板式无砟轨道及其板缝错台监测系统和健康监测方法与流程

1.本发明属于轨道交通工程技术领域，具体涉及一种板式无砟轨道的板缝错台监测系统、配置有该板式无砟轨道的板缝错台监测系统的板式无砟轨道及其健康监测方法。


背景技术：

2.在我国高速铁路、城际铁路、市域铁路、城市轨道交通等铁路系统中，受地形条件、各地区经济发展等众多因素影响，铁路不可避免会穿越长大山区、城市地下等区域，铁路隧道结构的安全状态直接影响到列车运行的平稳性及安全性，铁路隧道能够保证良好的运营状态，对于保障铁路运行意义重大。铁路隧道的安全监测涉及项目众多，振动及噪声、板间错台、钢轨断轨、扣件弹出等项目均是运营方的关注重点。近年来，单元板式无砟轨道道床板在城市轨道交通中得到了大量应用，但由于单元板纵向不连续，当地铁隧道发生不均匀沉降、道床板损坏、道床板与底座之间脱空等情况后，均可能造成单元板间产生板间错台，发生板间错台后，列车运行的舒适性将会受到较大影响。目前，针对轨道单元板之间的错台监测研究较少，因此，非常有必要提供一种针对板式无砟轨道的板缝错台的监测方案。


技术实现要素：

3.本发明涉及一种板式无砟轨道的板缝错台监测系统、配置有该板式无砟轨道的板缝错台监测系统的板式无砟轨道及其健康监测方法，至少可解决现有技术的部分缺陷。
4.本发明涉及一种板式无砟轨道的板缝错台监测系统，包括：
5.布设在轨道板上的多条错台监测光缆，所述错台监测光缆为集成有多个光纤光栅位移传感器的光纤光栅阵列光缆；所述错台监测光缆沿轨道纵向布设，每条错台监测光缆在每块轨道单元板的前后两端分别分布有一个光纤光栅位移传感器；
6.数据解调仪，用于接收所述错台监测光缆发送的信息，并解调成解调信号发送给后台处理器。
7.作为实施方式之一，各所述错台监测光缆均布设在轨道板的顶部。
8.作为实施方式之一，在所述轨道板的顶部相应地开设纵向监测槽以埋设所述错台监测光缆，所述纵向监测槽采用现浇混凝土填充。
9.作为实施方式之一，所述错台监测光缆有多条，并且所述轨道板的两侧边部附近各分布有一条错台监测光缆。
10.作为实施方式之一，每个车站布置有一台所述数据解调仪，所述错台监测光缆的车站侧端部与对应车站的数据解调仪连接。
11.本发明还涉及一种板式无砟轨道，包括采用多块轨道单元板拼装形成的轨道板，还配置有如上所述的板式无砟轨道的板缝错台监测系统。
12.本发明还涉及如上所述的板式无砟轨道的健康监测方法，包括：
13.通过所述错台监测光缆采集对应测点处轨道单元板的横向位移变化情况，所述后台处理器条据所获得的各轨道单元板的横向位移变化情况，分析轨道板是否发生横向错台
现象，若发生横向错台现象，指导工务部门对轨道结构进行检测维护；
14.和/或，通过所述错台监测光缆采集对应测点处轨道单元板的垂向位移变化情况，所述后台处理器条据所获得的各轨道单元板的垂向位移变化情况，分析轨道板是否发生垂向错台现象，若发生垂向错台现象，指导工务部门对轨道结构进行检测维护。
15.本发明至少具有如下有益效果：
16.本发明采用光纤光栅阵列光缆用于轨道板的监测，能实现无砟轨道全线连续的错台监测；在每块轨道单元板的前后两端分别布设光纤光栅位移传感器，能够准确地获取轨道单元板端部的位移情况，从而准确地判断轨道板是否发生错台并且能获知具体的错台量。
附图说明
17.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，还可以条据这些附图获得其它的附图。
18.图1为本发明实施例提供的错台监测光缆的布置示意图；
19.图2为本发明实施例提供的垂向测温段的分布示意图；
20.图3为本发明实施例提供的应力光缆的布置示意图。
具体实施方式
21.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。
22.实施例一
23.如图1，本发明实施例提供一种板式无砟轨道的板缝错台监测系统，包括：
24.布设在轨道板11上的多条错台监测光缆2，所述错台监测光缆2为集成有多个光纤光栅位移传感器20的光纤光栅阵列光缆；所述错台监测光缆2沿轨道纵向布设，每条错台监测光缆2在每块轨道单元板的前后两端分别分布有一个光纤光栅位移传感器20；
25.数据解调仪，用于接收所述错台监测光缆2发送的信息，并解调成解调信号发送给后台处理器。
26.上述错台监测光缆2为单条光缆内集成有多个光纤光栅位移传感器20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。数据解调仪也为现有设备，一般采用光纤光栅解调仪，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。考虑到无砟轨道全线长度较长，数据解调仪优选为设置多个，以保证监测数据的准确性和可靠性；各数据解调仪在轨道纵向上依次间隔布置，其中，优选地，相邻两台数据解调仪之间的各错台监测光缆2均与该两台数据解调仪连接，也即每台数据解调仪可以对区间内各错台监测光缆2传输的监测信息进行解调处理。优选地，每个车站布置有一台数据解调仪，所
述错台监测光缆2的车站侧端部与对应车站的数据解调仪连接。
27.优选地，所述错台监测光缆2布设在轨道板11的顶部，能更准确地反映轨道单元板的位移情况；而且，错台监测光缆2既能监测到轨道单元板的横向位移情况，也能监测到轨道单元板的垂向位移情况，能进一步扩展该错台监测光缆2的功能。在其中一个实施例中，在所述轨道板11的顶部相应地开设纵向监测槽以埋设所述错台监测光缆2，所述纵向监测槽采用现浇混凝土填充，保证对错台监测光缆2的固定，优选为采用高强、快凝混凝土填充纵向监测槽。上述纵向监测槽为浅槽即可，可选地，纵向监测槽的槽深在15～25mm范围内。
28.进一步优选地，如图1，所述错台监测光缆2有多条，并且所述轨道板11 的两侧边部附近各分布有一条错台监测光缆2，从而能在轨道单元板的的四个端部均分布有光纤光栅位移传感器20，可以获取两块轨道单元板之间的板缝处四个角点的位移变化，能准确地判断轨道板11是否发生错台并且能获知具体的错台量。
29.在其中一个实施例中，上述错台监测光缆2内仅集成光纤光栅位移传感器 20，除轨道单元板端部设置的光纤光栅位移传感器20外，在轨道单元板的中间区域也可分布光纤光栅位移传感器20；上述数据解调仪对应地可采用光纤光栅位移解调仪。
30.在另外的实施例中，上述错台监测光缆2内还集成有其它光纤光栅传感器，例如光纤光栅测温传感器，上述数据解调仪可相应地采用能解调位移信号和温度信号的复合型光纤光栅解调仪，其也为现有设备。通过在上述错台监测光缆2 内集成光纤光栅测温传感器，在其具备错台监测功能的同时，还能获得轨道板 11的纵向温度梯度，根据该纵向温度梯度判断轨道板11的纵向温度荷载是否在正常范围内，以便于工务部门等及时地对无砟轨道进行检测维护。
31.进一步优选地，如图2，上述错台监测光缆2包括多个纵向监测段和至少一个垂向测温段，纵向监测段即布设在轨道板11的顶部，各光纤光栅位移传感器 20即分布在各纵向监测段内，进一步优选为在各纵向监测段内还分布有多个光纤光栅测温传感器；垂向测温段221为顶端位于轨道板11内、底端位于底座板 13内的u形缆线，垂向测温段221的顶端与相邻的纵向测温段连接，垂向测温段221在轨道板11内、中间层板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。一般地，上述垂向测温段221包括两根垂向线段和一根水平线段，该水平线段的两端分别与两根垂向线段的底端连接，显然地，该垂向测温段221为一体连续的缆线；本实施例中，该垂向测温段221用于监测轨道结构的垂向温度，其水平线段内优选为不设置光纤光栅测温传感器，该水平线段可设置为较小的长度，也即两根垂向线段之间采用较小的间距。
32.上述垂向测温段221能够获取对应测点处的轨道板11、中间层板12和底座板13的温度，从而获得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，以便于工务部门等及时地对无砟轨道进行进一步检测维护。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。
33.进一步优选地，如图2，垂向测温段221的每根垂向线段在轨道板11内、中间层板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：在每个垂向测温点22，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，中间层板 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段221，便于工务部门及时检测该垂向测温段221是否存在故障，即实现了垂向测温段221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、中间层板12内以及底座板13内分别有一个光纤光栅测温传感器。
34.在其中一个实施例中，垂向测温段221有多个，相邻两个垂向测温段221 之间的间距在5～10m范围内，进一步优选为每隔6～7m设置一个垂向测温点22。
35.在其中一个实施例中，垂向测温点22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。垂向测温段221中，底座板13中的光纤光栅测温传感器与轨道板11表面之间的距离在220～350mm范围，中间层板12 中的光纤光栅测温传感器与轨道板11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11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。
36.对于上述垂向测温段221的设置，优选地，对应于每个垂向测温段221所在位置，于轨道板11上开设灌浆孔222并且该灌浆孔222延伸至底座板13内，垂向测温段221埋设于对应的灌浆孔222内并且该灌浆孔222进行灌浆封填。该灌浆孔222内灌注的混凝土优选为采用高强、快凝混凝土，保证垂向测温段 221在该灌浆孔222内的位置精度，同时能较好地保护垂向测温段221。
37.通过在无砟轨道上按合适的间距设置垂向测温点22，根据各垂向测温点22 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，以便于工务部门等及时地对无砟轨道进行进一步检测维护。结合上述纵向测温段内设置的光纤光栅测温传感器，轨道结构的纵向温度梯度数据更为丰富，对于轨道结构纵向温度荷载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的监测，可减少出现漏检、误判等情况的出现。
38.一般地，底座板13、中间层板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，层间病害也是轨道结构的主要病害之一，本实施例中，通过在轨道结构中设置多个灌浆孔222，在满足上述垂向测温段221的布设需求外，灌浆孔222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，从而能相应地提高轨道结构的健康状态和服役寿命。
39.上述纵向监测槽显然与相邻的灌浆孔222连通，进一步地，纵向监测槽与灌浆孔222内同期浇筑混凝土，至少是每个灌浆孔222与其相邻的两道纵向监测槽内同期浇筑混凝土，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。
40.必要时，可使底座板13、中间层板12内预留凸出至灌浆孔222内的固结钢筋，使轨道板11内预留凸出至灌浆孔222和纵向监测槽内的固结钢筋，可进一步提高后浇混凝土(即灌浆孔222和纵向监测槽内的混凝土)与先期轨道结构之间的结合性。
41.考虑到轨道单元板的前后端部的监测意义更大，例如轨道单元板的端部由于与周
围空间环境接触面积更大，端部温度变化更为明显；因此，优选为在轨道单元板的前后端部除设有光纤光栅位移传感器20外，也设有光纤光栅测温传感器。相应地，上述错台监测光缆2还包括多个轴线平行于竖向的端部监测段，各端部监测段一一对应地布设在各轨道单元板的前后端部，端部监测段内集成有光纤光栅位移传感器20和光纤光栅测温传感器。相邻两块轨道单元板之间，两个端部监测段可通过过渡缆段连接，该过渡缆段内可不设置光纤光栅传感器，也可根据实际需要设置光纤光栅传感器，例如设置光纤光栅测温传感器。
42.实施例二
43.如图1，本发明实施例提供一种板式无砟轨道，包括采用多块轨道单元板拼装形成的轨道板11，还配置有上述实施例一所提供的板式无砟轨道的板缝错台监测系统。
44.本发明实施例还涉及上述板式无砟轨道的健康监测方法，包括：
45.通过所述错台监测光缆2采集对应测点处轨道单元板的横向位移变化情况，所述后台处理器条据所获得的各轨道单元板的横向位移变化情况，分析轨道板 11是否发生横向错台现象，若发生横向错台现象，指导工务部门对轨道结构进行检测维护。
46.和/或，通过所述错台监测光缆2采集对应测点处轨道单元板的垂向位移变化情况，所述后台处理器条据所获得的各轨道单元板的垂向位移变化情况，分析轨道板11是否发生垂向错台现象，若发生垂向错台现象，指导工务部门对轨道结构进行检测维护。
47.进一步地，在上述错台监测光缆2内还集成有光纤光栅测温传感器的情况下，所述健康监测方法还包括：
48.通过错台监测光缆2采集轨道结构的温度信息，所述轨道结构的温度信息至少包括轨道板11的温度信息；所述后台处理器分析获得轨道结构的温度荷载并判断该温度荷载是否在正常范围内，若否，则指导工务部门对无砟轨道进行检测维护。
49.实施例三
50.本实施例对上述实施例二所提供的板式无砟轨道及其健康监测方法进行进一步优化。
51.如图3，该板式无砟轨道还配置有轨道板翘曲变形监测模块，该轨道板翘曲变形监测模块包括布置于轨道板11上的至少一组翘曲监测单元和光纤光栅应力解调仪，所述翘曲监测单元包括两条集成有多个光纤光栅应力传感器的光纤光栅阵列应力光缆，同组的两条应力光缆沿轨道纵向布设并且在每个翘曲变形监测点呈高低布置，在纵向相邻的两个翘曲变形监测点之间，两条应力光缆呈x 型交叉布置；光纤光栅应力解调仪用于接收所述应力光缆发送的应力信息，并解调成解调信号发送给后台处理器。
52.上述光纤光栅阵列应力光缆为单根光缆内集成有多个光纤光栅应力传感器的缆线，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。光纤光栅应力解调仪也为现有设备；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。考虑到无砟轨道全线长度较长，该光纤光栅应力解调仪优选为设置多个，以保证应力数据的准确性和可靠性。
53.优选地，各所述应力光缆均沿轨道板11全长连续布置，实现无砟轨道轨道板翘曲变形的全线监测，监测结果更为准确可靠。翘曲监测单元的数量可根据实际情况进行设定，一般采用一组翘曲监测单元即能较好地完成对轨道板翘曲变形的可靠监测，采用两组或两
组以上的翘曲监测单元则能进一步提高监测结果的准确性。在其中一个实施例中，翘曲监测单元布置在钢轨外侧。
54.可以理解地，每个翘曲变形监测点有两个光纤光栅应力传感器，该两个光纤光栅应力传感器分属两条光纤光栅阵列应力光缆，并且其中一个光纤光栅应力传感器位于另一光纤光栅应力传感器的上方，也即满足上述“同组的两条应力光缆在每个翘曲变形监测点呈高低布置”的要求。
55.定义其中一条光纤光栅阵列应力光缆为第一应力光缆311，另一条光纤光栅阵列应力光缆则为第二应力光缆312。如图3，每条应力光缆在纵向相邻的两个翘曲变形监测点分别有一个光纤光栅应力传感器，其中一个光纤光栅应力传感器在其中一个翘曲变形监测点处位于高点，另一个光纤光栅应力传感器在另一个翘曲变形监测点处位于低点，因此该应力光缆在纵向相邻的两个翘曲变形监测点之间是倾斜布设的；从而，在纵向相邻的两个翘曲变形监测点中，在第一翘曲变形监测点处，第一应力光缆311的应力传感器位于第二应力光缆312的应力传感器的正上方，在第二翘曲变形监测点处，第二应力光缆312的应力传感器位于第一应力光缆311的应力传感器的正上方，第一应力光缆311与第二应力光缆312在该纵向相邻的两个翘曲变形监测点之间呈x型交叉布置。
56.本实施例中，通过采用两条光纤光栅阵列应力光缆交叉布置，当翘曲变形监测点发生垂向翘曲变形时，两条应力光缆产生差分效应，能够迅速、直观地响应翘曲变形情况，做到迅速、准确地监测轨道板垂向翘曲变形。上述光缆布置方式能够剔除温度等外界荷载作用引起的轨道板纵向位移变化，提高对轨道板垂向翘曲变形监测的准确性和可靠性。
57.结合上述实施例二中的“通过错台监测光缆采集对应测点处轨道单元板的垂向位移变化情况”以监测轨道单元板的垂向错台变形方案，能进一步提高对轨道板翘曲变形监测的准确性，并且两种监测方法可形成互为校核关系，可靠性更高。
58.在其中一个实施例中，如图3，各所述应力光缆均设于轨道板表面上，能快速、准确地反应轨道板11的翘曲变形，而且应力光缆的布设、更换和维护较为方便。进一步优选地，所述翘曲监测单元还包括防护罩32，所述防护罩32罩设于轨道板表面上并且将对应的两条应力光缆罩设于内，从而能较好地保护应力光缆；在其中一个实施例中，应力光缆固定在防护罩32内，防护罩32固定在轨道板表面(可通过膨胀螺丝等固定件固定)。进一步优选地，所述应力光缆的顶端不超出钢轨轨面高度，避免与列车运行产生干涉。
59.上述翘曲变形监测点的数量及分布可根据具体的情况进行设定。可在每块轨道单元板的前后两端分别设置一个翘曲变形监测点，或者相邻两个翘曲变形监测点之间的间距为一块轨道单元板的长度；可选地，相邻两个翘曲变形监测点之间的间距为5～7m。
60.基于上述的轨道板翘曲变形监测模块，具体采用如下的轨道板翘曲变形监测方法：
61.当翘曲变形监测点发生翘曲变形时，同组的两条应力光缆产生差分效应，并基于该差分效应获得监测变形量；
62.在所述监测变形量的基础上剔除误差变形量，以判断轨道板11的垂向翘曲变形状况，其中，所述误差变形量包括轨道板11因温度影响产生的误差变形量和其他方向变形产生的误差变形量。
63.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。