高铁无碴轨道检测技术发展综述

南京交通职业技术学院公路工程系张文斌芮丽

高铁无碴轨道检测技术发展综述

南京交通职业技术学院公路工程系张文斌芮丽

随着高速铁路的发展，无碴轨道的采用被世界各国所公认，无碴轨道是高速铁路工程技术的发展方向。德国科隆—法兰克福高速铁路有90%区段采用无碴轨道；日本盛冈—八户高速铁路80%以上区段采用无碴轨道；九州新干线新八代—鹿儿岛间线路90%区段采用无碴轨道。根据《中国铁路中长期发展规划》，到2020年，为满足快速增长的旅客运输需求，建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵四横”铁路快速客运通道以及四个城际快速客运系统。建设客运专线1.8万km以上，客车速度目标值达到每小时200km及以上。高速铁路无碴轨道安全检测技术成为实现高速铁路运输安全的基础。

一、无碴轨道技术

“碴”的意思是岩石、煤等的碎片。在铁路上，“碴”指作路基用的小块石头。传统的铁路轨道通常由两条平行的钢轨组成，钢轨固定放在枕木上，之下为小碎石铺成的路碴。路碴和枕木均起加大受力面、分散火车压力、帮助铁轨承重的作用，防止铁轨因压力太大而下陷到泥土里。此外，路碴还可以减少噪音、吸热、减震、增加透水性等。这就是有碴轨道。传统有碴轨道具有铺设简便、综合造价低廉的特点，但容易变形，维修频繁，维修费用较大。同时，使列车速度受到限制，不适于列车高速行驶。世界高速铁路的发展证实，高速铁路基础工程如果使用常规的轨道系统，道碴粉化严重，线路维修频繁，安全性、舒适性、经济性相对较差。

无碴轨道初期投资比有碴轨道大，但无碴轨道结构可大幅度减少养护、维修费用，减少列车限速、中断行车等对运营的干扰。无碴轨道不仅节省了养护维修费用，减少了对运营的干扰，而且大大改善工人的劳动条件，带来显著的社会效益与经济效益。无碴轨道突出的特点之一就是能确保轨道高度平顺，保证旅客列车高速运行时的安全性和舒适度。无碴轨道的特点和性能对铁路线路的设计和施工提出了更高的要求目前无碴轨道建设和维修都没有达到自动化程度。这意味着在施工工序和质量控制都提出了很高的要求。

二、高速铁路轨道检测技术概况

1.国外高速铁路轨道检测技术发展现状。目前，高速铁路发达国家利用高科技手段，研制开发具有综合性、高精度、高速度、高智能、高可靠性的大型轨道检测设备，检测技术实现了重大飞跃。高速铁路发达国家高速轨道检测技术中检测方式、检测设备可靠性均有较大改善，检测项目更加全面。轨道检测技术通过计算机网络、光纤通信、激光摄像、高速光纤数字陀螺、数字滤波等技术的成功应用，通过对检测设备安装接口方式的独特设计（主要指安装方式或悬挂方式改变），为高速铁路轨道状态安全、实时检测与科学管理奠定了基础。

2004年，美国ENSCO公司推出了最新的检测车体系。开发了单用一控制台同时测量操作技术，包括轨道外形和轨道横断面测量，声学测量、轮轨波纹、悬链线测碍量、乘车舒适度、轮轨冲击和鱼外尾板检测系统。系统采样同步操作，最终利用GPS技术输出来产生出轨道图形和完成预检查。所有测量数据存储在车载数据库中，可以提供灵活的数据报告，以便进行数据分析。2006年6月12日，法国Iris320高速检测车正式亮相。Iris320高速检测车把单一的自驱动列车（行驶速度为320km／h，在某些条件下甚至达到350km／h）、全套基础设施检测和记录功能集中在一起。2007年普拉塞·陶伊尔公司的EC-5轨道检测车，检测速度是160km／h，配备利用GPS和光学原理的非接触惯性测量系统。轨道几何尺寸测量包括了线路空间图中的轨距、线路纵向水平、钢轨平整、道岔、曲线和坡度等诸多参数，利用GPS能够自动绘出。利用全自动激光系统扫描钢轨，记录下钢轨的断面，实时地检测出钢轨类型，计算出与标准形状的偏差，标识出具体方位，还能测量出钢轨结构中的轨高、轨宽和斜轨的尺寸以及钢轨磨耗的状况。

2.国内高速铁路轨道检测技术发展现状。国内轨道检测技术经过二十余年的集成创新研究，已初步形成了国内轨道检测技术体系，从检测系统类型划分为GJ-3、GJ-4、GJ-5三种类型（如表1），三种检测设备代表了我国不同时期的轨道检测技术发展水平。其中，GJ-4、GJ-5型检测设备已成为我国既有线路轨道状态监控的主要手段，最高检测速度达到200km/h。2009年3月27日，由中国南车集团南京浦镇车辆厂自主研制的我国首辆200km/h轨道检测车顺利下线，是专门用于检测高速铁路轨道和路基安全技术参数，填补了我国在这一领域的研制空白。

表1 国内高速铁路轨道检测技术

三、无碴轨道检测系统测量原理

无碴轨道检测系统是用于轨道测量的设备，通过全站仪及轨检小车内部高精度的传感器和现代高科技的通讯手段，获取轨道线形的状态参数。具有无线传输、自动跟踪、自动检校、参数计算、性能稳定、操作方便等特点，主要由轨检小车、全站仪（内置电台）、控制器组成，如图1所示。

测量过程中使用控制器进行测量操作，通过全站仪内置电台、主动跟踪目标功能和轨检小车上的蓝牙通讯系统把轨道检测系统连接成“三位一体”的检测工具。测量时首先利用控制器向全站仪发出测量指令，并接收来自全站仪、轨检小车测量采集的原始数据，然后使用控制器对原始数据进行综合处理，计算出轨检小车测量位置的轨道调整参数（主要包括线路中线偏差值、轨面高低偏差值、水平超高偏差值），最后通过控制器向轨检小车发出轨道调整信息，跟踪轨道调整过程中轨检小车测量位置的轨道状态，指导现场施工。控制器是轨道检测系统数据处理和信息传输的中枢，通过电台信号和全站仪连接，采用蓝牙通讯和轨检小车相连。目前，轨道检测系统具有体积小、重量轻、容量大、功能全的特点。

从几十年前的手工检测到如今的电子设备检测和高科技探测系统，轨道检测有了长足的进步。在我国高速铁路现行速度超过350km／h时，适用高速轨道检测技术的实现方式面临严峻挑战，要求轨道检测设备不仅具备时速350km以上检测速度的检测能力，更重要的是所有检测设备具有更高的可靠性和安全性，检测系统检测项目更全，检测精度更高，系统更加智能化、人性化。未来轨道检测系统具有小巧灵活，向无人值守便携式方向发展，检测数据以无线方式传输等特点，实现等速检测。这也是我国的无碴轨道检测技术发展研究难点与方向。