基于分布式光纤传感的轨道板上拱监测技术研究

王智超 赵志刚 柴雪松 金明 冯毅杰 凌烈鹏 刘艳芬

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁路广州局集团有限公司工务部，广州 510088）

无砟轨道因其平顺性高、耐久性好、维修工作量小等优点，成为高速铁路最主要的轨道结构形式。CRTSⅡ型板式无砟轨道是结合我国高速铁路建设需要研发形成的一种纵连无砟轨道结构形式，经数年运营，其服役状态良好。由于跨越气候和地质环境复杂多变，在极端连续高温条件下，轨道板间接缝会出现挤碎、上拱现象。作为高速车辆最主要和直接的承力层，轨道板的上拱直接威胁列车运行安全［1］。

我国对CRTSⅡ型板式无砟轨道轨道板上拱缺乏成熟的监测手段，只能在病害发生后以传统人工巡检方式发现，且受天窗时间影响，作业费时费力，难以完成辖区无砟轨道的全覆盖检查。利用综合检测列车可以发现部分上拱病害，但是检测定位精度不高且缺乏实时性，无法满足运营安全需求［2］。因此，亟需开展兼备效率和经济性的轨道上拱监测关键技术研发，旨在帮助工务部门实时掌握轨道板状态，从而节约人力物力成本，阻止病害演变为威胁行车安全的事故，同时为后期整治和控制提供科学依据。

针对轨道板上拱病害，调研了现有应变、位移、倾角等物理量的测量技术。其中，分布式光纤传感器具有耐腐蚀、质量轻、体积小、抗电磁干扰的特点，且兼备传感和传输功能，其寿命长、响应时间快、覆盖范围广，使用期限内维护费用低［3］。相比于传统机械和电类传感器，光纤传感器在轨道板监测工况中可大范围沿线路铺设，对轨道结构影响较小，且不需要在现场配置额外的供电和传输设备，从监测范围、安全可靠、经济性等方面更适应高速铁路线路现场环境。近几年，该技术逐渐应用于桥梁结构健康、路基沉降、隧道温度、钢轨变形、列车运行状态等铁路设施设备安全监测领域［4-8］。

本文根据轨道板上拱特性和分布式光纤传感技术的特点，提出轨道板上拱病害的监测技术方案，并通过实尺模型试验、数据分析等手段进行可行性验证及监测效果评估。

1 轨道板上拱特性

受板间宽窄接缝施工质量不良、层间伤损、层内病害、列车荷载、环境温度等因素影响，轨道板上拱主要发生在轨道板板间宽窄接缝较薄弱位置［9］。通常情况下，位于接缝两侧的轨道板端部同时拱起，有时会伴随接缝混凝土破损或水泥沥青砂浆层与轨道板产生较大离缝（图1），严重时会挤碎接缝处混凝土导致张拉锁件失效。因此，须重点关注轨道板端部相对于底座板（或支承层）的垂向位移或轨道板底部产生的离缝宽度。

图1 轨道板上拱导致层间离缝和接缝破损

2 分布式光纤传感技术工作原理

分布式光纤传感技术是光纤传感技术的一种，相比于点式光纤光栅传感技术，其最显著的特点是可以准确地测出光纤沿线上任一点应力、温度、振动、损伤等信息。

基于布里渊光时域分析（Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA）的分布式光纤传感技术，其工作原理（图2）为：当反向传播的泵浦脉冲光和连续探测光在光纤中相遇时，因受激励布里渊的放大作用发生能量转移，通过扫描2个光源之间的频率差并记录每个频率差下光纤沿线能量转移的大小，得到光纤沿线的布里渊增益频谱，拟合后可以得到光纤沿线的布里渊频移分布［10］。当光纤发生应变或温度改变时，布里渊频移也会发生改变，根据光纤布里渊频移与光纤应变、温度之间的线性关系，可以获得应变和温度的信息并确定发生区域，实现全分布式测量。

图2 分布式光纤传感技术工作原理

3 监测技术方案设计

3.1 监测装置

结合轨道板上拱特性和分布式光纤传感技术特点，建立轨道板与光纤动力响应模型。光纤布设方案见图3。在轨道板端部侧面靠近宽窄接缝处，将包裹分布式光纤的传感光缆纵向布设于轨道板侧面，取有效长度光纤作为光纤上拱测量段，借助转换器、紧固零件组成的装置将其锚固于下部底座板（支承层），构成垂向联系。光纤上拱测量段末端锚固于轨道板侧面，防止其与轨道板产生相对滑动，上拱测量段之间设置自由状态的过渡段。

图3 光纤布设方案

当轨道板发生上拱，轨道板与底座板（支承层）之间产生相对位移，装置带动光缆在长度方向拉伸。通过采集和处理光纤应变信号的变化，可以监测上拱情况。过渡段光纤信号可用于温度补偿和温度测量。

光纤沿线路轨道板布设，并与分布式光纤传感监测设备连接。监测设备设置于车站机房等便于电力接入的地方，避免在铁路沿线额外安装供电及传输设备，充分发挥分布式光纤传感远程感知及传输的优势。

3.2 在线监测系统

为适应长距离线路轨道板远程监测，将光纤传感、解算分析、分级报警等模块进行系统集成，形成集管理、查询、分析、实时监测及报警为一体的在线监测系统。

系统实时获取1个或多个监测设备传输的数据，经进一步解算处理后形成状态信息。依据设置的分级报警阈值对位移和温度变化量进行评判，形成报警信号，并按一定的处理规则将状态信息和报警信号分发给用户。展示的状态信息包括每块轨道板的里程、上拱位移、温度变化及变化过程。达到报警阈值时系统进行报警，根据光纤点位锁定安全状态不良的轨道板里程及板号，提醒有关部门及时处理。同时建立轨道板状态数据库，用于辅助后期的养护维修工作。

4 实尺模型试验

4.1 试验方法

1）试验现场布置

搭建室外实尺模型试验台，选取2块轨道板进行监测试验。试验现场布置如图4所示。由于轨道板上拱发生于端部宽窄接缝两侧，为模拟上拱工况，在轨道板端部砂浆层预留轨道精调孔洞，采用轨道精调爪人工加载使轨道板端部抬升脱离砂浆层。在轨道板侧面按设计方案布设2种传感光缆（圆形光缆和扁平光缆），取2.5 m长度作为光纤上拱位移测量段。试验过程中采用分布式光纤传感监测设备对光纤信号进行采集和分析，在轨道板对应位置安装百分表进行辅助测量。

图4 实尺模型试验现场布置

2）测点及加载工况设置

在2块轨道板端部设置6个测点（图5）：①测点1—测点4位于板间宽窄接缝两侧端部对称位置，同时逐级加载。受接缝限制，每级加载1 mm，加载至5 mm。②测点5和测点6位于未设置宽窄接缝的轨道板端部位置，同时逐级加载。因没有接缝约束，每级加载2mm，加载至12 mm。以百分表读数控制加载上拱位移，每级加载结束后记录设备应变测量结果。

图5 试验测点设置

4.2 试验数据分析

4.2.1 光纤应变测量结果

2种光缆测点1和测点2应变测量结果见图6。

图6 2种光缆测点1和测点2应变测量结果

可知：①加载时，2种光缆的上拱测量段逐渐被拉伸，光纤的应变发生变化，引起光纤内部布里渊频移显著增大，输出测量结果形成一段应变波峰区域。该波峰区域与测点光纤上拱测量段位置基本一致，并随着上拱位移的增加呈规律性增长。②扁平光缆光纤上拱测量段的应变随上拱位移的增加而增大，但波动较大，在加载过程中光纤可能存在受力不均的情况，不利于计算有效数据。与扁平光缆相比，圆形光缆被拉伸后产生的应变波峰区域较为平稳、均匀。因此，选择圆形光缆对上拱工况进行监测更符合设计方案的要求。

4.2.2 上拱位移与应变数据综合分析

汇总圆形传感光缆各测点轨道板上拱位移与监测设备输出的光纤应变测量值，建立二者之间的数学关系式并拟合曲线，见图7。可知，决定系数R2＞0.99，应变和上拱位移具有良好的线性关系。

图7 上拱位移与应变的拟合曲线

根据试验应变测量值和上拱位移的拟合结果（h=2.795 1ε），推算设备监测的上拱位移。各测点上拱位移与光纤应变测量结果见表1。可知，推算上拱位移相对误差范围为-16.15%～7.22%，除个别测点外，相对误差基本控制在±10%以内。在1～5 mm加载位移范围内，绝对误差基本控制在±0.2 mm以内。当加载位移较大时，绝对误差也相应增加。异常测点（如测点3和测点5）数据误差较大，可能源于光缆及配件安装质量不统一。

5 结论

1）根据轨道板上拱特性，基于分布式光纤传感的工作原理，提出轨道板上拱监测技术方案。在轨道板侧面布设光纤，将光纤引至车站机房连接监测设备，最终集成在线监测系统，充分发挥了分布式光纤传感技术的优势。

2）通过实尺模型试验及数据分析对方案的可行性进行验证，分布式光纤传感技术可有效识别并定位轨道板上拱引起的应变，其中圆形光缆更适用于监测方案。光纤应变测量值与轨道板上拱位移成线性关系，且推算位移误差较小，可作为预期指标指导后期推广使用。

3）为适应高速铁路线路复杂环境，下一步将重点从光纤布设工艺、识别算法、报警管理平台等方面优化监测技术，开展应用性研究。