基于分布式光纖傳感的軌道板上拱監(jiān)測技術(shù)研究

王智超 趙志剛 柴雪松 金明 馮毅杰 凌烈鵬 劉艷芬

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，廣州 510088）

無砟軌道因其平順性高、耐久性好、維修工作量小等優(yōu)點(diǎn)，成為高速鐵路最主要的軌道結(jié)構(gòu)形式。CRTSⅡ型板式無砟軌道是結(jié)合我國高速鐵路建設(shè)需要研發(fā)形成的一種縱連無砟軌道結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)數(shù)年運(yùn)營，其服役狀態(tài)良好。由于跨越氣候和地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，在極端連續(xù)高溫條件下，軌道板間接縫會(huì)出現(xiàn)擠碎、上拱現(xiàn)象。作為高速車輛最主要和直接的承力層，軌道板的上拱直接威脅列車運(yùn)行安全［1］。

我國對(duì)CRTSⅡ型板式無砟軌道軌道板上拱缺乏成熟的監(jiān)測手段，只能在病害發(fā)生后以傳統(tǒng)人工巡檢方式發(fā)現(xiàn)，且受天窗時(shí)間影響，作業(yè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以完成轄區(qū)無砟軌道的全覆蓋檢查。利用綜合檢測列車可以發(fā)現(xiàn)部分上拱病害，但是檢測定位精度不高且缺乏實(shí)時(shí)性，無法滿足運(yùn)營安全需求［2］。因此，亟需開展兼?zhèn)湫屎徒?jīng)濟(jì)性的軌道上拱監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，旨在幫助工務(wù)部門實(shí)時(shí)掌握軌道板狀態(tài)，從而節(jié)約人力物力成本，阻止病害演變?yōu)橥{行車安全的事故，同時(shí)為后期整治和控制提供科學(xué)依據(jù)。

針對(duì)軌道板上拱病害，調(diào)研了現(xiàn)有應(yīng)變、位移、傾角等物理量的測量技術(shù)。其中，分布式光纖傳感器具有耐腐蝕、質(zhì)量輕、體積小、抗電磁干擾的特點(diǎn)，且兼?zhèn)鋫鞲泻蛡鬏敼δ?，其壽命長、響應(yīng)時(shí)間快、覆蓋范圍廣，使用期限內(nèi)維護(hù)費(fèi)用低［3］。相比于傳統(tǒng)機(jī)械和電類傳感器，光纖傳感器在軌道板監(jiān)測工況中可大范圍沿線路鋪設(shè)，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)影響較小，且不需要在現(xiàn)場配置額外的供電和傳輸設(shè)備，從監(jiān)測范圍、安全可靠、經(jīng)濟(jì)性等方面更適應(yīng)高速鐵路線路現(xiàn)場環(huán)境。近幾年，該技術(shù)逐漸應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)健康、路基沉降、隧道溫度、鋼軌變形、列車運(yùn)行狀態(tài)等鐵路設(shè)施設(shè)備安全監(jiān)測領(lǐng)域［4-8］。

本文根據(jù)軌道板上拱特性和分布式光纖傳感技術(shù)的特點(diǎn)，提出軌道板上拱病害的監(jiān)測技術(shù)方案，并通過實(shí)尺模型試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析等手段進(jìn)行可行性驗(yàn)證及監(jiān)測效果評(píng)估。

1 軌道板上拱特性

受板間寬窄接縫施工質(zhì)量不良、層間傷損、層內(nèi)病害、列車荷載、環(huán)境溫度等因素影響，軌道板上拱主要發(fā)生在軌道板板間寬窄接縫較薄弱位置［9］。通常情況下，位于接縫兩側(cè)的軌道板端部同時(shí)拱起，有時(shí)會(huì)伴隨接縫混凝土破損或水泥瀝青砂漿層與軌道板產(chǎn)生較大離縫（圖1），嚴(yán)重時(shí)會(huì)擠碎接縫處混凝土導(dǎo)致張拉鎖件失效。因此，須重點(diǎn)關(guān)注軌道板端部相對(duì)于底座板（或支承層）的垂向位移或軌道板底部產(chǎn)生的離縫寬度。

圖1 軌道板上拱導(dǎo)致層間離縫和接縫破損

2 分布式光纖傳感技術(shù)工作原理

分布式光纖傳感技術(shù)是光纖傳感技術(shù)的一種，相比于點(diǎn)式光纖光柵傳感技術(shù)，其最顯著的特點(diǎn)是可以準(zhǔn)確地測出光纖沿線上任一點(diǎn)應(yīng)力、溫度、振動(dòng)、損傷等信息。

基于布里淵光時(shí)域分析（Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA）的分布式光纖傳感技術(shù)，其工作原理（圖2）為：當(dāng)反向傳播的泵浦脈沖光和連續(xù)探測光在光纖中相遇時(shí)，因受激勵(lì)布里淵的放大作用發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，通過掃描2個(gè)光源之間的頻率差并記錄每個(gè)頻率差下光纖沿線能量轉(zhuǎn)移的大小，得到光纖沿線的布里淵增益頻譜，擬合后可以得到光纖沿線的布里淵頻移分布［10］。當(dāng)光纖發(fā)生應(yīng)變或溫度改變時(shí)，布里淵頻移也會(huì)發(fā)生改變，根據(jù)光纖布里淵頻移與光纖應(yīng)變、溫度之間的線性關(guān)系，可以獲得應(yīng)變和溫度的信息并確定發(fā)生區(qū)域，實(shí)現(xiàn)全分布式測量。

圖2 分布式光纖傳感技術(shù)工作原理

3 監(jiān)測技術(shù)方案設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測裝置

結(jié)合軌道板上拱特性和分布式光纖傳感技術(shù)特點(diǎn)，建立軌道板與光纖動(dòng)力響應(yīng)模型。光纖布設(shè)方案見圖3。在軌道板端部側(cè)面靠近寬窄接縫處，將包裹分布式光纖的傳感光纜縱向布設(shè)于軌道板側(cè)面，取有效長度光纖作為光纖上拱測量段，借助轉(zhuǎn)換器、緊固零件組成的裝置將其錨固于下部底座板（支承層），構(gòu)成垂向聯(lián)系。光纖上拱測量段末端錨固于軌道板側(cè)面，防止其與軌道板產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，上拱測量段之間設(shè)置自由狀態(tài)的過渡段。

圖3 光纖布設(shè)方案

當(dāng)軌道板發(fā)生上拱，軌道板與底座板（支承層）之間產(chǎn)生相對(duì)位移，裝置帶動(dòng)光纜在長度方向拉伸。通過采集和處理光纖應(yīng)變信號(hào)的變化，可以監(jiān)測上拱情況。過渡段光纖信號(hào)可用于溫度補(bǔ)償和溫度測量。

光纖沿線路軌道板布設(shè)，并與分布式光纖傳感監(jiān)測設(shè)備連接。監(jiān)測設(shè)備設(shè)置于車站機(jī)房等便于電力接入的地方，避免在鐵路沿線額外安裝供電及傳輸設(shè)備，充分發(fā)揮分布式光纖傳感遠(yuǎn)程感知及傳輸?shù)膬?yōu)勢。

3.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)

為適應(yīng)長距離線路軌道板遠(yuǎn)程監(jiān)測，將光纖傳感、解算分析、分級(jí)報(bào)警等模塊進(jìn)行系統(tǒng)集成，形成集管理、查詢、分析、實(shí)時(shí)監(jiān)測及報(bào)警為一體的在線監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取1個(gè)或多個(gè)監(jiān)測設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，經(jīng)進(jìn)一步解算處理后形成狀態(tài)信息。依據(jù)設(shè)置的分級(jí)報(bào)警閾值對(duì)位移和溫度變化量進(jìn)行評(píng)判，形成報(bào)警信號(hào)，并按一定的處理規(guī)則將狀態(tài)信息和報(bào)警信號(hào)分發(fā)給用戶。展示的狀態(tài)信息包括每塊軌道板的里程、上拱位移、溫度變化及變化過程。達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，根據(jù)光纖點(diǎn)位鎖定安全狀態(tài)不良的軌道板里程及板號(hào)，提醒有關(guān)部門及時(shí)處理。同時(shí)建立軌道板狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，用于輔助后期的養(yǎng)護(hù)維修工作。

4 實(shí)尺模型試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

1）試驗(yàn)現(xiàn)場布置

搭建室外實(shí)尺模型試驗(yàn)臺(tái)，選取2塊軌道板進(jìn)行監(jiān)測試驗(yàn)。試驗(yàn)現(xiàn)場布置如圖4所示。由于軌道板上拱發(fā)生于端部寬窄接縫兩側(cè)，為模擬上拱工況，在軌道板端部砂漿層預(yù)留軌道精調(diào)孔洞，采用軌道精調(diào)爪人工加載使軌道板端部抬升脫離砂漿層。在軌道板側(cè)面按設(shè)計(jì)方案布設(shè)2種傳感光纜（圓形光纜和扁平光纜），取2.5 m長度作為光纖上拱位移測量段。試驗(yàn)過程中采用分布式光纖傳感監(jiān)測設(shè)備對(duì)光纖信號(hào)進(jìn)行采集和分析，在軌道板對(duì)應(yīng)位置安裝百分表進(jìn)行輔助測量。

圖4 實(shí)尺模型試驗(yàn)現(xiàn)場布置

2）測點(diǎn)及加載工況設(shè)置

在2塊軌道板端部設(shè)置6個(gè)測點(diǎn)（圖5）：①測點(diǎn)1—測點(diǎn)4位于板間寬窄接縫兩側(cè)端部對(duì)稱位置，同時(shí)逐級(jí)加載。受接縫限制，每級(jí)加載1 mm，加載至5 mm。②測點(diǎn)5和測點(diǎn)6位于未設(shè)置寬窄接縫的軌道板端部位置，同時(shí)逐級(jí)加載。因沒有接縫約束，每級(jí)加載2mm，加載至12 mm。以百分表讀數(shù)控制加載上拱位移，每級(jí)加載結(jié)束后記錄設(shè)備應(yīng)變測量結(jié)果。

圖5 試驗(yàn)測點(diǎn)設(shè)置

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.2.1 光纖應(yīng)變測量結(jié)果

2種光纜測點(diǎn)1和測點(diǎn)2應(yīng)變測量結(jié)果見圖6。

圖6 2種光纜測點(diǎn)1和測點(diǎn)2應(yīng)變測量結(jié)果

可知：①加載時(shí)，2種光纜的上拱測量段逐漸被拉伸，光纖的應(yīng)變發(fā)生變化，引起光纖內(nèi)部布里淵頻移顯著增大，輸出測量結(jié)果形成一段應(yīng)變波峰區(qū)域。該波峰區(qū)域與測點(diǎn)光纖上拱測量段位置基本一致，并隨著上拱位移的增加呈規(guī)律性增長。②扁平光纜光纖上拱測量段的應(yīng)變隨上拱位移的增加而增大，但波動(dòng)較大，在加載過程中光纖可能存在受力不均的情況，不利于計(jì)算有效數(shù)據(jù)。與扁平光纜相比，圓形光纜被拉伸后產(chǎn)生的應(yīng)變波峰區(qū)域較為平穩(wěn)、均勻。因此，選擇圓形光纜對(duì)上拱工況進(jìn)行監(jiān)測更符合設(shè)計(jì)方案的要求。

4.2.2 上拱位移與應(yīng)變數(shù)據(jù)綜合分析

匯總圓形傳感光纜各測點(diǎn)軌道板上拱位移與監(jiān)測設(shè)備輸出的光纖應(yīng)變測量值，建立二者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式并擬合曲線，見圖7。可知，決定系數(shù)R2＞0.99，應(yīng)變和上拱位移具有良好的線性關(guān)系。

圖7 上拱位移與應(yīng)變的擬合曲線

根據(jù)試驗(yàn)應(yīng)變測量值和上拱位移的擬合結(jié)果（h=2.795 1ε），推算設(shè)備監(jiān)測的上拱位移。各測點(diǎn)上拱位移與光纖應(yīng)變測量結(jié)果見表1。可知，推算上拱位移相對(duì)誤差范圍為-16.15%～7.22%，除個(gè)別測點(diǎn)外，相對(duì)誤差基本控制在±10%以內(nèi)。在1～5 mm加載位移范圍內(nèi)，絕對(duì)誤差基本控制在±0.2 mm以內(nèi)。當(dāng)加載位移較大時(shí)，絕對(duì)誤差也相應(yīng)增加。異常測點(diǎn)（如測點(diǎn)3和測點(diǎn)5）數(shù)據(jù)誤差較大，可能源于光纜及配件安裝質(zhì)量不統(tǒng)一。

5 結(jié)論

1）根據(jù)軌道板上拱特性，基于分布式光纖傳感的工作原理，提出軌道板上拱監(jiān)測技術(shù)方案。在軌道板側(cè)面布設(shè)光纖，將光纖引至車站機(jī)房連接監(jiān)測設(shè)備，最終集成在線監(jiān)測系統(tǒng)，充分發(fā)揮了分布式光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢。

2）通過實(shí)尺模型試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析對(duì)方案的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，分布式光纖傳感技術(shù)可有效識(shí)別并定位軌道板上拱引起的應(yīng)變，其中圓形光纜更適用于監(jiān)測方案。光纖應(yīng)變測量值與軌道板上拱位移成線性關(guān)系，且推算位移誤差較小，可作為預(yù)期指標(biāo)指導(dǎo)后期推廣使用。

3）為適應(yīng)高速鐵路線路復(fù)雜環(huán)境，下一步將重點(diǎn)從光纖布設(shè)工藝、識(shí)別算法、報(bào)警管理平臺(tái)等方面優(yōu)化監(jiān)測技術(shù)，開展應(yīng)用性研究。