青藏鐵路多年凍土區(qū)無縫線路監(jiān)測技術研究

張向民，高亮，崔日新

（1.中南大學土木工程學院，湖南長沙410075；2.高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南長沙410075；3.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044）

青藏鐵路多年凍土區(qū)無縫線路監(jiān)測技術研究

張向民1，2，高亮3，崔日新3

（1.中南大學土木工程學院，湖南長沙410075；2.高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南長沙410075；3.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044）

青藏鐵路多年凍土區(qū)氣候、地質條件和軌道結構的特殊性對無縫線路的穩(wěn)定性和養(yǎng)護維修十分不利。鑒于此，研發(fā)了高原多年凍土區(qū)無縫線路狀態(tài)指標監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的終端集成了高精度、高可靠性位移和溫度傳感器，在整體設計、設備選型和儀器連接等方面，綜合考慮了使用工況復雜、自然條件惡劣情況下安全可靠運行的要求。該系統(tǒng)實現了溫度和位移同步采集以及長鋼軌位移、梁端位移、氣溫、軌溫、梁溫等指標的實時持續(xù)監(jiān)測和監(jiān)測數據的自動存儲，為研究無縫線路狀態(tài)指標的取值和變化規(guī)律提供了技術支撐。

青藏鐵路；多年凍土區(qū)；鐵路無縫線路；狀態(tài)指標；監(jiān)測技術

鐵路無縫線路的軌溫、縱向位移（長鋼軌爬行）和橫向位移（軌道臌曲）直接反映無縫線路的穩(wěn)定性，與鐵路行車安全緊密相關。目前，這些指標大多需要人工現場觀測，觀測成本高，工作效率低，漏檢和不檢現象時有發(fā)生，無法獲得實時同步的連續(xù)觀測數據。在低溫、缺氧、穿越無人區(qū)等惡劣環(huán)境下的青藏鐵路多年凍土區(qū)，上述觀測就更加難以實現，亟需研發(fā)可靠、耐用的觀測設備實時監(jiān)測無縫線路狀態(tài)［1-6］。鑒于此，針對高原凍土區(qū)氣候和無縫線路運營的特點，選擇合理的監(jiān)測內容及指標，研發(fā)了無縫線路狀態(tài)指標監(jiān)測系統(tǒng)。對該系統(tǒng)的準確性和可靠性在現場和實驗室進行了驗證，并確定了有代表性的典型工點，為獲得高原多年凍土區(qū)無縫線路穩(wěn)定性狀態(tài)指標取值及變化規(guī)律奠定基礎。

1　無縫線路狀態(tài)指標監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

高原多年凍土區(qū)無縫線路狀態(tài)指標監(jiān)測系統(tǒng)，采用位移和溫度傳感器實現對無縫線路長鋼軌縱向位移、橫向位移、梁端位移、氣溫、軌溫、梁溫等指標的監(jiān)測。該系統(tǒng)特點為：各指標可以實時連續(xù)測量，溫度和位移同步采集，監(jiān)測數據自動存儲。由于使用工況復雜、自然條件惡劣，因此在該系統(tǒng)整體設計、設備選型、儀器連接等方面綜合考慮了低功耗、抗低溫、防水、防塵、防油和防紫外線等要求。

1.1設備選型

1）位移傳感器選型

所選用的電感位移傳感器（圖1）常稱為LVDT（Linear Variable Differential Transformer），屬于直線位移傳感器。它由1個初級線圈、2個次級線圈、鐵芯、線圈骨架、外殼等部件組成。初級線圈、次級線圈分布在線圈骨架上，線圈內部有1個可自由移動的桿狀鐵芯。當鐵芯處于中間時，2個次級線圈產生的感應電動勢相等，這樣輸出電壓為0；當鐵芯在線圈內部移動并偏離中心時，2個線圈產生的感應電動勢不等，有電壓輸出，其電壓大小取決于位移量的大小。其優(yōu)點為結構簡單，工作可靠，壽命長，線性度好，重復性好，性價比高。

圖1　電感式位移傳感器

主要技術指標：①工作溫度傳感器部分在-40～125℃，信號調理部分在-20～60℃；②工作量程在0～50mm；③精度為±50μm；④線性度誤差為±0.2%；⑤防護等級為IP67。

2）溫度傳感器選型

溫度傳感器選用熱電偶。熱電偶是一種感溫元件，是一次儀表。它直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉換成被測介質的溫度。熱電偶工作原理為：2種不同成分的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接。熱電偶實際上是一種能量轉換器，它將熱能轉換為電能，由其產生的熱電勢測量溫度。熱電偶具有測量精度高、熱響應時間快、測量范圍大、性能可靠、使用壽命長、安裝方便等優(yōu)點。

表面溫度傳感器如圖2所示。主要技術指標：①熱電偶類型為T型（正極純銅，負極銅鎳）；②測溫范圍在-60～80℃；③精度為±0.4℃；④玻璃纖維標準長度為300mm。

圖2　表面溫度傳感器（單位：mm）

大氣溫度傳感器如圖3所示。主要技術指標：①熱電偶類型為T型；②測溫范圍在-180～375℃；③精度為±0.4℃；④保護管材料為SS304，外徑3.2mm，長度300mm。

圖3　大氣溫度傳感器

3）數據記錄儀選型

所選用的數據記錄儀（圖4）可與具有直流電壓或0～20mA電流輸出的多種轉換器、變送器和傳感器進行連接，可對位移和溫度進行記錄和監(jiān)測。記錄儀能通過USB與電腦直接相連，也可通過以太網、PoE或WiFi安裝到現有的網絡中。每臺記錄儀都配有壽命長達10年的鋰電池和用于記錄測試數據的存儲器。具備了獨立電源和記錄容量。數據記錄儀可以與軟件配合使用以下載、顯示和分析數據?；跒g覽器的viewLinc系統(tǒng)能夠提供全天候的多級警報通知和遠程、實時監(jiān)測連續(xù)數據。報告可自定義，并能導出Excel表格。

主要技術指標：①尺寸為71mm×53mm× 20mm；②質量為65g；③工作溫度在-40～85℃，濕度在0～100%RH；④接口模式為RS-232串口、USB、以太網、無線網絡；⑤配有PC軟件，可繪圖及生成報告；⑥內部時鐘精確度為±1min/月；⑦電磁兼容性符合美國FCC標準與國際CE認證；⑧電源使用壽命為10年的內置鋰電池，具體使用年限由采樣頻率和通道數量決定；⑨存儲器采用非易失性可擦寫只讀存儲器，當存滿時可選擇覆蓋或停止，也可選擇開始和停止的時間；⑩采樣頻率可選擇從10s/次至1d/次。

輸入信號指標：①輸入范圍0～1V或0～10V；②分辨率0.025%（F.S.）；③精度為±0.15%（25℃）；④輸入阻抗1MΩ；⑤過載保護設為±30V。

電流環(huán)路信號輸入指標：①輸入范圍0～22mA；②分辨率5.5μA；③精度±0.15%（25℃）；④輸入阻抗50Ω；⑤過載保護設為60mA。

4）太陽能供電系統(tǒng)

太陽能供電系統(tǒng)是為位移傳感器提供工作電源。太陽能供電系統(tǒng)主要組成為：太陽能光伏板、太陽能控制器、蓄電池組。考慮到現場工作環(huán)境惡劣，供電系統(tǒng)采用雙電源方案。

太陽能控制器專為傳感器系統(tǒng)、太陽能直流供電系統(tǒng)設計，并采用專用電腦芯片，模糊設置，具有完善的過流、過壓、過充、過放、負載短路、斷路、蓄電池開路、光電池反接線等保護功能，所有的保護功能均不損壞任何元器件。單LED三色多狀態(tài)顯示，使工作狀態(tài)一目了然。

主要技術指標：①輸出電壓DC15～30V；②額定輸出電流0.5A；③穩(wěn)壓精度≤1%，穩(wěn)流精度≤1%；④環(huán)境溫度-30～55℃；⑤外接時控電路，控制負載接通、斷開。

5）位移傳感器固定裝置

在道床上開挖深約1m的孔，使用水泥砂漿固定鍍鋅鋼管，將研發(fā)設計的位移傳感器固定裝置焊接于鋼管上。

圖4　數據記錄儀

1.2監(jiān)測系統(tǒng)整體設計

無縫線路狀態(tài)指標監(jiān)測系統(tǒng)由縱向位移、橫向位移、氣溫軌溫、氣溫梁溫、梁軌相對位移以及梁端位移觀測單元構成。各單元由數據記錄儀、表面溫度傳感器、大氣溫度傳感器、位移傳感器、位移傳感器固定裝置、太陽能供電系統(tǒng)、百葉箱等組成，如圖5所示。

圖5　無縫線路狀態(tài)指標監(jiān)測系統(tǒng)總裝

無縫線路縱向位移觀測單元觀測內容包括大坡道長鋼軌縱向位移、伸縮區(qū)長鋼軌縱向位移及緩沖區(qū)軌縫；橫向位移觀測單元觀測內容主要包括小半徑曲線鋼軌橫向位移和軌距；氣溫軌溫觀測單元觀測氣溫和軌溫；氣溫梁溫觀測單元觀測氣溫和梁溫；梁端位移觀測單元觀測梁縫的日變化量和累積變化量。基中對位移和軌溫實現了同步觀測。

1.3監(jiān)測系統(tǒng)驗證

無縫線路狀態(tài)指標監(jiān)測系統(tǒng)安裝完成后，需對其準確性加以驗證。將氣象專用溫度計分別放置于五道梁、風火山和唐南的百葉箱內，對氣溫傳感器加以驗證；2011年5月13日—14日和7月31日—8月1日在不凍泉無縫線路試驗段使用軌溫表對表面溫度傳感器加以驗證；通過人工觀測緩沖區(qū)長鋼軌位移、軌縫變化和梁縫變化對位移傳感器加以驗證。在實驗室對監(jiān)測系統(tǒng)進行高低溫試驗。驗證結果表明無縫線路狀態(tài)指標監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，采集數據準確。

1.4監(jiān)測系統(tǒng)布置情況

不凍泉無縫線路試驗段位于昆侖山南麓，年平均氣溫一般低于-5℃，海拔4600m，多年凍土層厚60～120m，凍土不良地質現象較發(fā)育。2010年12月，選擇無縫線路薄弱地段如伸縮區(qū)、緩沖區(qū)、曲線、大坡道和橋上安裝了無縫線路狀態(tài)指標監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測位移和軌溫，獲得了為期1年的有效數據。

多年凍土區(qū)546.4km長范圍內，選擇氣候和環(huán)境有代表性的昆侖山南麓、可可西里山區(qū)、風火山山區(qū)、沱沱河盆地地區(qū)、唐北的溫泉斷陷盆地、唐古拉山間盆地、唐南的安多谷地等7個地點，布設軌溫或梁溫監(jiān)測單元。

2　多年凍土區(qū)無縫線路的特點

通過無縫線路狀態(tài)指標監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結果，以及參閱相關文獻，發(fā)現和總結了青藏鐵路多年凍土區(qū)無縫線路的特點，具體情況如下。

1）多年凍土區(qū)軌溫日較差大。各測點觀測期內最大軌溫日較差風火山地區(qū)為48.2℃，其余測點均超過40℃。

2）年均氣溫較低，全年負溫期較長。沿線年平均氣溫在-2℃以下。一年中6—9月份的平均氣溫為正值，10月份—次年5月份氣溫為負值。7月份平均氣溫最高，約在5.0～6.0℃，1月份平均氣溫最低，約在-16.0～-20.0℃。即便是平均氣溫為正值的月份出現負溫的天數也很多，因此高原有“長冬無夏”之說。

3）沿線太陽輻射強，總輻射量大。沿線大氣透明度好，云量少，太陽輻射強，總輻射量大，日照時數多，為2600～3000h/年。高原上海拔5000m以下地區(qū)輻射平衡總量在600～800kcal/（cm2·a），為全國輻射量最大的地區(qū)。

4）存在最高軌溫高于最高氣溫20℃的現象。各測點日最高軌溫與觀測期內最高氣溫較差風火山為28.2℃，共有19d超過20℃；唐北為30.3℃，共有9d超過20℃。頻繁出現軌溫高于氣溫20℃以上的現象是由于本地區(qū)太陽輻射強，總輻射量大的緣故。

5）雖然多年凍土區(qū)常見的厚道床對道床阻力沒有顯著影響，但厚道床在養(yǎng)護維修過程中容易受到擾動，對無縫線路穩(wěn)定性不利，須引起關注?；捕嗄陜鐾恋乃ネ撕腿诨?，引起路基熱融下沉，需要頻繁進行起道和補砟作業(yè)，造成多年凍土地區(qū)厚道床地段較多。測試數據表明，只要按規(guī)范要求整修道床，厚道床對道床狀態(tài)參數沒有顯著影響。

6）基床多年凍土的衰退和融化，引起路基熱融下沉是該區(qū)路基工程的主要病害。路基熱融下沉嚴重地段不宜鋪設無縫線路。這種病害多發(fā)生于高含冰量多年凍土分布地段、厚層地下冰發(fā)育地段、路橋和路涵過渡段以及路塹地段。在路基熱融下沉病害地段鋪設無縫線路前要進行充分調研和評估。

7）該區(qū)20‰大坡道較為普遍，長大坡道對無縫線路沒有顯著影響，沒有發(fā)生明顯爬行現象。

8）監(jiān)測期內梁端位移約7mm，位移隨時間持續(xù)遞增。這一觀測結果為多年凍土區(qū)梁端頂死病害多發(fā)提供了有力證據。其原因為本區(qū)日溫差變化大，梁體因溫度變化發(fā)生較為頻繁的位移，支座的性能承受不了梁體頻繁發(fā)生位移。建議加強該區(qū)支座的養(yǎng)護或提高支座的性能指標。

9）本區(qū)隧道內外軌溫日較差大，最大值為40.2℃，鋼軌伸縮及溫度力的變化復雜，容易造成不正常的伸縮。因此建議對長大隧道內鋪設無縫線路進行單獨設計。

10）青藏鐵路多年凍土區(qū)地處海拔在4350～5300m，存在高寒缺氧、強紫外線、氣溫低且日較差大、人機效率低等不利因素，容易造成鋼軌接頭焊接質量問題。長鋼軌的焊接質量缺陷在幅度大、頻率快的交變溫度應力作用下引起斷軌的概率增大。特別是青藏鐵路格拉段采用自動站間閉塞（電子路簽閉塞方式），不設地面信號機和軌道電路，不能依靠軌道電路及時發(fā)現斷軌，雖然配備了軌道檢查車和探傷車定期巡道，但不設巡道工，對于及時發(fā)現斷軌非常不利。

3　結語

針對高原多年凍土區(qū)的氣候和運營特點，選擇了合理的監(jiān)測內容及指標，研發(fā)了高原多年凍土區(qū)無縫線路狀態(tài)指標監(jiān)測系統(tǒng)，選擇具有代表性的典型工點布設測點，發(fā)現了多年凍土區(qū)無縫線路的特點，可為養(yǎng)護維修提供參考。

［1］盧耀榮.無縫線路研究與應用［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［2］李金城.青藏鐵路工程地質選線［M］.蘭州：蘭州大學出版社，2009.

［3］張魯新，熊治文，韓龍武，等.青藏鐵路凍土環(huán)境和凍土工程［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［4］丁靖康，韓龍武，徐兵魁，等.多年凍土與鐵路工程［M］.北京：中國鐵道出版社，2011.

［5］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.青藏鐵路格望段無縫線路試驗段關鍵技術的研究［R］.西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2007.

［6］中南大學.青藏鐵路格拉段無縫線路鋪設與維護技術研究［R］.長沙：中南大學，2013.

AbstractQinghai-T ibet railway in permafrost zone has some specific characteristics of climate，geological condition and track structure，which are unfavorable to the stability and maintenance service of continuous welded rail（C WR），and the state index monitoring system of plateau railway C WR in permafrost region was developed.T he terminal devices of monitoring system consist of displacement and temperature sensors with high precision and reliability，and safe and reliable operation requirements was taken into account from aspects of overall design，equipment selection and instrument connection under the condition of complex operation and adverse natural environment.T his system realized the synchronous acquisition of temperature and displacement，real time continuous monitoring and automatic data storage for the indexes including long rail displacement，beam end displacement，air temperature，rail temperature and bridge beam temperature，which could provide a technology support for the value and variation laws of the C WR state indexes.

Research on Monitoring Technology for CWR（Continuous Welded Rail）of Qinghai-Tibet Railway in Permafrost Region

ZHANG Xiangmin1，2，GAO Liang3，CUI Rixin3
（1.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410075，China；2.National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction，Changsha Hunan 410075，China；3.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

Qinghai-T ibet railway；Permafrost region；Continuous welded rail（C WR）；State index；Monitoring technology

U216.8

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.29

1003-1995（2016）04-0114-04

（責任審編李付軍）

2015-11-06；

2016-01-23

鐵道部科技研究開發(fā)計劃（2010G015-A，2010G026，Z2013-G006）

張向民（1973—），男，講師，博士研究生。