重載鐵路路基形變檢測方法研究

王浩

摘要：針對傳統重載鐵路路基變形檢測方法存在檢測相對誤差較大，無法達到預期的檢測效果的問題，提出一種重載鐵路路基形變檢測方法。通過對檢測路段路基變形測試，獲取到重載鐵路路基振動信號，利用小波變換技術對振動信號預處理，提取到振動信號時域、頻域特征，根據信號特征對鐵路路基動應力分析，量化路基變形量，以此實現重載鐵路路基形變檢測。經實驗證明，所設計方法檢測結果相對誤差在1m以內，在重載鐵路路基變形檢測方面具有良好的應用前景。

關鍵詞：重載鐵路路基；形變檢測；變形測試；小波變換技術；動應力

0? ?引言

鐵路路基是承受列車荷載以及軌道荷載的基礎，在長時間的運行下，鐵路路基會發生不同程度的變形。鐵路路基變形不僅會影響到車輛駕駛感受，而且還會影響到重載鐵路的使用壽命，因此需要采取有效手段對重載鐵路路基變形檢測，及時對發生變形路段進行維修和養護，以此保證重載鐵路可以長期穩定運行。

重載鐵路不同于普通鐵路，重載鐵路車輛行駛速度快、體積大、質量高，重載列車經過時所產生的動荷載更強，對路基的影響更大，因此重載鐵路路基變形檢測要求更高。最初采取的檢測方式為人工檢測方式，由技術人員到現場進行實地測量，隨著人工智能、物聯網等現代化科學技術的不斷革新與發展，智能檢測方式逐漸取代人工檢測方式。國內重載鐵路路基變形智能檢測起步比較晚，相關技術與理論還不夠成熟，現行檢測方法相對誤差比較大，難以保證檢測精度，已經無法滿足實際需求。

本文提出一種重載鐵路路基形變檢測方法。通過對檢測路段路基變形測試，獲取到重載鐵路路基振動信號，利用小波變換技術對振動信號預處理，提取到振動信號時域、頻域特征，根據信號特征對鐵路路基動應力分析，量化路基變形量，以此實現重載鐵路路基形變檢測。

1? ?路基變形測試

通常情況下，如果鐵路路基存在變形，重載列車行駛在重載鐵路路基上時，路基面會產生不同方向的振動，比如水平方向與垂直方向，因此通過對路基振動進行測試，可獲取到重載鐵路路基變形數據[1]。

1.1? ?測試前準備

在測試之前，在測試路段安裝無線傳感器?？紤]到無線傳感器性能的好與壞直接關系到路基變形檢測精度，因此路基變形測試中選用性能優良的KYHFAP-A4F5型振動傳感器。在測試車輛上采用串并聯的方式安裝一個振動傳感器，并通過USB接口將振動傳感器與局域網連接。根據實際情況對振動傳感器各項參數設定，其中包括測量靈敏度、滿刻度測量范圍、頻率響應范圍以及采樣頻率等[2]。

1.2? ?測試流程

安裝完振動傳感器后，開始路基變形測試。選用的測試車輛軸重范圍在20～30t之間，車輛最大載重范圍在80～100t之間。測試列車在重載鐵路上勻速行駛，行駛速度為60km/h。在行駛過程中，車輛因路基變形會產生振動信號，振動信號經過振動傳感器，經過截止頻率為70～80Hz的低通濾波器濾除高頻噪聲，再經過差分電路，將振動傳感器輸出電壓調節到1.15～2.25V之間，振動信號經過差分電路調節后輸出，以此采集到重載鐵路路基水平方向與垂直方向的加速度信號。

2? ?路基數據預處理

2.1? ?原始數據標準化處理

考慮到振動傳感器采集到的路基變形數據種類較多，各個類別數據之間量綱不同，因此對原始數據進行標準化處理，其用公式表示為：

（1）

式中：y-表示標準化處理后的重載鐵路路基數據；y表示原始重載鐵路路基水平方向與垂直方向的加速度數據；ymax表示原始加速度數據最小值；ymin表示原始加速度數據最大值[3]。

2.2? ?提取信號母小波

利用小波變換技術對標準化處理后的數據變換，提取到數據的時域特征與頻域特征[4]。將原始數據的時域特征作為信號處理的因變量，將頻率作為信號處理的自變量，對原始信號進行傅立葉變換，提取信號母小波。其用公式表示為：

（2）

式中：F（w）表示重載鐵路路基振動信號的母小波；y-（t）表示振動信號；e表示頻限函數；g（t）表示時限函數[5]。

2.3? ?獲取母小波序列

利用上述公式對路基振動信號進行傅立葉變換，得到的母小波F（w）在一定程度上反映振動信號在時刻、頻率的相對信號成分[6]。再將振動信號母小波進行平移與伸縮變換，得到母小波序列，其用公式表示為：

（3）

式中：?（α，b）表示振動信號母小波序列；α表示母小波的伸縮因子；ψ表示小波變換函數；t表示時間因子；b表示母小波的平移因子。通過對振動信號小波變換，提取到振動信號局部時頻特征，為后續路基變形識別檢測奠定基礎。

3? ?路基變形識別檢測

3.1? ?路基動應力幅值確定

根據以上提取到的路基振動信號時域、頻域特征，對重載鐵路路基動應力分析，確定路基動應力分布情況。路基動應力幅值與路基上列車行駛速度、路基變形狀態等存在線性關系，其用公式表示為：

（4）

式中：σ表示重載鐵路路基動應力幅值；K表示常數；P表示列車的靜軸重；v表示列車行駛速度；h表示列車行駛速度影響系數，通常情況下該系數取值范圍在0.15～0.55之間[7]。

3.2? ?重載鐵路路基變形位移量確定

列車車輪在存在變形的路基上行駛時，受變形影響重載鐵路線路路基產生振動簡諧振動，根據運動規律，可以得到重載鐵路路基變形位移量，其用公式表示為：

（5）

式中：z（t）表示重載鐵路路基變形位移量；A表示振動幅度；T表示列車行駛時間周期；? 表示角頻率；η表示相位。

3.3? ?重載鐵路路基變形量確定

通過以上計算，可以得到重載鐵路路基基面速度與變形位移值。根據路基位移值、時間與路基變形量之間的線性關系，將數據代入到變形函數中，即可得到重載鐵路路基變形量，其用公式表示為：

（6）

式中：△u表示重載鐵路路基變形量；λ表示重載鐵路路基表面速度值；△t表示重載鐵路路基振動信號采樣間隔；k表示重載鐵路路基表面加速度值。

3.4? ?路基變形量識別

利用上述公式即可得到重載鐵路路基變形量。根據國內重載鐵路路基表層的彈性變形管理規范，設定路基變形閾值?？紤]到國內重載鐵路路基表層為級配砂礫石，可以將4mm作為路基表層彈性變形控制值，因此將閾值設定為4mm。如果公式（6）計算值大于4mm，則表示當前檢測路段存在路基變形，輸出變形值；如果公式（6）計算值小于4mm，則表示當前檢測路段路基比較平整，不存在變形，按照上述規則檢測識別出重載鐵路路基變形。

4? ?實驗論證

4.1? ?實驗準備與設計

完成上述重載鐵路路基變形檢測方法設計后，為實現對設計方法在實際應用中效果的檢驗，采用對比實驗的方式，對設計方法的可行性與可靠性進行檢驗。

以某重載鐵路為實驗對象，該鐵路長度為1000km，路寬為2.15m。該重載鐵路投入運營年限較長，部分路段已經出現變形，利用本文設計方法對該重載鐵路路基變形檢測。為了使實驗數據與實驗結果具有一定的說明性，選擇兩種傳統方法作為比較對象。2種傳統方法分別為基于無線傳感網絡的檢測方法和基于機器視覺的檢測方法，以下分別用傳統方法A與傳統方法B表示。

根據該重載鐵路實際情況，實驗準備了10臺振動傳感器，振動傳感器參數設定如下：測量靈敏度設定為15.56mV/g，滿刻度測量范圍設定為±100g，頻率響應范圍設定為1.05kHz。路基變形測試車輛型號為HFAS-A7F7。通過路基測試共獲取到2.15GB振動數據，按照上述流程對數據標準化處理、傅立葉變換以及小波變換，提取振動信號時域、頻域特征，根據信號特征識別檢測到路基變形量，具體檢測結果如表1所示。

4.2? ?實驗結果與討論

以檢測相對誤差作為3種方法檢測精度評價指標，實驗共設計8組，每組實驗設定測點10個。將10個測點檢測值與實際變形量比對，得到各個測點測量結果相對誤差，取平均值作為最終實驗結果，使用電子表格對實驗數據記錄，具體數據如表2所示。從表2數（轉下頁）（接上頁）據可以看出，3種方法在相對誤差方面表現出明顯的差異。所設計方法的檢測結果相對誤差比較小，誤差范圍在0.04～0.15mm之間，平均相對誤差為0.08mm，可以將檢測結果相對誤差控制在1mm以內，數值較小，基本可以忽略不計。而2種傳統方法相對誤差比較高，傳統方法A檢測結果相對誤差范圍在3.01～5.14mm之間，平均相對誤差為4.25mm，比設計方法高將近4.5mm。傳統方法B檢測結果相對誤差范圍在4.62～8.15mm之間，平均相對誤差為6.75mm，比設計方法高將近7mm。綜上所述，文中設計方法在檢測精度方面表現出明顯的優勢，相比較兩種傳統方法，更適用于重載鐵路路基變形檢測。

5? ?結束語

路基變形是重載鐵路監測與管理的重要指標，對路基變形進行檢測則是重載鐵路監管工作中重要環節。針對傳統方法存在的不足與缺陷，本文結合相關研究資料，提出了一套新的檢測思路，并通過實際應用論證了該思路的可行性，有效降低了重載鐵路路基變形檢測相對誤差，實現了對傳統方法的優化與創新，為重載鐵路路基變形檢測方法研究提供了參考依據。

參考文獻

[1] 羅博仁，余飛，余紹淮.基于星載InSAR的高寒地區公路

路基形變監測[J].中外公路，2023，43（2）：22-25.

[2] 劉長偉.浸水條件下重載鐵路風積沙路基變形特性研究[J].

鐵道建筑技術，2023（2）：67-71.

[3] 董捷，楊博，李成獻.耦合動荷載作用下重載鐵路路基下部

穿越隧道動力響應分析[J].中外公路，2022，42（6）：18-24.

[4] 張玉芝，楊威，李銳，等.季凍區重載鐵路路基凍脹融沉監

測及規律分析[J].中國鐵道科學，2022，43（5）：1-10.

[5] 陳寶山，張立峰，何毅，等.蘭新高速鐵路軍馬場-民樂段

地表形變監測及成因[J].蘭州大學學報（自然科學版），2022，

58（2）：222-228+238.

[6] 李曉菡，趙軍濤，林洋，等.路基施工對既有地鐵隧道結構

的形變研究[J].低溫建筑技術，2021，43（11）：151-154.

[7] 班鈺鎮，吳文信，李俊明.高速公路改擴建路基形變特征及

控制方案研究[J].西部交通科技，2020（5）：41-44.