一种无砟轨道结构层间病害监测方法与流程

1.本发明属于轨道交通工程技术领域，具体涉及一种无砟轨道结构层间病害监测方法。


背景技术：

2.板式无砟轨道采用纵连结构体系，具有平顺性好、变形量小等优点，但是受到温度荷载、列车荷载等影响较大。随着线路服役时间的增长，轨道结构的层间粘结性能逐步退化。轨道结构在垂向温度荷载作用下，轨道板在会发生垂向的上拱变形，长时间病害容易出现轨道板与砂浆层间的离缝；轨道结构在纵向温度荷载作用下，伴随着轨道板与砂浆层间的离缝，轨道板间的宽窄接缝受力较大，极端情况下会发生轨道板宽窄接缝挤碎、轨道板上拱变形等病害。由于高铁线路长，分布在全国不同的气候带，目前铁路工务部门对于轨道结构层间离缝、脱空、破损等的监测，尚未寻找到有效的方法，对于轨道板的离缝检测主要采用被动预防的方式。


技术实现要素：

3.本发明涉及一种无砟轨道结构层间病害监测方法，至少可解决现有技术的部分缺陷。
4.本发明涉及一种无砟轨道结构层间病害监测方法，所述方法包括：
5.在轨道板上布置集成有多个光纤光栅振动传感器的光纤光栅阵列振动光缆，所述光纤光栅阵列振动光缆沿轨道板全长连续布置；
6.通过所述光纤光栅阵列振动光缆获取轨道板上的各振动测点处的振动加速度；
7.对每一振动测点，建立振动加速度-时间关系数据集，根据当前时间的振动加速度与历史时间的振动加速度进行比较，判断轨道结构的砂浆层是否出现离缝状况；
8.和/或，对同一块轨道板上的各振动测点的振动加速度进行分析，获得该轨道板的基频模态，并建立轨道板的基频模态-时间关系数据集，根据当前时间的基频模态与历史时间的基频模态进行对比，判断轨道结构是否出现砂浆层脱空状况。
9.作为实施方式之一，每相邻两个扣件节点之间设有一个振动测点。
10.作为实施方式之一，纵向相邻的两个振动测点之间的间距为0.5～0.8m。
11.作为实施方式之一，所述光纤光栅阵列振动光缆埋设于轨道板内。
12.作为实施方式之一，在轨道板表面开设纵向监测槽以埋设所述光纤光栅阵列振动光缆，并且所述纵向监测槽采用混凝土封填。
13.作为实施方式之一，所述方法还包括：
14.对轨道结构的垂向温度梯度进行监测；对每一垂向温度测点，建立垂向温度梯度-时间关系数据集，根据当前时间的垂向温度梯度与历史时间的垂向温度梯度进行比较，判断轨道板与砂浆层之间是否出现离缝状况，以及分析轨道板的垂向上拱变形趋势。
15.作为实施方式之一，在每一垂向温度测点布置垂向测温线缆，所述垂向测温缆线
为集成有多个光纤光栅测温传感器的光纤光栅阵列光缆，通过所述垂向测温缆线获取当前垂向温度测点处的轨道板温度、砂浆层温度和底座板温度，从而计算得到当前垂向温度测点的垂向温度梯度数据。
16.本发明至少具有如下有益效果：
17.本发明通过沿无砟轨道全长覆盖布置光纤光栅阵列振动光缆，可实现无砟轨道的全线连续振动监测，根据获得的振动数据判断轨道结构的砂浆层是否出现离缝状况或判断轨道结构是否出现砂浆层脱空状况，可显著地提高无砟轨道层间病害监测的实时有效性、准确性和可靠性，便于及时有效地掌握无砟轨道的层间病害、并及时地预警以及相应地进行维护，减少铁路工务部门等的劳动强度和人工成本。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
19.图1为本发明实施例提供的轨道板上的光缆布置示意图；
20.图2为本发明实施例提供的光纤光栅阵列振动光缆的布置示意图；
21.图3为本发明实施例提供的光纤光栅阵列测温光缆的布置示意图；
22.图4为本发明实施例提供的光纤光栅温度解调仪的布置示意图。
具体实施方式
23.下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
24.实施例一
25.如图1和图2，本发明实施例提供一种无砟轨道结构层间病害监测方法，所述方法包括：
26.在轨道板11上布置集成有多个光纤光栅振动传感器的光纤光栅阵列振动光缆2，所述光纤光栅阵列振动光缆2沿轨道板全长连续布置；
27.通过所述光纤光栅阵列振动光缆2获取轨道板11上的各振动测点处的振动加速度；
28.对每一振动测点，建立振动加速度-时间关系数据集，根据当前时间的振动加速度与历史时间的振动加速度进行比较，判断轨道结构的砂浆层12是否出现离缝状况；
29.和/或，对同一块轨道板11上的各振动测点的振动加速度进行分析，获得该轨道板11的基频模态，并建立轨道板11的基频模态-时间关系数据集，根据当前时间的基频模态与历史时间的基频模态进行对比，判断轨道结构是否出现砂浆层12脱空状况。
30.显然地，需相应地配置光纤光栅振动解调仪5，光纤光栅阵列振动光缆2用于采集轨道板11的振动信息并发送给光纤光栅振动解调仪5，光纤光栅振动解调仪5用于接收光纤
光栅阵列振动光缆2发送的振动信息，并解调成解调信号发送给后台处理器。上述光纤光栅阵列振动光缆2为单根光缆内集成有多个光纤光栅振动传感器的缆线，其为现有产品，具有监测覆盖范围广(根据需要可覆盖10km以上)、测量精度高、传感单元间距小(最小间距可为1cm)等特点，具体结构此处不作赘述。光纤光栅振动解调仪5也为现有设备；其与后台处理器之间可以为电连接或通讯连接关系，此为常规技术。如图4，考虑到无砟轨道全线长度较长，该光纤光栅振动解调仪5优选为设置多个，以保证振动数据的准确性和可靠性。其中，优选地，每台光纤光栅振动解调仪5用于获取其前后两侧的两段振动缆线的监测信息；在其中一个实施例中，上述光纤光栅阵列振动光缆2沿无砟轨道全线连续布设，也即相邻两台光纤光栅振动解调仪5之间由单根缆线串接，则在该单根串接缆线中，以某点为分界点，该分界点前侧的光纤光栅振动传感器向前侧的光纤光栅振动解调仪5发送监测信息，该分界点后侧的光纤光栅振动传感器向后侧的光纤光栅振动解调仪5发送监测信息，这可通过光缆内光纤光栅振动传感器的光发射方向的设置来实现；在另外的实施例中，上述光纤光栅阵列振动光缆2采用分体式布置方式，包括多个振动监测缆段，相邻两个振动监测缆段端部相抵或者相邻两个振动监测缆段有部分重叠，同样能实现上述无砟轨道全长覆盖布置的效果，能够实现无砟轨道全线振动监测即可，在该方案中，相邻两台光纤光栅振动解调仪5之间可设置两条振动监测缆段，该两条振动监测缆段分别与该两台光纤光栅振动解调仪5连接。优选地，每个车站布置有一台光纤光栅振动解调仪5。
31.在上述方法中，后台处理器用于获取光纤光栅振动解调仪5发送的解调信号，对获取的信息进行解析、处理和存储，对每一振动测点建立振动加速度-时间关系数据集，根据振动加速度-时间关系数据集判断轨道结构的砂浆层12是否出现离缝状况；和/或，后台处理器用于获取光纤光栅振动解调仪5发送的解调信号，对同一块轨道板11上的各振动测点的振动加速度进行分析，获得该轨道板11的基频模态，并建立轨道板11的基频模态-时间关系数据集，根据基频模态-时间关系数据集判断轨道结构是否出现砂浆层12脱空状况。
32.进一步地，对同一块轨道板11的测点的振动幅值、频率等进行综合分析，并将每一次列车通过时刻的振动数据综合分析结果，与该时刻往前的多次列车或与该时刻往前的多日全部列车通过时的历史振动数据做均值、标准差等统计对比分析，可间接反映轨道结构钢轨断裂、扣件失效、轨枕空吊、轨道板离缝、隔振元件失效等病害情况；当某测点振动数据出现异常，表明该区域存在轨道结构出现病害的可能性，此时可通过同步调取视频监测资料或现场检查等方式对病害的具体类型进行甄别。
33.上述振动测点的数量及分布可根据具体的情况进行设定。在其中一个实施例中，每相邻两个扣件节点之间设有一个振动测点。可选地，纵向相邻的两个振动测点之间的间距为0.5～0.8m，例如与相邻扣件节点之间的间距相同。容易理解地，每个振动测点处对应设置一个光纤光栅振动传感器即可。
34.如图2，对于上述光纤光栅阵列振动光缆2的布置，优选地，其埋设于轨道板11内，例如在轨道板表面开设纵向布线槽以埋设光纤光栅阵列振动光缆2，并且所述纵向布线槽采用混凝土封填。该纵向布线槽内浇筑的混凝土优选为采用高强、快凝混凝土。在另外的方案中，该光纤光栅阵列振动光缆2也可在轨道板11浇筑时同期布设。
35.实施例二
36.本实施例对上述实施例一所提供的无砟轨道结构层间病害监测方法进行进一步
优化。
37.所述方法还包括：
38.对轨道结构的垂向温度梯度进行监测；对每一垂向温度测点31，建立垂向温度梯度-时间关系数据集，根据当前时间的垂向温度梯度与历史时间的垂向温度梯度进行比较，判断轨道板11与砂浆层12之间是否出现离缝状况，以及分析轨道板11的垂向上拱变形趋势。
39.在上述基于光纤光栅阵列振动光缆2的无砟轨道结构层间病害监测手段的基础上，结合上述对轨道结构的垂向温度梯度进行监测手段，能进一步提高对轨道结构的层间病害的判断准确性；以及，可以建立轨道结构温度梯度-层间病害关系数据集，并在持续的监测过程中完善和修正该数据集，为后续的后台处理器判断操作提供参照和分析基础。
40.具体地，当轨道板11与砂浆层12之间出现离缝时，离缝中空气的存在可能造成轨道结构的垂向温度梯度发生变化。或者，当轨道结构的垂向温度梯度发生突变或徐变时，可间接判断轨道板11的垂向上拱变形趋势。
41.优选地，在每一垂向温度测点31布置垂向测温线缆，所述垂向测温缆线311为集成有多个光纤光栅测温传感器的光纤光栅阵列光缆，通过所述垂向测温缆线311获取当前垂向温度测点31处的轨道板温度、砂浆层温度和底座板温度，从而计算得到当前垂向温度测点31的垂向温度梯度数据。如图3，上述垂向测温缆线311埋设于无砟轨道结构中并且其在轨道板11内、砂浆层12内以及底座板13内分别分布有至少一个光纤光栅测温传感器。通过上述垂向测温缆线311获取对应测点处的轨道结构的垂向温度梯度，并根据该垂向温度梯度判断轨道结构的垂向温度荷载是否在正常范围内，以便于工务部门等判断轨道结构的健康状况并能及时地对无砟轨道进行进一步检测维护。
42.优选地，可基于轨道结构的有限元分析模型，将垂向温度荷载施加至该有限元分析模型中，以计算出理论上的轨道结构受力情况。
43.进一步优选地，如图1和图3，垂向测温缆线311有多根，相应地在无砟轨道结构中形成多个垂向温度测点31，便于对不同位置处的轨道结构健康状况进行准确地监测。在其中一个实施例中，至少部分垂向温度测点31沿轨道纵向呈直线排列，通过在无砟轨道上按合适的纵向间距设置垂向温度测点31，根据各垂向温度测点31反馈的温度数据，还可获得轨道结构的纵向温度梯度，可根据该纵向温度梯度判断轨道结构的纵向温度荷载是否在正常范围内，能进一步提高对轨道结构的层间病害的判断准确性。
44.进一步地，如图1和图3，各垂向测温缆线311通过水平连接缆线连接构成为连续式光纤光栅阵列测温光缆。当上述垂向温度测点31数量足够时，上述水平连接缆线内可不设置光纤光栅测温传感器，而仅用于信号的传输；显然，优选为上述水平连接缆线内也设置光纤光栅测温传感器，则轨道结构的温度数据更为丰富，对于轨道结构的纵向温度荷载等情况的判断就更为准确可靠，尤其是轨道板11的纵向温度信息更为全面，利于轨道板11的健康监测，包括对轨道板11的垂向上拱变形等病害(一般伴随了轨道结构的层间病害)的监测，可减少出现漏检、误判等情况的出现。
45.基于上述结构，如图3，垂向测温缆线311为顶端位于轨道板11内、底端位于底座板13内的u形缆线，其位于轨道板11内的两个端部分别连接一水平连接缆线，便于在轨道结构内形成连续式光纤光栅阵列测温光缆。进一步优选地，如图3，垂向测温缆线311的每根垂向
线段在轨道板11内、砂浆层12内以及底座板13内分别有至少一个光纤光栅测温传感器，则每根垂向线段能够实现轨道结构的垂向温度监测，两根垂向线段所获得的温度信息相互佐证，能提高监测结果的准确性，例如：在每个垂向温度测点31，可获取轨道板11内各光纤光栅温度传感器在同一时刻的监测数据并取平均值，砂浆层12和底座板13内的监测数据同样处理，监测结果准确性和可靠性显然更高；若同一结构板内的不同光纤光栅温度传感器的监测数据差异较大，还可标记该垂向测温缆线311，便于工务部门及时检测该垂向测温缆线311是否存在故障，即实现了垂向测温缆线311的故障自检，工作可靠性高。本实施例中，每根垂向线段在轨道板11内、砂浆层12内以及底座板13内分别有一个光纤光栅测温传感器。
46.在其中一个实施例中，上述垂向温度测点31有多个，相邻两个垂向温度测点31之间的间距在5～10m范围内，进一步优选为每隔6～7m设置一个垂向温度测点31。
47.在其中一个实施例中，垂向温度测点31的纵向长度(也即上述两根垂向线段之间的间距)在700～800mm范围内。垂向测温缆线311中，底座板13中的光纤光栅测温传感器与轨道板表面之间的距离在220～350mm范围，砂浆层12中的光纤光栅测温传感器与轨道板表面之间的距离在190～220mm范围，轨道板11中的光纤光栅测温传感器与轨道板表面之间的距离在80～150mm范围，当然，并不限于上述布设位置，可根据具体的轨道结构进行设计和调节。在可选的具体实施例中：(1)crtsii型板式无砟轨道路基地段，垂向测温的纵向长度为800mm，轨道板11中的光纤光栅测温传感器与轨道板表面之间的距离为100mm，砂浆层12中的光纤光栅测温传感器与轨道板表面之间的距离为215mm，底座板13中的光纤光栅测温传感器与轨道板表面之间的距离为300mm；(2)crtsii型板式无砟轨道桥梁地段，垂向温度测点31的纵向长度为700mm，轨道板11中的光纤光栅测温传感器与轨道板表面之间的距离为100mm，砂浆层12中的光纤光栅测温传感器与轨道板表面之间的距离为215mm，底座板13中的光纤光栅测温传感器与轨道板表面之间的距离为250mm；(3)crtsii型板式无砟轨道隧道地段，垂向温度测点31的纵向长度为700mm，轨道板11中的光纤光栅测温传感器与轨道板表面之间的距离为100mm，砂浆层12中的光纤光栅测温传感器与轨道板表面之间的距离为215mm，底座板13中的光纤光栅测温传感器与轨道板表面之间的距离为250mm。
48.对于上述垂向测温缆线311的设置，优选地，如图3，对应于每个垂向测温缆线311所在位置，于轨道板11上开设灌浆孔312并且该灌浆孔312延伸至底座板13内，垂向测温缆线311埋设于对应的灌浆孔312内并且该灌浆孔312进行灌浆封填。该灌浆孔312内灌注的混凝土优选为采用高强、快凝混凝土，保证垂向测温缆线311在该灌浆孔312内的位置精度，同时能较好地保护垂向测温缆线311。
49.一般地，底座板13、砂浆层12和轨道板11为分层结构，例如各层依次浇筑而成，各层之间的结合性、一体性等将影响轨道结构的健康状况，本实施例中，通过在轨道结构中设置多个灌浆孔312，在满足上述垂向测温缆线311的布设需求外，灌浆孔312内成型的一体式混凝土柱能有效地提高轨道结构各层之间的结构一体性和协同受力性能，从而能相应地减少轨道结构的层间病害发生率，提高轨道结构的健康状态和服役寿命。
50.对于上述水平连接缆线的布置，优选地，于轨道板11上开设走线槽111以埋设水平连接缆线，并且走线槽111采用混凝土封填。同样地，该走线槽111内浇筑的混凝土优选为采用高强、快凝混凝土。
51.上述走线槽111显然与相邻的灌浆孔312连通，进一步地，走线槽111与灌浆孔312
内同期浇筑混凝土，至少是每个灌浆孔312与其相邻的两道走线槽111内同期浇筑混凝土，则在轨道结构中形成t型混凝土结构，其在提高轨道结构各层之间的结构一体性和协同受力性能的同时，还能较好地对轨道板11起到多向约束的效果，进一步提高轨道结构的运行可靠性。
52.一般地，可在车站或轨道附近配置光纤光栅温度解调仪，上述垂向测温缆线311/光纤光栅阵列测温光缆与附近的光纤光栅温度解调仪连接，光纤光栅温度解调仪接收垂向测温缆线311/光纤光栅阵列测温光缆发送的温度信息，并解调成解调信号发送给后台处理器。该光纤光栅温度解调仪为现有设备；其与后台处理器之间可以为电连接或通讯连接关系，此为常规技术。
53.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。