基于分布式光纖傳感的軌道板上拱監測技術研究

王智超 趙志剛 柴雪松 金明 馮毅杰 凌烈鵬 劉艷芬

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

無砟軌道因其平順性高、耐久性好、維修工作量小等優點，成為高速鐵路最主要的軌道結構形式。CRTSⅡ型板式無砟軌道是結合我國高速鐵路建設需要研發形成的一種縱連無砟軌道結構形式，經數年運營，其服役狀態良好。由于跨越氣候和地質環境復雜多變，在極端連續高溫條件下，軌道板間接縫會出現擠碎、上拱現象。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行安全［1］。

我國對CRTSⅡ型板式無砟軌道軌道板上拱缺乏成熟的監測手段，只能在病害發生后以傳統人工巡檢方式發現，且受天窗時間影響，作業費時費力，難以完成轄區無砟軌道的全覆蓋檢查。利用綜合檢測列車可以發現部分上拱病害，但是檢測定位精度不高且缺乏實時性，無法滿足運營安全需求［2］。因此，亟需開展兼備效率和經濟性的軌道上拱監測關鍵技術研發，旨在幫助工務部門實時掌握軌道板狀態，從而節約人力物力成本，阻止病害演變為威脅行車安全的事故，同時為后期整治和控制提供科學依據。

針對軌道板上拱病害，調研了現有應變、位移、傾角等物理量的測量技術。其中，分布式光纖傳感器具有耐腐蝕、質量輕、體積小、抗電磁干擾的特點，且兼備傳感和傳輸功能，其壽命長、響應時間快、覆蓋范圍廣，使用期限內維護費用低［3］。相比于傳統機械和電類傳感器，光纖傳感器在軌道板監測工況中可大范圍沿線路鋪設，對軌道結構影響較小，且不需要在現場配置額外的供電和傳輸設備，從監測范圍、安全可靠、經濟性等方面更適應高速鐵路線路現場環境。近幾年，該技術逐漸應用于橋梁結構健康、路基沉降、隧道溫度、鋼軌變形、列車運行狀態等鐵路設施設備安全監測領域［4-8］。

本文根據軌道板上拱特性和分布式光纖傳感技術的特點，提出軌道板上拱病害的監測技術方案，并通過實尺模型試驗、數據分析等手段進行可行性驗證及監測效果評估。

1 軌道板上拱特性

受板間寬窄接縫施工質量不良、層間傷損、層內病害、列車荷載、環境溫度等因素影響，軌道板上拱主要發生在軌道板板間寬窄接縫較薄弱位置［9］。通常情況下，位于接縫兩側的軌道板端部同時拱起，有時會伴隨接縫混凝土破損或水泥瀝青砂漿層與軌道板產生較大離縫（圖1），嚴重時會擠碎接縫處混凝土導致張拉鎖件失效。因此，須重點關注軌道板端部相對于底座板（或支承層）的垂向位移或軌道板底部產生的離縫寬度。

圖1 軌道板上拱導致層間離縫和接縫破損

2 分布式光纖傳感技術工作原理

分布式光纖傳感技術是光纖傳感技術的一種，相比于點式光纖光柵傳感技術，其最顯著的特點是可以準確地測出光纖沿線上任一點應力、溫度、振動、損傷等信息。

基于布里淵光時域分析（Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA）的分布式光纖傳感技術，其工作原理（圖2）為：當反向傳播的泵浦脈沖光和連續探測光在光纖中相遇時，因受激勵布里淵的放大作用發生能量轉移，通過掃描2個光源之間的頻率差并記錄每個頻率差下光纖沿線能量轉移的大小，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］。當光纖發生應變或溫度改變時，布里淵頻移也會發生改變，根據光纖布里淵頻移與光纖應變、溫度之間的線性關系，可以獲得應變和溫度的信息并確定發生區域，實現全分布式測量。

圖2 分布式光纖傳感技術工作原理

3 監測技術方案設計

3.1 監測裝置

結合軌道板上拱特性和分布式光纖傳感技術特點，建立軌道板與光纖動力響應模型。光纖布設方案見圖3。在軌道板端部側面靠近寬窄接縫處，將包裹分布式光纖的傳感光纜縱向布設于軌道板側面，取有效長度光纖作為光纖上拱測量段，借助轉換器、緊固零件組成的裝置將其錨固于下部底座板（支承層），構成垂向聯系。光纖上拱測量段末端錨固于軌道板側面，防止其與軌道板產生相對滑動，上拱測量段之間設置自由狀態的過渡段。

圖3 光纖布設方案

當軌道板發生上拱，軌道板與底座板（支承層）之間產生相對位移，裝置帶動光纜在長度方向拉伸。通過采集和處理光纖應變信號的變化，可以監測上拱情況。過渡段光纖信號可用于溫度補償和溫度測量。

光纖沿線路軌道板布設，并與分布式光纖傳感監測設備連接。監測設備設置于車站機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備，充分發揮分布式光纖傳感遠程感知及傳輸的優勢。

3.2 在線監測系統

為適應長距離線路軌道板遠程監測，將光纖傳感、解算分析、分級報警等模塊進行系統集成，形成集管理、查詢、分析、實時監測及報警為一體的在線監測系統。

系統實時獲取1個或多個監測設備傳輸的數據，經進一步解算處理后形成狀態信息。依據設置的分級報警閾值對位移和溫度變化量進行評判，形成報警信號，并按一定的處理規則將狀態信息和報警信號分發給用戶。展示的狀態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。達到報警閾值時系統進行報警，根據光纖點位鎖定安全狀態不良的軌道板里程及板號，提醒有關部門及時處理。同時建立軌道板狀態數據庫，用于輔助后期的養護維修工作。

4 實尺模型試驗

4.1 試驗方法

1）試驗現場布置

搭建室外實尺模型試驗臺，選取2塊軌道板進行監測試驗。試驗現場布置如圖4所示。由于軌道板上拱發生于端部寬窄接縫兩側，為模擬上拱工況，在軌道板端部砂漿層預留軌道精調孔洞，采用軌道精調爪人工加載使軌道板端部抬升脫離砂漿層。在軌道板側面按設計方案布設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。試驗過程中采用分布式光纖傳感監測設備對光纖信號進行采集和分析，在軌道板對應位置安裝百分表進行輔助測量。

圖4 實尺模型試驗現場布置

2）測點及加載工況設置

在2塊軌道板端部設置6個測點（圖5）：①測點1—測點4位于板間寬窄接縫兩側端部對稱位置，同時逐級加載。受接縫限制，每級加載1 mm，加載至5 mm。②測點5和測點6位于未設置寬窄接縫的軌道板端部位置，同時逐級加載。因沒有接縫約束，每級加載2mm，加載至12 mm。以百分表讀數控制加載上拱位移，每級加載結束后記錄設備應變測量結果。

圖5 試驗測點設置

4.2 試驗數據分析

4.2.1 光纖應變測量結果

2種光纜測點1和測點2應變測量結果見圖6。

圖6 2種光纜測點1和測點2應變測量結果

可知：①加載時，2種光纜的上拱測量段逐漸被拉伸，光纖的應變發生變化，引起光纖內部布里淵頻移顯著增大，輸出測量結果形成一段應變波峰區域。該波峰區域與測點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律性增長。②扁平光纜光纖上拱測量段的應變隨上拱位移的增加而增大，但波動較大，在加載過程中光纖可能存在受力不均的情況，不利于計算有效數據。與扁平光纜相比，圓形光纜被拉伸后產生的應變波峰區域較為平穩、均勻。因此，選擇圓形光纜對上拱工況進行監測更符合設計方案的要求。

4.2.2 上拱位移與應變數據綜合分析

匯總圓形傳感光纜各測點軌道板上拱位移與監測設備輸出的光纖應變測量值，建立二者之間的數學關系式并擬合曲線，見圖7。可知，決定系數R2＞0.99，應變和上拱位移具有良好的線性關系。

圖7 上拱位移與應變的擬合曲線

根據試驗應變測量值和上拱位移的擬合結果（h=2.795 1ε），推算設備監測的上拱位移。各測點上拱位移與光纖應變測量結果見表1。可知，推算上拱位移相對誤差范圍為-16.15%～7.22%，除個別測點外，相對誤差基本控制在±10%以內。在1～5 mm加載位移范圍內，絕對誤差基本控制在±0.2 mm以內。當加載位移較大時，絕對誤差也相應增加。異常測點（如測點3和測點5）數據誤差較大，可能源于光纜及配件安裝質量不統一。

5 結論

1）根據軌道板上拱特性，基于分布式光纖傳感的工作原理，提出軌道板上拱監測技術方案。在軌道板側面布設光纖，將光纖引至車站機房連接監測設備，最終集成在線監測系統，充分發揮了分布式光纖傳感技術的優勢。

2）通過實尺模型試驗及數據分析對方案的可行性進行驗證，分布式光纖傳感技術可有效識別并定位軌道板上拱引起的應變，其中圓形光纜更適用于監測方案。光纖應變測量值與軌道板上拱位移成線性關系，且推算位移誤差較小，可作為預期指標指導后期推廣使用。

3）為適應高速鐵路線路復雜環境，下一步將重點從光纖布設工藝、識別算法、報警管理平臺等方面優化監測技術，開展應用性研究。