趙晨暉,李再幃,路宏遙,何越磊

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,上海 201620)

引言

近年來，無砟軌道結(jié)構(gòu)作為高速鐵路主要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式在我國得到了廣泛的應(yīng)用；其中，縱連式無砟軌道結(jié)構(gòu)類型已累計(jì)鋪設(shè)超過1萬km。隨著基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)服役時(shí)間的增加，服役性能劣化現(xiàn)象凸顯，養(yǎng)護(hù)維修工作量日益增加，與維修“天窗”時(shí)間減少矛盾日益突出。因此，為了提升維修作業(yè)效率，保證基礎(chǔ)設(shè)施服役性能，對影響無砟軌道結(jié)構(gòu)服役性能的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

針對軌道結(jié)構(gòu)服役性能問題，國內(nèi)外學(xué)者展開了大量研究，取得了豐富的研究成果。如文獻(xiàn)[1-2]開發(fā)了軌道狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，對軌道線路運(yùn)行狀態(tài)的動態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測并實(shí)時(shí)評估軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)。文獻(xiàn)[3]通過在無砟軌道內(nèi)部預(yù)埋溫度傳感器，采用離線處理的方式對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析。文獻(xiàn)[4]研發(fā)了高架站無砟軌道道岔監(jiān)測數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用后臺服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集、處理、存儲和備份，實(shí)現(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施全天候的在線自動監(jiān)測。文獻(xiàn)[5-6]利用光纖光柵傳感技術(shù)建立高鐵無砟軌道系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測平臺，并結(jié)合軌道質(zhì)量指數(shù)，分別建立了無砟軌道狀態(tài)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型和結(jié)構(gòu)疲勞預(yù)測模型。文獻(xiàn)[7-9]采用新的監(jiān)測方法，將傳感器讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送到經(jīng)過的列車上，再將這些列車作為“數(shù)據(jù)騾子”，將信息上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器，對板式軌道的軌道振動和位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。文獻(xiàn)[10-11]利用傳熱學(xué)原理及有限元仿真等方法建立氣象資料、線路方位、地形地貌等信息與無砟軌道溫度場之間的映射關(guān)系，開發(fā)了無砟軌道溫度監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)而確定溫度場的分布特征。文獻(xiàn)[12-14]采用光纖光柵技術(shù)監(jiān)測軌道受力和小變形，采用視頻感知技術(shù)監(jiān)測軌道敏感部位大變形。文獻(xiàn)[15-17]構(gòu)建了高速鐵路橋上無縫線路遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，對軌溫、氣溫、軌道板溫度及鋼軌溫度力的長期測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這些工作深化了對軌道結(jié)構(gòu)服役性能的認(rèn)識，有效地提升了線路養(yǎng)修水平。但同樣值得思考的是，現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)在移動端監(jiān)測與預(yù)警方面尚存在進(jìn)一步研究的空間，且對縱連式無砟軌道結(jié)構(gòu)寬窄接縫等變形敏感部位研究較少。

基于此，通過在縱連式無砟軌道結(jié)構(gòu)相關(guān)部位中布設(shè)溫度及位移傳感器，采用太陽能作為能源供電，利用數(shù)據(jù)庫和微信小程序相結(jié)合的模式，以阿里云服務(wù)器為中介，進(jìn)行無砟軌道服役性能關(guān)鍵參數(shù)的在線傳輸與管理。

1 服役性能劣化特征

為了有效地掌握縱連式無砟軌道在役服役特征，對某高鐵350 km/h線路軌道狀態(tài)進(jìn)行了調(diào)研分析，線路全長160 km，于2010年建成通車，軌道服役狀態(tài)劣化表征結(jié)果如圖1所示。

圖1 病害類型分布

由圖1可知，縱連式無砟軌道結(jié)構(gòu)病害主要特征表現(xiàn)為軌道板與CA砂漿層間離縫、寬窄接縫破損、軌道板破損和支承層(底座板)壓潰等；病害的等級分類依據(jù)《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》[18]進(jìn)行確定。其中，砂漿層離縫及板間接縫傷損病害類型較為嚴(yán)重，特別是高溫季節(jié)的層間離縫病害尤為突出。

產(chǎn)生此類現(xiàn)象的主要原因是軌道結(jié)構(gòu)采用層狀板式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，軌道板采用縱連方式連接，但由于各層材料參量差異性較大，在高溫條件下構(gòu)造物內(nèi)部溫度逐步累積，引起本身的變形難于控制，導(dǎo)致層間變形協(xié)調(diào)機(jī)制不良，層間病害頻發(fā)。而較大的層間變形直接的外在表現(xiàn)為板端位移變大，進(jìn)而引起軌道幾何形位的變化，特別是高低不平順幅值，有明顯的表征，進(jìn)而影響高速列車運(yùn)營品質(zhì)。此外，統(tǒng)計(jì)結(jié)果還表明，軌道結(jié)構(gòu)破損的病害較小，只有局部破損，說明，結(jié)構(gòu)物整體的設(shè)計(jì)強(qiáng)度可以完全滿足高速鐵路運(yùn)營的要求。

因此，現(xiàn)場結(jié)構(gòu)病害的調(diào)研結(jié)果表明：無砟軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度和層間結(jié)構(gòu)變形是影響結(jié)構(gòu)服役性能的主要影響因素和物理特征參量。只有掌握了這兩類特征參量的狀態(tài)演化規(guī)律，才能有效地掌握無砟軌道結(jié)構(gòu)的在役服役狀態(tài)。

2 監(jiān)測系統(tǒng)建立

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

為了及時(shí)有效地實(shí)現(xiàn)無砟軌道結(jié)構(gòu)服役性能參數(shù)有效量測，本研究采用在結(jié)構(gòu)物內(nèi)部布設(shè)溫度傳感器、層間布設(shè)位移傳感器的方式進(jìn)行監(jiān)測，系統(tǒng)采用自主研發(fā)的溫度及位移智能化數(shù)據(jù)采集平臺。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要由太陽能供電及管理系統(tǒng)、氣象參數(shù)采樣節(jié)點(diǎn)、溫度采樣節(jié)點(diǎn)、變形采樣節(jié)點(diǎn)與底層主控采集及發(fā)送系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)價(jià)格低廉，約為人民幣3萬元/套，具有完整的知識產(chǎn)權(quán)，可進(jìn)行線路全線間隔敷設(shè)，且設(shè)備適用的環(huán)境溫度為-40～60 ℃，其現(xiàn)場測試表面具有較好地抵抗高電磁干擾的特點(diǎn)。系統(tǒng)能源采用太陽能，其通過光伏MPPT一體機(jī)將能量回收并存儲到鋰電池組內(nèi)，并供給主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)一方面通過485總線采集、存儲和發(fā)送各個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，另一方面管理整個(gè)系統(tǒng)的供電，確保溫度場監(jiān)測系統(tǒng)的長時(shí)間在線監(jiān)測。此外，為了高效地分析和管理數(shù)據(jù)，利用DTU數(shù)據(jù)模塊和阿里云服務(wù)器，開發(fā)了Oracle無砟軌道監(jiān)測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 傳感器的選擇及布設(shè)

目前，對于無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度與變形監(jiān)測的傳感器選型，尚無統(tǒng)一的適用標(biāo)準(zhǔn)，往往根據(jù)實(shí)際測試的方案與工程造價(jià)進(jìn)行確定。

在本研究中，定位于提供一種低造價(jià)成本的長期監(jiān)測方案，因此，沒有采用較為廣泛使用的光纖光柵傳感器，而采用了性能較為穩(wěn)定可靠、功耗低且價(jià)格較低的電阻式位移計(jì)和接觸式溫度傳感器，輔以自行開發(fā)的數(shù)據(jù)采集主控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

對于測量軌道板結(jié)構(gòu)位移的電阻式位移計(jì)而言，其需適用于長期測量混凝土或高分子材料構(gòu)造物層間的位移情況，并具有溫度自動補(bǔ)償功能，經(jīng)試驗(yàn)溫度修正系數(shù)甚小，使用中不需要溫度修正，測量精度較高。傳感器通過專門開發(fā)的支架結(jié)構(gòu)，固定于需要測量的層間部件處。如圖3所示。

圖3 位移傳感器布設(shè)

對于無砟軌道內(nèi)部布設(shè)的接觸式PT溫度傳感器而言，需測溫元件與軌道板要有良好的熱接觸，通過熱傳導(dǎo)及對流原理達(dá)到熱平衡，這時(shí)的示值即為被測位置的溫度。為了增加接觸面積以及0.01 ℃的精度控制，溫度傳感器選擇PT100型扁平狀傳感器，通過提前灌注的方案將所需采集的垂向50、100、150 mm以及200 mm溫度場分布點(diǎn)固定住，并利用現(xiàn)場施工鉆孔的方法，有效地實(shí)現(xiàn)了溫度節(jié)點(diǎn)的安裝，如圖4、圖5所示。

圖4 監(jiān)測溫度測點(diǎn)分布

圖5 現(xiàn)場軌道板溫度測點(diǎn)

2.3 數(shù)據(jù)的傳輸及顯示

在獲取無砟軌道服役性能關(guān)鍵參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過獨(dú)立開發(fā)的主控系統(tǒng)，一方面將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲于SD卡中；另一方面，利用主控系統(tǒng)的DTU模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送至阿里云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最后，利用本地的Oracle數(shù)據(jù)庫對測試進(jìn)行本地化、智能化處理分析，并將相關(guān)的結(jié)果反饋至云端數(shù)據(jù)庫進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)庫管理。此外，為了方便工務(wù)人員的管理和使用，同步開發(fā)了生成報(bào)表系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)。模塊的功能構(gòu)架如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理模塊系統(tǒng)功能

3 測試結(jié)果分析

將上述無砟軌道結(jié)構(gòu)服役性能參數(shù)在線監(jiān)測方案應(yīng)用于華東地區(qū)某350 km/h縱連式無砟軌道中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式為橋梁結(jié)構(gòu)，測試時(shí)間為2018年5月至2019年5月。位移傳感器安裝位置為板中、板端離縫與板間接縫，由于分別在上下行方向均安裝了設(shè)備，因此，為了區(qū)分虹橋?yàn)樯暇€方向，杭州為下行方向；溫度傳感器測點(diǎn)分別為深度0、50、100、150、200 mm處；同時(shí)，為了說明環(huán)境參量對無砟軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的影響，這里也在現(xiàn)場布設(shè)了環(huán)境氣象站，同步進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析。

3.1 溫度數(shù)據(jù)

由于監(jiān)測的時(shí)間較長，為了更為有效地研究監(jiān)測數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的服役狀態(tài)演化規(guī)律，本研究選取全年溫度最高的8月和溫度最低的1月數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。此外，溫度梯度是軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參量，因此，這里參考文獻(xiàn)[19]給出了相應(yīng)的板頂(0 mm處測點(diǎn))至板底(200 mm處測點(diǎn))的溫度梯度。結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖7 夏季溫度變化

圖8 夏季溫度梯度

圖9 冬季溫度變化

圖10 冬季溫度梯度變化

由圖7和圖8可知，軌道板溫度呈現(xiàn)較為顯著的周期變化，與氣溫的變化規(guī)律一致，板表溫度較氣溫約高20 ℃；軌道板內(nèi)部溫度隨深度的增加而逐漸降低，呈現(xiàn)了溫度變化的滯后性，深度越大，滯后性越顯著。軌道板內(nèi)部溫度梯度一直處于較高的水平，極端情況下超過了設(shè)計(jì)值的90 ℃/m，說明縱連式軌道板內(nèi)部一直存在較大的縱向溫度作用力，這無疑對整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)能力提出了更高的要求。因此，在夏季高溫期，線路養(yǎng)護(hù)部門對軌道板內(nèi)部溫度場的變化需要密切關(guān)注，以期高效地維護(hù)線路在役服役狀態(tài)。

由圖8和圖9可知，在冬季，軌道板溫度與氣溫變化規(guī)律同樣一致，呈現(xiàn)了周期性變化，但板溫的滯后性較弱，溫度梯度也符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，說明冬季的縱連式軌道板內(nèi)部溫度力處于低位水平。

對比夏季和冬季的監(jiān)測結(jié)果可知，對高速鐵路縱連式軌道板而言，夏季的工作重點(diǎn)應(yīng)為掌握軌道板溫度場的變化，以便科學(xué)合理地安排應(yīng)急性維修即狀態(tài)維修為主。而在冬季的維修重點(diǎn)應(yīng)為恢復(fù)軌道板設(shè)計(jì)性能為主，以便長期的保證軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)即預(yù)防性維修為主。所以，要求線路養(yǎng)護(hù)部門根據(jù)季節(jié)性變化來合理安排維修工作的重點(diǎn)，以便更為合理有效地延長高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施在役服役的高性能和高狀態(tài)。

3.2 位移數(shù)據(jù)

縱連式無砟軌道結(jié)構(gòu)縱向溫度力作用的外在表征為軌道板的結(jié)構(gòu)變形，而以混凝土材料為主的無砟軌道結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)能力較弱，因此，為了進(jìn)一步明確無砟軌道服役狀態(tài)變化規(guī)律，這里同樣給出了與溫度對應(yīng)的軌道板結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測結(jié)果，如圖11、圖12所示。

圖11 夏季橋梁位移變化曲線

圖12 冬季橋梁位移變化曲線

對比分析圖11和圖12可知，夏季高溫季節(jié)，縱連式無砟軌道位移與環(huán)境溫度關(guān)聯(lián)極高，呈現(xiàn)了同步周期性變化規(guī)律，變形的最大值為1.1 mm；而在冬季，軌道位移與環(huán)境溫度在較低溫情況下，呈現(xiàn)了比較明顯的滯后性，最大值為0.9 mm。構(gòu)造物基本具有溫度越大，變形越明顯的特征。

對比軌道板不同部分的變形數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對板間的寬窄接縫整體而言變形較小，且冬季的變形量較夏季高溫期大，說明縱連式軌道板的“植筋”修復(fù)性作業(yè)措施[20]有效地抑制了板間的溫度應(yīng)力釋放行為，減小了寬窄接縫的傷損，在一定程度上恢復(fù)無砟軌道整體的變形協(xié)調(diào)能力。但同樣值得關(guān)注的是，冬季變形量值較夏季大，說明結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度力沒有得到根本性釋放，仍存在著巨大的溫度力。

對板端和層間的位移進(jìn)行分析可知，夏季高溫期，板端和層間的變形基本一致，而在冬季則低溫期板間位移較大，板兩端位移變形相對較為一致。說明低溫期，特別要注意板中的層間離縫病害。

從實(shí)際的監(jiān)測數(shù)據(jù)同樣可知，對于“植筋”作業(yè)其在夏季高溫期有效抑制了漲板病害，但在低溫期則需要進(jìn)一步深入的研究?？傊?，對于縱連式無砟軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的修復(fù)性措施而言，需要對其服役狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行長期的監(jiān)測，以便為更科學(xué)合理地進(jìn)行線路維修提供技術(shù)支撐。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息化管理

本研究基于阿里云平臺對上述監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)管理與報(bào)表生成，其中，系統(tǒng)報(bào)表的生成與輸出是自動化管理。典型結(jié)果如圖13所示。

圖13 某典型測點(diǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表

4 結(jié)論

通過自主開發(fā)的智慧型溫度與位移自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)，對縱連式無砟軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行管理，其具有數(shù)據(jù)自動化、信息化管理的特點(diǎn)，主要研究結(jié)論如下。

(1)采用太陽能作為能源供給、PT100型溫度傳感器、LVDT拉桿式位移傳感器以及阿里云數(shù)據(jù)管理庫的智慧型在線監(jiān)測方案是一種典型低成本、高性能且具有較好推廣應(yīng)用價(jià)值的縱連式無砟軌道服役狀態(tài)管理方式。

(2)縱連式無砟軌道位移與環(huán)境溫度有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，即同步周期性變化規(guī)律，板端變形較板間大，在低溫期運(yùn)維重點(diǎn)是板中的層間離縫病害。

(3)夏季線路維修應(yīng)及時(shí)動態(tài)地確定軌道板溫度場狀態(tài)，且以天氣因素引起的應(yīng)急性維修為主；冬季的維修重點(diǎn)應(yīng)為恢復(fù)軌道板設(shè)計(jì)性能為主，以預(yù)防性維修為主?！爸步睢钡淖鳂I(yè)方式某種程度上恢復(fù)了縱連式無砟軌道的整體變形協(xié)調(diào)能力，但是，其作業(yè)效果的評價(jià)需要對軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期的在線監(jiān)測。