摘要青藏铁路多年冻土区气候、地质条件和轨道结构的特殊性对无缝线路的稳定性和养护维修十分不利。鉴于此，研发了高原多年冻土区无缝线路状态指标监测系统。该系统的终端集成了高精度、高可靠性位移和温度传感器，在整体设计、设备选型和仪器连接等方面，综合考虑了使用工况复杂、自然条件恶劣情况下安全可靠运行的要求。该系统实现了温度和位移同步采集以及长钢轨位移、梁端位移、气温、轨温、梁温等指标的实时持续监测和监测数据的自动存储，为研究无缝线路状态指标的取值和变化规律提供了技术支撑。
关键词青藏铁路;多年冻土区;铁路无缝线路;状态指标;监测技术
中图分类号U216．8 文献标识码A DOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2016．04．29
铁路无缝线路的轨温、纵向位移(长钢轨爬行)和横向位移(轨道臌曲)直接反映无缝线路的稳定性，与铁路行车安全紧密相关。目前，这些指标大多需要人工现场观测，观测成本高，工作效率低，漏检和不检现象时有发生，无法获得实时同步的连续观测数据。在低温、缺氧、穿越无人区等恶劣环境下的青藏铁路多年冻土区，上述观测就更加难以实现，亟需研发可靠、耐用的观测设备实时监测无缝线路状态［1-6］。鉴于此，针对高原冻土区气候和无缝线路运营的特点，选择合理的监测内容及指标，研发了无缝线路状态指标监测系统。对该系统的准确性和可靠性在现场和实验室进行了验证，并确定了有代表性的典型工点，为获得高原多年冻土区无缝线路稳定性状态指标取值及变化规律奠定基础。
1无缝线路状态指标监测系统的研发
高原多年冻土区无缝线路状态指标监测系统，采用位移和温度传感器实现对无缝线路长钢轨纵向位移、横向位移、梁端位移、气温、轨温、梁温等指标的监测。该系统特点为:各指标可以实时连续测量，温度和位移同步采集，监测数据自动存储。由于使用工况复杂、自然条件恶劣，因此在该系统整体设计、设备选型、仪器连接等方面综合考虑了低功耗、抗低温、防水、防尘、防油和防紫外线等要求。
1.1设备选型
1)位移传感器选型所选用的电感位移传感器(图1)常称为LVDT(LinearVariableDifferentialTransformer)，属于直线位移传感器。它由1个初级线圈、2个次级线圈、铁芯、线圈骨架、外壳等部件组成。初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有1个可自由移动的杆状铁芯。当铁芯处于中间时，2个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为0;当铁芯在线圈内部移动并偏离中心时，2个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。其优点为结构简单，工作可靠，寿命长，线性度好，重复性好，性价比高。主要技术指标:①工作温度传感器部分在－40～125℃，信号调理部分在－20～60℃;②工作量程在0～50mm;③精度为±50μm;④线性度误差为±0.2%;⑤防护等级为IP67。2)温度传感器选型温度传感器选用热电偶。热电偶是一种感温元件，是一次仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。热电偶工作原理为:2种不同成分的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端)，另一端叫做冷端(也称为补偿端);冷端与显示仪表或配套仪表连接。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，由其产生的热电势测量温度。热电偶具有测量精度高、热响应时间快、测量范围大、性能可靠、使用寿命长、安装方便等优点。表面温度传感器如图2所示。主要技术指标:①热电偶类型为T型(正极纯铜，负极铜镍);②测温范围在－60～80℃;③精度为±0.4℃;④玻璃纤维标准长度为300mm。大气温度传感器如图3所示。主要技术指标:①热电偶类型为T型;②测温范围在－180～375℃;③精度为±0.4℃;④保护管材料为SS304，外径3.2mm，长度300mm。3)数据记录仪选型所选用的数据记录仪(图4)可与具有直流电压或0～20mA电流输出的多种转换器、变送器和传感器进行连接，可对位移和温度进行记录和监测。记录仪能通过USB与电脑直接相连，也可通过以太网、PoE或WiFi安装到现有的网络中。每台记录仪都配有寿命长达10年的锂电池和用于记录测试数据的存储器。具备了独立电源和记录容量。数据记录仪可以与软件配合使用以下载、显示和分析数据。基于浏览器的viewLinc系统能够提供全天候的多级警报通知和远程、实时监测连续数据。报告可自定义，并能导出Excel表格。主要技术指标:①尺寸为71mm×53mm×20mm;②质量为65g;③工作温度在－40～85℃，湿度在0～100%ＲH;④接口模式为ＲS-232串口、USB、以太网、无线网络;⑤配有PC软件，可绘图及生成报告;⑥内部时钟精确度为±1min/月;⑦电磁兼容性符合美国FCC标准与国际CE认证;⑧电源使用寿命为10年的内置锂电池，具体使用年限由采样频率和通道数量决定;⑨存储器采用非易失性可擦写只读存储器，当存满时可选择覆盖或停止，也可选择开始和停止的时间;⑩采样频率可选择从10s/次至1d/次。输入信号指标:①输入范围0～1V或0～10V;②分辨率0.025%(F．S．);③精度为±0.15%(25℃);④输入阻抗1MΩ;⑤过载保护设为±30V。电流环路信号输入指标:①输入范围0～22mA;②分辨率5.5μA;③精度±0.15%(25℃);④输入阻抗50Ω;⑤过载保护设为60mA。4)太阳能供电系统太阳能供电系统是为位移传感器提供工作电源。太阳能供电系统主要组成为:太阳能光伏板、太阳能控制器、蓄电池组。考虑到现场工作环境恶劣，供电系统采用双电源方案。太阳能控制器专为传感器系统、太阳能直流供电系统设计，并采用专用电脑芯片，模糊设置，具有完善的过流、过压、过充、过放、负载短路、断路、蓄电池开路、光电池反接线等保护功能，所有的保护功能均不损坏任何元器件。单LED三色多状态显示，使工作状态一目了然。主要技术指标:①输出电压DC15～30V;②额定输出电流0.5A;③稳压精度≤1%，稳流精度≤1%;④环境温度－30～55℃;⑤外接时控电路，控制负载接通、断开。5)位移传感器固定装置在道床上开挖深约1m的孔，使用水泥砂浆固定镀锌钢管，将研发设计的位移传感器固定装置焊接于钢管上。
1.2监测系统整体设计
无缝线路状态指标监测系统由纵向位移、横向位移、气温轨温、气温梁温、梁轨相对位移以及梁端位移观测单元构成。各单元由数据记录仪、表面温度传感器、大气温度传感器、位移传感器、位移传感器固定装置、太阳能供电系统、百叶箱等组成，如图5所示。无缝线路纵向位移观测单元观测内容包括大坡道长钢轨纵向位移、伸缩区长钢轨纵向位移及缓冲区轨缝;横向位移观测单元观测内容主要包括小半径曲线钢轨横向位移和轨距;气温轨温观测单元观测气温和轨温;气温梁温观测单元观测气温和梁温;梁端位移观测单元观测梁缝的日变化量和累积变化量。基中对位移和轨温实现了同步观测。
1.3监测系统验证
无缝线路状态指标监测系统安装完成后，需对其准确性加以验证。将气象专用温度计分别放置于五道梁、风火山和唐南的百叶箱内，对气温传感器加以验证;2011年5月13日—14日和7月31日—8月1日在不冻泉无缝线路试验段使用轨温表对表面温度传感器加以验证;通过人工观测缓冲区长钢轨位移、轨缝变化和梁缝变化对位移传感器加以验证。在实验室对监测系统进行高低温试验。验证结果表明无缝线路状态指标监测系统稳定可靠，采集数据准确。
1.4监测系统布置情况
不冻泉无缝线路试验段位于昆仑山南麓，年平均气温一般低于－5℃，海拔4600m，多年冻土层厚60～120m，冻土不良地质现象较发育。2010年12月，选择无缝线路薄弱地段如伸缩区、缓冲区、曲线、大坡道和桥上安装了无缝线路状态指标监测系统。监测位移和轨温，获得了为期1年的有效数据。多年冻土区546.4km长范围内，选择气候和环境有代表性的昆仑山南麓、可可西里山区、风火山山区、沱沱河盆地地区、唐北的温泉断陷盆地、唐古拉山间盆地、唐南的安多谷地等7个地点，布设轨温或梁温监测单元。
2多年冻土区无缝线路的特点
通过无缝线路状态指标监测系统的监测结果，以及参阅相关文献，发现和总结了青藏铁路多年冻土区无缝线路的特点，具体情况如下。1)多年冻土区轨温日较差大。各测点观测期内最大轨温日较差风火山地区为48.2℃，其余测点均超过40℃。2)年均气温较低，全年负温期较长。沿线年平均气温在－2℃以下。一年中6—9月份的平均气温为正值，10月份—次年5月份气温为负值。7月份平均气温最高，约在5.0～6.0℃，1月份平均气温最低，约在－16.0～－20.0℃。即便是平均气温为正值的月份出现负温的天数也很多，因此高原有“长冬无夏”之说。3)沿线太阳辐射强，总辐射量大。沿线大气透明度好，云量少，太阳辐射强，总辐射量大，日照时数多，为2600～3000h/年。高原上海拔5000m以下地区辐射平衡总量在600～800kcal/(cm2•a)，为全国辐射量最大的地区。4)存在最高轨温高于最高气温20℃的现象。各测点日最高轨温与观测期内最高气温较差风火山为28.2℃，共有19d超过20℃;唐北为30.3℃，共有9d超过20℃。频繁出现轨温高于气温20℃以上的现象是由于本地区太阳辐射强，总辐射量大的缘故。5)虽然多年冻土区常见的厚道床对道床阻力没有显著影响，但厚道床在养护维修过程中容易受到扰动，对无缝线路稳定性不利，须引起关注。基床多年冻土的衰退和融化，引起路基热融下沉，需要频繁进行起道和补砟作业，造成多年冻土地区厚道床地段较多。测试数据表明，只要按规范要求整修道床，厚道床对道床状态参数没有显著影响。6)基床多年冻土的衰退和融化，引起路基热融下沉是该区路基工程的主要病害。路基热融下沉严重地段不宜铺设无缝线路。这种病害多发生于高含冰量多年冻土分布地段、厚层地下冰发育地段、路桥和路涵过渡段以及路堑地段。在路基热融下沉病害地段铺设无缝线路前要进行充分调研和评估。7)该区20‰大坡道较为普遍，长大坡道对无缝线路没有显著影响，没有发生明显爬行现象。8)监测期内梁端位移约7mm，位移随时间持续递增。这一观测结果为多年冻土区梁端顶死病害多发提供了有力证据。其原因为本区日温差变化大，梁体因温度变化发生较为频繁的位移，支座的性能承受不了梁体频繁发生位移。建议加强该区支座的养护或提高支座的性能指标。9)本区隧道内外轨温日较差大，最大值为40.2℃，钢轨伸缩及温度力的变化复杂，容易造成不正常的伸缩。因此建议对长大隧道内铺设无缝线路进行单独设计。10)青藏铁路多年冻土区地处海拔在4350～5300m，存在高寒缺氧、强紫外线、气温低且日较差大、人机效率低等不利因素，容易造成钢轨接头焊接质量问题。长钢轨的焊接质量缺陷在幅度大、频率快的交变温度应力作用下引起断轨的概率增大。特别是青藏铁路格拉段采用自动站间闭塞(电子路签闭塞方式)，不设地面信号机和轨道电路，不能依靠轨道电路及时发现断轨，虽然配备了轨道检查车和探伤车定期巡道，但不设巡道工，对于及时发现断轨非常不利。
3结语
针对高原多年冻土区的气候和运营特点，选择了合理的监测内容及指标，研发了高原多年冻土区无缝线路状态指标监测系统，选择具有代表性的典型工点布设测点，发现了多年冻土区无缝线路的特点，可为养护维修提供参考。
参考文献
［1］卢耀荣．无缝线路研究与应用［M］．北京:中国铁道出版社，2004．
［2］李金城．青藏铁路工程地质选线［M］．兰州:兰州大学出版社，2009．
［3］张鲁新，熊治文，韩龙武，等．青藏铁路冻土环境和冻土工程［M］．北京:人民交通出版社，2011．
［4］丁靖康，韩龙武，徐兵魁，等．多年冻土与铁路工程［M］．北京:中国铁道出版社，2011．
［5］中铁第一勘察设计院集团有限公司．青藏铁路格望段无缝线路试验段关键技术的研究［Ｒ］．西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2007．
［6］中南大学．青藏铁路格拉段无缝线路铺设与维护技术研究［Ｒ］．长沙:中南大学，2013．
作者：张向民 高亮 崔日新 单位：中南大学土木工程学院 高速铁路建造技术国家工程实验室 北京交通大学 土木建筑工程学院
