高速铁路无砟轨道监测技术

王玉泽,王森荣

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

高速铁路无砟轨道监测技术

王玉泽,王森荣

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

总结我国高速铁路无砟轨道结构形式,分析运营过程中可能存在无砟轨道上拱、梁端凸台或底座开裂、扣件失效、砂浆层离缝、轨道结构开裂、线下基础沉降等问题,提出采用电阻应变片式、振弦式、光纤光栅、电涡流非接触式、无线传输、远程监控、预警机制等测试和监控方法以及道岔区板式无砟轨道综合监测、桥上42号道岔区及临时端刺区受力和变形监测、隧道内CRTS I型减振型板式无砟轨道减振测试、CRTSⅡ型板式无砟轨道温度及变形监测等应用实例。并探讨采用高清摄像头图像识别、利用红外热成像、利用光纤的振动和声学传感等新技术在无砟轨道安全监控中应用。

高速铁路；无砟轨道；病害；监控；测试

1 无砟轨道总体结构形式及运营状况

我国已开通运营及在建高速铁路无砟轨道结构类型主要有：双块式无砟轨道、CRTSⅠ型板式无砟轨道、CRTSⅡ型板式无砟轨道和CRTSⅢ型板块式无砟轨道结构等。见表1。

无砟轨道结构根据是否纵连/单元，总体可分为纵连式和单元式结构，其结构特点如表2所示。

1.1 无砟轨道主要结构形式及其特点[1-2]

(1)双块式无砟轨道(图1)

双块式无砟轨道主要由钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板、底座/支承层等组成。其主要特点是：轨道结构采用桥上单元、路基和隧道连续，路基连续道床板端部设置端梁结构，桥上分块道床板设置限位凹槽结构限位，双块式轨枕采用工厂化预制，道床板、支承层、底座均采用现场浇筑成型，施工灵活，与不同类型线下基础工程的适应性较好。

表1 我国无砟轨道主要结构类型及铺设线路

表2 纵连式和单元式无砟轨道及其结构特点

图1 双块式无砟轨道结构

(2)CRTSⅠ型板式无砟轨道(图2)

CRTSⅠ型板式无砟轨道主要由钢轨、扣件、轨道板、水泥乳化沥青砂浆、底座、凸形挡台及其周围填充树脂等组成。轨道结构为单元分块式，采用凸型挡台限位，台后路基不需设置端刺、端梁等限位结构，轨道板采用工厂化预制，轨道板下设置砂浆调整层，结构体系受力明确。

图2 CRTSⅠ型板式无砟轨道结构

(3)CRTSⅡ型板式无砟轨道(图3)

CRTSⅡ型板式无砟轨道路基地段主要由钢轨、扣件、预制轨道板、水泥乳化沥青砂浆及支承层等部分组成。桥上轨道结构与路基地段有所不同，轨道板仍进行纵向联结，下部设连续浇筑的钢筋混凝土底座，并在底座与梁面保护层之间设置滑动层，底座板两侧设置侧向限位挡块。轨道板相互之间通过纵向精轧螺纹钢筋连接为连续结构，轨道板下设砂浆调整层，结构受力复杂。

图3 CRTSⅡ型板式无砟轨道结构

(4)CRTSⅢ型板式无砟轨道(图4)

CRTSⅢ型板式无砟轨道主要由钢轨、扣件、轨道板、自密实混凝土、底座或支承层等部分组成。轨道结构为单元分块式，轨道板采用工厂化预制，轨道板与板下自密实混凝土形成“复合板”结构，复合板与底座采用限位凹槽限位，台后路基不需设置端刺、端梁等限位结构，结构受力明确。

图4 CRTSⅢ型板式无砟轨道结构

1.2 无砟轨道运营中可能存在的问题[3-8]

目前，对京津、武广、郑西、郑武、广珠、沪宁、京沪、广深港等已开通高速铁路无砟轨道使用情况调研，各类无砟轨道的总体使用情况良好，实现了无砟轨道“高稳定性、高平顺性和少维修性”的目标。但在结构设计、预制件制造和施工过程控制等一些技术细节上仍有不足，导致个别地段无砟轨道结构出现了一些问题。

(1)个别地段纵连无砟轨道结构(CRTSⅡ型板式、路基地段双块式无砟轨道)高温季节的轨道上拱问题

纵向连续铺设的无砟道床受温度荷载影响大，温度变化时，由于受到纵向约束，轨道结构不产生纵向变形，但在温度升高或降低时，轨道结构内部产生压力或拉力。温度荷载是影响无砟轨道结构配筋设计的重要因素，需通过合理配筋来控制混凝土裂缝宽度和间距。这类轨道结构现场的表现是：低温季节混凝土出现一定间距的细小裂缝，高温季节裂缝闭合。

CRTSⅡ型板式轨道为纵向连续结构，目前局部地段在高温季节出现了超出相关技术标准限定值的轨道板上拱现象，影响轨道平顺性。上拱位置大多出现在轨道板间接缝区域，初步分析产生上拱的主要原因有：施工未严格按轨道板设计合龙温度进行纵连；轨道板间宽、窄接缝施工质量不良或在低温季节对轨道板间接缝位置出现的较大离缝采用非弹性材料进行充填修补，间接形成了轨道板纵连温度降低，在升温荷载下，板端轨道板与砂浆层拉应力超过粘结力。

路基地段双块式无砟轨道为纵向连续结构，前期开通运营线路个别地段道床板出现上拱现象，其位置主要在路桥过渡段的端梁锚固区域和道床板后浇区段。初步分析产生上拱的主要原因有：连续道床板形成(锁定)的施工温度偏低；道床板与支承层或支承层与基床表层的界面状态因拉毛质量或施工机械运行等影响，相对“光滑”。合理的界面状态能够使得道床板的纵向力在锚固区域内相对均匀传递，若摩擦系数偏低，将会形成纵向力在端梁结构部位集中传递，产生上拱问题。

(2)个别温度跨度较大的桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道，梁端半圆形凸形挡台与底座连接部位开裂问题

有些无砟轨道结构由于受线形限制，经组织相关单位经过设计检算满足钢轨、桥梁安全性和稳定性要求后，在温度跨度超过200 m的一些桥上未铺曲线型钢轨伸缩调节器。运营中在温度力作用下，由于小阻力扣件复合垫板生锈，纵向阻力变大，导致个别地段梁端半圆形凸台开裂。

(3)无砟轨道个别扣件失效

部分开通运营高铁线路出现扣件失效、弹条断裂、垫板窜出、螺旋道钉被拔起、轨下复合垫板、调高垫板窜动等问题。初步分析其原因：施工精调和维护阶段扣件安装操作不当，扣件扭矩安装过大；扣件套管或螺旋的制造质量不满足要求等。

(4)板式无砟轨道砂浆填充层离缝

砂浆充填层是板式无砟轨道最易产生病害的薄弱部位。

对于CRTSⅠ型板式轨道，为施工、维修方便，水泥乳化沥青砂浆采用袋装灌注法充填，砂浆充填层离缝的主要原因包括：施工环节未根据轨道板与底座的间隙大小适当调整灌注袋尺寸；曲线地段灌注工艺不当引起轨道外侧灌注不饱满；砂浆充填量不足；单元轨道板受温度梯度影响的翘曲变形等。

对于纵向连续的CRTSⅡ型板式轨道结构，水泥乳化沥青砂浆采用模筑法充填，要求轨道板与砂浆间处于良好粘结状态。砂浆充填层离缝的主要原因：砂浆与轨道板底部、底座或支承层(拉毛质量)的界面状态；砂浆材料的收缩；曲线地段灌注工艺不当引起轨道外侧灌注不饱满；砂浆充填量不足；温度荷载的影响等。

(5)无砟轨道混凝土裂缝、底座伸缩缝、凸台周围树脂离缝等问题

无砟轨道现浇混凝土结构一般按容许开裂设计，并根据耐久性要求(裂缝限值、钢筋保护层等)进行结构配筋。

路基地段CRTSⅠ型板式轨道底座每隔10～20 m设有横向伸缩缝，受温度荷载影响沿线路纵向底座会产生伸缩变形，易受伸缩缝材料(大多采用热融沥青)、环境温度、施工质量等因素影响，部分地段伸缩缝状态存在劣化现象。

CRTSⅠ型板式无砟轨道凸形挡台周围填充树脂材料，袋装灌注法施工，受温度荷载、温度跨度较大桥梁的伸缩变形、材料收缩等因素影响，部分凸形挡台周围 (尤其在底座伸缩缝、大跨梁端附近)产生离缝现象。

CRTSⅡ型板式无砟轨道两相邻轨道板连接处的宽接缝为现浇混凝土，目前发现宽接缝处混凝土与轨道板存在裂缝，一般为0.2～0.5 mm。

(6)双块式轨枕与道床板分离、松动，双块式轨枕开裂

双块式轨枕为采用桁架钢筋将两个轨枕块连接的预制部件，在道床板浇筑时由于振捣不密实、道床板开裂、列车动荷载等作用下，双块式轨枕与道床板有出现分离、松动情况，主要表现有轨枕周边现浇混凝土碎裂、掉块、混凝土枕边冒白浆、钢筋裸露等。

(7)无砟轨道防排水系统不畅、密封材料开裂失效

一般路基地段无砟轨道采用线间设集水井方式排水，桥梁地段线间设泄水孔或通过分块道床板板缝向两侧排水方式，隧道内线间设排水沟、隧道洞口处线路两侧通过线路纵坡向外排水。当有些地段排水不畅，会导致无砟轨道积水，使水侵入路基结构，在列车动荷载作用下，个别地段出现“冒泥”现象，路基出现不均匀沉降，影响轨道结构的耐久性。

(8)线下基础发生不均匀沉降变形，影响轨道结构平顺性。

2 高速铁路无砟轨道安全监测主要方法

轨道结构引导列车的运行，一旦出现病害直接影响列车运行的安全性和舒适性。同时一些无砟轨道病害出现前，在结构变形、位移、受力等方面表现异常，有些可以通过日常的轨检车检测发现，有些需要通过监控、监测等技术进行分析，判断病害发生情况，以便提前进行预知维修。

目前高速铁路轨道结构测试和监控中，常用的方法有以下几个方面。

(1)采用电阻应变片式测试[9]，主要用于短期动态测试。

(2)采用振弦式测试和监控，一般用于静态测试。

(3)采用光纤光栅测试和监控[10]，可用于静态和动态测试。

(4)采用电涡流非接触技术进行测试和监控。

(5)采用视频远程实时精准监测系统[11-12]，主要用于静态测试。

(6)采用数据无线传输、实现远程监控、建立预警机制。

2.1 电阻应变片式测试和监控方法

电阻式测试即通过在不同应变及温度下电阻丝的电阻值发生变化，利用惠斯登电桥，将其变化为电压进行应变的测试。该方法既可以测试结构的静态应变，又可以测试结构的动态应变。铁路在联调联试过程中，一般采用该方法。由于应变片容易损坏，寿命较短，因此一般电阻式应变计主要用于结构物短期测试，不适合于长期测试和监测。见图5。

图5 电阻应变片现场组桥及IMC数据采集仪

2.2 振弦式测试和监控方法

振弦式通常包括固定在端块或被测元件之间的钢弦，通过测量张紧钢弦的频率变化来测量钢弦的张力或应变等物理量。影响振弦式仪器长期稳定性的因素很多，最重要的因素包括钢弦及其相关部件材料的选择、钢弦的固定技术、尽可能地减小由于温度和应变引起的弦线徐变以及减小潜在的腐蚀。高质量的振弦式传感器应具有良好的设计工作特性和较低的长期漂移。

振弦式监测采集系统主要可对高速铁路无砟轨道钢轨、轨道板、底座、桥梁等温度及隧道内气温，对钢轨与轨道板、底座与轨道板、凸台与轨道板、摩擦板与桥台、支承层与端刺、连续梁与相邻简支梁纵横向、梁缝等相对位移，对连续轨道结构钢筋拉应力、混凝土压应力等进行监测。

图6～图8分别是采用温度传感器监测轨道板温度、采用位移计监测轨道板与底座的相对位移和采用钢筋应力计监测底座钢筋应力的现场安装。

图6 温度传感器安装

图7 位移计安装

2.3 光纤光栅测试和监控方法(图9～图14)

作为一种新兴的应用技术，光纤传感器能在极限温度、腐蚀、真空和危险的环境中正常工作，为以前诸多极为棘手的监测、监控难题的解决提供了新的技术手段。光纤光栅测试和监控方法是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化)进行数据采集，可进行静态或动态应变测试，以及结构物的长期应变监测。

图8 钢筋应力计安装

图9 轨道板温度监测

图10 道床相对底座位移监测

图11 桥梁梁缝宽度监测

图12 钢轨温度及应力监测

与传统的监测传感器相比，光纤传感器具有许多独特的优点：(1)抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全，适合于智能结构的长期健康监测；(2)质量轻、体积小、外形可变； (3)对被测介质影响小；(4)具有极高的灵敏度和分辨率；(5)便于复用，便于成网，有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络；(6)使用期限内维护费用低；(7)传输频带较宽，便于实现时分或者频分多路复用，可进行大容量信息的实时测量，使大型结构的健康监测成为可能;(8) 光纤传输，适合远距离监测；(9)可以制备成应力、应变、温度、振动等多种传感器；(10)波长编码，不受光源的光强波动影响，稳定性好；(11)一根光纤中写入多个光栅，易于实现分布式自动化在线监测。

图13 无砟轨道光纤光栅监测系统结构

图14 光纤光栅监测系统组成

2.4 电涡流非接触测试和监控方法(图15)

电涡流非接触测试和监控方法是采用高频电涡流效应为原理的非接触式测试方法。电涡流位移传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式技术系统。控制器内产生的高频振荡电流通过同轴电缆流入探头圈中，线圈将产生一个高频电磁场。当被测金属体靠近该线圈时，由于高频磁场的作用，在金属表面上就产生感应电流，即电涡流。

该电流产生一个交变磁场，方向与线圈磁场方向相反，这个磁场相互叠加就改变了原线圈的阻抗。所以探头与被测体金属表面距离的变化可通过探头线圈阻抗的变化来测量。控制器根据探头线圈阻抗的变化输出一个与距离成正比的直流电压，即实现位移测试。

电涡流非接触监测方法可适用于静态位移测试、结构物的长期位移监测，也可适用于动态监测。其特点是长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响。

图15 电涡流非接触位移传感器及现场安装

2.5 视频远程实时精准监测系统(图16)

视频监控系统一般由摄像、传输、控制、显示、记录5部分组成。摄像机通过网络线缆或同轴视频电缆将视频图像传输到控制主机，控制主机再将视频信号分配到监视器及录像设备。通过控制主机，操作人员可发出指令，对摄像机的动作进行控制及对镜头进行调焦变倍的操作。利用特殊的录像处理模式，可对图像进行录入、回放、调出及储存等操作。

利用高清摄像头对无砟轨道或关键位置进行拍摄，然后通过图像识别技术，来进行分析判断，达到安全监控的目的。利用高清摄像头可监控内容有：轨道部件使用情况，如扣件弹条是否断裂、螺旋道钉是否拔起、断轨，以及轨道结构的相对位移和变形等。

该监控方法的局限性是单个摄像头监控范围有限，夜间拍摄的范围有限。今后需重点对图像识别技术在高速铁路无砟轨道工程监控中的应用进行研究。

图16 视频监控系统架构

2.6 无线传输、远程监控、预警机制(图17)

无线传输即现场采集数据后，均能实时的将数据无线传输到服务器中。

远程监控是基于监测数据的实时传输，在服务器上可实现实时远程监控；同时还可开放服务器，任一计算机可连接到服务器进行实时查看。

预警机制即对监测物理量科对高于某值进行报警，也可对低于某值进行报警，同时还可预先设定某一危险区间进行报警。报警可通过连接声光报警装置，同时，可将报警信息以短信方式发送到指定手机上。

图17 光纤光栅无限远程监控示意

3 高速铁路无砟轨道安全监控实例

铁四院拥有中国铁建第一轨道工程实验室，前期在宜万、武康二线、武广、沪杭、京沪、广深港、宁杭等铁路上，开展了轨道参数、几何状态、动力性能、振动、噪声等室内外及现场试验、状态监测和安全评估等试验和监控。

3.1 道岔区板式无砟轨道综合监测

2009～2012年，针对武广高铁世界上首组桥上道岔板式无砟轨道，建立远程在线实时监测系统，由监测点传感器、数据采集模块、无线传输模块和远程监控中心组成。

道岔区板式无砟轨道综合监测过程采用光纤光栅技术系统对无缝道岔、无砟轨道、无缝线路的温度、应变和位移进行连续采集；采用振弦式技术系统对纵连底座板混凝土和钢筋应变进行连续采集；实现数据连续采集、无线传输、实时监测、自动报警等功能，自动化程度高，现场无需值守，确保人员的安全，验证了桥上道岔区采用底座纵连的板式轨道结构的可靠性和安全性。道岔区板式无砟轨道综合监测如图18所示。

图18 道岔区板式无砟轨道综合监测

3.2 桥上42号道岔区及临时端刺区受力和变形监测

2010年9～11月，为了验证临时端刺临时代替永久端刺方案的可靠性，确定列车侧向通过桥上42号道岔的安全性和舒适性，建立远程在线实时监测系统，由监测点传感器、数据采集模块、无线传输模块和远程监控中心组成，如图19所示。

采用振弦式技术系统对底座板应变、底座板与桥梁纵向相对位移、桥墩墩顶纵向位移进行连续采集；采用电涡流非接触技术系统对底座板与桥面竖向相对位移进行连续采集，对确保联调联试和试运营的安全发挥了重要作用。

图19 桥上42号道岔区及临时端刺区受力和变形监测

3.3 隧道内CRTSⅠ型减振型板式无砟轨道振动测试

2011年6～7月，开展隧道内CRTSⅠ型减振型板式无砟轨道振动测试试验。评价减振板式无砟轨道结构的减振效果，评估高速列车通过减振板式无砟轨道结构时的安全性和舒适性；验证减振板式无砟轨道结构的设计参数，为其优化和完善结构设计提供技术依据；通过对减振轨道-非减振轨道过渡段的位移、振动参数的动力测试，评估过渡段设置的合理性。如图20所示。

图20 隧道内CRTSⅠ型减振型板式无砟轨道振动测试

3.4 CRTSⅡ型板式无砟轨道温度及变形监测

针对2013年夏季南方地区出现持续高温，CRTSⅡ型板式无砟轨道出现局部上拱情况，从8月开始，逐步进行温度场及轨道结构变形监测。为进一步分析掌握高速铁路运营状态下无砟轨道的受力机理提供实测数据，为结构优化设计及控制措施提供依据。如图21所示。

3.5 无砟轨道现场视频监控测试

针对个别工点的无砟轨道结构，采用球机和枪机组合可以精准查看现场无砟轨道的离缝、裂缝、变形、钢轨与道床板(轨道板)位移、道床板(轨道板)与底座位移等。我院已分别针对CRTSⅠ型板式无砟轨道、CRTSⅡ型板式无砟轨道现场设置了视频监控系统，可实现全方位控制并查看现场无砟轨道运营情况，实时观测了位移和裂缝、离缝情况，并采用自主开发的软件系统精度识别达到了mm级，为工务养护提供了良好的检查和监控平台。如图22所示。

图21 CRTSⅡ型板式无砟轨道温度及变形监测

图22 无砟轨道现场视频监测

4 无砟轨道安全监测新技术应用探讨

采用振弦式和光纤光栅进行监测的方式，本质上还是点对点的监测，通过定性判断对可能出现问题的关键部位进行监测，监测可靠性受传感器布置的数量和位置影响较大。同时监测主要是对应力、应变、位移、温度等物理量进行实测，从而进行安全性的判断，具有一定的局限性。结合目前航空航天、电力、石油等相关行业中的监测技术，对高速铁路无砟轨道安全检测新技术应用进行探讨。

4.1 利用红外热成像技术进行监控[13]

利用物体的红外辐射特点，采用红外热成像仪摄像机进行监控，主要适用于温度监测，优点是可监测摄像头可见范围内的所有物体表面温度，可探测极小温度差(0.05 ℃)，但只能探测表面温度，不能探测内部温度。如图23所示。

图23 利用红外热成像技术进行温度监控

4.2 利用光纤安全检测(OFSS)技术进行监控

利用光纤的振动、声学传感技术，将光纤沿线路密贴布置，探测任一事件的振动声学响应，采用高性能信号处理技术实时处理振动声学信号并提取信号特征，与预设事件信号进行对比，从而判别事件的行为。可实现各类型声学信号探测。

可监测的内容有：外物入侵、物体坠落、断轨、扣件异常、车轮异常、无砟轨道上拱损坏等，即具备判别振动声学差异的事件。

目前市场上相关产品可监控1～3 kHz的频率响应范围，单套设备监控范围达40 km，事件定位精度达10 m以内。如图24所示。

图24 利用光纤安全检测技术进行监控

5 结论

(1)我国无砟轨道结构根据是否纵连/单元，总体可分为纵连式和单元式结构；单元式结构受温度荷载的影响较小，一般轨道板/道床板长度为5～7 m，底座为15～20 m，轨道结构裂缝控制相对较好；纵连式结构受温度荷载的影响较大，结构设计时温度荷载是其主要荷载，结构整体性相对较好，需要解决单元轨道板间连接、连续结构端部纵向限位等关键设计，后期出现病害可能性相对较大。

(2)无砟轨道结构可能存在的病害有：个别地段纵连无砟轨道结构(CRTSⅡ型板式、路基地段双块式无砟轨道)高温季节的轨道上拱；个别温度跨度较大的桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道，梁端半圆形凸形挡台与底座连接部位开裂；无砟轨道个别扣件失效；板式无砟轨道砂浆填充层离缝；无砟轨道混凝土裂缝、底座伸缩缝、凸台周围树脂离缝；双块式轨枕与道床板分离、松动，双块式轨枕开裂；无砟轨道防排水系统不畅、密封材料开裂失效；线下基础发生不均匀沉降变形，影响轨道结构平顺性等问题。

(3)目前高速铁路轨道结构测试和监控中，常用的方法有：采用电阻应变片式测试，主要用于短期动态测试；采用振弦式测试和监控，一般用于静态测试；采用光纤光栅测试和监控，可用于静态和动态测试；采用电涡流非接触技术进行测试和监控；采用视频远程监控，一般用于静态位移测试；采用数据无线传输、实现远程监控、建立预警机制。

(4) 对利用红外热成像、利用光纤的振动和声学传感等新技术进行无砟轨道安全监控进行探讨。

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Monitoring Technique for Ballastless Track of High-speed Railway

WANG Yu-ze, WANG Sen-rong

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

This paper Summarizes the ballastless tracks structures used in high-speed railway, analyzes the potential track defects during the service period, such as doming of the ballastless track, cracking of bollard block or track base, fastener failure, cracks between track slab and cement asphalt mortar cushion, track structure fractures, differential settlement of foundation. It proposes different advanced equipment and methods to monitor ballastless track structures by means of strain gauge sensor, hyun sensors, FBG sensors, eddy current non-contact sensor, wireless transmission equipment, remote monitoring system, early warning mechanism instruments and etc. it also Introduces application examples of monitoring and field test, integrated monitoring of ballastless track in turnout zone, stress and deformation monitoring of NO.42 turnout on the bridge and end-spine zone, the test of damping CRTSI slab ballastless track in tunnel, temperature and deformation monitoring of CRTSⅡ slab ballastless track. Investigation is made of the application of high-definition camera image recognition, thermal imaging, optical fiber vibration sensor, acoustic sensors in the ballastless track safety monitoring.

High-speed railway; Ballastless track; Track defects; Monitoring; Test

2015-05-07

中国铁路总公司科技研究开发计划课题(Z2013-G001)

王玉泽(1960—)，男，教授级高级工程师，中国工程勘察大师，1982年毕业于西南交通大学铁道工程专业。

1004-2954(2015)08-0001-09

U238； U213.2+44

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.001