基于檢測數(shù)據(jù)的高速鐵路軌面沉降不平順發(fā)展趨勢預(yù)測

徐菲，曲建軍

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2. 中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

基于檢測數(shù)據(jù)的高速鐵路軌面沉降不平順發(fā)展趨勢預(yù)測

徐菲1，曲建軍2

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2. 中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

對軌道幾何不平順發(fā)展趨勢進行預(yù)測，有助于指導(dǎo)工務(wù)部門適時維修，降低養(yǎng)護維修成本。根據(jù)某高速鐵路路橋過渡段沉降區(qū)近5年的檢測數(shù)據(jù)，運用軌道幾何不平順百天變化率預(yù)測模型，對沉降引起的高低不平順即軌面沉降不平順發(fā)展趨勢進行預(yù)測，并與實測值進行對比，同時進行誤差分析，結(jié)果表明，短期預(yù)測效果較好，能夠滿足工務(wù)維修計劃制定的需要。結(jié)合維修記錄，綜合分析高低不平順及車體垂向加速度幅值變化情況，結(jié)果表明，不同維修方式對軌面沉降不平順發(fā)展規(guī)律的影響不同，工務(wù)部門可以根據(jù)對歷史維修數(shù)據(jù)的分析確定相應(yīng)的維修方式。

高速鐵路；動態(tài)檢測數(shù)據(jù)；軌面沉降；高低不平順；預(yù)測；養(yǎng)護維修

1 概述

高速鐵路在列車荷載和沖擊作用下，路橋過渡段等薄弱環(huán)節(jié)極易產(chǎn)生沉降變形，由沉降引起的軌道高低不平順即軌面沉降不平順常常影響行車的安全性和舒適性。為恢復(fù)線路的平順，在采取維修措施的同時，掌握軌道沉降不平順發(fā)展規(guī)律也尤為重要。隨著綜合檢測列車的推行與應(yīng)用，積累了大量軌道狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)，基于動態(tài)檢測數(shù)據(jù)預(yù)測軌道狀態(tài)惡化趨勢，有利于科學(xué)有效地安排養(yǎng)護維修計劃，實現(xiàn)基于軌道狀態(tài)的養(yǎng)護維修方式[1]。

以某高速鐵路路橋過渡段沉降區(qū)為例，分析2012—2017年的軌道狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)，找出該地段軌面沉降不平順發(fā)展規(guī)律，預(yù)測其發(fā)展趨勢，并結(jié)合歷史維修記錄，對多個維修周期高低不平順發(fā)展變化情況進行對比和分析，為工務(wù)現(xiàn)場維修作業(yè)提供參考。

2 預(yù)測模型

軌道幾何不平順的預(yù)測多數(shù)針對高低不平順進行，基于大量動態(tài)檢測數(shù)據(jù)的分析得出軌道幾何不平順預(yù)測模型，是目前國內(nèi)外主要的預(yù)測方法之一。其中，日本學(xué)者在此方法的研究上貢獻突出，最具代表性的是杉山德平通過軌檢車實測資料得出的S回歸公式。此外，日本提出的指數(shù)平滑法和特征值推移法也都建立在對檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析的基礎(chǔ)上[2-5]。

軌道幾何不平順百天變化率預(yù)測模型基于軌道動態(tài)檢測數(shù)據(jù)，利用單位時間內(nèi)軌道幾何不平順幅值的變化量評價軌道狀態(tài)變化的快慢程度，可用于控制工務(wù)現(xiàn)場作業(yè)參數(shù)和制定預(yù)防性維修計劃。軌道幾何不平順百天變化率計算公式為[2，4]：

式中：S為第1次檢測到第i次檢測時間段內(nèi)軌道幾何不平順百天變化率，mm/100 d；xi為第i次軌道幾何不平順檢測值，mm；ti為第1次檢測到第i次檢測的時間間隔，d；N為有效檢測次數(shù)，次。

根據(jù)軌道幾何不平順隨時間發(fā)展的連續(xù)性，利用軌道幾何不平順百天變化率公式得到軌道幾何不平順預(yù)測公式：

式中：F為軌道幾何不平順預(yù)測值，mm；FN為第N次軌道幾何不平順檢測值，mm；Δt為預(yù)測時間與第N次檢測時間的間隔，d；S為軌道幾何不平順百天變化率，mm/100 d。

3 實例驗證及分析

某高速鐵路K235+540—680為路橋過渡段，該段采用CRTSⅠ型無砟軌道板，速度等級350 km/h，地基加固采用CFG樁，由于路基建立在軟土地基上，沉降問題較為突出，為保證行車安全，該地段自2012年至今一直限速120 km/h。經(jīng)工務(wù)部門反饋，該地段在2012年4月—2017年3月期間共經(jīng)歷4次維修，其中2012年4月、2013年5月、2014年4月分別進行了墊板抬高與精調(diào)作業(yè)，2015年9月—12月進行了注漿抬板及糾偏施工。根據(jù)歷史維修記錄，該地段不平順數(shù)據(jù)分為4個周期。2012年4月—2013年3月該地段動態(tài)檢測波形圖變化情況見圖1。

圖1 某高速鐵路路橋過渡段2012年4月―2013年3月動態(tài)檢測波形圖變化情況

長波高低不平順能夠較好地體現(xiàn)軌面沉降不平順。整理2012年4月—2017年3月期間的歷次動態(tài)檢測數(shù)據(jù)，在各波形圖中分別讀取120 m長波高低波峰值和波谷值。通過公式：不平順幅值=波谷值-波峰值，計算不平順幅值，剔除異常值，得出120 m長波高低不平順幅值隨時間的變化趨勢（見圖2），圖中橫軸代表任意點與第1次檢測的相對時間。圖2顯示，該沉降區(qū)段120 m長波高低不平順在各周期內(nèi)隨時間總體呈惡化趨勢。

圖2 120 m長波高低不平順幅值隨時間的變化趨勢

利用式（1）和式（2）分別對各維修周期計算本周期最后2～3個檢測點幅值的預(yù)測值，將預(yù)測值與實測值進行對比（見圖3、圖4），并計算誤差（見表1）。通過預(yù)測值和實測值的比較可知，大部分預(yù)測值與實測值接近，77%的誤差值小于1 mm，其余誤差值均小于2 mm，表明對于120 m長波高低不平順該預(yù)測結(jié)果有較高的可信度，使用軌道幾何不平順百天變化率預(yù)測模型預(yù)測的結(jié)果能夠反映短時間內(nèi)長波高低不平順發(fā)展趨勢。計算得到的各維修周期內(nèi)120 m長波高低不平順百天變化率見表2。

圖3 120 m長波左高低預(yù)測值與實測值對比

圖4 120 m長波右高低預(yù)測值與實測值對比

表1 預(yù)測誤差值 mm

表2 各周期120 m長波高低不平順百天變化率 mm/100 d

車體垂向加速度能夠在一定程度上反映軌道局部高低不平順的嚴重程度，該沉降區(qū)段車體垂向加速度隨時間的變化趨勢見圖5。圖中前3個周期的車體垂向加速度幅值明顯高于第4周期，表明前3個周期高低不平順程度總體大于第4周期。

圖5 車體垂向加速度變化趨勢

綜合考慮圖2—圖5及表2可知，第4周期長波高低不平順幅值較前3個周期明顯減小，且不平順百天變化率隨之下降，同時車體垂向加速度幅值在第4周期也顯著減小。表明前3次維修對該地段軌面沉降不平順有一定的改善效果，第4次注漿抬板及糾偏作業(yè)之后，該地段軌面沉降不平順幅值得到了更好控制。

4 結(jié)論

（1）軌道幾何不平順百天變化率預(yù)測模型具有簡單易懂、可操作性強的優(yōu)點，經(jīng)上述沉降區(qū)段近5年4個維修周期動態(tài)檢測數(shù)據(jù)的驗證，該模型預(yù)測結(jié)果短期內(nèi)誤差較小，與實測數(shù)據(jù)的吻合程度能夠滿足工程應(yīng)用需要，工務(wù)部門可以根據(jù)此模型對局部病害地段進行觀察預(yù)測，以便適時控制病害的發(fā)展。

（2）軌面沉降不平順以維修時間為節(jié)點，在各維修周期內(nèi)大體呈惡化發(fā)展趨勢，且不同維修方式對軌面沉降不平順發(fā)展速率的影響不同。檢測數(shù)據(jù)及工務(wù)部門的反饋情況表明，對于該路橋過渡段，墊板抬高和精調(diào)作業(yè)能夠改善軌面沉降不平順，但注漿抬高和糾偏施工對軌面沉降不平順發(fā)展的控制效果更為明顯。工務(wù)部門可根據(jù)沉降區(qū)段具體情況，通過對歷史數(shù)據(jù)進行分析對病害采取針對性治理措施。

[1]程志全．軌道檢測車的運用[J]．中國鐵路， 2015(5)：82-85．

[2]許玉德，李海鋒，戴月輝．軌道交通工務(wù)管理[M]． 上海：同濟大學(xué)出版社，2007．

[3]羅林，張格明，吳旺青，等．輪軌系統(tǒng)軌道平順狀 態(tài)的控制[M]．北京：中國鐵道出版社，2006．

[4]曲建軍，高亮，田新宇．基于灰色理論的軌道幾何 狀態(tài)中長期時變參數(shù)預(yù)測模型的研究[J]．鐵道學(xué) 報，2010，32(2)：55-59．

[5]曲建軍，王衛(wèi)東，田新宇．基于灰色系統(tǒng)辨識的軌 道質(zhì)量生命周期預(yù)測方法的研究[J]．鐵道學(xué)報， 2012，34(9)：75-80．

Prediction on Development Trend of Settlement lrregularity of High-speed Rail Surface Based on Test Data

XU Fei1，QU Jianjun2
（1. China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The prediction on the development trend of settlement irregularity of high-speed rail surface can help guiding the track maintenance division to carry out a timely maintenance and lower the maintenance cost. According to the testing data of transitional settlement section on a high-speed railway bridge in the past 5 years, the prediction model of one-hundred-day change rate of geometrical rail irregularity was used to predict the development trend of high-speed rail settlement irregularity, the level irregularity caused by settlement. Then the comparison with measured value was made and the error analysis was carried out. The result indicates a good short-term prediction performance which meets the requirements set out in the maintenance plan by track maintenance division. Together with the maintenance record, a comprehensive analysis was launched on the changes in level irregularity and that in the magnitude of car body’s vertical acceleration. Result shows that different means of maintenance exert different influences on the development rule of rail settlement irregularity. The track maintenance division can choose the way of maintenance according to the analysis of historical maintenance data.

high-speed railway；dynamic test data；rail surface settlement；level irregularity；prediction；maintenance

U216.4

A

1001-683X（2017）10-0008-03

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.10.008

中國鐵道科學(xué)研究院科技研究開發(fā)計劃項目（2016YJ135）

徐菲（1989—），女，碩士研究生。E-mail：xufeimay@163.com

責(zé)任編輯 李鳳玲

2017-06-30