時(shí)佳斌 柴雪松 王智超 劉艷芬 馮毅杰 凌烈鵬 暴學(xué)志

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中鐵科學(xué)技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100081

受復(fù)雜氣候與地質(zhì)環(huán)境、自然災(zāi)害等影響，鐵路軌道結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)上拱、橫向位移等結(jié)構(gòu)變形［1］，影響軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與耐久性，嚴(yán)重時(shí)威脅鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

國(guó)內(nèi)高校和科研院所相繼開展了軌道在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。畢瀾瀟等［2］通過對(duì)雙塊式無砟軌道溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元模擬和實(shí)測(cè)，提出了雙塊式無砟軌道溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法。閔永智［3］利用圖像技術(shù)進(jìn)行了路基沉降監(jiān)測(cè)。王玉澤等［4］分析了采用電阻應(yīng)變片式、振弦式、電渦流等手段開展軌道綜合監(jiān)測(cè)的應(yīng)用實(shí)例。梅琴［5］選取溫度傳感器、振弦式位移傳感器、振弦式應(yīng)變傳感器在鄭徐高速鐵路跨京杭大運(yùn)河徐州特大橋的CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)開展服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)，分析了CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)、受力及變形。

上述技術(shù)手段的前提在于找到固定不動(dòng)的基準(zhǔn)點(diǎn)，采用不同技術(shù)獲取軌道相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的位移，進(jìn)而得到線形變化等數(shù)據(jù)。對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害引起的軌道變形，由于線路隨同下部基礎(chǔ)一起移動(dòng)，在軌道變形監(jiān)測(cè)時(shí)無法找到明確的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，因此既有監(jiān)測(cè)技術(shù)不再適用［6-8］。

為滿足鐵路運(yùn)營(yíng)安全需求，采用分布式光纖傳感技術(shù)，結(jié)合弦測(cè)裝置及測(cè)量方法，設(shè)計(jì)軌道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)實(shí)時(shí)采集光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到按弦長(zhǎng)計(jì)算的結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)變形的在線監(jiān)測(cè)，為軌道狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)提技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

軌道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感光纖、弦測(cè)裝置、光纖解調(diào)儀與處理計(jì)算機(jī)組成，如圖1所示。弦測(cè)裝置在軌道上連續(xù)安裝，內(nèi)部連續(xù)布設(shè)傳感光纖，傳感光纖被劃分為應(yīng)變測(cè)量段和溫度測(cè)量段。傳感光纖作為傳感元件接入光纖解調(diào)儀，并將采集到的頻率、應(yīng)變、溫度等測(cè)量信息輸出至處理計(jì)算機(jī)。處理計(jì)算機(jī)從光纖解調(diào)儀接收測(cè)量信息，對(duì)測(cè)量信息進(jìn)行解算處理，并將解算處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)上傳。

圖1 系統(tǒng)組成

弦測(cè)裝置由剛性橫梁、光纖錨固件、連接件、連接線、轉(zhuǎn)向裝置、緊固件組成。剛性橫梁一端錨固在軌道上，另一端以橫向限位方式與軌道相連，可以相對(duì)軌道轉(zhuǎn)動(dòng)和縱向滑動(dòng)。傳感光纖設(shè)置在剛性橫梁內(nèi)部并沿縱向連續(xù)布設(shè)。如圖2所示，在軌道板邊緣并排安裝兩組弦測(cè)裝置，兩組弦測(cè)裝置中點(diǎn)交錯(cuò)設(shè)置。

圖2 光纖弦測(cè)裝置部署示意

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件架構(gòu)

軌道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件由參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、數(shù)據(jù)展示模塊三部分組成。參數(shù)設(shè)置模塊包括硬件參數(shù)設(shè)置與光纖參數(shù)設(shè)置功能；數(shù)據(jù)采集與處理模塊包括溫度采集、應(yīng)變采集、位移計(jì)算等功能；數(shù)據(jù)展示模塊包括曲線操作、測(cè)量結(jié)果展示。

2.2 處理流程

軌道變形監(jiān)測(cè)流程見圖3。首先進(jìn)行初始化，對(duì)光纖解調(diào)儀的采集模式、采樣頻率、脈沖寬度進(jìn)行配置，同時(shí)設(shè)置傳感光纖的光纖溫度系數(shù)、光纖中心頻率等參數(shù)。初始化成功后實(shí)時(shí)采集基線與應(yīng)變數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。最終通過相關(guān)算法將溫度補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為位移數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)軌道變形在線監(jiān)測(cè)，發(fā)生軌道變形時(shí)及時(shí)報(bào)警。

圖3 軌道變形監(jiān)測(cè)流程

2.3 位移計(jì)算方法

位移計(jì)算是軟件的主要輸出內(nèi)容，過程如下。

1）通過光纖解調(diào)儀及處理計(jì)算機(jī)連續(xù)檢測(cè)傳感光纖的實(shí)時(shí)信號(hào)，采集并儲(chǔ)存?zhèn)鞲泄饫w各段初始狀態(tài)信息。

2）過渡段光纖信號(hào)反映環(huán)境溫度的變化，須計(jì)算得到消除溫度影響后光纖信號(hào)變化量Δs，計(jì)算式為

式中：s1為過渡段光纖信號(hào)；s2為測(cè)量段光纖信號(hào)。

3）根據(jù)光纖信號(hào)與應(yīng)變的線性關(guān)系，解算出測(cè)量段光纖應(yīng)變變化量Δε，計(jì)算式為

式中：Cε為光纖應(yīng)變影響系數(shù)，由其自身性質(zhì)決定。

4）由光纖應(yīng)變變化量Δε計(jì)算得到弦長(zhǎng)范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)變形x，即弦測(cè)的正矢，計(jì)算式為

式中：k為光纖應(yīng)變變化量與拉伸變形的比例系數(shù)。5）計(jì)算輸出所需弦長(zhǎng)弦測(cè)值Xi，計(jì)算式為

式中：n為大小弦長(zhǎng)之比；x為小波長(zhǎng)弦測(cè)值；i為弦序號(hào)。

2.4 報(bào)警上傳

計(jì)算得到軌道變形數(shù)據(jù)后，對(duì)其是否超限進(jìn)行判斷，若超限則形成報(bào)警報(bào)文上傳到報(bào)警管理系統(tǒng)。報(bào)警報(bào)文格式見表1。

表1 報(bào)警報(bào)文格式

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

軌道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2020年10月8日在某地質(zhì)災(zāi)害段現(xiàn)場(chǎng)投入應(yīng)用，軟件界面見圖4。

圖4 軟件界面

在該線路里程K1759+008—K1759+208（隧道口）、K1759+548—K1759+808（隧道中部）區(qū)段鋪設(shè)分布式光纖，其中選取監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)軌道無變形的點(diǎn)整理了2020年11月01日至2021年10月31日整年度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的主要變化工況包括列車通過時(shí)引起的振動(dòng)和環(huán)境溫度的變化。

3.1 列車振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響

選取一天當(dāng)中列車通過時(shí)段（27次）和無車時(shí)段（27次）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖5?？梢钥闯觯袩o列車通過時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，說明本系統(tǒng)的處理算法可以消除列車振動(dòng)的影響。

圖5 有無列車通過時(shí)軌道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.2 環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響

3.2.1 溫度隨時(shí)間變化

監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)環(huán)境溫度及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化曲線見圖6?？梢钥闯觯罕O(jiān)測(cè)區(qū)段全年最低、最高溫度分別發(fā)生在2021年1月11日、2021年8月3日，最大溫度差約12℃；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在-2.0～2.5 mm波動(dòng)，說明本系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償算法可以有效消除溫度影響，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果影響很小。

圖6 環(huán)境溫度及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化曲線

3.2.2 溫度沿里程的變化

最低溫度日（2021年1月11日）環(huán)境溫度及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沿線路里程的變化曲線見圖7?？梢钥闯觯核淼揽跍囟鹊陀谒淼乐虚g；軌道變形在-2～2 mm波動(dòng)，從空間上進(jìn)一步說明本系統(tǒng)可以有效消除溫度影響。

圖7 最低溫度時(shí)環(huán)境溫度及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沿里程的變化曲線

綜上，本系統(tǒng)可以適應(yīng)溫度變化和列車振動(dòng)的影響，檢測(cè)精度滿足設(shè)計(jì)要求（-3～3 mm）。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用

2021年5月31日，系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警，軌道變形沿里程的變化曲線見圖8。可以看出：軌道變形集中發(fā)生在K1759+130—K1759+160以及K1759+580—K1759+620區(qū)段，10 m弦軌道最大位移約19.6 mm。經(jīng)人工現(xiàn)場(chǎng)檢查，確認(rèn)線路發(fā)生嚴(yán)重變形，與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一致。由于報(bào)警及時(shí)，這次由山體滑坡引起的軌道結(jié)構(gòu)變形沒有導(dǎo)致嚴(yán)重后果，保障了鐵路行車安全。

圖8 系統(tǒng)報(bào)警時(shí)軌道變形沿里程的變化曲線

4 結(jié)語

本文提出的軌道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以分布式光纖傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合弦測(cè)裝置及測(cè)量方法，解決了既有技術(shù)面臨線路變形監(jiān)測(cè)無測(cè)量基準(zhǔn)的技術(shù)困難。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，系統(tǒng)可以及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)軌道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)及報(bào)警，為軌道變形在線監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)支持，對(duì)保障鐵路運(yùn)輸安全有重要意義。