客运专线、高速铁路异物侵限监测方案优化
2010-05-08赵树学
赵树学
(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)
目前,我国客运专线、高速铁路异物侵限监测技术正处于起步、发展的关键阶段。因此,构建一个安全、可靠、完善的异物侵限监测系统尤为重要。下面结合国内已开通异物侵限监测建设方案的案例,对如何优化客运专线、高速铁路异物侵限监测建设方案谈一点自己的看法,供读者参考。
1 异物侵限监测手段分析与选择
1.1 异物侵限监测手段
目前可供客运专线、高速铁路异物侵限监测系统选择的监测手段主要包括双电网、倾角传感、红外对射、视频内容分析、光栅放射谱和监测雷达技术等方法。
1.1.1 双电网监控方式
该方式为采用电缆实回线的通断来监测有无异物侵限的监控方式,在国内已经有多条线路使用。如京津、郑西、武广、沪宁等高铁线路。其优点是监测可靠,误报少。该技术在法国、日本和西班牙都有应用。
1.1.2 倾角传感技术
倾角传感技术是比较新型的技术。当传感器受到异物冲撞导致倾角传感器(或其所依附的结构)发生角度改变,直接控制电平信号的通断(或输出角度变化值供软件判断),来实现报警功能。此方案的优点是监测可靠,误报少。但为了达到防护范围的要求,存在安装传感器数量较多、结构复杂的缺点。
1.1.3 红外对射技术
红外对射方式为非接触式。具有安装方便、易于维护、成本适中的特点。但易受外界干扰影响,误报较高,在室外环境使用有一定的局限性,一般用于安防系统。
1.1.4 视频内容分析技术
视频内容分析技术通常是在划定区域内监测异物,如果有异物则产生报警。但由于对视频内容分析的背景参照物要求较高,且对外界条件变化敏感,所以实施难度较大,误报较高,各路局工务部门在山体滑坡监测中有应用案例。
1.1.5 光纤光栅探测技术
光纤光栅是利用紫外暴光技术在光纤芯中引起折射的周期性变化而形成的。光纤光栅中折射率分布的周期性结构,导致某一特定波长光的反射,从而形成光纤光栅的反射谱。反射光的波长对温度、应力和应变敏感,当环境温度、应力或应变发生变化时,光纤光栅反射光的峰值波长漂移,通过对波长漂移量的度量可以实现对温度、应力和应变的感测。目前主要用于重要桥梁基础位移,但在现有的国内外高铁异物监控少有应用案例。
1.1.6 监测雷达技术
监测雷达方式属于非接触式,是利用监测雷达实时探测落物的距离和速度,通过数据处理计算出落物落点的大概位置,为判断落物是否侵限提供准确的信息。落物侵限监测雷达具有监测范围广(>100 m),安装及维护方便的优点。
1.2 异物侵限监测手段的选择
综上所述,实际上用于异物监控的手段主要有非接触式和接触式。
非接触式监控包括红外对射、视频内容分析、光纤光栅探测技术和监测雷达技术。
非接触式监控方式存在一个共同的技术难题,即受到外界干扰容易误报。例如遇到天气变化、浮沉、漂浮物和大雨等现象,都会不同程度的出现误报。
接触式双电网监控方式是将双电网传感器直接串联到继电器控制回路,最直接、最简单、最成熟、最可靠。该方法在国内外已有大量应用,系统的可靠性主要集中在施工工艺上,容易控制。
异物侵限监测作为行车安全设备,监测手段的可靠性、无误报漏报是实际工程中选择的重要因素。通过以上分析可知,工程中建议采用国内外应用广泛、成熟可靠的双电网传感器监测方式。
2 异物侵限监测网安装方式与优化
2.1 异物侵限监测网安装方式
根据公跨铁公路桥防撞墙设置情况,目前可供异物侵限监测网选择的安装方式主要包括:水平安装监测网、与防抛网结合垂直安装监测网和L型安装监测网等。
2.1.1 水平安装监测网
目前,已开通运营的高速铁路和客运专线铁路防灾异物侵限监测网均采用水平安装方式。异物侵限监测网平行于桥面安装于公路桥防撞墙上,每单元由水平部分和侧翼部分组成。水平部分为1 000 mm×1 500 mm,侧翼部分为1 000 mm×500 mm,水平部分与侧翼部分夹角为135°。
采用水平安装异物侵限监测网主要问题是单元荷重比较大(需要考虑一定程度的冗余荷载,满足对监测网的安装和维护。目前一般按满足160 kg的荷载要求进行设计,其中100 kg荷载为维修人员的附加荷载)。此种方式对桥梁的剪切力矩较大,施工及维护存在一定的难度。
2.1.2 与防抛网结合垂直安装监测网
采用与桥梁防抛网相同的安装方案。异物侵限监测网与桥梁防抛网结合安装,桥梁防抛网设置于内侧(远离铁路侧),异物侵限网设置于外侧(靠近铁路侧)。异物侵限监测网与桥梁防抛网为竖直平面结构。
本方案安装方式简单、维护方便,对桥梁结构基本无影响,但由于与公路桥面较近,必须考虑防破坏措施,以免影响防灾异物侵限监控系统正常使用及系统可靠性。另外,由于与桥梁防抛网结合安装,桥梁防抛网与异物侵限监测网产权不同,维护界面难以分清,会带来工程实施难度大、日后使用及维护不便等一系列问题。
2.1.3 L型安装监测网
采用L型安装监测网,异物侵限监测网和桥梁防抛网分别独立安装。异物侵限监测网采用L形结构,与桥梁防抛网间距按600 mm安装(主要考虑安装与维护距离)。
本方案最大特点是采用安装件与监测网分离的组装式结构。一是维修荷载不直接作用于监测网上,监测网单元荷载在保证一定强度下可以很轻;二是采用组装式结构及很轻的监测网会带来安装及维修上的便利;三是不与桥梁防抛网结合安装(相距600 mm),与防抛网产权、维护界面清晰,防破坏性较好,安全可靠性较高。
2.2 监测网安装方式选择
通过上述3种安装方式详细分析,建议后续工程项目选择L型安装异物侵限监测网。
3 异物侵限监测范围分析与计算
异物侵限监测网防护范围是当前工程项目难以确定的问题,目前普遍采用了定性估算防护网设置长度,这样做显然是不科学的。下面通过详细的理论分析与计算,给出监测网防护长度,从而确定监测网设置范围。
3.1 侵限异物情况分析
公跨铁防撞护栏在机动车不超速的情况下,防撞护栏可以完全吸收机动车的动能,可以避免机动车冲出防撞护栏。换句话说,规范设计的防撞护栏已具备了对碰撞能量的吸收能力。
依据《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81-2006)等相关规范标准,防撞护栏的防护能力远远大于轻机动车的碰撞动能,轻机动车在按设计规范设计的桥梁上与防撞护栏发生碰撞,是不足以破环防撞护栏的。对于SB级指标,如果轻机动车达到280 kJ的法向碰撞能量,汽车需要具备203 km/h的速度,一般情况下不会出现这种状况。
由此可见,需要分析和计算的是重机动车在超速状态下发生碰撞,导致防撞护栏不足以对其进行防护,从而冲出护栏的情况。
3.2 冲出防撞护栏后剩余速度的计算
以重机动车超速10%时的剩余速度计算,SB级护栏的法向吸收能力为280 kJ,重机动车超速10%时,速度为88 km/h,机动车质量为10 t,碰撞角度为20°,则防护栏法向方向的速度为(见图1):
法向方向的动能为:
冲破防撞护栏过程中被吸收280 kJ,剩余法向能量为69 kJ,假设机动车冲出时的方向不变,对应的法向速度vvo为:
总速度vo为(与护栏走向成20°角):
实际情况中,机动车碰撞过程不能完全按照质点运动进行理想化,更多的情况是发生翻滚和变形,而翻滚、多次碰撞及变形过程会吸收大量的动能,从推算桥方向防护范围的目的看,以质点理想化机动车是最不利的情况。因此,重机动车超速10%时,角度保持20°,最严酷的情况是破坏护栏后剩余速度为10.9 m/s。
3.3 机动车冲出防撞护栏后坠落到地面的时间计算
超速重机动车冲出防撞护栏后抛物线坠落过程,垂直方向是初速度为零的自由落体运动,坠落到地面的时间只与桥高有关,这里以10 m和15 m两种桥高计算。
解出:
t10=1.43(s);
t15=1.75(s)
3.4 机动车冲出防撞护栏后水平坠落距离的计算
水平坠落距离D=vo×t,于是,
D10=vo×t10=10.9×1.43=15.6(m)
D15=vo×t15=10.9×1.75=19(m)
俯视时,坠落轨迹为一条直线,该直线与桥走向成20°角。
3.5 水平方向异物侵限监测网的防护范围建议
3.5.1 异物侵限监测范围的确定
当公跨铁桥走向与铁轨走向成90°角时,监测范围参见图2。
考虑机动车冲出防撞护栏时,异物侵限监测范围为:
其中,机动车来车方向Dp为水平坠落距离D在桥方向上的投影,机动车去车方向仍按照既有规定外轨外侧5 m,于是:
L=D×cos20°+13.1575
当轨道与桥走向垂直,10 m和15 m桥高时的监测范围为:
L10=27.82(m)
L15=31(m)
3.5.2 一般情况的监测范围的确定
轨道走向和桥走向有可能不是直角交叉,包括图3所示的两种情况。
对于图3中(a)情况,显然,与直角交叉相比,需要在机动车来车方向增加监测距离。不难解出,在机动车来车方向侧,监测范围向限界外延伸范围为:
同理,对于图3中(b)情况,可以在机动车来车方向减少监测距离,限界外延监测距离为:
如果均以来车方向与轨道走向的夹角来计算,则图3中(b)情况为钝角,可以把上述两个公式合并为:
总的监测范围为:
3.5.3 结论
(1)桥高10 m时,不同角度下的监测外延距离和总距离参见表1。
表1 桥高10 m时,不同角度下的监测外延距离和总距离
(2)桥高15 m时,不同角度下的监测外延距离和总距离参见表2。
表2 桥高15 m时,不同角度下的监测外延距离和总距离
4 结束语
通过分析与论证不难得出,目前在我国客运专线、高速铁路异物侵限监测系统中以监控机动车为主要目标、辅助防护大件的散落物,采用双电网传感器监测手段、L型安装方式的建设方案是最优的建设方案。
随着我国客运专线、高速铁路异物侵限监测网的应用和发展,还应特别关注监测雷达技术、光纤光栅探测技术等在相关领域应用与发展,只有不断深化研究,并不断地加以完善及运用,才能推动异物侵限监测网在客运专线、高速铁路上更好地应用和发展,使之更好地为铁路运输安全生产服务。
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