高鐵無碴軌道檢測技術發展綜述

南京交通職業技術學院公路工程系張文斌芮麗

高鐵無碴軌道檢測技術發展綜述

南京交通職業技術學院公路工程系張文斌芮麗

隨著高速鐵路的發展，無碴軌道的采用被世界各國所公認，無碴軌道是高速鐵路工程技術的發展方向。德國科隆—法蘭克福高速鐵路有90%區段采用無碴軌道；日本盛岡—八戶高速鐵路80%以上區段采用無碴軌道；九州新干線新八代—鹿兒島間線路90%區段采用無碴軌道。根據《中國鐵路中長期發展規劃》，到2020年，為滿足快速增長的旅客運輸需求，建立省會城市及大中城市間的快速客運通道，規劃“四縱四橫”鐵路快速客運通道以及四個城際快速客運系統。建設客運專線1.8萬km以上，客車速度目標值達到每小時200km及以上。高速鐵路無碴軌道安全檢測技術成為實現高速鐵路運輸安全的基礎。

一、無碴軌道技術

“碴”的意思是巖石、煤等的碎片。在鐵路上，“碴”指作路基用的小塊石頭。傳統的鐵路軌道通常由兩條平行的鋼軌組成，鋼軌固定放在枕木上，之下為小碎石鋪成的路碴。路碴和枕木均起加大受力面、分散火車壓力、幫助鐵軌承重的作用，防止鐵軌因壓力太大而下陷到泥土里。此外，路碴還可以減少噪音、吸熱、減震、增加透水性等。這就是有碴軌道。傳統有碴軌道具有鋪設簡便、綜合造價低廉的特點，但容易變形，維修頻繁，維修費用較大。同時，使列車速度受到限制，不適于列車高速行駛。世界高速鐵路的發展證實，高速鐵路基礎工程如果使用常規的軌道系統，道碴粉化嚴重，線路維修頻繁，安全性、舒適性、經濟性相對較差。

無碴軌道初期投資比有碴軌道大，但無碴軌道結構可大幅度減少養護、維修費用，減少列車限速、中斷行車等對運營的干擾。無碴軌道不僅節省了養護維修費用，減少了對運營的干擾，而且大大改善工人的勞動條件，帶來顯著的社會效益與經濟效益。無碴軌道突出的特點之一就是能確保軌道高度平順，保證旅客列車高速運行時的安全性和舒適度。無碴軌道的特點和性能對鐵路線路的設計和施工提出了更高的要求目前無碴軌道建設和維修都沒有達到自動化程度。這意味著在施工工序和質量控制都提出了很高的要求。

二、高速鐵路軌道檢測技術概況

1.國外高速鐵路軌道檢測技術發展現狀。目前，高速鐵路發達國家利用高科技手段，研制開發具有綜合性、高精度、高速度、高智能、高可靠性的大型軌道檢測設備，檢測技術實現了重大飛躍。高速鐵路發達國家高速軌道檢測技術中檢測方式、檢測設備可靠性均有較大改善，檢測項目更加全面。軌道檢測技術通過計算機網絡、光纖通信、激光攝像、高速光纖數字陀螺、數字濾波等技術的成功應用，通過對檢測設備安裝接口方式的獨特設計（主要指安裝方式或懸掛方式改變），為高速鐵路軌道狀態安全、實時檢測與科學管理奠定了基礎。

2004年，美國ENSCO公司推出了最新的檢測車體系。開發了單用一控制臺同時測量操作技術，包括軌道外形和軌道橫斷面測量，聲學測量、輪軌波紋、懸鏈線測礙量、乘車舒適度、輪軌沖擊和魚外尾板檢測系統。系統采樣同步操作，最終利用GPS技術輸出來產生出軌道圖形和完成預檢查。所有測量數據存儲在車載數據庫中，可以提供靈活的數據報告，以便進行數據分析。2006年6月12日，法國Iris320高速檢測車正式亮相。Iris320高速檢測車把單一的自驅動列車（行駛速度為320km／h，在某些條件下甚至達到350km／h）、全套基礎設施檢測和記錄功能集中在一起。2007年普拉塞·陶伊爾公司的EC-5軌道檢測車，檢測速度是160km／h，配備利用GPS和光學原理的非接觸慣性測量系統。軌道幾何尺寸測量包括了線路空間圖中的軌距、線路縱向水平、鋼軌平整、道岔、曲線和坡度等諸多參數，利用GPS能夠自動繪出。利用全自動激光系統掃描鋼軌，記錄下鋼軌的斷面，實時地檢測出鋼軌類型，計算出與標準形狀的偏差，標識出具體方位，還能測量出鋼軌結構中的軌高、軌寬和斜軌的尺寸以及鋼軌磨耗的狀況。

2.國內高速鐵路軌道檢測技術發展現狀。國內軌道檢測技術經過二十余年的集成創新研究，已初步形成了國內軌道檢測技術體系，從檢測系統類型劃分為GJ-3、GJ-4、GJ-5三種類型（如表1），三種檢測設備代表了我國不同時期的軌道檢測技術發展水平。其中，GJ-4、GJ-5型檢測設備已成為我國既有線路軌道狀態監控的主要手段，最高檢測速度達到200km/h。2009年3月27日，由中國南車集團南京浦鎮車輛廠自主研制的我國首輛200km/h軌道檢測車順利下線，是專門用于檢測高速鐵路軌道和路基安全技術參數，填補了我國在這一領域的研制空白。

表1 國內高速鐵路軌道檢測技術

三、無碴軌道檢測系統測量原理

無碴軌道檢測系統是用于軌道測量的設備，通過全站儀及軌檢小車內部高精度的傳感器和現代高科技的通訊手段，獲取軌道線形的狀態參數。具有無線傳輸、自動跟蹤、自動檢校、參數計算、性能穩定、操作方便等特點，主要由軌檢小車、全站儀（內置電臺）、控制器組成，如圖1所示。

測量過程中使用控制器進行測量操作，通過全站儀內置電臺、主動跟蹤目標功能和軌檢小車上的藍牙通訊系統把軌道檢測系統連接成“三位一體”的檢測工具。測量時首先利用控制器向全站儀發出測量指令，并接收來自全站儀、軌檢小車測量采集的原始數據，然后使用控制器對原始數據進行綜合處理，計算出軌檢小車測量位置的軌道調整參數（主要包括線路中線偏差值、軌面高低偏差值、水平超高偏差值），最后通過控制器向軌檢小車發出軌道調整信息，跟蹤軌道調整過程中軌檢小車測量位置的軌道狀態，指導現場施工。控制器是軌道檢測系統數據處理和信息傳輸的中樞，通過電臺信號和全站儀連接，采用藍牙通訊和軌檢小車相連。目前，軌道檢測系統具有體積小、重量輕、容量大、功能全的特點。

從幾十年前的手工檢測到如今的電子設備檢測和高科技探測系統，軌道檢測有了長足的進步。在我國高速鐵路現行速度超過350km／h時，適用高速軌道檢測技術的實現方式面臨嚴峻挑戰，要求軌道檢測設備不僅具備時速350km以上檢測速度的檢測能力，更重要的是所有檢測設備具有更高的可靠性和安全性，檢測系統檢測項目更全，檢測精度更高，系統更加智能化、人性化。未來軌道檢測系統具有小巧靈活，向無人值守便攜式方向發展，檢測數據以無線方式傳輸等特點，實現等速檢測。這也是我國的無碴軌道檢測技術發展研究難點與方向。