CN115688236A - 基于光纤光栅阵列的轨排设计方法及无砟轨道施工运营方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤光栅阵列的轨排设计方法，包括：获取轨排所受的道床板混凝土扰动情况，具体地，在轨排上安设扰动监测光缆，扰动监测光缆安设在轨排的适于被道床板混凝土包覆的位置，扰动监测光缆为集成有多个光纤光栅应力传感器的光纤光栅阵列应力光缆；道床板浇筑时，采集扰动监测光缆的监测数据，获得轨排所受的道床板混凝土浮力数据；获取当前的轨排刚度数据和道床板混凝土参数，形成轨排刚度‑道床板混凝土参数‑轨排所受的道床板混凝土浮力数据之间的对应关系，并据此建立轨排刚度数据库；根据待浇筑道床板的混凝土参数，选择合适的轨排刚度数据，并据此对轨排进行设计。另外该涉及基于光纤光栅阵列的无砟轨道施工运营方法。

Description

基于光纤光栅阵列的轨排设计方法及无砟轨道施工运营方法

技术领域

本发明属于轨道交通工程技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅阵列的轨排设计方法以及一种基于光纤光栅阵列的无砟轨道施工运营方法。

背景技术

目前无砟轨道客运专线多采用双块式无砟轨道，设计速度达350km/h，高速列车运行的安全性、平顺性和舒适性必须要有良好的轨道几何状态作支持，因此，轨排的初始设计和轨排的精调作业对于无砟轨道的施工和运营都是非常重要的。轨排设计中，轨排刚度是重要参数之一，轨排刚度过大容易造成道床板混凝土开裂，轨排刚度过小则容易导致道床板混凝土对轨排形成较大扰动并影响轨排的几何形位；然而，目前的轨排刚度基本按统一标准设定，未能根据不同的轨道工况(比如道床板混凝土参数、现场施工条件、环境条件等)相应地匹配调整，导致无砟轨道运营条件差、服役寿命短等问题。

发明内容

本发明涉及一种基于光纤光栅阵列的轨排设计方法以及一种基于光纤光栅阵列的无砟轨道施工运营方法，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本发明涉及一种基于光纤光栅阵列的轨排设计方法，包括：

A、获取轨排所受的道床板混凝土扰动情况，具体包括：

在轨排上安设扰动监测光缆，所述扰动监测光缆安设在所述轨排的适于被道床板混凝土包覆的位置，所述扰动监测光缆为集成有多个光纤光栅应力传感器的光纤光栅阵列应力光缆；

道床板浇筑时，采集所述扰动监测光缆的监测数据，获得轨排所受的道床板混凝土浮力数据；

B、获取当前的轨排刚度数据和道床板混凝土参数，形成轨排刚度-道床板混凝土参数-轨排所受的道床板混凝土浮力数据之间的对应关系，并据此建立轨排刚度数据库；

C、根据待浇筑道床板的混凝土参数，选择合适的轨排刚度数据，并据此对轨排进行设计。

进一步地，上述轨排设计优化方法还包括：

D、在轨道运营时，采集所述扰动监测光缆的监测数据，获得列车通过时的轨枕受力数据；

E、获取当前的轨排刚度数据和运行列车的重量数据，形成轨排刚度-列车重量数据-轨枕受力数据之间的对应关系，并补充到所述轨排刚度数据库中；

F、在对轨排进行设计时，除待浇筑道床板的混凝土参数外，同时考虑轨道运营要求。

本发明还提供一种基于光纤光栅阵列的无砟轨道施工运营方法，包括：

无砟轨道施工时，包括如下步骤：

S11，依上述轨排设计优化方法选择合适的轨排；

S12，安装轨排系统并进行粗调；

S13，对轨排进行精调；

S14，浇筑道床板混凝土。

进一步地，S14中，预先在轨排上安设扰动监测光缆，所述扰动监测光缆安设在所述轨排的适于被道床板混凝土包覆的位置，所述扰动监测光缆为集成有多个光纤光栅应力传感器的光纤光栅阵列应力光缆；道床板浇筑时，采集所述扰动监测光缆的监测数据，获得轨排所受的道床板混凝土浮力数据；

根据所获得的轨排所受的道床板混凝土浮力数据，判断轨排和道床板是否安全，当判断轨排或道床板不安全时，指导工务人员进行相应操作。

进一步地，S14中，通过所述扰动监测光缆监测道床板成型过程中的应力状态，根据所获得的道床板成型过程中的应力状态判断道床板质量是否符合要求以及指导工务人员对道床板混凝土进行相应的养护操作。

进一步地，S14中，获得轨排所受的道床板混凝土浮力数据后，对所述轨排刚度数据库进行校正或补充。

进一步地，上述无砟轨道施工运营方法还包括：

无砟轨道运营时，采集所述扰动监测光缆的监测数据，判断无砟轨道是否健康，若否，则根据扰动监测光缆的监测数据对轨道结构进行维护。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明在道床板浇筑时，通过扰动监测光缆获得轨排所受的道床板混凝土浮力数据，建立轨排刚度-道床板混凝土参数-轨排所受的道床板混凝土浮力数据之间的对应关系，便于在轨排设计时根据道床板混凝土参数等因素选择合适的轨排刚度，避免因轨排刚度过大而造成道床板混凝土开裂，以及避免因轨排刚度过小而导致道床板混凝土对轨排形成较大扰动并影响轨排的几何形位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的扰动监测光缆的布置示意图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供一种基于光纤光栅阵列的轨排设计方法，包括：

A、获取轨排所受的道床板混凝土扰动情况，具体包括：

在轨排上安设扰动监测光缆100，所述扰动监测光缆100安设在所述轨排的适于被道床板混凝土包覆的位置(如图1所示)，所述扰动监测光缆100为集成有多个光纤光栅应力传感器101的光纤光栅阵列应力光缆；

道床板浇筑时，采集所述扰动监测光缆100的监测数据，获得轨排所受的道床板混凝土浮力数据；

B、获取当前的轨排刚度数据和道床板混凝土参数，形成轨排刚度-道床板混凝土参数-轨排所受的道床板混凝土浮力数据之间的对应关系，并据此建立轨排刚度数据库；

C、根据待浇筑道床板的混凝土参数，选择合适的轨排刚度数据，并据此对轨排进行设计。

上述光纤光栅阵列应力光缆为单根光缆内集成有多个光纤光栅应力传感器101的缆线，其为现有产品，具有监测覆盖范围广(根据需要可覆盖10km以上)、测量精度高、传感单元间距小(最小间距可为1cm)等特点，具体结构此处不作赘述。一般地，还需配置光纤光栅数据解调仪，其用于接收扰动监测光缆100发送的应力应变信息，并解调成解调信号发送给后台处理器。光纤光栅数据解调仪也为现有设备；其与后台处理器之间可以为电连接或通讯连接关系，此为常规技术。

上述扰动监测光缆100可以设置多条，采集的信息更多，当多条扰动监测光缆100布设在轨排的不同位置时，采集的信息更全面，因此，采用多条扰动监测光缆100可以提高检测准确性。

如图1，上述扰动监测光缆100沿轨排纵向进行布设，在可选的实施例中，每条扰动监测光缆100中，光纤光栅应力传感器101与轨排中轨枕的数量相同并且一一对应配置，相邻两个光纤光栅应力传感器101之间的间距与轨枕之间的间距相同。

对于扰动监测光缆100的安装，在其中一个实施例中，如图1，至少部分扰动监测光缆100设置在轨排侧壁上。

对于扰动监测光缆100的安装，在其中一个实施例中，至少部分扰动监测光缆100设置在轨排底部，也即沿轨枕的底部进行布设，轨排底部直接承受道床板混凝土的浮力，因此将扰动监测光缆100设置在轨排底部可以获得较为准确可靠的道床板混凝土浮力数据。

在其中一个实施例中，上述轨排应用于双块式无砟轨道，也即上述轨枕为双块式轨枕，每个轨枕包括两个轨枕块，各轨枕块分布形成为两组轨枕块排；相应地，至少其中一组轨枕块排上设有扰动监测光缆100。显然地，两组轨枕块排上均设置扰动监测光缆100时，监测效果更好。在其中一个可选的方案中，至少部分扰动监测光缆100沿对应轨枕块排的底部布设；在另外的可选方案中，至少部分扰动监测光缆100沿对应轨枕块排的侧面布设。将扰动监测光缆100布设在对应轨枕块排的侧面时，可以监测道床板混凝土对轨排的横向作用力，以为道床板混凝土对轨排的横向扰动提供判断基础。

本实施例提供的轨排设计优化方法，在道床板浇筑时，通过扰动监测光缆100获得轨排所受的道床板混凝土浮力数据，建立轨排刚度-道床板混凝土参数-轨排所受的道床板混凝土浮力数据之间的对应关系，便于在轨排设计时根据道床板混凝土参数等因素选择合适的轨排刚度，避免因轨排刚度过大而造成道床板混凝土开裂，以及避免因轨排刚度过小而导致道床板混凝土对轨排形成较大扰动并影响轨排的几何形位。

在其中一个实施例中，在道床板成型后，持续地监测道床板混凝土是否产生裂纹，尤其是与轨枕接触区的道床板混凝土是否产生裂纹，并将道床板混凝土的裂纹产生状况作为轨排刚度影响因素之一补充到上述轨排刚度数据库中；其中，可根据道床板混凝土的裂纹严重程度进行评级，通过这种评级数据反映道床板混凝土的裂纹产生状况。则上述轨排刚度数据库反映的是轨排刚度-道床板混凝土参数-轨排所受的道床板混凝土浮力数据-道床板混凝土的裂纹产生状况之间的对应关系。

当轨排刚度过大时，轨排可以稳定地承受道床板混凝土浮力，上述扰动监测光缆100所监测到的道床板混凝土浮力基本保持稳定；当轨排刚度过小时，轨排在道床板混凝土浮力作用下可能会产生一定的扰动或位移，这种变化过程是可以从扰动监测光缆100的监测数据变化情况体现和分析得到的。因此，根据扰动监测光缆100的监测数据，能够判断当前轨排刚度是否与道床板混凝土参数匹配；结合上述的道床板混凝土的裂纹评级，能进一步提高判断准确性。

进一步地，上述轨排设计优化方法还包括：

D、在轨道运营时，采集所述扰动监测光缆100的监测数据，获得列车通过时的轨枕受力数据；

E、获取当前的轨排刚度数据和运行列车的重量数据，形成轨排刚度-列车重量数据-轨枕受力数据之间的对应关系，并补充到所述轨排刚度数据库中；

F、在对轨排进行设计时，除待浇筑道床板的混凝土参数外，同时考虑轨道运营要求。

基于上述方法，扰动监测光缆100在轨道施工和轨道运营时均能发挥作用，有效地提高其利用价值，无需拆除扰动监测光缆100、同时又不会导致扰动监测光缆100的浪费，减少轨道施工和运营成本；采用扰动监测光缆100对轨道运营时的轨枕和道床板受力情况进行监测，数据采集可靠性和准确度高，能相应地提高监测准确性和可靠性。

考虑轨道运营时的轨枕受力情况，并将其作为轨排设计的参考条件之一，能提高轨排设计的有效性和可靠性，保证无砟轨道的施工质量和运营安全。

实施例二

本发明实施例提供一种基于光纤光栅阵列的无砟轨道施工运营方法，包括：

无砟轨道施工时，包括如下步骤：

S11，选择合适的轨排，具体可通过上述实施例一所提供的轨排设计优化方法实现；

S12，安装轨排系统并进行粗调；

S13，对轨排进行精调；

S14，浇筑道床板混凝土。

优选地，S14中，预先在轨排上安设扰动监测光缆100，所述扰动监测光缆100安设在所述轨排的适于被道床板混凝土包覆的位置，所述扰动监测光缆100为集成有多个光纤光栅应力传感器101的光纤光栅阵列应力光缆；道床板浇筑时，采集所述扰动监测光缆100的监测数据，获得轨排所受的道床板混凝土浮力数据；

根据所获得的轨排所受的道床板混凝土浮力数据，判断轨排和道床板是否安全，当判断轨排或道床板不安全时，指导工务人员进行相应操作。

其中，扰动监测光缆100的布设以及信息采集方式等可参考上述实施例一中的相关内容。

其中，判断轨排和道床板是否安全，主要是判断轨排是否会发生扰动，以及判断道床板是否会产生裂纹或存在裂纹产生风险；具体地，当监测到的道床板混凝土浮力数据大于设定阈值时，即判断轨排和道床板不安全，该设定阈值可从上述轨排刚度数据库中得到，具体为根据当前轨排刚度和道床板混凝土参数得到合适匹配的道床板混凝土浮力数据。

可选地，当监测到的道床板混凝土浮力超过设定阈值时，可对轨排高程进行微调，以释放一定的混凝土浮力，保证轨排和道床板的安全。另外，在进行下一道床板节段施工时，可对该道床板节段的混凝土施工参数进行调整，保证道床板混凝土浮力在设定范围内。

进一步地，S14中，通过所述扰动监测光缆100监测道床板成型过程中的应力状态，根据所获得的道床板成型过程中的应力状态判断道床板质量是否符合要求以及指导工务人员对道床板混凝土进行相应的养护操作。

进一步地，S14中，获得轨排所受的道床板混凝土浮力数据后，对所述轨排刚度数据库进行校正或补充，从而可不断地提高轨排设计的准确性和无砟轨道运营的安全性。

进一步地，上述无砟轨道施工运营方法还包括：

无砟轨道运营时，采集所述扰动监测光缆100的监测数据，判断无砟轨道是否健康，若否，则根据扰动监测光缆100的监测数据对轨道结构进行维护。通过扰动监测光缆100能直观地获知道床板的应力测点处的应力状况，当相比于历史数据出现应力突变或徐变时，可及时地进行预警，便于工务部门等对无砟轨道进行进一步检测维护。

可见，基于上述方案，在无砟轨道施工和运营过程中可以持续地利用扰动监测光缆100，设备利用率高，而且无需重复安装，反馈的监测数据具有连续性，便于对轨道前后状态的比较，可靠性高。

实施例三

本实施例提供一种轨排智能精调测量方法，可用于上述实施例二中，用于对轨排进行精调操作。

所述方法包括：

步骤101，在轨排中线安装全站仪，在轨排调整点位设置轨排静态几何状态测量仪，所述轨排静态几何状态测量仪位于全站仪后视线路上，所述轨排静态几何状态测量仪包括棱镜、用于测量轨对应调整点位轨排轨距的轨距传感器以及用于测量对应调整点位轨排水平度的水平传感器，所述全站仪的物镜中心与轨排静态几何状态测量仪的棱镜等高；

步骤102，通过全站仪测量轨排静态几何状态测量仪上的棱镜，获得棱镜坐标，通过轨排静态几何状态测量仪上的轨距传感器和水平传感器测量对应调整点位轨排的轨距和水平度；所述轨排静态几何状态测量仪的棱镜坐标、对应调整点位轨排的轨距和水平度共同构成该调整点位轨排的测量值；

步骤103，基于对应调整点位轨排的测量值计算该调整点位轨排的横向、高程、轨距以及水平度的偏差，基于该调整点位轨排的横向、高程、轨距以及水平度的偏差计算该调整点位轨排的调整量，基于所述调整量，通过轨排精调设备对轨排静态几何状态测量仪对应的调整点位轨排进行调整。

其中，优选地，所述轨排静态几何状态测量仪为多个，多个轨排静态几何状态测量仪沿轨排方向依次设置于轨排上的若干个调整点位上，多个轨排静态几何状态测量仪的棱镜等高，多个棱镜组成目标棱镜。多个轨排静态几何状态测量仪优选为依次串接构成轨排检测装置。

优选地，对于有多个轨排静态几何状态测量仪的情况，采用如下步骤替代上述步骤103：

基于各调整点位轨排的测量值，计算每个轨排静态几何状态测量仪对应调整点位轨排的横向、高程、轨距以及水平度的偏差；

建立轨排调整点位的相关性数学模型，基于所述数学模型确定目标调整点位的调整量，通过控制软件控制轨排精调设备对目标调整点位进行调整。

对于轨排调整点位的相关性数学模型，在其中一个实施例中，在第i个调整点位处输入调整量δ_i，Δ_i0到Δ_in为由于第i个调整点位调整而引起的其他调整点位的扰动位移(可通过位移传感器等检测获得)；根据获得的每个调整点位的扰动位移，获取训练集，利用神经网络建立回归分析模型，得到输入调整量对其他点位的扰动值；则i点的真实调整量为

在另外的实施例中，通过刚度计算的方式确定轨排调整点位的相关性数学模型，具体地，在第i个调整点位处输入扭矩F，测量得到该第i个调整点位处的调整位移为Δ_i，则刚度计算值为

获取由于第i个调整点位调整而引起的其他调整点位的扰动位移，根据每个调整点位的扰动位移Δ_ij，可计算出调整点位与调整点位之间的相关刚度：

利用相关刚度可以计算出在固定输入扭矩下每个调整点位的位移变化。

进一步地，当前目标调整点位调整完成后，各轨排静态几何状态测量仪移动，使第一个轨排静态几何状态测量仪移动到轨排的下一个相邻调整点位，并使第二个轨排静态几何状态测量仪移动到原第一个轨排静态几何状态测量仪位置，第三个轨排静态几何状态测量仪移动到原第二个轨排静态几何状态测量仪位置，依次类推，第n个轨排静态几何状态测量仪移动到原第n-1个轨排静态几何状态测量仪位置；随后进行下一调整点位的调整作业。

在该方案中，对于某一目标调整点位，并非以单一调整点位的轨排状态为检测基准，而是选取该调整点位所在的某一轨排段落为检测基准，充分考虑轨排的刚性特点，在此基础上确定目标调整点位的调整量，避免进行调整作业时对相邻调整点位的轨排状态造成影响，因此能有效地提高轨排调整精度。

采用第n个轨排静态几何状态测量仪移动到原第n-1个轨排静态几何状态测量仪位置的检测方式，第n个轨排静态几何状态测量仪能对精调后的第n-1个调整点位进行复核校验，在提高轨排精调精度和作业可靠性的同时，减少后续复核校验步骤，从而提高作业效率。

优选地，所述全站仪具有测距和测角功能，所述方法还包括确定全站仪的安装点位，具体如下：

在全站仪后视线路两侧的线路基础控制网CPIII网设置有8个以上棱镜，作为全站仪的CPIII后视点，基于CPIII后视点，通过后方交会平差计算，计算CPIII后视点点位误差和全站仪中心坐标误差，基于CPIII后视点点位误差和全站仪中心坐标误差，计算在线路坐标系下的全站仪中心坐标和全站仪方位值；

基于在线路坐标系下的全站仪中心坐标和全站仪方位值，计算全站仪中心坐标分量中误差和测角中误差，若全站仪中心坐标分量中误差大于0.7mm或者测角中误差大于2”，则进行重新设站，并重新计算全站仪中心坐标分量中误差和测角中误差，直至找到全站仪中心坐标的坐标分量中误差小于0.7mm且测角中误差小于2”对应的全站仪中心坐标和全站仪方位值，作为全站仪的安装点，进行全站仪设站操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光纤光栅阵列的轨排设计方法，其特征在于，包括：

A、获取轨排所受的道床板混凝土扰动情况，具体包括：

在轨排上安设扰动监测光缆，所述扰动监测光缆安设在所述轨排的适于被道床板混凝土包覆的位置，所述扰动监测光缆为集成有多个光纤光栅应力传感器的光纤光栅阵列应力光缆；

道床板浇筑时，采集所述扰动监测光缆的监测数据，获得轨排所受的道床板混凝土浮力数据；

B、获取当前的轨排刚度数据和道床板混凝土参数，形成轨排刚度-道床板混凝土参数-轨排所受的道床板混凝土浮力数据之间的对应关系，并据此建立轨排刚度数据库；

C、根据待浇筑道床板的混凝土参数，选择合适的轨排刚度数据，并据此对轨排进行设计。

2.如权利要求1所述的基于光纤光栅阵列的轨排设计方法，其特征在于，还包括：

D、在轨道运营时，采集所述扰动监测光缆的监测数据，获得列车通过时的轨枕受力数据；

E、获取当前的轨排刚度数据和运行列车的重量数据，形成轨排刚度-列车重量数据-轨枕受力数据之间的对应关系，并补充到所述轨排刚度数据库中；

F、在对轨排进行设计时，除待浇筑道床板的混凝土参数外，同时考虑轨道运营要求。

3.一种基于光纤光栅阵列的无砟轨道施工运营方法，其特征在于，包括：

无砟轨道施工时，包括如下步骤：

S11，依权利要求1或2所述的轨排设计优化方法选择合适的轨排；

S12，安装轨排系统并进行粗调；

S13，对轨排进行精调；

S14，浇筑道床板混凝土。

4.如权利要求3所述的无砟轨道施工运营方法，其特征在于，

S14中，预先在轨排上安设扰动监测光缆，所述扰动监测光缆安设在所述轨排的适于被道床板混凝土包覆的位置，所述扰动监测光缆为集成有多个光纤光栅应力传感器的光纤光栅阵列应力光缆；道床板浇筑时，采集所述扰动监测光缆的监测数据，获得轨排所受的道床板混凝土浮力数据；

根据所获得的轨排所受的道床板混凝土浮力数据，判断轨排和道床板是否安全，当判断轨排或道床板不安全时，指导工务人员进行相应操作。

5.如权利要求4所述的无砟轨道施工运营方法，其特征在于，S14中，通过所述扰动监测光缆监测道床板成型过程中的应力状态，根据所获得的道床板成型过程中的应力状态判断道床板质量是否符合要求以及指导工务人员对道床板混凝土进行相应的养护操作。

6.如权利要求4所述的无砟轨道施工运营方法，其特征在于，S14中，获得轨排所受的道床板混凝土浮力数据后，对所述轨排刚度数据库进行校正或补充。

7.如权利要求4所述的无砟轨道施工运营方法，其特征在于，还包括：

无砟轨道运营时，采集所述扰动监测光缆的监测数据，判断无砟轨道是否健康，若否，则根据扰动监测光缆的监测数据对轨道结构进行维护。

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