無縫線路服役狀態監測是高速鐵路安全監測中的一項重要環節，《高速鐵路無縫線路服役狀態監測理論與實踐》針對無縫線路服役狀態監測中的鋼軌溫度應力、鋼軌完整性、路基沉降、軌道不平順和砂漿脫空等監測內容，系統地介紹了其理論建模、移動監測和地面監測方法，相關理論和方法在高鐵現場進行了實踐和應用，形成了一整套適用于我國高速鐵路無縫線路服役狀態監測的理論方法和技術體系。
目錄
前言
第1章緒論1
1.1高速鐵路技術與裝備體系1
1.1.1高速鐵路固定設備1
1.1.2高速鐵路移動設備3
1.1.3高速鐵路運營控制3
1.2高速鐵路運營安全要素分析3
1.2.1人員安全要素4
1.2.2機車車輛安全要素4
1.2.3線路安全要素4
1.2.4環境安全要素4
1.2.5管理安全要素5
1.3無縫線路服役狀態對鐵路運營安全影響的分析5
1.3.1無縫鋼軌溫度應力5
1.3.2軌道不平順6
1.3.3無縫線路服役狀態綜合監測方法7
1.4本書主要內容8
參考文獻10
第2章無縫線路服役狀態演變理論與建模11
2.1無縫線路的研究背景11
2.1.1橋上無縫線路基礎理論與模型的發展11
2.1.2梁、軌縱向相互作用機理簡介16
2.1.3長大線路應力分布模型的建立20
2.2長大線路無砟軌道應力分布模型26
2.2.1橋梁軌道結構的多尺度有限元模型27
2.2.2根據均勻化理論估算宏觀性能31
2.2.3利用多尺度線路模型進行應力計算的數值方法39
2.2.4試驗對比以及計算結果分析42
2.3鋼軌縱向應力作用下的車輛軌道動力響應分析56
2.3.1縱向應力影響下板式軌道模型的振動特性56
2.3.2車軌耦合動力學模型61
2.3.3動態響應的數值分析63
參考文獻70
第3章無縫線路服役狀態地面監測方法73
3.1無縫線路應力檢測技術73
3.1.1背景與研究現狀73
3.1.2超聲導波技術75
3.1.3半解析有限元方法78
3.1.4仿真與分析82
3.2無縫線路完整性檢測技術96
3.2.1背景與研究現狀96
3.2.2技術方案98
3.2.3實驗驗證103
3.3路基沉降檢測方法107
3.3.1研究現狀107
3.3.2基于PSD技術的檢測方案109
3.3.3路基沉降檢測裝置113
3.3.4實驗與分析117
參考文獻125
第4章無縫線路服役狀態移動檢測方法128
4.1軌道交通線路全斷面與形變檢測技術128
4.1.1基于車路振動模型的慣性基準測量128
4.1.2線路全斷面動態檢測系統應用165
4.2基于車輛動態響應的軌道幾何不平順智能估計176
4.2.1基于微種群遺傳算法和車軌耦合模型的軌道幾何不平順估計176
4.2.2基于UKF的軌道動態不平順估計優化193
4.3軌道剛度參數突變識別算法200
4.3.1基于支持向量機和車輛動態響應的軌道剛度不平順估計200
4.3.2基于車輛動態響應的CA砂漿脫空智能檢測218
4.4基于車軌動態響應的鋼軌應力識別算法227
參考文獻232
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第1章 緒論
高速鐵路始于1964年開通的日本東海道新干線，隨后，法國、德國、意大利、中國等國家相繼發展了高速鐵路。我國自20世紀90年代中期開始高速鐵路關鍵設計技術研究，在較短的時間內，已形成了具有自主知識產權的設計建設標準體系。京津城際鐵路的開通標志著我國進入高速鐵路時代，武廣、鄭西、滬杭、吉琿、津秦、湘桂等高速鐵路陸續投入運營，截至2015年，中國高速鐵路運營里程達1.8萬多千米，位居世界第一位。我國高速鐵路不論是里程規模，還是技術水平都已經走在世界前列。
高速鐵路技術是當今世界鐵路的一項重大技術成就，它集中反映了一個國家鐵路牽引動力、線路結構、高速運行控制、高速運輸組織和經營管理等方面的技術進步，也體現了一個國家的科技和工業水平。高速鐵路在經濟發達、人口密集地區的經濟效益和社會效益尤為突出。高速鐵路是用高新技術改造、更新傳統鐵路的一項創新工程體系，它憑借快速、安全、舒適、經濟、高效的特點，在世界運輸市場激烈的競爭中取得了較好的市場份額，推動了國民經濟的發展與國土的開發，社會經濟效益十分顯著。
1.1 高速鐵路技術與裝備體系
高速鐵路系統是一套人、車、路、環、管互相交融的動態復雜巨系統，高速鐵路技術綜合了工務工程技術、橋梁和隧道技術、軌道技術、信號技術、微電子技術、計算機應用技術、通信技術、控制技術、新型材料技術、安全保障技術、運輸組織和管理等多學科、多方向、多系統的前沿技術，高速鐵路技術與裝備體系是融合固定設備、移動設備、運營控制于一體的高度集成化、技術復雜化、耦合程度高、組織一體化的現代系統工程體系。
1.1.1 高速鐵路固定設備
高速鐵路固定設備包括路基、橋梁、隧道、軌道、無縫鋼軌、車站、接觸網等。其中路基、橋梁、隧道都是軌道的基礎，它們直接承受軌道的重量，在車輛通過時，還要承受機車車輛及其荷載的壓力。路基工程主要由路基本體、路基防護和加固建筑物、路基排水設施三部分組成。路基是為了滿足軌道鋪設和運營條件而修建的土木工程建筑物，其修建的狀態和質量直接決定了軌道線路的狀態與質量，尤其對高速鐵路而言，對軌道線路的平順度、穩定性、耐久性要求極高，因此，高速鐵路路基應按土工結構物進行設計，其地基處理、路堤填筑、邊坡支擋防護以及排水設計等必須具有足夠的強度、穩定性和耐久性。
當鐵路通過江河、山谷，或要跨越公路、鐵路既有線時，就需要修建橋梁、隧道建筑物。另外，隨著我國高速鐵路的不斷發展和技術完善，逐漸形成了以橋代路、控制沉降的設計理念，因此，與傳統的既有線路相比，我國高速鐵路線路將需要修建大量的長大橋梁。高速鐵路全封閉的行車模式和軌道的高平順性要求也導致橋梁比例明顯增大，且以高架長橋居多，以中小跨度為主。
高速鐵路隧道大多修筑在山中，從而避免開挖很深的路塹或者修建很長的迂回線，提高線路的平順度和列車的通過速度。高速鐵路隧道設計參數的特殊要求主要是由于車進入隧道誘發的空氣動力學效應。當車速超過200km/h時，空氣阻力成為行車總阻力的主要部分。在隧道中，這種阻力又比在明線運行時有明顯的增加，其大小與車速、車頭形狀、隧道長度和斷面大小有關。此外，由于氣流的非恒定性，列車在隧道運行過程中，空氣阻力并不是常數。通過采取如增大隧道斷面尺寸、設置隧道口緩沖區等手段，最大限度地減小由于列車通過隧道而產生的不利情形。
在修建路基和橋梁、隧道建筑物之后，就可以鋪設軌道了。軌道是指位于路基面以上、列車車輪以下的線路建筑物。軌道包括鋼軌、軌枕、連接零件、道床、防爬設備及道岔等部件。高速鐵路的行車特點是高速度、高密度和小編組，為實現列車的高安全性和高乘坐舒適性，軌道結構需具備高平順性和高穩定性。其中，高平順性通過建設初期的質量控制和開通運行后的養護維修控制來實現，高穩定性通過軌道部件的高可靠性、提高大機養修作業精度、增加養修作業后的安全儲備量來實現。按照有無砟石，軌道可分為有砟軌道和無砟軌道，傳統的有砟軌道容易變形，維修頻繁且費用較高，列車運行速度受到限制，不適于高速列車行駛。因此，無砟軌道成為高速鐵路工程技術的發展方向。其由鐵軌、扣件、軌道板組成，具有平順性高、剛度均勻性好、軌道幾何形位保持性持久、維修工作量小等特點。
軌道是一個整體性工程結構，經常處于列車運行的動力作用下，軌道中的鋼軌直接承受車輪的巨大壓力，并引導車輪的運行方向。我國高速鐵路均采用了無縫鋼軌這種新的軌道結構形式，無縫鋼軌是指在工廠將25m的鋼軌焊接成長的長軌后，用專門的車輛運到工地，再將其焊接成更長的鋼軌。通過將25m長的鋼軌焊接起來連成幾百米甚至幾千米長，無縫線路減少了接頭魚尾板和螺栓，節省鋼材的同時，消除了車輪對鋼軌軌頭的沖擊，從而提高了列車運行的速度和平穩性，減少了環境污染和養護維修工作量，延長了線路設備和機車車輛的使用壽命，是高速鐵路軌道結構現代化發展的重要方向。
高速車站的分布主要取決于城市分布和市場需求情況，并結合沿線城鎮和重要居民點的分布。我國高速鐵路的運輸組織模式為本線旅客列車和跨線旅客列車共線運行，車站有與既有站分設和合設兩種布置。我國現有火車站進站模式均為等候式，國外車站則是通過式，即到即走。高速鐵路車站可分為越行站、中間站、始發站、終到站，以及通過兼始發、終到站。車站與既有客運站合設的布置方案的優點是吸引更多的旅客乘坐高速列車，充分利用既有客運站的站場、站房及其他旅客服務設施，節省工程投資和城市用地，有利于旅客換乘。其原則包括高、普速列車宜分場分線使用，在跨線列車車站需設聯絡線或渡線，客運站房共用。
高速接觸網要求接觸線受流、穩定、抗張、導電性能好及電流強度大。國外高速鐵路的運營經驗表明，復鏈形懸掛、彈性鏈形懸掛、簡單鏈形懸掛均能滿足高速運行要求，我國采用全補償簡單鏈形懸掛，采用綜合接地系統，具有一級負荷的變配電所，采用SCADA系統對各供電設備進行一體化監控管理。
1.1.2 高速鐵路移動設備
高速鐵路移動設備主要有動車組和擺式列車兩種。
動車組是指由兩輛或兩輛以上帶動力的車輛和客車固定編組在一起的列車。動車組具有成組存在，由帶動力的車輛和不帶動力的客車組成，多用于客運，以固定編組進行運營，運營時不能解編，多采用電力牽引的特點。按最高運行速度分為準高速、高速和超高速動車組；按動力配置方式分為動力集中型和動力分散型高速動車組；按牽引動力分為高速電動車組、高速內燃動車組和磁懸浮動車組；按轉向架連接方式分為獨立式動車組和鉸鏈式動車組。我國高速鐵路線上運行的動車組是擁有完全自主知識產權、具有世界先進水平的國產“和諧號”高速列車，列車系統有很多關鍵技術的創新，在牽引系統、制動系統、高速轉向架、車體空氣動力學等方面的技術處于當今世界領先地位。
擺式列車是指一種車體轉彎時可以側向擺動的列車，以補償列車不同的離心力，能夠在普通路軌上的彎曲路段高速駛過而無需減速。擺式列車具有路途舒適度高、環境影響最小、使用靈活和擁有高效安全的剎車系統等特點。其原理就是將車體設計成能在不同速度條件下可實時傾擺的車體，當車輛向左轉時，車體向左傾擺，讓重力抵消向右推的離心力。擺式列車于20世紀70年代首先由英國研制成功，并成功運行在芬蘭、德國、西班牙、瑞典、葡萄牙和意大利的高速鐵路上。
1.1.3 高速鐵路運營控制
高速鐵路運營控制通過運營組織和列車運行控制等管理手段，實現高速列車的高效、穩定、安全、可靠運行。高速鐵路運營組織系統覆蓋旅客旅行服務的全過程，最大限度地滿足不同層次的旅客出行需要，適應客流變化，制定運輸計劃和旅客列車開行方案，建立以高新技術為基礎的安全保障體系和以調度中心為中樞的運營管理總體系統，實現了運營組織管理的高水平和高效益。
高速鐵路基于運營調度指揮系統實現高速列車的運行控制，實現高速列車高效、安全運行。鐵路運營調度指揮系統是集計算機、通信、網絡等現代化技術為一體的綜合系統，主要是幫助鐵路管理部門對運力資源進行動態調配優化，并完成列車的計劃、運行、設備維修等一系列任務，是完成高速鐵路運輸組織特別是高速鐵路系統日常運營的根本保證。
1.2 高速鐵路運營安全要素分析
與傳統鐵路相比，高速鐵路的列車運行速度得到了極大提升，列車運營過程中潛在的不安全因素增多，安全問題尤為重要。高速列車運行速度高達300～350km/h，任何災害的發生都可能引發較大的損失，威脅人民群眾的生命和財產安全。以德國高鐵為例，1998年6月3日早上10:59，德國高鐵ICE884號列車行經接近艾須得路橋時，以200km/h的速度脫軌，第三節車廂撞擊艾須得路橋右側第一根梁柱，造成梁柱坍塌，引發后續車廂的連續撞擊，共造成101人死亡，這是高鐵史上最為慘痛的一次事故。因此，安全管理是高速鐵路運營管理的重中之重，通過分析高速鐵路運營安全要素，充分了解和掌握各安全要素的特點和安全管理方法，是構建運營安全保障技術體系、實現安全運營的重要技術手段。
高速鐵路運營體系是由多個子系統組成的復雜動態巨系統，它涉及鐵路工作人員、線路、機車車輛、通信信號、監控、故障檢測、維修等各個領域，根據系統工程原理，高速鐵路運營安全要素可歸納為人員、機車車輛、線路、環境和管理5個方面。
1.2.1 人員安全要素
高速鐵路運營安全貫穿了鐵路建設、運營和管理的各個環節，從最初的勘測、設計，到施工、新技術的研究開發、設備的生產制造、運營管理和日常維護監測等都直接或間接與安全相關，而這其中的每個環節都需要人員的參與和管理。因此，人員安全要素滲透到了鐵路的各個部門、專業和工種，可以說人員安全要素是一個復雜的綜合性要素。根據日本高速鐵路30多年安全運行的管理經驗，為保證高速鐵路的運輸安全，必須要處理好人的問題、機器設備的問題以及人與機器兩者間的協調問題。
1.2.2 機車車輛安全要素
影響機車車輛安全的因素有設計制造風險、維護保養風險以及機車車輛的運行風險等。設計制造風險包括是否有設計制造缺陷，是否采用了新技術和新材料。維護保養風險是指在維護保養過程中，是否能及時發現機車車輛內部早期缺陷，是否按照保養規定按時維護和保養，是否達到維護保養的技術水平等。機車車輛的運行風險是指車輛超載運行、機車車輛未按照線路規定的限速行駛，以及司機未按照操作規程操作機車等。
1.2.3 線路安全要素
高速鐵路線路是由路基、橋隧建筑和軌道組成的一個復雜的整體工程結構，其中軌道又包含無縫鋼軌、軌枕、連接零件、道床、防爬設備和道岔等。因此線路安全要素涉及路基沉降、橋梁裂紋、隧道形變、無縫鋼軌應力超限、斷軌、扣件缺失、CA砂漿脫空以及軌道不平順等多個方面。與傳統鐵路相比，高速鐵路列車運行速度快，列車車輪與無縫鋼軌間的作用力更大，列車對鋼軌的沖擊力又進一步傳導至扣件、道床、路基和橋梁，當車輛對線路結構的動力破壞作用超過一定限度時，就會產生一系列病害問題。因此，必須加強對高速鐵路線路服役狀態的綜合監測，在復雜多變的運行環境下準確感知車輛和線路的關鍵參數變化，從而保證高速列車持久、安全運行。
1.2.4 環境安全要素
環境安全要素包括社會環境要素和自然環境要素兩方面。社會環境因素主要指社會政治和經濟形勢、安定團結的局面、社會治安情況等，良好的社會環境對高速鐵路的運行安全起到良好的促進和保障作用。自然環境因素中的自然災害是影響鐵路運輸安全的重要因素之一，尤其對高速鐵路而言更為突出。自然災害種類繁多，如暴雨、冰雹、大風、暴風雪、臺風、龍卷風、洪水、泥石流、山體塌陷以及地震等，都將嚴重危害高速鐵路行車安全。除了災害性天氣，酷暑、嚴寒也會對高速鐵路的場外作業和維護工作帶來安全隱患，其他一些影響觀察視野的情況，如大霧、沙塵暴、大雨、大雪等，也會嚴重影響行車安全。另外，我國國土遼闊，高速鐵路具有跨多個氣候帶的特點，長達數十、上百千米的無縫線路，處于非常復雜的環境溫度場作用下，因此，在環境安全要素中，溫度場分布情況也是必須要考慮的一個重要環節。
1.2.5 管理安全要素
安全管理就是以安全為目的，進行
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