洪 劍

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海高鐵維修段, 上海 200439)

CRTSⅡ型板式無砟軌道廣泛應(yīng)用于我國(guó)的高速鐵路，在夏季高溫及輪軌動(dòng)力作用下，由于板式無砟軌道層間變形協(xié)調(diào)能力不良、溫度梯度預(yù)設(shè)不足等因素，產(chǎn)生了脹板、寬窄接縫破損、層間離縫等結(jié)構(gòu)性病害[1]。特別是在持續(xù)高溫時(shí)期，在溫度梯度作用下軌道板翹曲變形造成軌道板與砂漿之間的離縫[2-5]，帶來較為顯著的軌道幾何尺寸偏差。若病害發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，進(jìn)一步發(fā)展至砂漿脫空及縱連完全失效，則會(huì)導(dǎo)致軌道板失穩(wěn)，對(duì)線下基礎(chǔ)的耐久性造成影響，嚴(yán)重影響行車安全。鑒于高速鐵路維修天窗短、人員少等實(shí)際情況，深化對(duì)既有軌檢數(shù)據(jù)的研究，從而確定軌道結(jié)構(gòu)相關(guān)病害，具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

利用軌檢數(shù)據(jù)進(jìn)行線路軌道質(zhì)量分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了大量的研究，取得了一定的成果。如文獻(xiàn)[6]提出局部波動(dòng)指數(shù)LTFI可以較好識(shí)別出軌道局部波動(dòng)劇烈的程度與位置。文獻(xiàn)[7]基于多體動(dòng)力學(xué)理論和綜合檢測(cè)列車實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出了滿足長(zhǎng)波高低不平順150 m波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的實(shí)時(shí)處理算法，建立長(zhǎng)波高低不平順幅值動(dòng)態(tài)管理標(biāo)準(zhǔn)，使現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)修更有針對(duì)性。文獻(xiàn)[8]結(jié)合高速鐵路動(dòng)檢數(shù)據(jù)，定義一種用于描述局部波動(dòng)的多尺度標(biāo)準(zhǔn)差卷積變換模型，并提出軌道局部波動(dòng)指數(shù)計(jì)算方法，能夠?qū)壍谰植坎▌?dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。文獻(xiàn)[9]基于綜合檢測(cè)列車的動(dòng)態(tài)軌道不平順數(shù)據(jù)，確定了路基凍脹區(qū)的軌道不平順變化規(guī)律。文獻(xiàn)[10]通過對(duì)軌道幾何不平順區(qū)段管理方法及區(qū)段管理長(zhǎng)度影響因素的研究，得到了高速鐵路無砟軌道線路TQI計(jì)算長(zhǎng)度的取值范圍為100～150 m，建議值為100 m。文獻(xiàn)[11]引入敏感波長(zhǎng)反映周期性幾何不平順的基波，利用廣義能量指數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)周期性幾何不平順的定量評(píng)價(jià)。這些研究方法有力地提高了線路的管理水平和養(yǎng)修作業(yè)效率。但同樣值得注意的是，既有研究較難應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢修中，并且在夏季連續(xù)高溫期間，更缺少?gòu)能墮z歷史數(shù)據(jù)的多次對(duì)比與現(xiàn)場(chǎng)典型病害變化進(jìn)行的關(guān)聯(lián)分析。

基于此，通過研究軌檢數(shù)據(jù)的時(shí)域波形，對(duì)比分析軌道板脹板區(qū)段的高低不平順時(shí)域特征指標(biāo)；選取區(qū)段標(biāo)準(zhǔn)差這一特征指標(biāo)，基于歷史軌檢數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，提出自動(dòng)化評(píng)估算法并制定相應(yīng)管理辦法，實(shí)現(xiàn)了通過軌檢數(shù)據(jù)對(duì)軌道板脹板結(jié)構(gòu)性病害定量化評(píng)估的目的。

1 脹板結(jié)構(gòu)性病害分析

1.1 脹板特征及現(xiàn)場(chǎng)病害情況

運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，高溫期間特別是持續(xù)高溫期間，CRTSⅡ型板式無砟軌道會(huì)產(chǎn)生脹板現(xiàn)象，這是應(yīng)力、應(yīng)變逐漸積累后瞬態(tài)釋放的過程，具有突發(fā)性、不可預(yù)測(cè)性等特點(diǎn)，是CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)中最主要的風(fēng)險(xiǎn)源[12]。

CRTSⅡ型板式無砟軌道脹板主要特征表現(xiàn)為路基、橋梁和路橋過渡段的軌道板與CA砂漿層間離縫、寬窄接縫破損、軌道板破損和支承層(底座板)壓潰等一系列連鎖反應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)病害情況如圖1所示。

圖1 脹板區(qū)段現(xiàn)場(chǎng)病害情況

1.2 原因分析

CRTSⅡ型板式無砟軌道脹板主要由內(nèi)部因素和外部因素引起。

內(nèi)因主要為寬窄接縫破損導(dǎo)致軌道板板端受力不均，形成偏壓并產(chǎn)生應(yīng)力集中，加速了脹板的發(fā)生[13]；現(xiàn)場(chǎng)受溫度梯度[14]、寬窄接縫與軌道板內(nèi)剛度差別較大及CA砂漿性能劣化的影響，軌道板寬窄接縫前后范圍內(nèi)砂漿層易發(fā)生離縫，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)分層，軌道板與砂漿之間黏結(jié)力下降，結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性下降[15]。

外因主要為外部環(huán)境溫度所致的溫度荷載作用，夏季持續(xù)高溫則引起軌道結(jié)構(gòu)溫度逐步累積[16-19]。在溫度梯度作用下軌道板翹曲變形造成軌道板與砂漿之間的離縫；軌道縱連不及時(shí)、張拉鎖件缺失或安裝不到位、寬窄接縫混凝土質(zhì)量差、板間張拉及混凝土澆筑溫度低等施工過程控制不嚴(yán)。

1.3 人工檢測(cè)

高溫時(shí)期，為了預(yù)防脹板結(jié)構(gòu)性病害及對(duì)已發(fā)生病害區(qū)段及時(shí)抑制，工務(wù)部門往往進(jìn)行人工普查識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)離縫和寬窄接縫破損情況，以及進(jìn)行靜態(tài)幾何尺寸的測(cè)量。某高鐵線路2013～2017年普查現(xiàn)場(chǎng)病害情況如表1所示。

表1 2013～2017年某高鐵線路脹板病害分布

對(duì)上述線路的病害普查耗時(shí)耗力，且由于高速鐵路天窗時(shí)間短、線路養(yǎng)修人員相對(duì)較少，會(huì)造成病害發(fā)現(xiàn)不及時(shí)的情況，導(dǎo)致病害進(jìn)一步發(fā)展，嚴(yán)重影響行車安全?？紤]到軌道板上拱與軌道幾何形位的關(guān)聯(lián)性，應(yīng)結(jié)合軌道不平順變化特征，探尋脹板結(jié)構(gòu)性病害發(fā)展規(guī)律。

2 病害區(qū)段高低不平順數(shù)據(jù)分析

2.1 波形幅值特征

軌道板上拱會(huì)引起軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生垂向變形以致影響軌道幾何形位變化，對(duì)于一些脹板結(jié)構(gòu)性病害的時(shí)域信號(hào)，其波形往往出現(xiàn)異常波動(dòng)，從而可以從直觀上與正常信號(hào)區(qū)分開，特別是當(dāng)時(shí)域信號(hào)出現(xiàn)明顯的周期性時(shí)，病害信號(hào)的異常波動(dòng)會(huì)更加明顯。因此，可考慮利用歷史軌檢數(shù)據(jù)對(duì)比分析，以達(dá)到檢測(cè)病害的目的。由于脹板病害呈現(xiàn)出垂直方向的位移變化特征，與其變形方向上對(duì)應(yīng)為高低不平順變化。因此，選取某高鐵線路2017年軌道檢查車測(cè)得的動(dòng)態(tài)高低不平順數(shù)據(jù)作為樣本來源，軌道檢查車采樣間隔為0.25 m。

選取長(zhǎng)度為512 m、線下基礎(chǔ)為路基的動(dòng)態(tài)高低不平順數(shù)據(jù)樣本作為分析對(duì)象。 圖2(a)為經(jīng)預(yù)處理[20]過12個(gè)月23次的時(shí)域波形疊加圖。由圖2(b)可知，當(dāng)高溫時(shí)期或持續(xù)高溫時(shí)期線路出現(xiàn)脹板結(jié)構(gòu)性病害時(shí)，病害區(qū)段[54 m，60 m]的時(shí)域波形圖也會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)明顯的幅值變化，變化趨勢(shì)基本為4月份后隨著氣溫的升高，幅值逐漸增加且在7～8月份高溫天氣時(shí)達(dá)到峰值。因此，高低不平順與氣溫具有極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

圖2 動(dòng)態(tài)高低不平順歷史數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2 病害分布與波形分布

雖然軌道不平順的增長(zhǎng)率每次都很小，但對(duì)歷史數(shù)據(jù)的疊加對(duì)比可以識(shí)別出軌道幾何形位的微小變化。因CRTSⅡ型無砟軌道為縱連結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)多塊軌道板連續(xù)出現(xiàn)上拱時(shí)會(huì)呈現(xiàn)連續(xù)多波型。單塊脹板結(jié)構(gòu)性病害表征為單峰特征，連續(xù)性病害表征為多峰特征。典型區(qū)段的軌道板上拱引起的高低不平順波形特征如圖3所示。

圖3 病害區(qū)段高低不平順波形特征

通過對(duì)歷史軌檢數(shù)據(jù)進(jìn)行高低峰值變化分析，可得出軌道板上拱引起的高低峰值變化趨勢(shì)。但僅通過人工對(duì)軌檢數(shù)據(jù)回放，對(duì)比高低不平順峰值，效率較低且容易存在漏檢。因此，需制定脹板區(qū)段的自動(dòng)化評(píng)估方法，提高檢測(cè)效率。

3 病害區(qū)段自動(dòng)化評(píng)估方法

3.1 病害區(qū)段時(shí)域特征值對(duì)比分析

通過計(jì)算一些時(shí)域特征值對(duì)高低不平順信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步分析。對(duì)于有限長(zhǎng)度的離散時(shí)序數(shù)據(jù)xi(i=1，2，…，n)，常用的有量綱時(shí)域特征量包括均方根值、峰峰值和標(biāo)準(zhǔn)差。其中，峰峰值(PK2PK)這一指標(biāo)能比較直觀地表現(xiàn)出振動(dòng)劇烈的軌道位置，以及振動(dòng)的劇烈程度；均方根(RMS)這一指標(biāo)對(duì)早期的病害不敏感，但穩(wěn)定性較好，其幅值會(huì)隨著病害程度的加深表現(xiàn)出單調(diào)增大的趨勢(shì)；標(biāo)準(zhǔn)差(Std)這一指標(biāo)表述不平順數(shù)據(jù)的離散性，以此反應(yīng)軌道質(zhì)量的好壞程度。

選取1～4月份軌檢數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的一次高低不平順數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，選取高溫時(shí)期的一次數(shù)據(jù)作為分析目標(biāo)。以8 m為一區(qū)段進(jìn)行計(jì)算，每段樣本數(shù)量為32個(gè)。由于軌檢數(shù)據(jù)里程與現(xiàn)場(chǎng)里程匹配并不能達(dá)到0.25 m的精度，板長(zhǎng)為6.45 m的軌道板不能剛好在劃分區(qū)段內(nèi)，結(jié)果則會(huì)導(dǎo)致特征指標(biāo)被削弱。因此，特征指標(biāo)分析以0.25 m為單位步長(zhǎng)的8 m時(shí)間窗計(jì)算相應(yīng)值。區(qū)段劃分如圖4所示。

圖4 區(qū)段劃分

由前述分析可知，當(dāng)線路出現(xiàn)脹板結(jié)構(gòu)性病害時(shí)，左、右高低的幅值波動(dòng)較大，因此可計(jì)算病害區(qū)段左、右高低的時(shí)域特征值，并與該區(qū)段正常時(shí)期的時(shí)域特征值進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。樣本數(shù)據(jù)同前，其右高低不平順特征值對(duì)比結(jié)果如表2所示。

圖5 脹板區(qū)段時(shí)域特征值

圖5所示病害區(qū)段的高低不平順的3種時(shí)域特征指標(biāo)都有明顯的增加，驗(yàn)證了脹板結(jié)構(gòu)性病害的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致高低不平順加劇的結(jié)論。區(qū)段[48m，56m]內(nèi)特征指標(biāo)如表2所示，其中，標(biāo)準(zhǔn)差這一指標(biāo)的增加幅度最大，變?yōu)檎顟B(tài)的3.28倍；而峰峰值和均方根則分別為正常狀態(tài)的2.48倍和2.90倍，說明在時(shí)域特征量中，區(qū)段標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)脹板結(jié)構(gòu)性病害的出現(xiàn)最為敏感。因此，區(qū)段標(biāo)準(zhǔn)差這一指標(biāo)可以作為描述脹板結(jié)構(gòu)性病害的依據(jù)。

表2 病害區(qū)段的右高低時(shí)域特征值對(duì)比

3.2 病害區(qū)段自動(dòng)化評(píng)估

為了進(jìn)一步提高動(dòng)檢數(shù)據(jù)的利用效率，以人工決策為輔，自動(dòng)化評(píng)估為主的原則，基于區(qū)段標(biāo)準(zhǔn)差給出病害區(qū)段定量化方法，建立了無砟軌道板脹板區(qū)段自動(dòng)化評(píng)估算法，形成脹板區(qū)段結(jié)合動(dòng)檢數(shù)據(jù)分析的閉環(huán)系統(tǒng)。

病害區(qū)段評(píng)估需選取1～4月份數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的一次動(dòng)檢數(shù)據(jù)以及高溫時(shí)期測(cè)得的一次動(dòng)檢數(shù)據(jù)。通過分析可知，不同線路的高低溫幅值變化量有所差異，同線路不同區(qū)段高低溫幅值變化量也有所差異，因此，對(duì)于軌道板上拱引起高低不平順時(shí)域特征值的定量化識(shí)別，需基于線路歷史數(shù)據(jù)來調(diào)整脹板病害的評(píng)估閾值。區(qū)段評(píng)估指標(biāo)計(jì)算式如下

EN(x)=σB(n，xB，i)-σA(n，xA，i)

當(dāng)EN(x)大于評(píng)估閾值時(shí)，則定位為疑似病害區(qū)段。因此，對(duì)于評(píng)估閾值的確定影響到檢測(cè)準(zhǔn)確率。為了提高該方法的準(zhǔn)確率降低漏檢率，通過對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)病害資料，選取脹板病害頻發(fā)的10 km線路，分別在不同評(píng)估閾值下計(jì)算準(zhǔn)確率進(jìn)行對(duì)比分析，準(zhǔn)確率計(jì)算式如下

計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3可知，評(píng)估閾值的變化影響檢測(cè)準(zhǔn)確率及漏檢率，因此，綜合考慮選取0.5，0.7和0.9三個(gè)評(píng)估閾值分別制定相應(yīng)管理辦法，如表4所示。

利用上述的自動(dòng)化評(píng)估算法，采用同前樣本以右高低不平順為例進(jìn)行病害區(qū)段的自動(dòng)化評(píng)估，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

表3 區(qū)段評(píng)估指標(biāo)在不同閾值下的病害準(zhǔn)確率

表4 區(qū)段評(píng)估指標(biāo)管理辦法

圖6 病害區(qū)段自動(dòng)化評(píng)估結(jié)果

由上述計(jì)算結(jié)果可知，以0.5 mm評(píng)估閾值為基準(zhǔn)判斷，區(qū)間[40 m，70 m]和區(qū)間[276 m，284 m]出現(xiàn)軌道板脹板病害。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)病害資料可知，該512 m區(qū)段內(nèi)在上述兩區(qū)間附近處確實(shí)發(fā)生過脹板病害，初步驗(yàn)證了評(píng)估方法的有效性及評(píng)估閾值的合理性。在此基礎(chǔ)上同時(shí)驗(yàn)證了區(qū)段評(píng)估指標(biāo)管理辦法的可用性。

3.3 實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提方法的普適性和準(zhǔn)確性，通過對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)病害資料，選取了脹板病害頻發(fā)的區(qū)段進(jìn)行分析，右高低不平順時(shí)域波形和區(qū)段標(biāo)準(zhǔn)差如圖7所示。

圖7 時(shí)域波形與特征值分析

其中，1月份數(shù)據(jù)為無病害時(shí)期的樣本數(shù)據(jù)，7月份則為需分析的存在病害區(qū)段樣本數(shù)據(jù)。病害區(qū)段自動(dòng)化評(píng)估結(jié)果如圖8所示。診斷病害里程與實(shí)際脹板病害里程比較結(jié)果如表5所示。

圖8 病害區(qū)段自動(dòng)化評(píng)估結(jié)果

表5 自動(dòng)化評(píng)估病害區(qū)段對(duì)比

由上述算例圖表分析可知，本文提出的脹板區(qū)段自動(dòng)化評(píng)估算法具有較高的適用性和準(zhǔn)確性，可以有效地實(shí)現(xiàn)無砟軌道板脹板區(qū)段的定量化評(píng)估；但值得注意的是由于動(dòng)檢數(shù)據(jù)里程與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際里程存在一定偏差，因此依據(jù)評(píng)估結(jié)果復(fù)檢時(shí)，應(yīng)對(duì)計(jì)算病害里程前后50 m進(jìn)行排查，以確定病害具體位置，并及時(shí)整治。

4 結(jié)論

本文分析了軌道板脹板區(qū)段的現(xiàn)場(chǎng)病害特征以及脹板區(qū)段特征與動(dòng)檢數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，給出了脹板區(qū)段自動(dòng)化評(píng)估算法，通過實(shí)例分析進(jìn)行方法驗(yàn)證，主要結(jié)論如下。

(1)高溫期脹板區(qū)段與高低不平順存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，單塊與連續(xù)軌道板病害表征為時(shí)域波形單峰與多峰特征。

(2)區(qū)段標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)脹板病害的出現(xiàn)最為敏感，可以作為表征脹板結(jié)構(gòu)性病害的依據(jù)。

(3)提出脹板區(qū)段自動(dòng)化評(píng)估算法，利用典型案例驗(yàn)證了所提方法的有效性及準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了利用軌檢數(shù)據(jù)對(duì)無砟軌道脹板病害進(jìn)行定量化評(píng)估的目的，在制定養(yǎng)護(hù)維修計(jì)劃等方面具有一定理論意義和實(shí)踐價(jià)值。