CRTS Ⅱ型板式无砟轨道基础变形重点区段监测技术研究

郭高冉，崔旭浩，杜博文

（1. 武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072；2. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；3. 北京航空航天大学 计算机学院，北京 100191）

1 研究背景

CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构在我国京津、京沪、京石武、沪杭、杭甬等多条干线铁路上广泛使用。CRTS Ⅱ型板式无砟轨道是全线纵连结构，由钢轨、扣件、轨道板、CA 砂浆层以及底座板组成，通过轨道板与轨道板间联结锁件和现浇混凝土形成全线纵连体系。运营初期，该型轨道结构状态良好，但随着运营时间和运营里程的增加，轨道结构会出现诸如轨道板和底座板裂纹、CA 砂浆层脱空、基础变形以及轨道板上拱病害等问题[1]。在列车荷载长期作用及外界环境的影响下，CRTS Ⅱ型板式无砟轨道线路基础会产生沉降变形。当基础沉降变形过大时会导致轨道结构与基础之间产生脱空，并诱发轨道结构产生层间病害，破坏轨道结构的整体性，改变轨道结构的受力传力机制，加速轨道结构的病害及劣化。CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构的基础变形会映射到轨面产生轨道不平顺，当高速列车经过轨道不平顺区段时，轮轨振动冲击会大大增加，该异常振动经车轮向上传递给车辆引起车辆运行安全性问题以及旅客乘坐不舒适；经钢轨向下传递给轨道结构引起无砟轨道结构振动响应增大以及轨道结构的累积变形，给高速铁路的安全运营和维护带来潜在威胁。

在高速铁路无砟轨道结构及基础变形研究方面，相关学者已开展了大量研究工作。高建敏等[2]采用车辆-轨道耦合动力学和有限单元法，分析了高速铁路无砟轨道路基不均匀冻胀变形对轮轨系统的动力学影响，发现了因路基不均匀沉降变形而加剧车辆和轨道系统的振动响应。郭建湖[3]提出了基于微变形扰动的先微型桩后花管注浆的整治方案。赵文博[4]通过动力学仿真研究了路基冻胀对列车动力响应的影响，给出了无砟轨道不同行车速度时路基冻胀管理值。郝广明[5]提出了基于静力水准仪的自动监测系统，并应用于新建济青高铁对胶济客专沉降影响的监测工作中。刘攀[6]以杭长客专为背景，建立了小波神经网络模型，实现了对路基沉降数据的分析预测。周荣[7]采用静力水准仪方法，实现了武广高铁路基变形监测，并验证了监测系统的稳定性。宋健[8]对上述方法进行扩展，利用CP Ⅲ水准点，采用精密水准测量的方法，对石武客专的路基沉降进行了监测。刘昭[9]利用沉降计、柔性位移计、单点位移计、沉降磁环等元器件对郑西客专的路基沉降进行了监测，并采用双曲线法、三点法及Asaoka 法3 种回归分析法预测了试验断面的沉降。师红云[10]分析了时序雷达差分干涉测量（MT-InSAR）技术在高速铁路区域沉降监测方面的应用，并设计了集合地面测量技术和InSAR 技术的多途径高速铁路沉降监测综合系统的基本框架。

实际上轨道结构的振动状态也是轨道结构变形及服役性能的一种反映，但从既有文献可以看出，当前针对高速铁路无砟轨道变形监测所采用的基于水准原理的点式局部沉降变形监测方法，是针对静态变形行为的监测方法，达不到实时监测要求；所采用的基于电类检测方法，在复杂环境下存在零点漂移等现象，并且电类检测信号传输距离有限，难以形成基于大规模组网环境下的长期、远距离、自动化监测[11]。

而光纤振动传感技术以光波为载体、光纤为媒介，具有抗电磁干扰、可远距离传输等优势，且光纤振动传感技术的复用和组网能力较强，与传统电类测试技术相比还有电绝缘、耐腐蚀、无漂移等特点，可以满足高速铁路长期监测的需要[12]。因此，提出一种基于光纤振动加速度传感阵列的CRTS Ⅱ型板式无砟轨道基础变形监测新方法，通过联合经验模态分解（Empirical Method Decomposition，EMD）-功率谱分析，识别高速铁路基础及无砟轨道结构的振动特征，达到异常监测目的。在某运营线路路桥过渡段进行现场实测，结果表明，该方法可为保障高铁无砟轨道结构持久、安全、可靠运用提供一种新的监测手段。

2 监测方法概述

监测方法所采用的光纤振动传感阵列由8 个光纤振动加速度传感器组成，每个光纤振动加速度传感器由迈克尔逊干涉仪[13]和基于双金属膜片的感测元件构成，迈克尔逊干涉仪的工作原理见图1。可调谐窄带宽激光通过耦合器分成频率相同、偏振态一致的2 束光。2 束光进入迈克尔逊干涉仪的2 臂，其中一臂受外界加速度振动信号的作用，另外一臂不受外界影响。携带外界加速度振动信号的光与不受外界影响的光产生相位差，通过法拉第旋转镜反射回耦合器的输入端并产生干涉光强。通过光电探测器和采集卡后进入相位产生载波解调程序解调出相位差的变化量，从而拾取被测外界加速度振动信号。2 束光迭代反射，2 支信号臂的光程差加倍引起相位差的增倍，因此采用该迈克尔逊干涉仪结构能够提高传感器的灵敏度。基于双金属膜片的感测元件[13]结构见图2。由矩形膜片支撑的质量块构成了光纤加速度传感器的敏感元件，光纤迈克尔逊干涉仪的信号臂在一定预应力作用下缠绕在可移动端盖和固定端盖的表面。该传感器受到外界加速度振动信号作用时，质量块相对于基座产生一个位移，使矩形膜片发生形变，从而导致缠绕在可移动端盖和固定端盖表面上光纤长度发生变化。光纤长度的变化通过迈克尔逊干涉仪转化为光相位差的变化，最后由后端解调技术提取出相位差信号，从而还原出外界加速度振动信号。所用传感器的灵敏度为2 pm/g，采样率为10 kHz。

图1 迈克尔逊干涉仪工作原理

图2 光纤振动传感器感测元件结构

3 现场实测

3.1 测试环境选取及设备布设

测试路段选取新建高铁与既有运营高铁的交汇区域。当新建线路与既有线邻近时，新建线路施工过程中的填挖方、路基压实等施工作业，势必会对既有线的基础产生扰动。当扰动过大时会加速既有线的沉降变形，形成轨道高低不平顺。且由于桥梁与路基支撑方式不同，对临近线路施工引起基础沉降变形的敏感程度也存在差异，从而映射至轨道结构的变形也不相同。因此，邻近新建线路施工作业的既有线路路桥过渡段可以视为CRTS Ⅱ型板式无砟轨道基础变形隐患的重点监测区段。

振动测点布置于受列车影响较明显、振动较大的区域但避免跨线作业，因此将光纤振动传感阵列及传输光缆安装在离轨道板4 m 左右的弱电缆槽内。这种布点方式既可避免安装传感器及布线对高速铁路行车安全带来威胁，又可在一定程度上捕获由列车荷载引起的轨道结构的振动响应。此外，由于光纤振动监测具有抗电磁干扰的优点，可以不考虑电缆槽内电缆对测试信号的干扰。现场监测实景见图3，传感器在电缆槽内的位置见图4。从变形原理角度看，此变形会随着临近线施工进度的不同而逐渐变化，从而通过轨旁振动信号得到轨道结构的振动特性。

图3 现场监测实景

图4 传感器在电缆槽内的位置

3.2 监测方案

测试所选取的监测区域存在桥梁与路基2 种不同支撑方式。因此首先按照路桥过渡段端刺结构的受力特点，在桥梁两侧梁端位置、桥梁跨中位置各布设1 个测点，以监测整个桥跨范围的轨道结构整体变形状态。考虑到桥梁各种变形条件下对梁缝附近第1 块轨道板的变形状态影响较为显著，为了凸显第1 块轨道板对应范围的轨道结构变形，在第1 块板范围内增加1 个测点，故路桥过渡段桥梁侧共设置4 个测点。

考虑路基与桥梁上轨道结构存在一定差异，为满足桥梁底座混凝土纵向力的平衡，采用特殊摩擦板及端刺结构作为桥梁与路基之间的过渡。端刺主要起底座板的锚梁作用，承受底座板的大部分水平荷载；摩擦板主要起减缓底座板向端刺传递纵向力的作用。因此，路桥过渡段路基侧测点的设置需要考虑端刺结构受力变形的影响。故而在第1、第4 个小端刺及主端刺位置分别设置1 个测点，过渡板板端路基对应位置设置1 个测点，故路桥过渡段路基侧共设置4 个测点。路桥过渡段传感器安装纵断面和平面示意分别见图5、图6。该阵列中传感器的个数与实际监测结构的受力变形情况有关。

图5 路桥过渡段传感器安装纵断面示意图

图6 路桥过渡段传感器安装平面示意图

4 数据分析

测试过程中光纤振动传感阵列感知的振动信号为车轮和钢轨接触产生的振动信号并经过层层衰减到达电缆槽的那部分。现场测试共监测7 d，获得了大量数据。从海量数据统计得到列车经过时引起轨道结构的振动特性是后续病害识别及趋势预测的重要环节。采用时域分析方法得到轮轨振动信号的时域特征，采用联合EMD-功率谱法得到轮轨振动信号振动特征，与文献结果一致，说明该监测方法是正确的。

4.1 时域分析

在实际监测得到的传感器振动响应信号中（见图7），测量的信号往往混有各种轮轨噪声信号，使得许多有用信息都被淹没，因此需要对信号进行预处理。采用小波去噪方法（使用sym5 小波函数并进行了5 层分解）以及五点三次平滑法（平滑了10 000 次）对信号进行预处理，之后对预处理的信号进行分析。

图7 传感器典型振动响应信号

目前高速铁路列车长度有2 种：8 辆编组和16 辆编组。8 辆编组的列车长度为214 m，16 辆编组的列车长度为428 m。按照列车速度分别为100、200 和300 km/h，计算列车经过1 个传感器的时间，8 辆编组列车和16 辆编组列车分别经过1 个传感器的时间见表1。

表1 列车经过传感器时间 s

由表1 可得，当列车速度为100～300 km/h 时，8 辆编组列车通过的时间为3～8 s，16 辆编组列车通过的时间为5～15 s。由现场实测数据统计分析结果可知，列车经过传感器时间多分布在10～20 s 范围内。该现象说明当列车还未到达传感器时以及列车离开传感器后，传感器依然有振动响应。测试中对1 号传感器7 d 内同一时刻的振动响应进行分析，结果见表2。

表2 列车未到及离开时传感器有振动响应的时间 s

由表2 可以得到如下结论：

（1）当列车还未到时，传感器已经有了振动响应，在列车到达传感器前0.5～2.0 s 有振动响应，对应的距离为15～60 m（列车速度为100 km/h）、31～115 m（列车速度为200 km/h）、46～172 m（列车速度为300 km/h）。

（2）当列车驶离传感器时，传感器有振动响应，在列车驶离传感器后1.33～2.50 s 时传感器无振动响应，对应的距离为37～70 m（列车速度为100 km/h）、74～140 m（列车速度为200 km/h）、110～200 m（列车速度为300 km/h）。

（3）列车驶离传感器后比列车到达传感器前传感器的振动响应时间长，这是由于整列车驶离传感器后，传感器对应的左右轨道结构全部参振，传播到传感器的振动信号多且复杂，因此传感器振动响应时间较长。

（4）列车速度越高，传感器振动响应距离越长，这是由于列车速度高，因此其传播距离较长。一般过站车比停站车的速度高，因此过站车比停站车对传感器的振动影响距离长。

4.2 联合EMD-功率谱法

在信号时域分析过程中，能够得到轮轨振动信号的振动响应，但无法得到轮轨振动信号的振动特征。小波变换[14]具有多分辨率的特性而被广泛应用于振动信号处理中，但小波变换中小波基选择对分析结果影响较大。一旦确定了某个小波基，在整个分析过程中都无法更换，这个小波基在全局上可能是最佳的，但对某个局部区域来说却可能是比较差的，因此，小波变换对信号的处理缺乏自适应性。针对上述问题，采用联合EMD- 功率谱法分析轮轨振动信号特征。

EMD 是一种采用自适应基的时频局部化分析方法[15]，克服了基函数无自适应性的问题。它基于信号局部特征的时间尺度，把信号分解为若干个内涵模式分量（Intrinsic Mode Functions，IMF）之和。由于IMF 函数突出了数据的局部特征，因此是一种新的时频分析方法，可以有效地提取出轨道振动信号的特征信息。该方法从根本上摆脱了基于傅里叶变换方法的局限性，非常适用于处理轮轨振动信号这种非平稳信号。在此，首先利用EMD 方法将轮轨振动信号自适应地分解为有限个IMF 函数，之后对IMF 函数进行功率谱分析。

列车经过传感器时轮轨振动信号的时域图见图8，其中图8（a）为原始信号，可以看到信号中有许多噪声信号，因此对信号进行预处理，得到经过去噪和平滑后的波形图，分别见图8（b）、图8（c），其功率谱图见图9。

对经过预处理后的信号进行功率谱分析，由图9可以看到，传感器振动信号的频率主要集中在20 Hz 以下，因此，可以确定轮轨振动信号经过轨道板、CA 砂浆层、底座板以及基床表层传递到电缆槽内的振动信号的频率较低，且为非平稳信号。由图9 无法确定信号具体的频率值，因此将经过预处理后的轮轨振动信号进行EMD 分解，共得到8 个IMF 函数，之后对8 个IMF 函数进行功率谱分析，其中前4 阶IMF 函数及其功率谱图见图10、图11。

由EMD 分解定义可知，IMF1—IMF4 代表的振动信号功率逐渐降低。光纤数据解调系统带通滤波器的设置范围为1～2 000 Hz，测试中采用IIR 滤波器中的巴特沃斯滤波器，利用MATLAB 软件中设置相关参数并得到该滤波器的形状见图12。由图12 可得，IMF1 信号的主频为8.0 Hz，IMF2 信号的主频为3.0 Hz，IMF3信号的主频为1.6 Hz，而IMF4 信号的主频无法从图中得到。因此，可以得出轮轨振动信号经过轨道板、砂浆层、底座板以及基床表层到达电缆槽内的信号频率为低频信号，主频分别为1.6、3.0 和8.0 Hz。

图8 轮轨振动信号的时域图

图9 轮轨振动信号功率谱图

图10 IMF1 和IMF2 及其功率谱图

图11 IMF3 和IMF4 及其功率谱图

图12 IIR 型巴特沃斯滤波器形状

由图12 可以观察到，曲线右下方的区域为带通滤波区域。通带的最小频率为5 Hz，5 Hz 以上的频率都能通过。因此可以确定列车经过时轮轨振动信号传递到电缆槽内的信号主频为8 Hz。此外，还对预处理后的信号进行统计分析，得到电缆槽内振动信号7 d 的峰值加速度和均值加速度结果见表3。7 d 内列车经过引起电缆槽振动峰值加速度的平均值为1.33 m/s2，均值加速度的平均值为0.65 m/s2。文献[16] 对路桥过渡段现场实测得到电缆槽振动加速度最大值为1.3 m/s2，与上述方法得到的结果一致，说明提出的基于光纤振动加速度传感阵列的监测方法是正确的。该结果同时也说明该监测区段的路桥过渡段运行状态良好，不会对列车运行安全造成威胁。

表3 峰值加速度和均值加速度统计 m/s2

5 结束语

CRTS Ⅱ型板式无砟轨道整体沉降变形和无砟轨道结构的局部变形均会导致线路产生不平顺，增大轮轨系统的动力响应，影响高速铁路的行车安全以及无砟轨道结构的累积变形。在临近新线施工的某运营线路路桥过渡段进行现场监测，采用基于光纤振动加速度传感阵列的变形监测方法，利用时域分析以及联合EMD-功率谱信号分析方法，得到轮轨振动信号经过轨道结构层层衰减并到达电缆槽内的振动信号特征。与文献中运营状态良好的路桥过渡段监测结果一致，说明该监测方法的正确性以及该监测地段运行状态良好。该监测方法不仅能实时掌握轨道结构服役状态，还可为后续利用数据挖掘技术分析无砟轨道的变形规律和趋势预测建立特征库。