我国高速铁路运营期声屏障检查维护与结构监测技术研究

付达靓

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 环境与航务工程设计研究院，北京 102600）

1 概述

自2008年京津城际高速铁路开通运营以来，截至2021 年底我国高速铁路营业里程已达4 万km[1]。目前，国内高速铁路广泛应用的噪声控制工程措施是声屏障[2]，按结构型式可分为插板式、整体式及门式结构柱板式。总结十余年高速铁路运营及工务管理经验发现，高速铁路声屏障在维护方法和技术方面仍存在需解决的问题[3-4]。在近年“强基达标、提质增效”背景下，国铁集团在高速铁路养护维修方面对设备运用状态准确评价、高铁变化规律趋势分析和安全风险预警能力提出了更高的要求[5]。现有高速铁路声屏障检查维护均需依靠人力完成，检修工具的机械化、智能化水平不足，工作效率不高、受人员主观经验影响较大；声屏障结构状态缺乏系统性监测，无法做到全天候实时监测及预警，缺乏对声屏障检修的保障作用。在此，以约占声屏障总数90%以上[6]的插板式结构声屏障为例，对其检查维护和结构监测技术开展研究。

插板式结构声屏障由基础、螺栓、立柱、单元板等组成，在运营期声屏障主要受列车通过时形成的气动力和当地区域自然条件下的风动力影响。相关研究表明，受列车气动力长期反复作用，声屏障立柱、单元板最大位移较运营初期增大，立柱的最小应力减小[7]，连接立柱与基础的螺栓也会发生松弛[8-9]；受现场施工组织影响，桥梁声屏障基础预埋螺栓安装精度有可能超过设计允许偏差，导致声屏障单元板插入程度不足[10]，列车高速运行的气动力冲击使振动进一步加大[4]。

除受外界列车气动力影响外，声屏障立柱、螺栓还受外部环境条件的影响，长时间暴露在风、雨、雪、光照等条件下，加之立柱、螺栓等钢构件防腐处理较难到位，部分立柱、螺栓会在运营一定时间后出现锈蚀现象[3]。声屏障螺栓和立柱的松动、锈蚀，以及因施工精度造成的声屏障插入不足、立柱歪斜等会存在安全隐患，极端情况下可能会危及行车安全[11]。此外，声屏障单元板的吸声材料易吸水受潮、吸尘易粉化造成结构破坏、吸声性能减弱[4]，导致声屏障降噪效果较运营初期有所降低[7]。

2 声屏障检查维护技术研究现状

2.1 声屏障检查维护重点内容

尹皓等[11]、许克俊[12]研究认为，应围绕声屏障基础、H 型钢、连接件、单元板4 个方面开展检查：一是检查声屏障基础及底部重力式流动砂浆的完好性和有效性；二是检查声屏障H 型钢的腐蚀程度和垂直度，前者包括检查型钢保护涂层外观的破损、鼓泡、剥落、锈蚀情况及腐蚀量，后者包括检查H型钢立柱是否因移位、歪斜产生不符合间距的情况；三是检查螺栓和密封橡胶条的有效完整性，包括螺栓和密封橡胶条的牢固程度及锈蚀、老化、损坏、缺失情况；四是检查单元板的完整有效性和松紧度，前者包括检查单元板的缺损、开裂、变形、褪色、老化等情况，后者包括检查单元板插入H型钢立柱深度、歪斜程度和松动情况。在上述4个方面中，连接件螺栓是否缺少、锈蚀、松动及失效，H型钢立柱是否因移位、歪斜导致间距变大，单元板是否变形、插入H型钢深度是否不足等应作为声屏障检查的重点内容。

声屏障维护应围绕检查中发现的问题开展：①声屏障基础维护，主要包括对基础或底部重力式流动砂浆裂缝、破损、空洞等进行修补；②H型钢立柱维护，主要包括对存在锈蚀的钢构件进行除锈涂油，对移位、歪斜的立柱进行调整；③连接件维护，主要包括对缺失、老化的螺栓及密封橡胶条进行补齐、更换，对锈蚀的螺栓进行除锈涂油，对松动的螺栓进行复拧等；④单元板维护，主要包括对已变形、破损、失效的单元板进行更换等，对褪色单元板补喷色彩涂料，对插入H 型钢立柱翼缘板深度不够的单元板进行调整。

2.2 声屏障检测维护设备研发

2.2.1 声屏障视频检测设备研发

刘贺坚等[13]研制开发了一款采用图片或影像检查系统的高速铁路声屏障安全检测装置，可对声屏障螺栓、插板脱落，立柱螺栓松动，焊接部位失效，重力砂浆破损等进行全面检查。该装置可在声屏障上自由滑动，作业人员无需到声屏障外侧便可清晰查看外侧螺栓及其他结构状态，操控简便，拍摄图像或图片清晰，可实现后台存储、检索等。

2.2.2 声屏障螺栓检修维护设备研发

马麒等[14]研制了一种新型声屏障螺栓检修设备，包括走行系统、动力系统、卷扬升降系统和控制系统。卷扬升降系统包括回转平台、升降立柱、伸缩臂和卷扬机。液压驱动的螺栓紧固系统和吊板通过钢丝绳与卷扬机相连。卷扬升降系统将螺栓紧固系统移至待紧固的螺栓位置，从而实现螺栓的紧固，无需作业人员半空作业，也无需拆除隔音板，操作简便，效率高且安全。

李庆云[15]提出一种声屏障检修智能机械设备，由动力系统、气动(电动)系统、轮轨小车、臂架系统、作业系统、视频监控系统、涂油机等组成，设备各作业系统均由气动或电力驱动。设备依托配备的计算机智能化数据采集与控制系统，通过计算机目标路径规划和控制系统实现整机的精确定位和多臂同步姿态调整，完成智能对位、高精度自动拧紧、自动涂油作业。此外，还能记录整个设备检查、养修过程，对声屏障外侧的螺栓及立柱状态进行视频录入和储存，并通过接口将记录信息传输至计算机，便于回放检查和分析。该设备重点解决高铁线路两侧声屏障立柱固定螺栓的检测、涂油保养及复拧紧固等作业。

2.2.3 声屏障巡检机器人设计

邓斌等[16]提出一种新型声屏障巡检机器人设计方案，主要由驱动部分、关节杆串联部分和行进越障组构成。巡检机器人的工作过程是机器人携带图像采集设备或检测装置，克服自身重力、前进摩擦阻力，实现在声屏障上连续前进的功能并进行数据的拍摄、采集和传输。机器人具有良好的越障性和安全可靠性，运行速度最快为2 m/min，能达到预定的巡检设计要求，结合智能化数据采集装置，可快速准确采集信息并进行分析。

3 声屏障结构监测技术研究现状

目前监测技术研究主要集中在声屏障立柱变形、位移及声屏障单元板破损检测等方面，主要技术手段有传感器、光纤技术、摄影测量及地面干涉雷达。

3.1 传感器技术

该技术主要原理是利用安装在声屏障上的传感器感应列车气动力对声屏障的位移和风压，判断声屏障立柱状态。刘刚利等[17]研究构建了声屏障风压、位移远程监测系统，该系统包括传感器阵列、调理仪、采集仪、计算机、太阳能电池板及蓄电池、电源处理模块，以及配套的数据采集、现场监测系统软件。该监测系统原理是在声屏障不同区域布置加速度传感器，并在声屏障内侧粘贴差压式传感器，通过采集声屏障不同区域的振动信号和声屏障内外的压差，再通过信号检测装置将声屏障不同区域的脉动风压信号和振动信号传输至数据采集系统进行预处理，数据采集系统将处理结果通过GPRS无线网络传送至远程监测中心。远程监测中心利用相关空气动力学理论算法，根据检测到的声屏障不同区域风压数据和位移数据，拟合出声屏障脉动风压的时空分布规律。

3.2 光纤技术

夏岚等[18]利用布里渊光时域反射(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer，BOTDR)技术研究了基于立柱倾斜的高铁声屏障受损情况。研究了当立柱倾斜时，立柱顶部相对于初始位置的偏移量与BOTDR 测得的光缆应变值间的理论对应关系，并利用该对应关系得出不同偏移量下系统的报警阈值。同时，通过搭建高铁现场实验系统对理论研究结果予以验证，实验结果可与理论计算结果相吻合。周敏[19]融合了BOTDR技术和地理信息技术构建了高速铁路形变监测系统，开发了监测系统软件，实现了BOTDR 光纤位置信息与声屏障地理位置信息的配准、监测结果的可视化及对BOTDR 的远程控制。通过信息系统可以确保维护人员直观看到声屏障的安全状况，对降低维护成本具有积极意义。

3.3 摄影摄像测量技术

郭杰[20]借助高速摄像系统并使用基于改进反向组合的刚性位移提取算法，对高速铁路插板式声屏障在列车风动力影响下的振动位移实施现场测量，视频图像分析结果表明声屏障实际振动响应曲线与有限元仿真分析结果符合，通过计算振动波形的傅里叶频谱得到声屏障固有频率信息，验证了高速摄像技术是一种可应用于声屏障振动测量的有效方法。

王尧等[21]研究了一种基于机器视觉技术的护栏完整性自动检测系统，并提出了声屏障型护栏的完整性识别算法。该检测系统通过拍摄两侧护栏、声屏障，图像经光纤传输至计算机，由计算机处理图形并识别图像中护栏、声屏障的完整性。将系统安装在高速综合检测列车后，进行不同速度、时间及天气条件下的现场试验，试验结果表明该系统声屏障完整性识别率在94.5%～98.3%，检测效率高，对不同天气、光照等环境因素变化有较好的适应能力。

3.4 地面干涉雷达技术

地面干涉雷达是一种地面主动微波遥感成像系统，可以较短波长的微波信号在不同时间点重复观测同一区域，对发射与接收的微波信号相位信息进行干涉处理，获取目标区域高精度的位移信息。干涉成像测量系统(Image By Interferometric Survey，IBIS)作为一套商业微形变监测系统，可以进行静态监测，如测量桥梁、建筑物、大坝在外部应力作用下的位移信息，也可以进行动态监测，如监测目标结构的共振频率和振动模式。刘淼[22]应用IBIS系统从地面对某高速铁路动态调试过程中声屏障横向位移情况进行检测，试验表明该系统可用于声屏障的安全监测。周文明等[23]认为基于IBIS系统的声屏障监测可有效避免与声屏障的接触，对列车的正常运行不会产生影响，可以测定列车不同运行速度和运行方向的声屏障振动频率及脉动压力差异，并记录不同条件下声屏障振动频率和位移量，可为声屏障气动载荷特性评价提供数据支持。

4 声屏障检查维护和结构监测技术研究方向展望

我国高速铁路最早服役的声屏障距今已有十余年，如何创新检查维护方法、提高维护作业效率，科学评估现有声屏障健康状态、结构稳定性，是运维管理单位需要解决的课题。铁路工务部门已建立较成熟的综合维修体系及制度，研制开发了检修设备车辆，建立了以路基、桥梁、隧道、轨道等主体工程结构稳定性和外部安全环境条件为主要目标的基础设施监测及防灾监控体系。但是，作为线路附属工程的声屏障，目前检查维护多以人力作业为主，专业化、智能化的检修维护设备暂未大量应用，缺乏对声屏障结构健康状态系统评估的方法，以及与其他工务设施监测系统相融合的声屏障结构监测体系。因此，有必要对声屏障工程检查维护和结构监测技术进一步开展深入研究。

4.1 完善声屏障检查维护管理体系

对运营高速铁路声屏障日常维护检修存在的问题开展统计调查，按照病害、故障、事故等分类建立问题库，根据声屏障结构型式、单元板类型、单元板安装方式、线路类型、地区环境特征等对问题予以统计分析，识别日常维护检修的常见问题类型及影响行车安全的主要问题源，优化完善高速铁路声屏障维护管理办法，建立高速铁路声屏障日常检查维护规程。

在精准识别声屏障检查维护主要问题的基础上，利用图形及图像识别、雷达或微波信号等无损检测技术手段，对声屏障基础、立柱、螺栓及单元板材开展裂纹、破损、锈蚀、松动、歪斜、脱落等问题的识别及检测评估研究。

4.2 开展声屏障检查维护设备研发及应用

对于已研发的维护检修设备，应充分测试检验其实际操作能力及线路适用性，结合工务部门存在的常见问题优化完善螺栓紧固、单元板更换等操作功能，设计开发基于不同维护检修条件的模块化操作设备。同时，应积极推动带巡检功能的专项检修车辆或声屏障检修维护机器人的研发，探索人工与人工智能机器相结合的巡检方式，研究利用机器人完成螺栓紧固、构件防腐处理等日常维护工作的可行性，提高检修效率及精度。此外，还可以借助现有机械工程技术，研制辅助工务人员更换声屏障单元板、紧固螺栓的机械化操作臂或穿戴式机械骨骼等。

4.3 深入研究声屏障结构监测技术

目前声屏障结构监测主要包括原位监测技术和异位监测技术，原位监测技术是利用贴敷在声屏障构件上的传感器或光缆，通过对压力、振动频率、位移的感知采集实时数据以反映声屏障结构状态；而异位监测技术则是利用搭载在外部平台上的高速摄影、摄像机器或干涉雷达等设备，通过对采集数据进行二次模型演算获得声屏障结构状态参数。

对于原位监测技术，应研究评估敷设在声屏障构件上的传感器或光缆对于行车安全的影响。在对行车安全无影响的前提下，可开展传感器的布设位置、方式及外部电源供给和数据传输方式等研究。对于异位监测技术，应深入研究评估搭载监测设备的外部平台在高速铁路运维管理模式下的工程适用性，研究高速运营状态下图片、图像识别模型或物理信号数据的优化算法，评估各类技术手段的优缺点及适用范围，研究搭载监测设备车辆的技术路径及可行性。此外，数据采集、分析的精度直接决定了声屏障监测结果的准确性，因而不同数据采集模式下数据误差判断的算法也是研究的重点。

依托于不同监测技术条件采集的数据，应利用大数据平台及人工智能技术对获得的有效数据予以分析，研究构建声屏障健康状态预警系统及软件开发。

4.4 研究制定声屏障结构健康监测技术标准

建议结合声屏障结构监测技术和工程应用实践经验，参照《铁路自然灾害及异物侵限监测系统工程技术规范》(Q/CR 9152—2018)[24]和《铁路客站结构健康监测技术标准》(TB/T 10184—2021)[25]，研究制定声屏障监测技术标准，明确声屏障结构健康监测的基本原则和总体要求，以及监测对象、监测内容、监测点选取布置等内容，提出数据采集方法选取的原则、数据采集的技术指标等，规定数据采集配置和数据传输方式的确定方法，明确数据存储、处理、管理与分析模块应实现的功能和技术要求，提出结构安全预警阈值、结构健康状态评估的确定原则，明确数据采集及信号传输设备、电源缆线、附属设施、监控端设备的安装与防护要求，规定监测系统硬件集成与调试的工作内容和具体技术要求，提出监测系统软件、硬件及各功能模块的验收内容、方法及相关要求，明确系统维护的管理要求、维护方式及事故应对措施等内容。

4.5 构建声屏障检测监测体系

推动声屏障检测监测体系构建方法的研究，该体系框架应包括感知层、传输层、数据资源层、大数据平台层、应用层[5]，能够满足对声屏障结构特性、性能变化规律、病害点分布及特征、安全预警的检测监测需求，并能通过检测监测数据的积累和统计分析，实现对声屏障维护提出针对性指导作业的功能。同时，还应重点研究声屏障检测监测体系与现有工务设施检测监测体系融合的方法、途径及可行性，以保证声屏障检测监测在现有高速铁路运维管理体制下得以实现。

5 结束语

随着我国高速铁路网的不断延伸和完善，作为高速铁路应用广泛的噪声控制工程，声屏障运营管理的要求将不断完善和提高，同时作为线路附属工程，维护声屏障结构的安全稳定也是保障高速铁路安全运营的重要因素之一，对声屏障检查维护和结构监测技术的研究显得尤为重要。目前，国内高速铁路运营期声屏障检查维护的内容较明确，但方法和手段还不够成熟，机械化、智能化检修设备尚未得到推广应用，声屏障结构监测技术尚处于理论研究阶段，缺乏信息化、网络化的监测系统。为进一步提升高速铁路工务管理能力，未来可考虑在优化完善声屏障检查维护管理体系、研发应用集成化检修维护设备、构建确立声屏障结构监测技术、搭建声屏障结构监测系统等方面开展深入研究。