摘要：根据城市轨道交通线网不断扩大现状及生产管理智能化、信息化发展需求，结合远郊露天无缝线路受温度影响变化较大，且很难开展胀轨跑道或钢轨折断之前的预防措施的具体情况，亟待开展对其线路的动态轨温管理；结合目前各铁路局以及其它城市地铁研发的监测系统的应用情况，探讨地铁线路轨温、位移监测系统的建立方案，以供同行参考。
关键词：轨温；监测；位移
0 引言
随着行业发展，轨温、位移智能监测系统研究在铁路、地铁等领域逐渐开展，如：京沪高铁津沪线路所、青藏铁路冻土区、北京局天津工务段、郑西高铁西安工务段、深圳地铁龙岗线高架段、长沙地铁等地已开展研究、应用，而目前多数城市轨道交通尚未开展对线路的动态轨温管理。地铁露天无缝线路受气温影响较大，同时高架线路受梁体纵向“热胀冷缩”产生附加力的影响，这些因素都导致线路稳定性大大降低[1-2]。地铁运营特点决定了夏季轨温最高时段无法利用人工对无缝钢轨的状态进行实时检查、测量。因此，需要一套监测系统，对无缝线路的稳定性进行实时监测，掌握轨温、应力、位移等之间的关系，为无缝线路维修提供准确、详细的技术资料，寻找变化规律，优化高架无缝线路维修作业周期，降低维修成本；同时对夏季胀轨跑道、低温断轨提供预警。
1 轨温对地铁线路影响分析
以郑州地区为例，最高历史气温43℃，最低历史气温-17.9℃；理论最高、最低轨温分别为43+20=63℃、-17.9℃。露天线路设计锁定轨温30℃，相邻单元轨节锁定轨温差不超过5℃，相同位置的左右股钢轨锁定轨温差不超过5℃；以理想状态下，实际锁定轨温设为30℃，取高架段无缝线路2km计算，根据应力放散计算钢轨伸缩的公式I=0.0118*t*L：则当气温升高至最高历史气温时，此时钢轨伸缩量为I=0.0118*（63-30）*2000=778.8mm，在钢轨内产生巨大的压应力，极易造成无缝线路胀轨跑道，同时在气温低至最低气温时，此时钢轨伸缩量为I=0.0118*（-17.9-30）*2000=-1130.44mm，在钢轨内部产生极大的拉应力，在应力不均的情况下容易导致钢轨折断。虽然在高架线路区间两端一般设置有钢轨伸缩调节器，缓解了温度应力的破坏作用，但由于施工人员业务技能或养护不当等因素，导致线路局部存在纵、横向应力不均衡的现象，进一步形成可能的应力集中，从而破坏线路的稳定性。
以某地铁试车线轨温测点的部分数据为例，温度应力及位移之间的关系如下：
2 轨温、位移实时监测系统介绍
目前轨温监测系统多由路局、地铁联合高校、院所或企业开发，传输方式有GPRS、TMIS、GSM等多种形式，各有利弊，但系统组成基本原理一致[2]。
轨温、位移实时监测系统工作基本原理：监测系统现场测点应该布置于结构受力、位移较大的区域以及对于温度变化敏感的区域；测量方法以主流的光纤光栅温度传感器为例，其属于光纤传感器的一种，具有抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、体积小、测量范围广等优点。在轨温测试现场布置温度传感器，安装于同一截面钢轨轨腰两侧，将两侧的平均值作为钢轨的轨温；与温度、动荷载作用下轨道-道床板间发生相对位移量通过传感器由采集系统对数据进行实时采集，并通过无线网络将数据传回到远程服务器，最终完成数据的存储、分析、查询，从而实现对轨温的实时监测。监测系统组成拓扑图如图2所示。
图 2 监测系统拓扑图
数据采集传输子系统由光纤光栅解调仪、交换机、采集服务器和远程数据传输设备等组成。
数据管理分析系统包括数据接收和命令发送模块、数据管理模块和数据分析模块。数据接收和命令发送模块接收现场采集服务器通过无线网络传输来的原始数据。数据管理模块将 原始数据解析处理为温度、应变等数据并转化为统一格式存储于数据库内，供数据分析模块调用。数据分析模块对数据库内的监测数据进行分析处理，通过管理信息系统可以实现数据查询和输出、数据对比分析、预测预警等功能。通过发送摄像头控制命令，控制监测现场摄像头的移动旋转，实现对监测重点区整体状态的在线监控。
3 城市轨道交通开展轨温、监测的方案建议
通过以上探讨可知，大幅度轨温差会对钢轨产生较大的应力破坏，而轨温、位移监测系统能够较好的预防胀轨跑道或钢轨折断现象。参考现行较为成熟的监测系统，就实用性、安全性对地铁系统开展轨温、位移监测提出了部分总体要求、主要功能以及预开展试点需求等。
3.1 总体要求
（1）根据安全可靠性，系统监测总体技术需采用光纤光栅传感技术，（2）监测设备不得影响线路设施结构与功能的安全运行，不影响维修作业机具、车辆设备的通行和维护。（3）系统信息传递需满足远途可靠传输，不得影响、干扰线路既有通信设备正常工作，传输速率不大于2Mbit/s。
3.2 主要功能要求
（1）现场数据采集、存储功能；（2）采集数据远程传输、存储功能；（3）采集数据终端显示功能（4）在线监测、存储功能；（5）软件应具备图形、表格显示功能，具备数据查询、统计功能；（6）根据监测数据，诊断评估及报警，随时发现被监测对象渐变及突发事件，进行定性、定量分析。
3.3 轨温、位移监测预开展试点需求
（1）轨温、位移监测点：U型槽口附近（轨温变化幅度大）及高架线路连续梁等位置（应力叠加重点区域）；系统采集设备根据实际情况可安装于附近车站通信机房内；监测终端安装于工务维修部门或生产调度部门，以便实时监控及数据分析。
（2）实时监测内容：a、轨温变化b、钢轨爬行量c、无缝线路应力变化情况d、轨温变化与钢轨爬行量之间的对应关系等。
（3）现场监测设备安装地点为轨道设备旁，属露天地段，夏季环境最高温度高，冬季温度低，相对地下线路温差变化幅度较大，因此要求设备系统可在风雨等极端气候环境下正常工作，且实现24h在线监测；同时，标准地铁线路上方4040mm多为DC1500V接触网供电系统，测点附近存在可能的信号计轴设备，监测设备、供电、信号三者之间需互不干扰；常规外部电力供应：AC220V、50HZ（电压），监测设备供电需求应与其相互匹配。
4 结语
纵观城市轨交发展，地铁线路由线到网、由网到面，对地铁运营维护工作也提出了更高要求，在坚持专业技术的前提及生产管理智能化、信息化发展需求，适时开展高架线路轨温、位移研究工作实属必要。监测系统的研究应用，可为无缝线路的轨温、位移、应力等变化等规律积累大量数据，对进一步实现对无缝线路的科学管理起到积极作用。
参考文献：
[1]郑州市轨道交通有限公司运营分公司企业标准 Q/ZGYY《线路检修规程》.2017-07-10版.
[2]刘国强，颜颖.国内外高速铁路线路养护维修分析[J].建筑工程技术与设计.2016（8）.
论文作者:许大伟,何剑
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/2/13
标签：钢轨论文; 线路论文; 位移论文; 应力论文; 数据论文; 监测系统论文; 地铁论文; 《基层建设》2018年第36期论文;