高速铁路无砟轨道整治效果评估方法探讨

杨永明

(中国铁路总公司工程管理中心，北京 100844)

高速铁路无砟轨道整治效果评估方法探讨

杨永明

(中国铁路总公司工程管理中心，北京 100844)

轨道系统的服役状态直接影响高速列车的安全、平稳运行。随着无砟轨道结构的大量投入使用，无砟轨道病害成为影响线路平顺性和稳定性的主要因素之一。目前病害的整治措施有很多，但如何对整治效果进行有效的评估是日常维护工作的难点之一。结合目前我国高速铁路无砟轨道结构存在的几种主要病害和整治方法，对轨道动态检测、光纤传感监测和地质雷达无损检测3种整治评估方法进行介绍和对比，为整治评估方法在高速铁路无砟轨道上的推广应用提供参考。

高速铁路；无砟轨道；病害整治；效果评估

1 无砟轨道整治评估的意义

新世纪以来，高速铁路飞速发展，无砟轨道已成为我国高速铁路的主要轨道结构形式，在实际工程中大量应用。为保证高速列车的安全平稳运行，高速铁路对轨道的平顺性提出了更高要求。然而无砟轨道病害的出现对轨道结构产生了一定程度的影响，比如京津城际的路基差异沉降，京沪高速铁路的CRTSⅡ板式无砟轨道的底座板拉开及胶接绝缘轨端灼伤，石太客运专线CRTSⅠ型轨道板预应力钢棒折断，京广高速铁路的CRTSⅡ轨道板宽窄接缝挤碎及轨道板上拱，遂渝线无砟轨道板CA砂浆开裂剥离等问题[1-2]。

安全是铁路的生命线。在对上述病害进行有效维修和整治的基础上，迫切需要一套切实可行的整治评估方法，对无砟轨道的整治效果进行合理评估，确认维修方法是否可行有效，防范由于整治维修的缺陷造成运营中安全事故的发生。

目前，对于轨道结构病害整治效果评估、检测的主要方法有轨道动态检测法[3-4]、地质雷达无损检测法[5-6]以及光纤传感监测评估法[7-8]等。据此，结合高速铁路无砟轨道结构的几种主要病害和整治方法，对目前的几种无砟轨道整治评估方法进行介绍和对比分析，为其在高速铁路无砟轨道整治评估上的推广应用提供参考。

2 无砟轨道结构主要病害及整治方法

2.1 板式无砟轨道主要病害整治

CRTSⅠ和CRTSⅡ板式无砟轨道病害主要是砂浆伤损，砂浆伤损形式主要包括：砂浆层与轨道板裂缝、砂浆层缺损掉块和砂浆层裂缝。板式无砟轨道中的CA砂浆填充于轨道板与混凝土底座板之间。当温度梯度作用下轨道板发生翘曲，下部基础沉降或砂浆破损等，均可能导致轨道板与CA砂浆离缝，致使轨道出现不平顺。目前的整治方法为在轨道板与CA砂浆离缝区域填充高密度灌注胶，使轨道板与CA砂浆层形成整体，恢复轨道结构的整体性和连续性[9]。

2.2 双块式无砟轨道主要病害整治

双块式无砟轨道为现场浇筑混凝土结构，由于施工等各种原因，可能存在混凝土内部不密实、空隙、空洞和钢筋异常，道床板与支承层离缝拱起，道床板表面裂纹和轨枕四周裂缝等[10]。对于道床板离缝一般也是采取注浆处理，宽度大于0.2 mm的裂缝采用“表面封闭法”封闭。

2.3 无砟轨道路基差异沉降

高速铁路无砟轨道运营中，无砟轨道局部地段出现不同程度的下沉现象，致使轨面局部不平顺。当无砟轨道沉降量较小时，目前普遍采用轨下垫板的扣件调整方案来满足线路的平顺性。当沉降量较大超过扣件的调整能力时，则采用注胶抬升的方法[11]。

2.4 无砟轨道钢轨病害整治

高速铁路开通后钢轨逐步出现波磨、顶面麻坑、鱼鳞纹等问题。而波磨的出现又会引起弹条折断及“抖车”等问题。目前的整治方法是利用钢轨打磨车对钢轨进行打磨。

2.5 无砟轨道其他病害整治

除了上述病害外，底座板断裂、轨道板宽窄接缝挤碎、双块式轨枕与道床板分离、侧向挡块混凝土拉裂、凸形挡台周围树脂离缝等也是高速铁路运营过程中出现过的病害。这些病害主要是由于在极端气候条件下温度变化幅度较大所致。如果这些病害造成的轨道结构伤损较为轻微，可以采取修复的办法，如果较为严重就得对破损部位进行替换。

3 无砟轨道整治效果评估方法

3.1 轨道动态检测评估法

高速列车行车的安全性和舒适性体现在轨道的平顺性上。轨道系统作为铁路运营设备的基础，它直接承受列车荷载，引导列车前行。在列车的动力作用下，轨道会发生一定的弹性变形和永久变形。这种变形的大小是不固定的，它随着列车的速度和质量的不同而变化。因此，轨道几何状态一直处于动态变化中，仅仅依靠人工检查已经不能全面真实地反映。

目前在我国CRH380A-001、CRH380B-002等综合检测列车上使用的是GJ-6型轨道检测系统。该系统采用激光摄像式的轨道检测技术，将自动位置探测器、惯性组件和摄像组件安装在位于车辆转向架的检测梁内，梁的空间运动通过惯性传感器检测。根据激光光学传感器探测到的钢轨位置数据得到钢轨的几何参数。检测内容包括高低、轨向、水平、轨面不平顺、曲线外轨超高、轨距、曲率、三角坑、车体水平和垂直振动加速度等指标。其中轨向的检测精度为±0.4 mm，轨距和三角坑的检测精度为±0.5 mm，水平和高低检测精度为±0.6 mm[12]。图1为轨检车高低和轨向波形。

利用轨道检测车可以对线路的弹性变形和永久变形的叠加状态进行动态检测，较好地反映线路真实情况。对于轨道板与CA砂浆离缝、无砟轨道路基差异沉降、钢轨波磨等病害引起的轨道不平顺，通过对比分析整治前后的波形图，就可以准确地评估维修方法是否可行有效。

由于轨道检测车提高了检测效率和精度，并能综合评价列车安全性指标，因此轨道检测车一直是检查轨道病害、指导线路养护维修、保障行车安全的重要手段。

3.2 光纤传感监测评估法

随着我国铁路行车速度的不断提高，为提高运输效率，保障列车的安全平稳运行，对行车状态的实时性、稳定性和准确性监测尤为重要。光纤传感技术具有精度和灵敏度高、稳定性好、抗电磁干扰、使用寿命长、易于网络化等优点，可对速度、加速度、位移、温度、振动等参数进行准确检测。因此可以使用光纤传感技术对轨道状态进行监测，通过将整治前后的监测数据进行对比，判断无砟轨道病害是否修复，通过长期监测还可评估整治方法的耐久性和稳定性。

光纤光栅利用光纤的光敏性制成。当光纤光栅所处环境的温度、应变等物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况，从而实现对应力和温度等的测量[7]。图2为光纤光栅的原理。

图2 光纤光栅原理示意

(1)轨道温度和应力监测

轨道和轨道板的温度变化反映了其受力情况，较大的温度变化会使钢轨内部产生较大的伸缩附加力，造成断轨或胀轨。较大的轨道板温度梯度场会使轨道板发生开裂或翘曲，因此对轨道温度监测非常必要。分布式光纤温度传感器能够连续测量光纤沿线各处的温度，测量距离可以长达几千米，定位精度达到米级，温度的测量精度可以达到0.1 ℃，能够在监测轨道温度的同时确定温度异常点位置，特别适用于线路的大范围多点测量和监测。

温度的变化会使基础设施产生热胀冷缩，引起钢轨产生较大的应力。将光纤光栅应力传感器粘贴在钢轨的腰部，利用应变片的变形带动光栅变形就可得出钢轨应变数据，通过转换就可以得到钢轨应力值。应变的测量精度可以达到1 με。图3为粘贴在钢轨腰部的光纤光栅应力传感器。

图3 光纤光栅应力传感器

(2)轨道振动监测

波磨是一种常见的钢轨磨损。钢轨出现波磨后，列车通过时会引起其走行部位产生附加垂直振动，列车的横向振动引起横向冲击力，这些都关系到列车的脱轨系数。当轨道结构产生病害后，列车运行时会产生异常振动，通过对比病害整治前后的列车振动加速度，就可以准确判断出维修的效果。

目前可以采用在列车上安装光纤加速度传感器的评估方法。通过采集车体振动信号来监测钢轨波磨及由其引起的列车横向振动。图4为光纤加速度传感器结构示意。

图4 光纤加速度传感器结构示意

(3)扣件健康状况监测

通过监测列车经过时钢轨轨底的应力变化能够识别出扣件的健康状况。武汉理工大学的范典等人基于光纤传感技术设计了如下实验[13]：光纤应变传感器A和B之间的扣件是牢固的，光纤应变传感器B和C之间的扣件是松动的。当列车依次经过A、C两个传感器时，光纤应变传感器A产生的应力曲线是清晰平滑的，而光纤应变传感器C产生的应力曲线上随着机车的前进明显叠加了许多异常的应变冲击，由此可以判断出扣件的健康情况。图5为实验系统结构。

图5 实验系统结构

3.3 地质雷达无损检测评估法

地质雷达无损检测法是基于高频电磁波探测地下地质构造与特征的电磁波探测技术。探测时发射天线向地下连续发射脉冲式高频电磁波，当电磁波传播过程中遇到地下介质的电磁性差异分界面时，就会发生反射和透射，通过接收天线接收传回地表的电磁波[14]。电磁波在传播过程中，其波形、路径和电磁场强度会随所通过的介质的几何形态和电性性质发生变化。图6为地质雷达的原理示意。

图6 地质雷达原理示意

对于轨道结构内部病害，如板间离缝，混凝土内部不密实和空洞等，均可以采用地质雷达法进行探测。同样当对这些轨道内部病害进行整治后，也可采用地质雷达法进行评估，判断无砟轨道病害的修复情况。

图7为用地质雷达法探测到的道床板与支撑层间的空隙[5]。图8为正常的无砟轨道典型检测图像[5]。通过将进行病害整治后的无砟轨道检测图像与图7和图8进行对比，就可以评估维修方法对病害的修复程度。

图7 道床板与支撑层间的空隙

图8 正常的无砟轨道典型检测图像

综上所述，3种检测方法均能对无砟轨道的整治效果进行评估，但各有其优缺点。轨检车检测内容广，精度高，但主要针对的是轨道几何形位的测试；同时轨检车检测周期较长，无法对轨道结构长期连续测量。光纤传感技术可以实现对轨道结构的长期监测，但主要是静态测试，无法反映列车运行时基础设施的真实状态。地质雷达技术可以对轨道的内部病害进行探测，检测效果直观，但其检测时易受各种电磁干扰的影响，且分辨率随探测深度的增加而减小。

4 结论

针对无砟轨道结构的主要病害及整治方法，介绍了轨道动态检测、光纤传感监测和地质雷达无损检测3种整治评估方法，得出以下结论。

(1)无砟轨道的常见病害包括轨道板与砂浆离缝，基础沉降，钢轨病害等，对应的整治措施为灌注胶，扣件调整和钢轨打磨等。

(2)无砟轨道病害整治的效果最终体现在轨道结构的平顺性上，利用轨道检测车可以对CA砂浆离缝、无砟轨道路基差异沉降、钢轨波磨等病害引起的轨道不平顺进行动态检测，准确地评估病害引起的轨道不平顺在整治结束后是否已经减小或消除。轨道检测车是目前指导维修、保证高速铁路运行安全最主要的检测评价手段，具有检测效率高，精度高等优点，但仅能检测轨道的平顺状态。

(3)光纤传感技术具有非电检测、可远传、体积小、质量小、抗电磁干扰、精度高、使用寿命长等优点，光纤的成本低廉和容易操作性为以后的维护工作奠定了一定的基础。采用光纤传感技术对无砟轨道病害整治后的轨道系统进行长期监测可以评价所采用的维护方法的耐久性和长期稳定性，可以实现实时、自动监测。但是，光纤传感器在其今后的发展中，还有许多实际工程应用方面的问题需要解决，以实现光纤传感器的更广泛应用。

(4)雷达探测法对板间的离缝、双块无砟轨道内部混凝土不密实和空洞等主要病害，可以实现快速、准确地无损探测，检测结果可以准确地反应病害发育的范围、深度。并可借助该技术直观地看到整治后的轨道细部图像，从而判断病害评估维修方法和修复的程度是否可行有效。雷达探测法目前是各类检测手段中最为方便、快捷和准确的方法，但是总体探测的经验尚少，还需要更多的实践总结。

(5)3种无砟轨道整治效果评估方法均有其优缺点和适用范围，具体的评估方法应根据现场的实际情况和使用需求来确定。

[1] 杨冀超.高速铁路线路设备跟踪观测及维护技术研究[D].北京：北京交通大学，2013．

[2] 曾真.高速铁路板式无砟轨道破损分析及工务修程修制研究[D].成都：西南交通大学， 2011．

[3] 任志强.GJ-5型高速轨检车在轨道不平顺试验中的应用[D].成都：西南交通大学，2011．

[4] 孟亮.京广线石家庄段轨检车检测数据分析及线路维修对策[J].铁道建筑，2007(6):95-96.

[5] 魏祥龙，张智慧.高速铁路无砟轨道主要病害(缺陷)分析与无损检测[J].铁道标准设计，2011(3):38-40.

[6] Olhoeft G R， Selig E T. Ground penetrating radar evaluation of railway track substructure conditions[C]∥9th International Conference on Ground Penetrating Radar， 2002:48-53．

[7] 潘建军.光纤光栅轨道状态监测的研究与应用[D].武汉：武汉理工大学， 2012．

[8] M. L. Filograno， P. Corredera， M. Rodríguez-Plaza. Real Time Monitoring of Railway Traffic Using Bragg Grating Sensors[C]∥Proceedings of the 2010 Joint Rail Conference， 2010:1-8．

[9] 杨明华.桥上纵连板式无砟轨道结构的温度翘曲变形及整治[J].中国铁路，2010(10):78-81．

[10]黄慧超，徐坤.双块式无砟轨道轨枕送到修复材料性能分析[J].铁道标准设计，2013(11)：19-22．

[11]赵要武，危风海，杨再光.浅谈采用渗透和劈裂注浆法整治京沪线路基沉降病害[J].铁道建筑技术，2007(S):101-103．

[12]魏世斌，刘伶萍，赵延峰，等.GJ-6型轨道检测系统[J].铁道建筑，2011(11):98-101．

[13]范典.光纤传感在铁路安全监测中的应用研究[J].武汉理工大学学报，2009，31(17):25-26．

[14]赵长要，邓新生.隧道质量无损检测中雷达波形分析与探讨[J].铁道标准设计，2014(12)：109-112.

An Approach to Quantitative Assessment Method for the Remedy of Ballastless Track of High-Speed Railway

YANG Yong-ming

(Project Management Center of China Railway Corporation， Beijing 100844， China)

Service status of track has a direct influence on the safety and stability of high-speed train operation. With the extensive use of ballastless track， the defect of ballastless track has become one of the main factors affecting the regularity and stability of track. Now there are many remedy measures for ballastless track， but the assessment of the effectiveness of remedy measures remains one of the difficulties in daily maintenance. In view of the major defects of ballastless track and the corresponding remedy measures， this paper introduces and compares the three assessment methods such as track dynamic testing， fiber sensing monitoring and geologic radar inspection， which provide

for the application of quantitative assessment method for ballastless track of high-speed railway．

High-speed railway; Ballastless track; Defect remedy; Quantitative assessment

2014-10-15；

2015-02-13

杨永明(1975—)，男，高级工程师，1999年毕业于西安公路交通大学机械制造工艺及设备专业，工学学士；2010年毕业于中国地质大学建筑与土木工程专业，工程硕士，E-mail：5054342@qq.com。

1004-2954(2015)10-0064-04

U238； U216.9

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.015