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我國高速鐵路基礎設施檢測系統的優化研究
來源:清華大學高速鐵路技術研究中心     作者:曹宏 王帥 何鳳娟     發布時間:2013年03月28日

1. 引言

高速鐵路(以下簡稱高鐵)是社會經濟發展的重要基礎設施,是大眾化的、安全平穩、舒適快捷、節能環保的交通運輸工具。目前已經成為世界鐵路發展的主要趨勢和交通運輸現代化的重要標志。我國近十多年來,在鐵路既有線提速的基礎上,高鐵的建設和運營,已經得到了較快的發展和創新,其規模和技術已經引起世界矚目。

從國外和我國高鐵建設和運營的實踐證明,高鐵是由工務工程、牽引供電、通信信號、高速列車、運營調度、客運服務等六大系統,以及其下的幾十個分系統、幾百個子系統所集成的復雜系統。各系統的相互間,既自成體系,又相互關聯、相互影響。由于我國高鐵目前還處于發展的初期階段,各方面都需要實踐總結和提高,不可避免的存在一些有待我們去深化解決的課題,以及亟需改進提高、加強管理的問題。

考慮到應絕對保證我國高鐵長期的安全高效運營,有效檢測鐵路基礎設施中的典型病害問題,必須從現在就給予高度重視。這些典型病害對日常運營維護的影響,體現在如何科學制定包括限速、限行以及其日常運營維修手段等問題上面,這些問題的優化解決對保障高鐵系統正常、高效運轉,以及實現長期穩定設計目標等具有重大意義。與此同時,作為高鐵子系統之一,其典型病害的防范和應對研究,也會對整個高鐵系統安全與科學維修決策方案提供有力支撐,起到積極有效的技術保障作用。

2. 國內外鐵路基礎設檢測系統現狀

2.1. 現有鐵路路基沉降變形與檢測監測方法

路橋基礎不均勻沉降是鐵路路基三大病害(翻漿冒泥、不均勻沉降、鐵路凍害)之一,不均勻沉降的發展直接妨害了高鐵的正常運營與運營安全,使得事故隱患大大增加,因此,檢測高鐵路基沉降,研究其發展趨勢,進而采取有效防范措施,控制沉降發展,是高鐵研究發展中非常重要的一部分。我國對于高鐵路橋基礎的沉降控制提出了如下要求:

路基工后沉降應不超過15mm;

橋基工后沉降應不超過20mm,且相鄰橋基差異沉降應不超過5mm。

我國京津城際高鐵路基工程中,沉降控制引入了板樁結構,并引入預應力管樁、CFG樁等剛度較大的樁形,達到了上述規范規定,成為國內鐵路路基設計施工的范例工程。京津城際高鐵路基施工中,主要采取下列措施進行沉降控制:

低路堤段采用長(CFG樁)短(擠密樁)樁進行地基加固;

高路堤段將支擋結構設置作為控制路基沉降的輔助手段,全線共設置擋土墻8km;

加強路基填料和壓實質量控制,實施超載預壓、沉降觀測與評估等技術措施;

路基面層設置防排水措施,建立完善的路基變形監測系統,加強變形監測與評估。

然而,隨著我國高鐵設計施工技術不斷發展,路基結構的設計分析提出了新的問題:雖然我國相應的設計和施工規范對于沉降限值做了較為嚴格的規定,我國高鐵相應的設計方法相對于高鐵技術比較發達的國家和地區,如歐洲、日本等,仍比較落后,這主要體現在:

CPT方法只用于工程勘探而較少用于路基沉降控制設計之中;

實用工程結構設計計算方法應用不夠;

長期列車運行和溫度等氣候條件以及地質水文等環境因素作用下系統變形分析不夠全面充分。

由于設計技術與施工質量等因素的制約,在高鐵完工后,路基的沉降和變形很難避免,事故發生可能性增加。因此確保工程質量安全方面考慮,對路基沉降變形的工后檢測和長時間監測分析,掌握路基沉降變形的具體狀況,預測沉降發展趨勢,具有十分重要的意義并亟待解決。

現有的高鐵路基沉降變形檢測監測方法,主要有以下點監測、線監測和面監測三類方法。

1、點監測方法

1)監測樁/沉降板法

監測樁法是利用木樁和鋼釬釘入土中,通過水準儀持平來測量土體表面的沉降量。該方法具有造價低,操作簡便,易于測試的優點。但一個監測樁只能觀察路面上單點的沉降,只能測定地表面的沉降值,無法測試土體內部沉降。

沉降板法是通過由底版和測桿、護套組成的裝置,當沉降板底座隨路基沉降時,利用與底座相連的測桿來測得底座埋設處的路基沉降值。它的缺點首先是裝置上端伸出地面,大型機械施工時容易對其造成破壞;其次是一個沉降板只能測量單點的沉降,測量多點沉降時,相互影響;此外,沉降板損壞后較難補救。

2)磁環分層沉降儀法

將磁環按一定間距套在沉降管上,使用鉆機打孔至持力層,將沉降管下入孔中并用土將沉降管與孔縫隙填實,讓磁環與土層同步沉降,當路堤發生沉降變形時,將帶動磁環隨周圍土體作同步沉降。專用的磁環分層觀測儀由測頭、測尺和發聲裝置組成,測頭放入沉降管緩緩隨管滑落,感應到磁環后發出聲音,外部觀測員記錄測頭離管口距離讀數。自上而下依次逐點測定管內各磁環位置,與初始測量到位置相減,即可算出各測點的沉降量;或用水準儀測取沉降管管口標高,推算出土層的沉降量。這種方法操作比較簡便,測量簡單,也可以用來測量一定的側向位移;缺點同沉降板法相同,易在施工過程中影響大型機械的壓土作業,而且在人操作下測量精度只能到1cm。

3)激光測距法

激光測距法是一種新型的、非接觸式的實時沉降測量方法,它的實現方法是:將標靶安放在需要測量的位置上,利用激光測距儀測量標靶沉降前后的距離數據,再根據標靶的形狀通過幾何關系,推算出路基沉降量。使用伺服電機轉動可帶動激光測距儀,可以對多個標靶進行測量。這種測量方法測量方式簡單、速度快,也有較高的測量精度,可以達到0.1mm。制約其發展的缺點是當標靶設置較遠時,激光測距儀的測量誤差會迅速加大,而且在野外復雜環境下,系統的穩定性也會受到影響。

4)水平測斜儀法

水平測斜儀是路基測量的常用工具之一,它利用重力加速度在傾斜方向上的投影,并通過一系列電路將傾斜幅度以電壓的形式輸出。工作人員在沉降管內牽引測斜儀,并通過連接到外部的電纜接到專用讀數儀器上,即可得到每個點的傾斜角度,再配合特定的測量點間距,即可得到準確的沉降數據。這種測量方法配合高精度的距離定位設備,可使測量精度到達0.01mm的量級,并且使用方便,受氣候影響小,比較適合改裝成為自動監測系統。該方法的缺點在于機械部分較多,系統的可靠性不是很高。

5)高精度全站儀/水準儀法

全站儀是一種集光、機、電為一體的高技術測量儀器,是集水平角、垂直角、距離(平距、斜距)、高差測量功能于一體的測繪儀器系統;水準儀是用于測量兩點之間相對高程的儀器。對于高程測量,全站儀精度小于水準儀,可以達到較低精度的水準測量等級。

高精度全站儀與水準儀價格隨精度的提高而大幅攀升,常用于人工路基高程檢測,精度滿足工程需要,但檢測過程耗時費力,無法實時連續的監測固定路段,并且檢測過程需要經過測繪專業人員進行,否則精度丟失嚴重。

6)三維激光掃描法

地上型三維激光掃描儀的原理是一種利用激光脈沖對被測物體進行掃描,大面積、高速高密度取得地物的三維形狀及坐標的一種測量儀器,可以取得地物的距離數據、激光受光強度數據及RGB彩色畫像。其測量原理與全站儀類似,對測量物體發射激光脈沖并測量其反射時間從而計算出儀器到測點距離,在測定范圍內設定相應標定點后可以得到測量范圍內XYZ絕對坐標。

小型飛機或者直升機搭載型激光掃描儀技術,它可以在很短的時間內取得大范圍的三維地物數據,與GPS及慣性量測裝置相結合,可以得到適合的GIS使用坐標三維地形數據。雖然飛機搭載型激光掃描儀技術可以實現快速獲取數據的目的,但是相比地上型的三維激光掃描儀技術其精度差些,且由于飛機搭載型激光掃描儀技術的系統構成價格昂貴,推廣有一定的難度。

7)差分GPS

根據不同區域的實際情況布設若干站,基站一般布設在衛星信號接收通暢的位置,每站向若干移動站提供差分信息。移動站布設于路基需要監測的位置,在布設的同時要注意是否存在遮擋。利用互聯網或者移動通信網絡進行數據傳輸?;鶞收就ㄟ^數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據,還要采集GPS觀測數據,并在系統內組成差分觀測值進行實時處理,同時給出cm級定位結果。監控中心實時的接收各個基站與移動站的精確位置和狀態信息,顯示在電子地圖上。在監控中心服務器上設置每個基站和移動站信息變化的閾值,當超過閾值時給出報警信號。監控中心負責調度系統維護服務。

該系統的網點間不需要通視,能夠進行全天候的監測,能夠極大地節省人力物力,又可保證觀測精度的均勻可靠。系統能夠提供真正意義上的三維變形監測,能夠獲得路基的三維整體信息,從而更準確的分析路基的變形規律。

GPS自動化程度高,通過動態差分定位方法(Real Time Kinematic,即RTK技術)可以在野外實時快速的獲得cm級甚至更高定位精度,可以做到在無人值守的情況下通過計算機網絡遠程控制,實現對路基變形等狀態的連續自動監測,即自動按規定時刻下載數據、自動解算和分析。

2、線監測方法

基于無線傳感網的沉降監測技術:從固定不動的參考液箱引出液體管路系統,沿管路基線在不同位置布設壓力傳感器,各傳感器之間用參考液體管相連,根據測量不同位置沉降變形導致的壓力變化,對沉降變形進行監測。

3、面監測方法

干涉合成孔徑雷達(InSAR)技術:這種空間對地觀測技術的發展,為地面沉降變形監測提供了全新的方法。利用星載或機載的InSAR,采用空間遙感技術測繪地面沉降,是當前監測技術發展的新方向。這種技術具有連續空間覆蓋、高度自動化和高精度監測地面沉降變形的能力。

地質雷達(GPR)技術:通過發射5~3000MHz的電磁波脈沖,通過對接端接收到的反射脈沖進行解算成像,可獲知地下土層的結構。具有無損、快速、連續、高精度、高分辨率、實時成像等特點??梢酝ㄟ^將GPR安裝于軌道檢測車,在運行中快速精確檢測路面層厚度的基礎上,可以成功地探測路基病害位置及分布情況,而且還能夠找出路基含水量較高的地段,探知路基下道砟囊、含水囊的具體位置,有利于維護與保養,提供了一種高效先進的無損檢測手段。在實際應用中,此方法易受各種干擾信號的影響。另外應用該方法中的圖像解析至關重要,需要先進的圖像解析軟件配合,并需要專業讀圖人員進行圖像識別,否則精度難以保證。

2.2. 鐵路橋梁結構和基礎的檢測與監測方法

   采用先進的技術手段對橋梁結構部位的損傷進行檢測,并根據檢測結果對橋梁的結構健康狀況進行評估,對橋梁的使用壽命進行預測。然而,目前常用的橋梁健康檢測手段仍然以人工檢測為主,這類方法存在著明顯的不足:1)人工監測主觀性強,有些結果需要憑借經驗估計得到;2)由于人工檢測頻率的限制,檢測結果往往比損傷出現滯后,不能及時對損傷預警;3)由于缺乏實時監測數據,無法對損傷的發展情況進行了解。更為重要的是,由于傳統人工檢測使用的設備成本昂貴、體積龐大,在檢測時有時需要對橋梁通行進行封閉,嚴重干擾了鐵路的正常運行。同時,人工檢測需要多個職能部門的相互協調與配合,在一定程度上增加了操作的復雜性。對于某些大型橋梁進行檢測,需要檢測人員進行高空作業,存在著極大的安全隱患。這些因素的存在,使得傳統的人工檢測手段越來越無法適應橋梁結構健康評估的要求,對橋梁結構進行實時監測勢在必。橋梁基礎的實時監測方法,基本上與2.1中相似,在此不進行贅述。

2.3. 我國現有鐵路軌道結構檢測方法

目前,我國鐵路軌道結構的檢測方法包括靜態檢測和動態監測兩類。

2.3.1. 靜態檢測

  (1)軌檢小車

軌檢小車的原理,在一輛可在鐵路軌道上行進的小車上,集成了多種精密的測量儀器和高精度的傳感器等設備,檢測時在小車沿軌道行進過程中自動采集軌道的水平、高低、軌距、軌向變化率等幾何狀態信息。這種軌檢小車的應用,不僅極大地降低了檢測人員的勞動強度,提高了檢測的精確度,而且可以與計算機進行信息互遞,為現場維修進行詳細指導;其缺點,軌縫或者焊接頭、道岔等軌道不連續部位,會引起對檢測信息干擾。

  (2)維修人員的日常檢查

日常檢查受班人員的水平影響較大,與軌道的各種狀態有直接的關系。能否找準各種方式檢測所發現的病害是進行補修的前提,班人員處理病害的手段和方法因人而異,造成軌道病害不能及時處置或者留有隱患。

  (3鋼軌探傷小車

鋼軌探傷小車,是目前我國鐵路線路上對鋼軌進行探傷作業的主要手段。我國的鋼軌探傷儀一般具有5個通道,可以攜帶5種探頭方式工作,有聲光報警指示,可以利用列車運行間隔作業。目前探傷作業班組一般分為鋼軌母材班組及接頭焊縫班組。在探傷作業過程中,嚴格控制探傷速度,以及記清軌面狀態的不良情況,并注意下道避車時間,到時要及時下道避車,確保行車和自身安全。鋼軌探傷小車的缺點是速度慢,受操作人員的水平和熟練程度影響較大,容易誤判。

2.3.2. 動態檢測方法

  (1)軌道檢測車

軌道檢測車是我國定期進行軌道檢測的主要手段,目前我國大部分工務部門使用的軌檢車為GJ-5型軌檢車?,F代軌檢車檢測項目很多,既能檢測軌道幾何尺寸,又能測量車體、軸箱振動和輪軌相互作用力,具體檢測項目包括軌道高低不平順度、方向不平順度、水平不平順度、扭曲不平順度(三角坑)和軌距不平順度。GJ-5型軌檢車是目前評定線路狀態是否超限的主要方式,也為指導現場補修提供可信的資料。實踐證明,軌檢車檢測發現的軌道幾何不平順大部分與現場實況相符。軌道幾何波形查看軟件的應用也相當廣泛,可以從波形圖上顯示的道叉或者橋梁梭頭等設備的幾何波形,方便準確的推算出超限地點的實際位置,有效地提高作業的效率。

目前普遍使用的超限峰值評分法,通過測量軌道各參數每個測點的幅值大小,來判斷測點的幅值是否超過管理規定,并根據超限的不同等級進行扣分。目前各項偏差等級劃分為四級:級為保養標準,每處扣1分;級為舒適度標準,每處扣5分;級為臨時補修標準,每處扣100分;為限速標準,每處扣301分。以千米為單位,統計每千米的扣分總數,其中每千米的扣分總數為各級、各項偏差扣分總和。然后根據每千米扣分總數評定、分析軌道狀態。每千米扣分總數在50分及以內的為優良;每千米扣分總數在51~300分的為合格;每千米扣分總數在300分以上的為失格。

  (2)車載式軌道動態檢測裝置

軌道檢測車檢測的項目雖然較全,但是由于全路局的線路較長,每月檢測的次數有限,為此引進了機車車載式軌道動態檢測裝置。機車車載軌道動態檢測裝置也叫車載系統,檢測單元安裝在機車上,機車運行當中,通過固定在機車車體上的傳感器,采集車體在運行狀態中的震動技術指標,經過自動分析處理后得出車體震動等級,在無人干預下綜合生成反映線路平順狀態的軌道數據;通過數據傳輸轉存到地面電腦,經過電腦軟件分析,按線路狀態和《鐵路線路修理規則》的有關要求,對數據生成6種報表,以指導線路修理工作。車載系統只能反映出機車在行進過程中車體的橫向垂向加速度,不能真實地反映現場的全部實際情況。加速度不僅與不平順的波幅、波幅變換率、波長有關,還與各種不平順的組合狀態有關。因此,在對軌道進行不平順復查時要全面考慮,不能只考慮垂向加速度是由軌道的高低引起、或者是橫向加速度由鋼軌方向引起的。

  (3)添乘儀

添乘儀是安裝在機車上對軌道狀態進行動態檢查、監測的軌道結構檢測設備,通過對軌道進行連續的數據采集、傳輸,再通過微機內部處理出橫向和加速度、軌道綜合質量指數(TQI)值反映出來。機車動態添乘儀能夠根據需要安裝在不同行車速度的機車上,滿足不同行車速度的需要,同時實現對軌道全天候、實時監控。添乘儀與車載系統一樣,也只能反映機車在行進過程中車體的橫向及垂向加速度。添乘儀在使用過程中受機車型號影響較大,但是同一型號的機車在不同的車況下也會出現不同的結果,不同廠家的添乘儀檢查結果也不盡一樣,檢查報警處與現場也不盡相符。相較于軌道檢測車及車載系統而言,其反映出來的橫向垂向加速度值偏大,因此,為了有效發揮便攜式添乘儀對線路養護維修工作指導的作用,應針對不同型號的機車設定合適的添乘儀門限值。便攜式添乘儀與軌道檢測車所檢查出的超限處所不盡相同的原因有:軌檢車對軌道的幾何尺寸是直接測量,所采用的檢測手段精度高,軌檢車檢測的項目較全,垂加速度與橫向加速度只是其中項;而便攜式添乘儀目前只能檢測垂加速度和橫向加速度,而且所檢測加速度受機車本身減震設施狀況影響較大,要靠這兩項加速度值來全面反映軌道狀態則難以符實。目前我國使用的兩種便攜式添乘儀本身也存在一些技術問題,對加速度不大但是橫向移動幅值較大的軌道病害不能測定,需進一步研究解決。

2.4. 國外運營線路的風險管理

   開展高鐵運營線路風險管理最早的國家是日本,一方面是由于日本新干線是世界范圍內第一條商業運營的高速鐵路,另一方面由于日本是一個地震高發國家,頻繁發生的地震災害,除直接破壞鐵路基礎設施外,還會直接導致列車脫軌、傾覆等災害。為避免這些災害的發生,要盡可能使運行中的列車,在地震發生前或發生時能及時減速運行或即時停車躲避,這就要求在鐵路沿線設置地震早期監測預警設施。因此,促使了日本高鐵運營線路的安全預警系統與風險管理研究應用工作的迅速發展。

日本新干線的第一套自動列車控制系統,在東海道新干線開通時就同時投入運行。機械式預警地震儀以20公里的間隔設置在新干線的各個子站中,當地震儀監測到的加速度值超過設定的限值時,對子站管轄的區間線路實行斷電,同時運行在該區間內的列車實行緊急制動。

日本新干線第二代地震預警系統,于上世紀70年代在東北新干線中啟用,主要針對在太平洋中發生的大型地震對線路的影響進行監測預警。該系統在海岸線旁順序多點各設置一臺地動儀,臺分別用于監測對應區域中的太平洋地震。當某臺地動儀測得的監測值超過限時,系統立即對新干線進行預警。這套系統是第一個真正意義上的地震早期預警系統,被命名為沿海地震觀測系統。但是,這套系統監測的是地震的S波幅值,隨后新研發的地震加速度計進一步被安放在新干線沿線子站處,同時進行監測預警。

隨著日本新干線運營速度的進一步提升,新干線開發了緊急地震監測和預警系統 (UrEDAS) ”。UrEDAS通過對地震波P波的監測,完成對地震震中和震級的預測,并判斷會受到嚴重地震影響的區域。在1995年阪神大地震后,為了提高監測到地震后的預警速度,新干線進一步開發了增強地震監測和預警系統 (Compact UrEDAS) ”。

美國麻省理工學院的D.Veneziano教授對上述系統建立了風險分析模型,首先對現有的地震預警進行了評估,給出了新干線因地震導致的列車軌事故的概率是每10023次,列車、大型延誤的概率是每年2.8次,而列車小型延誤的概率是每年72.4次。通過對該系統的優化改進和對一些參數進行調整之后,該地震監測預警系統的地震預警,可以有效地降低脫軌事故概率100年約1。

國外這種在監測和預警系統工作基礎上,進一步優化研究,建立監測信息風險分析模型,對風險的程度和概率進行科學評估,從而加強運營風險管理的做法,很值得我們學習和創新。

3. 高鐵基礎設施檢測系統優化研究方向

   著眼于開展對我國現有鐵路基礎設施系統進行檢測系統優化研究,提出高鐵線路實時沉降預警系統的實施方案。同時,對基于上述監測數據的系統優化參數與定量的沉降誘發各類風險與事故概率的因果關系,建立風險分析模型,開展風險程度和概率的科學評估工作,為我國高鐵運營的風險管理和運營維護決策提供科學可靠的工具。基于這一目標,建議從以下三個方向進行分析與研究。

1)路基和軌道結構健康監測和風險分析研究

我國高鐵進入運營階段后,可在鐵路沿線設立多個監測點,對路基結構進行定期的監測,獲得路基沉降數據。同時運用軌檢車定期對軌道狀態進行檢測,運用添乘儀測量軌檢車運行時的各向即時加速度。通過這些檢測監測數據,結合原始設計數據,建立起高鐵運營的風險分析模型,對路基和軌道的高穩定性、高耐久性、高平順性之可靠度進行分析和評估。針對高鐵脫軌的危險,給出在一定區間運行速度下產生脫軌的概率,并闡述各個參數變化對可靠度指標的影響規律。

2加強高鐵線路沉降預警系統原型系統研究

調研當前高鐵運營中使用的各種沉降監測手段,確定能應用于風險分析模型的方法。對高鐵軌道結構檢測系統進行優化,研究開發列車輪軌互檢系統,同時針對沉降風險提出布設實時預警系統的方案。

3)高鐵線路運營維護的輔助決策研究

應用上述的風險分析模型,通過對路基和軌道狀態的實時檢測監測,在保證不會發生脫軌事故和必須的列車運行平穩度要求下,給出高鐵線路運營維護的輔助決策依據。對于監測中產生異常的段運營區間,給出安全平穩運營的建議車速。在保證足夠安全冗余的前提下,達到高鐵的最高運營效率和最佳經濟效益。

4. 發展展望

根據國內外基礎設施系統設計與運營現狀,研究優化現有檢測系統,建立專門實時預警監測系統,是防范不均勻沉降誘發事故的有力途徑;而基于這些實測反饋數據建立反演分析模型,即概率風險分析模型,是當前解決大型復雜系統定量風險評價的重要科學手段。這方面的研究應用工作,已經在日本新干線的運營線路上發揮了重要的安全保障作用。

通過借鑒這研究方向以及成功經驗,結合我國基礎設施檢測和監測的實際數據,同時結合高鐵系統建設設計參數,進行我國高鐵基礎設施系統沉降與變形預警與事故風險分析研究應用,必給力的保障我國高鐵高水平的平穩安全、高效率的運營服務,為實現我國高鐵的可持續發展與科學運營管理,奠定堅實可靠的基礎。

   

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