光纖傳感技術(shù)在高鐵基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

徐玉勝

（中國鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計(jì)院，廣東深圳518034）

光纖傳感技術(shù)在高鐵基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

徐玉勝

（中國鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計(jì)院，廣東深圳518034）

在廣深港客運(yùn)專線蓮花湖橋隧試驗(yàn)段應(yīng)用光纖傳感技術(shù)對(duì)鋼軌橫向位移、鋼軌應(yīng)變、橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺(tái)相對(duì)位移等進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。分析結(jié)果表明：列車經(jīng)過時(shí)，鋼軌軌腰與軌底處最大拉應(yīng)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(tái)相對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)可以定性地反應(yīng)溫度作用下鋼軌的應(yīng)變狀態(tài)，高鐵基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)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(shè)施；安全監(jiān)測(cè)

目前對(duì)高鐵基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)的安全監(jiān)測(cè)及檢測(cè)主要依靠天窗期開行綜合檢測(cè)列車和人工巡視。為了在高鐵運(yùn)營期間進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要在高鐵基礎(chǔ)設(shè)施上布設(shè)傳感器。工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟的監(jiān)測(cè)儀器有電阻式傳感器和振弦式傳感器。高鐵線路的牽引動(dòng)力電流以及軌道信號(hào)電流限制了電阻式傳感器的應(yīng)用，而振弦式傳感器在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)時(shí)易出現(xiàn)零點(diǎn)漂移，也限制了其在高鐵基礎(chǔ)設(shè)施長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。光纖傳感技術(shù)與傳統(tǒng)的電類傳感器和機(jī)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(zhǎng)、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的監(jiān)測(cè)與傳輸、使用期限內(nèi)維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于高鐵基礎(chǔ)設(shè)施的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1　光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)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(hào)傳輸載體的傳感技術(shù)。當(dāng)光波在光纖中傳輸時(shí)，一旦受到外界應(yīng)力、溫度等因素的影響，其傳輸光的波長(zhǎng)、頻移等參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，通過對(duì)這些參數(shù)的監(jiān)測(cè)，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(diǎn)式光纖光柵傳感器和分布式光纖傳感器。

1.1單點(diǎn)式光纖光柵傳感器

單點(diǎn)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(chǎng)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(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其他物理量發(fā)生變化時(shí)，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(zhǎng)發(fā)生變化，波長(zhǎng)與待測(cè)應(yīng)變或溫度為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過測(cè)量結(jié)構(gòu)物變形前后反射光波長(zhǎng)的變化，就可以獲得對(duì)應(yīng)應(yīng)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(gè)光纖光柵，并對(duì)稱放置或其中1個(gè)懸空放置以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)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(zhǎng)變化隨應(yīng)變和溫度的變化規(guī)律為

式中：ΔλB為中心波長(zhǎng)變化量；k為應(yīng)變系數(shù)；Δε為應(yīng)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(shè)備在光纖兩端注入泵浦光和連續(xù)探測(cè)光，當(dāng)2束光頻率差等于光纖某點(diǎn)的布里淵頻移時(shí)，弱的連續(xù)光信號(hào)將被強(qiáng)的脈沖泵浦光放大，使解調(diào)信號(hào)增大，解調(diào)靈敏度增高。當(dāng)光纖某點(diǎn)發(fā)生應(yīng)變或溫度變化時(shí)，布里淵頻移會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，頻移變化與應(yīng)變或溫度變化為一一對(duì)應(yīng)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(yīng)用案例

廣深港客運(yùn)專線蓮花湖橋隧試驗(yàn)段位于東莞市長(zhǎng)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(yùn)營安全，現(xiàn)場(chǎng)主要對(duì)鋼軌橫向位移、鋼軌應(yīng)變、橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺(tái)之間相對(duì)位移等項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)。鋼軌橫向位移、橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺(tái)相對(duì)位移采用光柵位移計(jì)傳感器，鋼軌應(yīng)變監(jiān)測(cè)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(shè)如圖3所示。光纖傳感器檢測(cè)項(xiàng)目見表1。

圖3　光纖傳感器布設(shè)示意

表1　光纖傳感器檢測(cè)項(xiàng)目

用于監(jiān)測(cè)鋼軌橫向位移的光柵位移計(jì)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(jì)布設(shè)見圖4。

監(jiān)測(cè)鋼軌應(yīng)變的分布式光纖和光纖光柵傳感器均布設(shè)在鋼軌軌腰與軌底交界處，按照設(shè)定的預(yù)張拉量對(duì)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(cè)橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺(tái)相對(duì)位移的光柵位移計(jì)沿線路縱向和橫向分別布設(shè)，光柵位移計(jì)一端通過膨脹螺絲固定在墩臺(tái)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(jì)布設(shè)示意

3　測(cè)試數(shù)據(jù)分析

3.1鋼軌橫向位移

3.1.1列車經(jīng)過時(shí)鋼軌橫向位移

列車經(jīng)過時(shí)，按照1 kHZ頻率采集數(shù)據(jù)，得到的鋼軌變形見圖5?？梢?，列車車輪經(jīng)過測(cè)點(diǎn)時(shí)，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(fù)原。

圖5　列車經(jīng)過時(shí)光柵位移計(jì)所測(cè)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(duì)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(shí)間變化趨勢(shì)

由圖6知，測(cè)試當(dāng)天現(xiàn)場(chǎng)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(duì)鋼軌作用時(shí)間較短，列車經(jīng)過后橫向位移立刻恢復(fù)，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(yīng)變

3.2.1列車經(jīng)過時(shí)鋼軌應(yīng)變

由于列車運(yùn)行速度非?？?，為了捕捉到列車經(jīng)過時(shí)鋼軌應(yīng)變的變化，按照1 kHz頻率動(dòng)態(tài)采集數(shù)據(jù)。列車經(jīng)過時(shí)某測(cè)點(diǎn)的鋼軌應(yīng)變變化見圖7。

圖7　列車經(jīng)過時(shí)光纖光柵傳感器所測(cè)鋼軌應(yīng)變

由圖7可知，列車車輪經(jīng)過測(cè)點(diǎn)時(shí)傳感器所測(cè)應(yīng)變出現(xiàn)明顯波峰，單節(jié)車輛前后車輪經(jīng)過測(cè)點(diǎn)時(shí)間間隔為0.31 s，按照列車速度300 km/h計(jì)算，車廂長(zhǎng)度為25.8 m，與單節(jié)車廂實(shí)際長(zhǎng)度25 m接近，表明布設(shè)光纖光柵傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)出列車荷載對(duì)鋼軌橫向位移的影響。光纖光柵傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)顯示列車有8節(jié)車廂經(jīng)過，列車經(jīng)過時(shí)光纖光柵傳感器所測(cè)鋼軌最大拉應(yīng)變約為170×10-6，最大壓應(yīng)變約為20×10-6，根據(jù)計(jì)算相應(yīng)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(yīng)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(yīng)變

鋼軌應(yīng)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(duì)鋼軌的影響主要在列車經(jīng)過時(shí)，列車經(jīng)過后不產(chǎn)生塑性變形，因此，鋼軌應(yīng)變主要由現(xiàn)場(chǎng)溫度變化引起。1 d內(nèi)不同時(shí)刻溫度力作用下鋼軌應(yīng)變見圖8。

圖8　不同時(shí)刻溫度力作用下鋼軌應(yīng)變

結(jié)合圖6（b）分析，現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)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(cè)溫度約為35.5℃，此后溫度開始降低，在17：27降至21℃?，F(xiàn)場(chǎng)光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明溫度升高后鋼軌產(chǎn)生壓應(yīng)變，隨著溫度的升高壓應(yīng)變一直增大，溫度降低后壓應(yīng)變減小?，F(xiàn)場(chǎng)鋼軌溫度升高1℃產(chǎn)生的壓應(yīng)變約為15×10-6。

3.3橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺(tái)相對(duì)位移

3.3.1列車經(jīng)過時(shí)橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺(tái)相對(duì)位移

列車經(jīng)過時(shí)以1 kHz的采集頻率對(duì)布設(shè)在橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺(tái)之間的光柵位移計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所測(cè)變形見圖9。

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

由圖9可知，橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺(tái)之間的縱向和橫向均產(chǎn)生變形，列車經(jīng)過時(shí)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(duì)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(tái)相對(duì)位移

1d內(nèi)按照1次/10 min的采集頻率對(duì)布設(shè)的縱向和橫向光柵位移計(jì)進(jìn)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(tái)相對(duì)位移見圖10。結(jié)合圖6（b）分析，在列車開通運(yùn)行之后，溫度升高，橋梁上部結(jié)構(gòu)和墩臺(tái)之間縱向和橫向相對(duì)位移均有所變大，橫向、縱向均在0.5 mm以內(nèi)，說明在短時(shí)間內(nèi)列車荷載及溫度的變化對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩臺(tái)相對(duì)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(tái)相對(duì)位移

4　結(jié)論

將光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)在廣深港客運(yùn)專線蓮花湖橋隧試驗(yàn)段進(jìn)行了應(yīng)用，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。得出如下結(jié)論：

1）光柵傳感器監(jiān)測(cè)精度高，可對(duì)鋼軌應(yīng)變、鋼軌橫向位移以及橋梁上部結(jié)構(gòu)與橋墩相對(duì)位移進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)到這些參數(shù)的微小變化，非常適合高鐵運(yùn)營時(shí)期的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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

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

4）光纖傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確反應(yīng)各測(cè)試項(xiàng)目的實(shí)際變化規(guī)律，表明現(xiàn)場(chǎng)傳感器的布設(shè)和測(cè)試方法均比較適合高鐵基礎(chǔ)實(shí)施的在線安全監(jiān)測(cè)。

［1］中華人民共和國鐵道部.鐵運(yùn)〔2012〕83號(hào)高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）［S］.北京：中國鐵道出版社，2012.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB J448—2005鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社.2005.

［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(shè)施在線安全監(jiān)測(cè)相關(guān)技術(shù)研究［R］.深圳：中國鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計(jì)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(cè)技術(shù)研究［R］.深圳：中國鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計(jì)院，2015.

［6］郎向偉，張長(zhǎng)生，強(qiáng)小俊，等.光柵位移計(jì)在高速鐵路鋼軌橫向變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究［J］.鐵道建筑，2015（10）：144-146.

［7］張兆亭.基于光纖布拉格光柵的軌道傳感系統(tǒng)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2011.

［8］米皓坤，駱妍，梁磊，等.彈性約束下無縫鋼軌受力形變規(guī)律研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，46（4）：299-523.

［9］范典.光纖傳感在鐵路安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（17）：25-26.

［10］郎向偉，張長(zhǎng)生，強(qiáng)小俊.基于光纖傳感技術(shù)的鋼軌變形監(jiān)測(cè)可行性研究［J］.鐵道建筑，2015（3）：122-125.

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(zé)任審編李付軍）

2016-05-25；

2016-07-15

徐玉勝（1967—），男，副研究員。