長度25 m接近，表明布設光纖光柵傳感器可以準確測出列車荷載對鋼軌橫向位移的影響。光纖光柵傳感器所測數(shù)據(jù)顯示列車有8節(jié)車廂經(jīng)過，列車經(jīng)過時光纖光柵傳感器所測鋼軌最大拉應變約為170×10-6，最大壓應變約為20×10-6，根據(jù)計算相應的鋼軌豎向變形量在0.05～-0.40 mm。列車經(jīng)過之后，鋼軌的應變變化量迅速減小至3× 10-6以內(nèi)，表明單次列車荷載作用下鋼軌沒有產(chǎn)生塑性變形。

3.2.2溫度力作用下鋼軌應變

鋼軌應變主要由鋼軌橫向壓力、列車荷載和溫度共同作用引起，由鋼軌橫向位移數(shù)據(jù)分析可知鋼軌變形受橫向力影響較小，列車荷載對鋼軌的影響主要在列車經(jīng)過時，列車經(jīng)過后不產(chǎn)生塑性變形，因此，鋼軌應變主要由現(xiàn)場溫度變化引起。1 d內(nèi)不同時刻溫度力作用下鋼軌應變見圖8。

圖8　不同時刻溫度力作用下鋼軌應變

結(jié)合圖6（b）分析，現(xiàn)場布設在鋼軌上的溫度傳感器顯示02：28鋼軌溫度為19.5℃，在12：12升高至35.5℃，14：54所測溫度約為35.5℃，此后溫度開始降低，在17：27降至21℃?，F(xiàn)場光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)表明溫度升高后鋼軌產(chǎn)生壓應變，隨著溫度的升高壓應變一直增大，溫度降低后壓應變減小?，F(xiàn)場鋼軌溫度升高1℃產(chǎn)生的壓應變約為15×10-6。

3.3橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺相對位移

3.3.1列車經(jīng)過時橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺相對位移

列車經(jīng)過時以1 kHz的采集頻率對布設在橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺之間的光柵位移計進行數(shù)據(jù)采集，所測變形見圖9。

圖9　列車經(jīng)過時橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺間縱向與橫向變形

由圖9可知，橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺之間的縱向和橫向均產(chǎn)生變形，列車經(jīng)過時橫向變形最大值約0.8 mm，縱向變形最大值約1.5 mm。列車經(jīng)過之后，縱向變形和橫向變形迅速減小至0.2 mm以內(nèi)，表明單次列車荷載對橋梁結(jié)構(gòu)影響較小。

3.3.2溫度作用下橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺相對位移

1d內(nèi)按照1次/10 min的采集頻率對布設的縱向和橫向光柵位移計進行數(shù)據(jù)采集，列車及溫度作用下橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺相對位移見圖10。結(jié)合圖6（b）分析，在列車開通運行之后，溫度升高，橋梁上部結(jié)構(gòu)和墩臺之間縱向和橫向相對位移均有所變大，橫向、縱向均在0.5 mm以內(nèi)，說明在短時間內(nèi)列車荷載及溫度的變化對橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺相對位移量的影響非常小，在可控范圍內(nèi)。

圖10　溫度作用下橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺相對位移

4　結(jié)論

將光纖傳感監(jiān)測技術(shù)在廣深港客運專線蓮花湖橋隧試驗段進行了應用，并對現(xiàn)場應用情況進行總結(jié)并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析。得出如下結(jié)論：

1）光柵傳感器監(jiān)測精度高，可對鋼軌應變、鋼軌橫向位移以及橋梁上部結(jié)構(gòu)與橋墩相對位移進行實時動態(tài)監(jiān)測，能夠及時監(jiān)測到這些參數(shù)的微小變化，非常適合高鐵運營時期的動態(tài)實時監(jiān)測。

2）分布式光纖傳感器可明顯監(jiān)測到溫度荷載作用下鋼軌的應變變化情況，為高鐵鋼軌應變監(jiān)測提供了一種定性的監(jiān)測方式。

3）列車荷載作用下鋼軌橫向變形、鋼軌應變以及橋梁上部結(jié)構(gòu)與橋墩相對位移均非常小，并且列車經(jīng)過后變形很快恢復，表明列車荷載對現(xiàn)場基礎(chǔ)設施影響較小。

4）光纖傳感器的測試數(shù)據(jù)可準確反應各測試項目的實際變化規(guī)律，表明現(xiàn)場傳感器的布設和測試方法均比較適合高鐵基礎(chǔ)實施的在線安全監(jiān)測。

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［3］趙國堂.高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［4］徐玉勝.基于光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ)設施在線安全監(jiān)測相關(guān)技術(shù)研究［R］.深圳：中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，2013.

［5］徐玉勝.基于分布式光纖傳感技術(shù)的高速鐵路路基隧道變形監(jiān)測技術(shù)研究［R］.深圳：中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，2015.

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Application of Optical Fiber Sensing Technology in Safety Monitoring for High Speed Railway Infrastructure

XU Yusheng
（Shenzhen Research and Design Institute，China Academy of Railway Sciences，Shenzhen Guangdong 518034，China）

T he optical fiber sensing technologywas applied in Lianhua Lake bridge/tunnel test section of Guangzhou-Shenzhen-Hongkong passengers dedicated railway.T he rail lateral displacement，rail strain，and relative movement between bridge upperstructure and piers were monitored.T he anelysis results showed the maximum tensile strain was 170×10-6at the rail waist/bottom，the rail lateral displacement was within 1.0 mm，and the maximum relative movement between bridge upperstructure and piers was 0.8 mm in the lateral direction and 1.5 mm in the longitudinal direction.T he monitoring data from distributed optical fiber sensors may be used to qualitatively analyze rail strain which is affected by temperature.As for the safety monitoring of high-speed rail infrastructure，the combination of grating sensors and distributed optical fiber sensors is suggested.

Optical fiber sensing technology；High speed rail infrastructure；Safety monitoring

U213.4

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.36

1003-1995（2016）09-0143-05

（責任審編李付軍）

2016-05-25；

2016-07-15

徐玉勝（1967—），男，副研究員。