郭高冉，崔旭浩，杜博文

（1. 武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；2. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；3. 北京航空航天大學(xué) 計算機學(xué)院，北京 100191）

1 研究背景

CRTS Ⅱ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)在我國京津、京滬、京石武、滬杭、杭甬等多條干線鐵路上廣泛使用。CRTS Ⅱ型板式無砟軌道是全線縱連結(jié)構(gòu)，由鋼軌、扣件、軌道板、CA 砂漿層以及底座板組成，通過軌道板與軌道板間聯(lián)結(jié)鎖件和現(xiàn)澆混凝土形成全線縱連體系。運營初期，該型軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好，但隨著運營時間和運營里程的增加，軌道結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)諸如軌道板和底座板裂紋、CA 砂漿層脫空、基礎(chǔ)變形以及軌道板上拱病害等問題[1]。在列車荷載長期作用及外界環(huán)境的影響下，CRTS Ⅱ型板式無砟軌道線路基礎(chǔ)會產(chǎn)生沉降變形。當(dāng)基礎(chǔ)沉降變形過大時會導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間產(chǎn)生脫空，并誘發(fā)軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生層間病害，破壞軌道結(jié)構(gòu)的整體性，改變軌道結(jié)構(gòu)的受力傳力機制，加速軌道結(jié)構(gòu)的病害及劣化。CRTS Ⅱ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)變形會映射到軌面產(chǎn)生軌道不平順，當(dāng)高速列車經(jīng)過軌道不平順區(qū)段時，輪軌振動沖擊會大大增加，該異常振動經(jīng)車輪向上傳遞給車輛引起車輛運行安全性問題以及旅客乘坐不舒適；經(jīng)鋼軌向下傳遞給軌道結(jié)構(gòu)引起無砟軌道結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)增大以及軌道結(jié)構(gòu)的累積變形，給高速鐵路的安全運營和維護帶來潛在威脅。

在高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)變形研究方面，相關(guān)學(xué)者已開展了大量研究工作。高建敏等[2]采用車輛-軌道耦合動力學(xué)和有限單元法，分析了高速鐵路無砟軌道路基不均勻凍脹變形對輪軌系統(tǒng)的動力學(xué)影響，發(fā)現(xiàn)了因路基不均勻沉降變形而加劇車輛和軌道系統(tǒng)的振動響應(yīng)。郭建湖[3]提出了基于微變形擾動的先微型樁后花管注漿的整治方案。趙文博[4]通過動力學(xué)仿真研究了路基凍脹對列車動力響應(yīng)的影響，給出了無砟軌道不同行車速度時路基凍脹管理值。郝廣明[5]提出了基于靜力水準(zhǔn)儀的自動監(jiān)測系統(tǒng)，并應(yīng)用于新建濟青高鐵對膠濟客專沉降影響的監(jiān)測工作中。劉攀[6]以杭長客專為背景，建立了小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)了對路基沉降數(shù)據(jù)的分析預(yù)測。周榮[7]采用靜力水準(zhǔn)儀方法，實現(xiàn)了武廣高鐵路基變形監(jiān)測，并驗證了監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。宋健[8]對上述方法進行擴展，利用CP Ⅲ水準(zhǔn)點，采用精密水準(zhǔn)測量的方法，對石武客專的路基沉降進行了監(jiān)測。劉昭[9]利用沉降計、柔性位移計、單點位移計、沉降磁環(huán)等元器件對鄭西客專的路基沉降進行了監(jiān)測，并采用雙曲線法、三點法及Asaoka 法3 種回歸分析法預(yù)測了試驗斷面的沉降。師紅云[10]分析了時序雷達(dá)差分干涉測量（MT-InSAR）技術(shù)在高速鐵路區(qū)域沉降監(jiān)測方面的應(yīng)用，并設(shè)計了集合地面測量技術(shù)和InSAR 技術(shù)的多途徑高速鐵路沉降監(jiān)測綜合系統(tǒng)的基本框架。

實際上軌道結(jié)構(gòu)的振動狀態(tài)也是軌道結(jié)構(gòu)變形及服役性能的一種反映，但從既有文獻(xiàn)可以看出，當(dāng)前針對高速鐵路無砟軌道變形監(jiān)測所采用的基于水準(zhǔn)原理的點式局部沉降變形監(jiān)測方法，是針對靜態(tài)變形行為的監(jiān)測方法，達(dá)不到實時監(jiān)測要求；所采用的基于電類檢測方法，在復(fù)雜環(huán)境下存在零點漂移等現(xiàn)象，并且電類檢測信號傳輸距離有限，難以形成基于大規(guī)模組網(wǎng)環(huán)境下的長期、遠(yuǎn)距離、自動化監(jiān)測[11]。

而光纖振動傳感技術(shù)以光波為載體、光纖為媒介，具有抗電磁干擾、可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)勢，且光纖振動傳感技術(shù)的復(fù)用和組網(wǎng)能力較強，與傳統(tǒng)電類測試技術(shù)相比還有電絕緣、耐腐蝕、無漂移等特點，可以滿足高速鐵路長期監(jiān)測的需要[12]。因此，提出一種基于光纖振動加速度傳感陣列的CRTS Ⅱ型板式無砟軌道基礎(chǔ)變形監(jiān)測新方法，通過聯(lián)合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（Empirical Method Decomposition，EMD）-功率譜分析，識別高速鐵路基礎(chǔ)及無砟軌道結(jié)構(gòu)的振動特征，達(dá)到異常監(jiān)測目的。在某運營線路路橋過渡段進行現(xiàn)場實測，結(jié)果表明，該方法可為保障高鐵無砟軌道結(jié)構(gòu)持久、安全、可靠運用提供一種新的監(jiān)測手段。

2 監(jiān)測方法概述

監(jiān)測方法所采用的光纖振動傳感陣列由8 個光纖振動加速度傳感器組成，每個光纖振動加速度傳感器由邁克爾遜干涉儀[13]和基于雙金屬膜片的感測元件構(gòu)成，邁克爾遜干涉儀的工作原理見圖1。可調(diào)諧窄帶寬激光通過耦合器分成頻率相同、偏振態(tài)一致的2 束光。2 束光進入邁克爾遜干涉儀的2 臂，其中一臂受外界加速度振動信號的作用，另外一臂不受外界影響。攜帶外界加速度振動信號的光與不受外界影響的光產(chǎn)生相位差，通過法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射回耦合器的輸入端并產(chǎn)生干涉光強。通過光電探測器和采集卡后進入相位產(chǎn)生載波解調(diào)程序解調(diào)出相位差的變化量，從而拾取被測外界加速度振動信號。2 束光迭代反射，2 支信號臂的光程差加倍引起相位差的增倍，因此采用該邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)能夠提高傳感器的靈敏度?；陔p金屬膜片的感測元件[13]結(jié)構(gòu)見圖2。由矩形膜片支撐的質(zhì)量塊構(gòu)成了光纖加速度傳感器的敏感元件，光纖邁克爾遜干涉儀的信號臂在一定預(yù)應(yīng)力作用下纏繞在可移動端蓋和固定端蓋的表面。該傳感器受到外界加速度振動信號作用時，質(zhì)量塊相對于基座產(chǎn)生一個位移，使矩形膜片發(fā)生形變，從而導(dǎo)致纏繞在可移動端蓋和固定端蓋表面上光纖長度發(fā)生變化。光纖長度的變化通過邁克爾遜干涉儀轉(zhuǎn)化為光相位差的變化，最后由后端解調(diào)技術(shù)提取出相位差信號，從而還原出外界加速度振動信號。所用傳感器的靈敏度為2 pm/g，采樣率為10 kHz。

圖1 邁克爾遜干涉儀工作原理

圖2 光纖振動傳感器感測元件結(jié)構(gòu)

3 現(xiàn)場實測

3.1 測試環(huán)境選取及設(shè)備布設(shè)

測試路段選取新建高鐵與既有運營高鐵的交匯區(qū)域。當(dāng)新建線路與既有線鄰近時，新建線路施工過程中的填挖方、路基壓實等施工作業(yè)，勢必會對既有線的基礎(chǔ)產(chǎn)生擾動。當(dāng)擾動過大時會加速既有線的沉降變形，形成軌道高低不平順。且由于橋梁與路基支撐方式不同，對臨近線路施工引起基礎(chǔ)沉降變形的敏感程度也存在差異，從而映射至軌道結(jié)構(gòu)的變形也不相同。因此，鄰近新建線路施工作業(yè)的既有線路路橋過渡段可以視為CRTS Ⅱ型板式無砟軌道基礎(chǔ)變形隱患的重點監(jiān)測區(qū)段。

振動測點布置于受列車影響較明顯、振動較大的區(qū)域但避免跨線作業(yè)，因此將光纖振動傳感陣列及傳輸光纜安裝在離軌道板4 m 左右的弱電纜槽內(nèi)。這種布點方式既可避免安裝傳感器及布線對高速鐵路行車安全帶來威脅，又可在一定程度上捕獲由列車荷載引起的軌道結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。此外，由于光纖振動監(jiān)測具有抗電磁干擾的優(yōu)點，可以不考慮電纜槽內(nèi)電纜對測試信號的干擾?，F(xiàn)場監(jiān)測實景見圖3，傳感器在電纜槽內(nèi)的位置見圖4。從變形原理角度看，此變形會隨著臨近線施工進度的不同而逐漸變化，從而通過軌旁振動信號得到軌道結(jié)構(gòu)的振動特性。

圖3 現(xiàn)場監(jiān)測實景

圖4 傳感器在電纜槽內(nèi)的位置

3.2 監(jiān)測方案

測試所選取的監(jiān)測區(qū)域存在橋梁與路基2 種不同支撐方式。因此首先按照路橋過渡段端刺結(jié)構(gòu)的受力特點，在橋梁兩側(cè)梁端位置、橋梁跨中位置各布設(shè)1 個測點，以監(jiān)測整個橋跨范圍的軌道結(jié)構(gòu)整體變形狀態(tài)。考慮到橋梁各種變形條件下對梁縫附近第1 塊軌道板的變形狀態(tài)影響較為顯著，為了凸顯第1 塊軌道板對應(yīng)范圍的軌道結(jié)構(gòu)變形，在第1 塊板范圍內(nèi)增加1 個測點，故路橋過渡段橋梁側(cè)共設(shè)置4 個測點。

考慮路基與橋梁上軌道結(jié)構(gòu)存在一定差異，為滿足橋梁底座混凝土縱向力的平衡，采用特殊摩擦板及端刺結(jié)構(gòu)作為橋梁與路基之間的過渡。端刺主要起底座板的錨梁作用，承受底座板的大部分水平荷載；摩擦板主要起減緩底座板向端刺傳遞縱向力的作用。因此，路橋過渡段路基側(cè)測點的設(shè)置需要考慮端刺結(jié)構(gòu)受力變形的影響。故而在第1、第4 個小端刺及主端刺位置分別設(shè)置1 個測點，過渡板板端路基對應(yīng)位置設(shè)置1 個測點，故路橋過渡段路基側(cè)共設(shè)置4 個測點。路橋過渡段傳感器安裝縱斷面和平面示意分別見圖5、圖6。該陣列中傳感器的個數(shù)與實際監(jiān)測結(jié)構(gòu)的受力變形情況有關(guān)。

圖5 路橋過渡段傳感器安裝縱斷面示意圖

圖6 路橋過渡段傳感器安裝平面示意圖

4 數(shù)據(jù)分析

測試過程中光纖振動傳感陣列感知的振動信號為車輪和鋼軌接觸產(chǎn)生的振動信號并經(jīng)過層層衰減到達(dá)電纜槽的那部分?，F(xiàn)場測試共監(jiān)測7 d，獲得了大量數(shù)據(jù)。從海量數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到列車經(jīng)過時引起軌道結(jié)構(gòu)的振動特性是后續(xù)病害識別及趨勢預(yù)測的重要環(huán)節(jié)。采用時域分析方法得到輪軌振動信號的時域特征，采用聯(lián)合EMD-功率譜法得到輪軌振動信號振動特征，與文獻(xiàn)結(jié)果一致，說明該監(jiān)測方法是正確的。

4.1 時域分析

在實際監(jiān)測得到的傳感器振動響應(yīng)信號中（見圖7），測量的信號往往混有各種輪軌噪聲信號，使得許多有用信息都被淹沒，因此需要對信號進行預(yù)處理。采用小波去噪方法（使用sym5 小波函數(shù)并進行了5 層分解）以及五點三次平滑法（平滑了10 000 次）對信號進行預(yù)處理，之后對預(yù)處理的信號進行分析。

圖7 傳感器典型振動響應(yīng)信號

目前高速鐵路列車長度有2 種：8 輛編組和16 輛編組。8 輛編組的列車長度為214 m，16 輛編組的列車長度為428 m。按照列車速度分別為100、200 和300 km/h，計算列車經(jīng)過1 個傳感器的時間，8 輛編組列車和16 輛編組列車分別經(jīng)過1 個傳感器的時間見表1。

表1 列車經(jīng)過傳感器時間 s

由表1 可得，當(dāng)列車速度為100～300 km/h 時，8 輛編組列車通過的時間為3～8 s，16 輛編組列車通過的時間為5～15 s。由現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果可知，列車經(jīng)過傳感器時間多分布在10～20 s 范圍內(nèi)。該現(xiàn)象說明當(dāng)列車還未到達(dá)傳感器時以及列車離開傳感器后，傳感器依然有振動響應(yīng)。測試中對1 號傳感器7 d 內(nèi)同一時刻的振動響應(yīng)進行分析，結(jié)果見表2。

表2 列車未到及離開時傳感器有振動響應(yīng)的時間 s

由表2 可以得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)列車還未到時，傳感器已經(jīng)有了振動響應(yīng)，在列車到達(dá)傳感器前0.5～2.0 s 有振動響應(yīng)，對應(yīng)的距離為15～60 m（列車速度為100 km/h）、31～115 m（列車速度為200 km/h）、46～172 m（列車速度為300 km/h）。

（2）當(dāng)列車駛離傳感器時，傳感器有振動響應(yīng)，在列車駛離傳感器后1.33～2.50 s 時傳感器無振動響應(yīng)，對應(yīng)的距離為37～70 m（列車速度為100 km/h）、74～140 m（列車速度為200 km/h）、110～200 m（列車速度為300 km/h）。

（3）列車駛離傳感器后比列車到達(dá)傳感器前傳感器的振動響應(yīng)時間長，這是由于整列車駛離傳感器后，傳感器對應(yīng)的左右軌道結(jié)構(gòu)全部參振，傳播到傳感器的振動信號多且復(fù)雜，因此傳感器振動響應(yīng)時間較長。

（4）列車速度越高，傳感器振動響應(yīng)距離越長，這是由于列車速度高，因此其傳播距離較長。一般過站車比停站車的速度高，因此過站車比停站車對傳感器的振動影響距離長。

4.2 聯(lián)合EMD-功率譜法

在信號時域分析過程中，能夠得到輪軌振動信號的振動響應(yīng)，但無法得到輪軌振動信號的振動特征。小波變換[14]具有多分辨率的特性而被廣泛應(yīng)用于振動信號處理中，但小波變換中小波基選擇對分析結(jié)果影響較大。一旦確定了某個小波基，在整個分析過程中都無法更換，這個小波基在全局上可能是最佳的，但對某個局部區(qū)域來說卻可能是比較差的，因此，小波變換對信號的處理缺乏自適應(yīng)性。針對上述問題，采用聯(lián)合EMD- 功率譜法分析輪軌振動信號特征。

EMD 是一種采用自適應(yīng)基的時頻局部化分析方法[15]，克服了基函數(shù)無自適應(yīng)性的問題。它基于信號局部特征的時間尺度，把信號分解為若干個內(nèi)涵模式分量（Intrinsic Mode Functions，IMF）之和。由于IMF 函數(shù)突出了數(shù)據(jù)的局部特征，因此是一種新的時頻分析方法，可以有效地提取出軌道振動信號的特征信息。該方法從根本上擺脫了基于傅里葉變換方法的局限性，非常適用于處理輪軌振動信號這種非平穩(wěn)信號。在此，首先利用EMD 方法將輪軌振動信號自適應(yīng)地分解為有限個IMF 函數(shù)，之后對IMF 函數(shù)進行功率譜分析。

列車經(jīng)過傳感器時輪軌振動信號的時域圖見圖8，其中圖8（a）為原始信號，可以看到信號中有許多噪聲信號，因此對信號進行預(yù)處理，得到經(jīng)過去噪和平滑后的波形圖，分別見圖8（b）、圖8（c），其功率譜圖見圖9。

對經(jīng)過預(yù)處理后的信號進行功率譜分析，由圖9可以看到，傳感器振動信號的頻率主要集中在20 Hz 以下，因此，可以確定輪軌振動信號經(jīng)過軌道板、CA 砂漿層、底座板以及基床表層傳遞到電纜槽內(nèi)的振動信號的頻率較低，且為非平穩(wěn)信號。由圖9 無法確定信號具體的頻率值，因此將經(jīng)過預(yù)處理后的輪軌振動信號進行EMD 分解，共得到8 個IMF 函數(shù)，之后對8 個IMF 函數(shù)進行功率譜分析，其中前4 階IMF 函數(shù)及其功率譜圖見圖10、圖11。

由EMD 分解定義可知，IMF1—IMF4 代表的振動信號功率逐漸降低。光纖數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)帶通濾波器的設(shè)置范圍為1～2 000 Hz，測試中采用IIR 濾波器中的巴特沃斯濾波器，利用MATLAB 軟件中設(shè)置相關(guān)參數(shù)并得到該濾波器的形狀見圖12。由圖12 可得，IMF1 信號的主頻為8.0 Hz，IMF2 信號的主頻為3.0 Hz，IMF3信號的主頻為1.6 Hz，而IMF4 信號的主頻無法從圖中得到。因此，可以得出輪軌振動信號經(jīng)過軌道板、砂漿層、底座板以及基床表層到達(dá)電纜槽內(nèi)的信號頻率為低頻信號，主頻分別為1.6、3.0 和8.0 Hz。

圖8 輪軌振動信號的時域圖

圖9 輪軌振動信號功率譜圖

圖10 IMF1 和IMF2 及其功率譜圖

圖11 IMF3 和IMF4 及其功率譜圖

圖12 IIR 型巴特沃斯濾波器形狀

由圖12 可以觀察到，曲線右下方的區(qū)域為帶通濾波區(qū)域。通帶的最小頻率為5 Hz，5 Hz 以上的頻率都能通過。因此可以確定列車經(jīng)過時輪軌振動信號傳遞到電纜槽內(nèi)的信號主頻為8 Hz。此外，還對預(yù)處理后的信號進行統(tǒng)計分析，得到電纜槽內(nèi)振動信號7 d 的峰值加速度和均值加速度結(jié)果見表3。7 d 內(nèi)列車經(jīng)過引起電纜槽振動峰值加速度的平均值為1.33 m/s2，均值加速度的平均值為0.65 m/s2。文獻(xiàn)[16] 對路橋過渡段現(xiàn)場實測得到電纜槽振動加速度最大值為1.3 m/s2，與上述方法得到的結(jié)果一致，說明提出的基于光纖振動加速度傳感陣列的監(jiān)測方法是正確的。該結(jié)果同時也說明該監(jiān)測區(qū)段的路橋過渡段運行狀態(tài)良好，不會對列車運行安全造成威脅。

表3 峰值加速度和均值加速度統(tǒng)計 m/s2

5 結(jié)束語

CRTS Ⅱ型板式無砟軌道整體沉降變形和無砟軌道結(jié)構(gòu)的局部變形均會導(dǎo)致線路產(chǎn)生不平順，增大輪軌系統(tǒng)的動力響應(yīng)，影響高速鐵路的行車安全以及無砟軌道結(jié)構(gòu)的累積變形。在臨近新線施工的某運營線路路橋過渡段進行現(xiàn)場監(jiān)測，采用基于光纖振動加速度傳感陣列的變形監(jiān)測方法，利用時域分析以及聯(lián)合EMD-功率譜信號分析方法，得到輪軌振動信號經(jīng)過軌道結(jié)構(gòu)層層衰減并到達(dá)電纜槽內(nèi)的振動信號特征。與文獻(xiàn)中運營狀態(tài)良好的路橋過渡段監(jiān)測結(jié)果一致，說明該監(jiān)測方法的正確性以及該監(jiān)測地段運行狀態(tài)良好。該監(jiān)測方法不僅能實時掌握軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)，還可為后續(xù)利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析無砟軌道的變形規(guī)律和趨勢預(yù)測建立特征庫。