高可靠部件状态监测系统为高铁安全保驾护航

高速列车运行安全是重中之重，核心部件故障轻则导致经济损失，重则引起人员伤亡，必须采用主动安全保障技术为高速列车安全可靠运行保驾护航。“高速列车实际运行环境复杂、工况多变，核心部件在动态激扰环境下长期服役面临行为规律不明、状态认知不准、在役安全不可控等巨大挑战。”“高速列车核心部件主动安全保障关键技术及应用”项目第一完成人林建辉介绍，这迫使中国高铁科研工作者刻苦钻研，奋力拼搏，提高我国高速列车安全保障技术，保持竞争力，引领世界高铁发展。

精耕细作 镞砺括羽

高速列车是“交通强国”、“一带一路”等国家战略部署的重要载体。转向架、轴箱轴承、齿轮箱、万向轴、电机轴承等是直接关系安全的核心部件，研究并开发核心部件主动安全保障技术，是确保安全和提升维保水平的必经之路。在国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金项目的支持下，历经14年产学研用联合攻关，林建辉团队在性能演变与表征、状态精准评估、关键装备方面实现了重大突破——创建了高速列车服役性能跟踪试验体系和数模联动仿真系统，形成了运行条件下核心部件性能演变知识图谱；发明了核心部件故障特征解耦、匹配提取及定量评估方法，提升了核心部件在役状态监测与评估技术水平；自主开发了系列高速列车核心部件监测数据采集-分析-传输一体化装置，单车最长无故障运营时间超过六年、里程超过420万公里，实现了监测装备产业化，并随雅万高铁走出国门，出口海外。

任重道远 矢志不渝

该项目监测装备已成为我国高速列车安全保障系统的核心配置，提高了轨道交通行业竞争力；能够提前扼杀重大安全事故，提升了高速列车乘坐安全性与可信度；部分监测装备替代了国外进口设备，提高了高速列车安全保障设备的国产化率。

2023年10月，“高速列车核心部件主动安全保障关键技术及应用”项目荣获2023年中国仪器仪表学会科技进步一等奖。

铁路沿线的安全卫士——测量机器人为智慧化检监测添砖加瓦

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铁路路基周边开挖引起的大面积堆载和其它荷载对既有铁路结构安全的影响特别突出，存在严重影响既有铁路结构安全的风险。因此，对这类工程需要合理分析预判，以减小对周围环境及建筑的影响，加强监控量测和风险管控，确保既有铁路施工、营运的安全。

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一、项目概况

本项目位于武汉市某火车站附近，路幅宽度约15m，拟建道路南侧为高层建筑，北侧为既有京广铁路，道路平面调整空间有限，为与规划线位保持一致，故需要临近京广铁路，侵占部分铁路安全保护区，与京广铁路并行，道路边线距京广铁路路基坡脚最小 距离为0.42m。工程建设范围西起XX路（K0+00X），东至XX路（K0+51X.397），并行段京广铁路下行线里程为 K120X+699~K120X+222。其中道路全长 514.397m，道路实施长度 485.354m，红线宽 15m。

地理位置示意图

1.

京广铁路概况

京广铁路是连接北京市与广州市的国家 I 级客货共线铁路，设计时速 160 公里/ 小时，双线有砟轨道。

京广铁路现状，无排水沟，排水采用路基散排，拟建道路与京广铁路并行无恶化铁路路基排水条件，现考虑道路建成后，铁路路基排水通过散排方式流入市政道路， 通过市政雨水系统将积水排走。

专家评审会

2.

拟建项目与铁路的相互关系

拟建XX小路与京广铁路并行，道路与铁路并行段影响铁路里程为 K120X+191 至 K120X+466，道路边线距京广铁路路基坡脚最小距离为 0.42m，京广铁路为双线电气化 铁路，设计道路范围内铁路路基高度约为 5.0m-6.1m，现状铁路共有两股道，京广铁路上、下行线间距 4.2m，电气化铁路，60kg/m 钢轨，无缝线路，钢筋混凝土枕，路无排水沟，排水采用路基散排。

相对位置关系横断面图

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二、监测方案编制依据

本方案依据国家及地区的相关规范、规程以及行业惯例编制。采用业主提供的施工图纸、相关的工程地质调查资料等。主要编制依据如下：

1) 《高速铁路工程测量规范》 (TB10601-2009) ；

2) 《普速铁路工务安全规则》 (铁总运 [2014] 272 号) ；

3) 《高速铁路轨道工程施工质量验收标准》 (TB10754-2018) ；

4) 《铁路安全管理条例》 (2013 年 7 月 24 日国务院第 18 次常务会议通过) ；

5) 《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》 (TB10182-2017) ；

6) 《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》 (TB10314-2021)；

7) 《国家一、二等水准测量规范》 (GB/T 12897-2006) ；

8) 《建筑变形测量规范》 (JGJ8-2016) ；

9) 《城市轨道交通工程监测技术规范》 (GB 50911-2013) ；

10) 《铁路营业线施工安全管理办法》 (国铁运输监[2021]31 号) ；

11) 《普速铁路线路修理规则》 (2019版中国铁路总公司) ；

12) 《国铁集团铁路营业线施工管理办法》 (铁调【2021】160 号)

13) 《中国铁路武汉局集团有限公司铁路营业线施工管理实施细则》(武铁施工【2021】170 号；

14)《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》 (建设部【2018】37 号)；

15) 相关法律、条例、技术标准和规范。

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三、监测方法与技术要求

为了保证监测的精度和减少人员上铁路引发的人身安全风险，本工程将采用全自动智能监测方法。该方法的优点主要有：

(1) 监测精度高：采用精度0.5"的拓普康MS05AXII自动测量机器人；

(2) 实时采集数据：根据工程的需要，本方法可以全天候实时采集数据，及时 掌握变形信息，确保京广铁路运营安全；

(3) 安全性高：采用全自动全站仪器，监测前利用铁路“天窗点”将仪器和监 测点位布置好以后，监测人员就不用再上线作业；监测数据可以通过全自动全站仪采集、通过通讯模块进行无线传输，监测人员在室内就可以完成整个数据的采集和输出， 避免了人员上铁路作业带来的人身安全风险。

1.

监测范围与监测内容

监测范围：

1) 根据地质条件、邻近施工的开挖深度、与既有线的平面距离及施工的扰动情况等 因素，结合《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》 (TB10314-2021) 及安全 评估报告要求，基坑施工涉京广铁路监测长度 272.524m；

监测范围示意图

监测内容：

1) 轨道监测： 临近基坑施工侧的一股轨道，沿铁轨方向的混凝土轨枕上每 10m 布 设一个监测断面 (竖向和水平位移共用) ；每个断面布设2 个监测点，点位标记清晰， 并统一编号；

2) 接触网支柱监测： 在影响范围内，在每根接触网柱上布置布设两个竖向位移监 测点 (兼做倾斜监测点) 和一组倾斜监测点；点位标记清晰，并统一编号；

3) 路基监测： 临近基坑施工侧的路肩部，沿轨道走向每 10m 设一个监测点 (竖向 和水平位移共用) ；每个断面布设一个监测点，点位标记清晰，并统一编号。

2.

监测频率

为了及时收集、反馈和分析京广铁路轨道、路基及接触网支柱在基坑施工中的变 形信息，实现信息化施工，确保铁路运营的绝对安全。综合待建项目与铁路的相互关 系图纸及产权管理单位对施工监测的要求，确定本工程监测采用自动化测量机器人全天候 24 小时全自动监测。

根据国家铁路局最新行业标准《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》 (TB10314-2021) 4.2.2 和 4.2.3 相关规定，根据铁路营业线等级、监测对象重要程 度以及邻近施工影响区范围，综合确定监测等级二等。监测等级结合《邻近铁路营业 线施工安全监测技术规程》 (TB10314-2021) 4.2.6 规定，确定监测断面布设间距 10m。

监测内容

监测项目是根据国家铁路局最新行业标准《邻近铁路营业线施工安全监测技术规 程》(TB10314-2021) 4.2.1 设置。规范原文见下表：

监测频率

根 据 国 家 铁 路 局 行 业 标 准 《 邻 近 铁 路 营 业 线 施 工 安 全 监 测 技 术 规 程 》 (TB10314-2021) 7.1.1 设置以下监测频率：

自动化监测频率均为正常施工情况下的频率，对邻近基坑有降水的项目提升监测频率等级，当出现下列情况之一时，应提高监测频率直至对个别点进行实时监测，并 应及时向铁路运输企业报告监测结果：

1 、监测数据达到预警、报警值；

2 、监测数据持续变化较大或速率加快；

3 、邻近施工出现异常情况；

4 、结构裂缝变大或出现明显新增裂缝；

5、 暴雨等自然灾害引起的其它变形异常情况；

6 、其它影响铁路运营设备设施使用安全的异常情况。

3.

监测预警值和报警值

本项目采用预警和报警的两级预报警制度，预警值、报警值见下表。

普速铁路路基段变形监测预警、报警值

【测站安装现场图】

【轨道监测现场图】

【接触网监测现场图】

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四、总结

既有铁路路基周边开挖施工引起的地层应力和变形是造成附近结构和设 施承受附加荷载、产生附加变形的根本原因之一。因为既有铁路路基周边开挖施工也会不可避免地干扰附近地层原有的平衡状态，引起附近地层应力重分布和变形，构成对周边既有结构和设施的附加荷载，使其发生附加变形。开挖引起的地下水位降低、导致地基土体有效应力增加、地基沉降加大，也在一定程度上影响既有铁路路基结构的安全。

针对本工程邻近京广铁路工程施工可能引发铁路路基附加变形，可能导致安全隐患。因此，采用拓普康高精度测量机器人MS05AXII，进行自动化监测。可以实现以下目的：

1.

确保安全

为保证既有铁路的行车安全和正常运营，在临近铁路侧基坑施工期间，对路基、轨道及接触网支柱实施远程自动化连续监控，配备计算机及相关软件以 便及时处理量测数据，并在数据处理系统中采用设置警戒值自动报警系统， 以保证对线路的全程监控。

2.

指导施工

在项目完成监测后，由建设方、地铁公司、监测单位、监理单位等共同召开项目验收会。提供的资料应包括《勘察报告》、《监测方案》、《总结报告》、整个周期监测内的《数据报表》等，在验收评审通过后，对资料进行留存。

3.

反馈设计

监测结果用于信息化反馈优化设计，使设计达到优质安全、经济合理、施工快捷。

4.

积累经验

可将现场监测结果与理论预测值相比较，用反分析法导出更为接近 实际的理论公式用于指导其它工程，为提高敏感环境条件下工程的设计和施工的整体水平提供依据。

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