1. 引言

高速铁路（以下简称高铁）是社会经济发展的重要基础设施，是大众化的、安全平稳、舒适快捷、节能环保的交通运输工具。目前已经成为世界铁路发展的主要趋势和交通运输现代化的重要标志。我国近十多年来，在铁路既有线提速的基础上，高铁的建设和运营，已经得到了较快的发展和创新，其规模和技术已经引起世界瞩目。

从国外和我国高铁建设和运营的实践证明，高铁是由工务工程、牵引供电、通信信号、高速列车、运营调度、客运服务等六大系统，以及其下的几十个分系统、几百个子系统所集成的复杂系统。各系统的相互间，既自成体系，又相互关联、相互影响。由于我国高铁目前还处于发展的初期阶段，各方面都需要实践总结和提高，不可避免的存在一些有待我们去深化解决的课题，以及亟需改进提高、加强管理的问题。

考虑到应绝对保证我国高铁长期的安全高效运营，有效检测铁路基础设施中的典型病害问题，必须从现在就给予高度重视。这些典型病害对日常运营维护的影响，体现在如何科学制定包括限速、限行以及其它日常运营维修手段等问题上面，这些问题的优化解决对保障高铁系统的正常、高效运转，以及实现长期稳定性的设计目标等具有重大意义。与此同时，作为高铁子系统之一，其典型病害的防范和应对研究，也会对整个高铁系统的安全与科学维修决策方案提供有力支撑，起到积极有效的技术保障作用。

2. 国内外铁路基础设检测系统现状

2.1. 现有铁路路基沉降变形与检测监测方法

路桥基础不均匀沉降是铁路路基三大病害（翻浆冒泥、不均匀沉降、铁路冻害）之一，不均匀沉降的发展直接妨害了高铁的正常运营与运营安全，使得事故隐患大大增加，因此，检测高铁路基沉降，研究其发展趋势，进而采取有效防范措施，控制沉降发展，是高铁研究发展中非常重要的一部分。我国对于高铁路桥基础的沉降控制提出了如下要求：

Ø 路基工后沉降应不超过15mm；

Ø 桥基工后沉降应不超过20mm，且相邻桥基差异沉降应不超过5mm。

我国京津城际高铁路基工程中，沉降控制引入了板桩结构，并引入预应力管桩、CFG桩等刚度较大的桩形，达到了上述规范规定，成为国内铁路路基设计施工的范例工程。在京津城际高铁路基施工中，主要采取下列措施进行沉降控制：

Ø 低路堤段采用长（CFG桩）短（挤密桩）桩进行地基加固；

Ø 高路堤段将支挡结构设置作为控制路基沉降的辅助手段，全线共设置挡土墙8km；

Ø 加强路基填料和压实质量控制，实施超载预压、沉降观测与评估等技术措施；

Ø 路基面层设置防排水措施，建立完善的路基变形监测系统，加强变形监测与评估。

然而，随着我国高铁设计施工技术不断发展，路基结构的设计分析提出了新的问题：虽然我国相应的设计和施工规范中对于沉降限值做了较为严格的规定，但我国高铁相应的设计方法相对于高铁技术比较发达的国家和地区，如欧洲、日本等，仍比较落后，这主要体现在：

Ø CPT方法只用于工程勘探而较少用于路基沉降控制设计之中；

Ø 实用工程结构设计计算方法应用不够；

Ø 长期列车运行和温度等气候条件以及地质水文等环境因素作用下系统变形分析不够全面充分。

由于设计技术与施工质量等因素的制约，在高铁完工后，路基的沉降和变形很难避免，事故发生的可能性增加。因此从确保工程质量和安全方面考虑，对路基沉降变形的工后检测和长时间监测分析，掌握路基沉降变形的具体状况，预测沉降发展趋势，具有十分重要的意义并亟待解决。

现有的高铁路基沉降变形检测监测方法，主要有以下点监测、线监测和面监测三类方法。

1、点监测方法

（1）监测桩/沉降板法

监测桩法是利用木桩和钢钎钉入土中，通过水准仪持平来测量土体表面的沉降量。该方法具有造价低，操作简便，易于测试的优点。但一个监测桩只能够观察路面上单点的沉降，且只能测定地表面的沉降值，无法测试土体内部沉降。

沉降板法是通过由底版和测杆、护套组成的装置，当沉降板底座随路基沉降时，利用与底座相连的测杆来测得底座埋设处的路基沉降值。它的缺点首先是装置上端伸出地面，大型机械施工时容易对其造成破坏；其次是一个沉降板只能测量单点的沉降，测量多点沉降时，相互影响较大；此外，沉降板损坏后较难补救。

（2）磁环分层沉降仪法

将磁环按一定间距套在沉降管上，使用钻机打孔至持力层，将沉降管下入孔中并用土将沉降管与孔缝隙填实，让磁环与土层同步沉降，当路堤发生沉降变形时，将带动磁环随周围土体作同步沉降。专用的磁环分层观测仪由测头、测尺和发声装置组成，测头放入沉降管缓缓随管滑落，感应到磁环后发出声音，外部观测员记录测头离管口距离读数。自上而下依次逐点测定管内各磁环位置，与初始测量到的位置相减，即可算出各测点的沉降量；或用水准仪测取沉降管管口标高，推算出土层的沉降量。这种方法操作比较简便，测量简单，也可以用来测量一定的侧向位移；缺点同沉降板法相同，易在施工过程中影响大型机械的压土作业，而且在人工操作下测量精度只能到1cm。

（3）激光测距法

激光测距法是一种新型的、非接触式的实时沉降测量方法，它的实现方法是：将标靶安放在需要测量的位置上，利用激光测距仪测量标靶沉降前后的距离数据，再根据标靶的形状通过几何关系，推算出路基沉降量。使用伺服电机转动可带动激光测距仪，可以对多个标靶进行测量。这种测量方法测量方式简单、速度快，也有较高的测量精度，可以达到0.1mm。制约其发展的缺点是：当标靶设置较远时，激光测距仪的测量误差会迅速加大，而且在野外复杂环境下，系统的稳定性也会受到影响。

（4）水平测斜仪法

水平测斜仪是路基测量的常用工具之一，它利用重力加速度在倾斜方向上的投影，并通过一系列电路将倾斜幅度以电压的形式输出。工作人员在沉降管内牵引测斜仪，并通过连接到外部的电缆接到专用读数仪器上，即可得到每个点的倾斜角度，再配合特定的测量点间距，即可得到准确的沉降数据。这种测量方法配合高精度的距离定位设备，可使测量精度到达0.01mm的量级，并且使用方便，受气候影响小，比较适合改装成为自动监测系统。该方法的缺点在于机械部分较多，系统的可靠性不是很高。

（5）高精度全站仪/水准仪法

全站仪是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离（平距、斜距）、高差测量功能于一体的测绘仪器系统；水准仪是用于测量两点之间相对高程的仪器。对于高程测量，全站仪精度小于水准仪，可以达到较低精度的水准测量等级。

高精度全站仪与水准仪的价格随精度的提高而大幅攀升，常用于人工路基高程检测，精度可满足工程需要，但检测过程耗时费力，无法实时连续的监测固定路段，并且检测过程需要经过测绘专业人员进行，否则精度丢失严重。

（6）三维激光扫描法

地上型三维激光扫描仪的原理是一种利用激光脉冲对被测物体进行扫描，大面积、高速高密度取得地物的三维形状及坐标的一种测量仪器，可以取得地物的距离数据、激光受光强度数据及RGB彩色画像。其测量原理与全站仪类似，对测量物体发射激光脉冲并测量其反射时间从而计算出仪器到测点距离，在测定范围内设定相应标定点后可以得到测量范围内XYZ绝对坐标。

小型飞机或者直升机搭载型激光扫描仪技术，它可以在很短的时间内取得大范围的三维地物数据，与GPS及惯性量测装置相结合，可以得到适合的GIS使用坐标三维地形数据。虽然飞机搭载型激光扫描仪技术可以实现快速获取数据的目的，但是相比地上型的三维激光扫描仪技术其精度差些，且由于飞机搭载型激光扫描仪技术的系统构成价格昂贵，推广有一定的难度。

（7）差分GPS法

根据不同区域的实际情况布设若干个基准站，基准站一般布设在卫星信号接收通畅的位置，每个基准站向若干个移动站提供差分信息。移动站布设于路基需要监测的位置，在布设的同时要注意是否存在遮挡。利用互联网或者移动通信网络进行数据传输。基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出cm级定位结果。监控中心实时的接收各个基准站与移动站的精确位置和状态信息，并显示在电子地图上。在监控中心服务器上设置每个基准站和移动站信息变化的阈值，当超过阈值时给出报警信号。监控中心还负责调度系统维护服务。

该系统的网点间不需要通视，能够进行全天候的监测，能够极大地节省人力物力，又可保证观测精度的均匀可靠。系统能够提供真正意义上的三维变形监测，能够获得路基的三维整体信息，从而可更准确的分析路基的变形规律。

GPS自动化程度高，通过动态差分定位方法（Real Time Kinematic，即RTK技术）可以在野外实时快速的获得cm级甚至更高的定位精度，可以做到在无人值守的情况下通过计算机网络远程控制，实现对路基变形等状态的连续自动监测，即自动按规定时刻下载数据、自动解算和分析。

2、线监测方法

基于无线传感网的沉降监测技术：从固定不动的参考液箱引出液体管路系统，沿管路基线在不同位置布设压力传感器，各传感器之间用参考液体管相连，根据测量不同位置沉降变形所导致的压力变化，对沉降变形进行监测。

3、面监测方法

干涉合成孔径雷达（InSAR）技术：这种空间对地观测技术的发展，为地面沉降变形监测提供了全新的方法。利用星载或机载的InSAR，采用空间遥感技术测绘地面沉降，是当前监测技术发展的新方向。这种技术具有连续空间覆盖、高度自动化和高精度监测地面沉降变形的能力。

地质雷达（GPR）技术：通过发射5~3000MHz的电磁波脉冲，通过对接收端接收到的反射脉冲进行解算成像，可获知地下土层的结构。具有无损、快速、连续、高精度、高分辨率、实时成像等特点。可以通过将GPR安装于轨道检测车上，在运行中快速精确检测路面层厚度的基础上，可以成功地探测路基病害位置及分布情况，而且还能够找出路基含水量较高的地段，探知路基下道砟囊、含水囊的具体位置，有利于维护与保养，提供了一种高效先进的无损检测手段。在实际应用中，此方法易受各种干扰信号的影响。另外应用该方法中的图像解析至关重要，需要先进的图像解析软件配合，并需要专业读图人员进行图像识别，否则精度难以保证。

2.2. 铁路桥梁结构和基础的检测与监测方法

   采用先进的技术手段对桥梁结构部位的损伤进行检测，并根据检测结果对桥梁的结构健康状况进行评估，对桥梁的使用寿命进行预测。然而，目前常用的桥梁健康检测手段仍然以人工检测为主，这类方法存在着明显的不足：1）人工监测主观性强，有些结果需要凭借经验估计得到；2）由于人工检测频率的限制，检测结果往往比损伤出现滞后，不能及时对损伤预警；3）由于缺乏实时监测数据，无法对损伤的发展情况进行了解。更为重要的是，由于传统人工检测使用的设备成本昂贵、体积庞大，在检测时有时需要对桥梁通行进行封闭，严重干扰了铁路的正常运行。同时，人工检测需要多个职能部门的相互协调与配合，在一定程度上增加了操作的复杂性。对于某些大型桥梁进行检测，需要检测人员进行高空作业，存在着极大的安全隐患。这些因素的存在，使得传统的人工检测手段越来越无法适应桥梁结构健康评估的要求，对桥梁结构进行实时监测势在必须。桥梁基础的实时监测方法，基本上与2.1中相似，在此不进行赘述。

2.3. 我国现有铁路轨道结构检测方法

目前，我国铁路轨道结构的检测方法包括静态检测和动态监测两类。

2.3.1. 静态检测

  （1）轨检小车

轨检小车的原理，是在一辆可在铁路轨道上行进的小车上，集成了多种精密的测量仪器和高精度的传感器等设备，检测时在小车沿轨道行进过程中自动采集轨道的水平、高低、轨距、轨向变化率等几何状态信息。这种轨检小车的应用，不仅极大地降低了检测人员的劳动强度，提高了检测的精确度，而且可以与计算机进行信息互递，为现场维修进行详细指导；其缺点，是在轨缝或者焊接头、道岔等轨道不连续部位，会引起对检测信息的干扰。

  （2）维修人员的日常检查

日常检查受当班人员的水平影响较大，与轨道的各种状态也有直接的关系。能否找准各种方式检测所发现的病害是进行补修的前提，当班人员处理病害的手段和方法也会因人而异，易造成轨道病害不能及时处置或者留有隐患。

  （3）钢轨探伤小车

钢轨探伤小车，是目前我国铁路线路上对钢轨进行探伤作业的主要手段。我国的钢轨探伤仪一般具有5个通道，可以携带5种探头方式工作，有声光报警指示，可以利用列车运行间隔作业。目前探伤作业班组一般分为钢轨母材班组及接头焊缝班组。在探伤作业过程中，须严格控制探伤速度，以及记清轨面状态的不良情况，并注意下道避车时间，到时要及时下道避车，确保行车和自身安全。钢轨探伤小车的缺点是速度慢，受操作人员的水平和熟练程度影响较大，容易误判。

2.3.2. 动态检测方法

  （1）轨道检测车

轨道检测车是我国定期进行轨道检测的主要手段，目前我国大部分工务部门使用的轨检车为GJ-5型轨检车。现代轨检车检测项目很多，既能检测轨道几何尺寸，又能测量车体、轴箱振动和轮轨相互作用力，具体检测项目包括轨道高低不平顺度、方向不平顺度、水平不平顺度、扭曲不平顺度（三角坑）和轨距不平顺度等。GJ-5型轨检车是目前评定线路状态是否超限的主要方式，也为指导现场补修提供可信的资料。实践证明，轨检车检测发现的轨道几何不平顺大部分与现场实况相符。轨道几何波形查看软件的应用也相当广泛，可以从波形图上显示出的道叉或者桥梁梭头等设备的几何波形，方便准确的推算出超限地点的实际位置，有效地提高了作业的效率。

目前普遍使用的超限峰值评分法，通过测量轨道各参数每个测点的幅值大小，来判断测点的幅值是否超过管理规定，并根据超限的不同等级进行扣分。目前各项偏差等级划分为四级：Ⅰ级为保养标准，每处扣1分；Ⅱ级为舒适度标准，每处扣5分；Ⅲ级为临时补修标准，每处扣100分；Ⅳ为限速标准，每处扣301分。以千米为单位，统计每千米的扣分总数，其中每千米的扣分总数为各级、各项偏差扣分总和。然后根据每千米扣分总数评定、分析轨道状态。每千米扣分总数在50分及以内的为优良；每千米扣分总数在51~300分的为合格；每千米扣分总数在300分以上的为失格。

  （2）车载式轨道动态检测装置

轨道检测车检测的项目虽然较全，但是由于全路局的线路较长，每月检测的次数有限，为此引进了机车车载式轨道动态检测装置。机车车载式轨道动态检测装置也叫车载系统，检测单元安装在机车上，在机车运行当中，通过固定在机车车体上的传感器，采集车体在运行状态中的震动技术指标，经过自动分析处理后得出车体震动等级，在无人干预下综合生成反映线路平顺状态的轨道数据；通过数据传输转存到地面电脑，经过电脑软件分析，按线路状态和《铁路线路修理规则》的有关要求，对数据生成6种报表，以指导线路修理工作。车载系统只能反映出机车在行进过程中车体的横向及垂向加速度，不能真实地反映现场的全部实际情况。加速度不仅与不平顺的波幅、波幅变换率、波长有关，还与各种不平顺的组合状态有关。因此，在对轨道进行不平顺复查时要全面考虑，不能只考虑垂向加速度是由轨道的高低引起、或者是横向加速度由钢轨方向引起的。

  （3）添乘仪

添乘仪是安装在机车上对轨道状态进行动态检查、监测的轨道结构检测设备，通过对轨道进行连续的数据采集、传输，再通过微机内部处理出横向和垂向加速度、轨道综合质量指数(TQI)值反映出来。机车动态添乘仪能够根据需要安装在不同行车速度的机车上，满足不同行车速度的需要，同时实现对轨道全天候、实时监控。添乘仪与车载系统一样，也只能反映机车在行进过程中车体的横向及垂向加速度。添乘仪在使用过程中受机车型号影响较大，但是同一型号的机车在不同的车况下也会出现不同的结果，不同厂家的添乘仪检查结果也不尽一样，检查出报警处与现场也不尽相符。相较于轨道检测车及车载系统而言，其反映出来的横向及垂向加速度值偏大，因此，为了有效发挥便携式添乘仪对线路养护维修工作指导的作用，应针对不同型号的机车设定合适的添乘仪门限值。便携式添乘仪与轨道检测车所检查出的超限处所不尽相同的原因有：轨检车对轨道的几何尺寸是直接测量，所采用的检测手段精度高，轨检车检测的项目较全，垂向加速度与横向加速度只是其中两项；而便携式添乘仪目前只能检测垂向加速度和横向加速度，而且所检测加速度受机车本身减震设施的状况影响较大，要靠这两项加速度值来全面反映轨道状态则难以符实。目前我国使用的两种便携式添乘仪本身也存在一些技术问题，对加速度不大但是横向移动幅值较大的轨道病害不能测定，需进一步研究解决。

2.4. 国外高铁运营线路的风险管理

   开展高铁运营线路风险管理最早的国家是日本，一方面是由于日本新干线是世界范围内第一条商业运营的高速铁路，另一方面由于日本是一个地震高发国家，频繁发生的地震灾害，除直接破坏铁路基础设施外，还会直接导致列车脱轨、倾覆等灾害。为避免这些灾害的发生，要尽可能使运行中的列车，在地震发生前或发生时能及时减速运行或即时停车躲避，这就要求在铁路沿线设置地震早期监测预警设施。因此，促使了日本高铁运营线路的安全预警系统与风险管理研究应用工作的迅速发展。

日本新干线的第一套自动列车控制系统，在东海道新干线开通时就同时投入运行。机械式预警地震仪以20公里的间隔设置在新干线的各个子站中，当地震仪监测到的加速度值超过设定的限值时，对子站管辖的区间线路实行断电，同时对运行在该区间内的列车实行紧急制动。

日本新干线第二代地震预警系统，于上世纪70年代在东北新干线中启用，主要针对在太平洋中发生的大型地震对线路的影响进行监测预警。该系统在海岸线旁顺序多点各设置一台地动仪，各台分别用于监测对应区域中的太平洋地震。当某台地动仪测得的监测值超过限值时，系统立即对新干线进行预警。这套系统是第一个真正意义上的地震早期预警系统，被命名为沿海地震观测系统。但是，这套系统监测的是地震的S波幅值，随后新研发的地震加速度计进一步被安放在新干线沿线子站处，同时进行监测预警。

随着日本新干线运营速度的进一步提升，新干线开发了“紧急地震监测和预警系统 (UrEDAS) ”。UrEDAS通过对地震波P波的监测，完成对地震震中和震级的预测，并判断会受到严重地震影响的区域。在1995年阪神大地震后，为了提高监测到地震后的预警速度，新干线进一步开发了“增强地震监测和预警系统 (Compact UrEDAS) ”。

美国麻省理工学院的D.Veneziano教授对上述系统建立了风险分析模型，首先对现有的地震预警进行了评估，给出了新干线因地震导致的列车脱轨事故的概率是每100年2～3次，列车中、大型延误的概率是每年2.8次，而列车小型延误的概率是每年72.4次。通过对该系统的优化改进和对一些参数进行调整之后，该地震监测预警系统的地震预警，可以有效地降低脱轨事故概率到每100年约1次。

国外这种在监测和预警系统工作基础上，进一步优化研究，建立监测信息风险分析模型，对风险的程度和概率进行科学评估，从而加强运营风险管理的做法，很值得我们学习和创新。

3. 高铁基础设施检测系统优化研究方向

   着眼于开展对我国现有铁路基础设施系统进行检测系统的优化研究，提出高铁线路实时沉降预警系统的实施方案。同时，对基于上述监测数据的系统优化参数与定量的沉降诱发各类风险与事故概率的因果关系，建立风险分析模型，开展风险程度和概率的科学评估工作，为我国高铁运营的风险管理和运营维护决策提供科学可靠的工具。基于这一目标，建议从以下三个方向进行分析与研究。

（1）路基和轨道结构健康监测和风险分析研究

我国高铁进入运营阶段后，可在铁路沿线设立多个监测点，对路基结构进行定期的监测，获得路基沉降数据。同时运用轨检车定期对轨道状态进行检测，运用添乘仪测量轨检车运行时的各向即时加速度值。通过这些检测监测数据，结合原始设计数据，建立起高铁运营的风险分析模型，对路基和轨道的高稳定性、高耐久性、高平顺性之可靠度进行分析和评估。针对高铁脱轨的危险，给出在一定区间运行速度下产生脱轨的概率，并阐述各个参数变化对可靠度指标的影响规律。

（2）加强高铁线路沉降预警系统原型系统研究

调研当前高铁运营中所使用的各种沉降监测手段，确定能应用于风险分析模型的方法。对高铁轨道结构检测系统进行优化，研究开发列车轮轨互检系统，同时针对沉降风险提出布设实时预警系统的方案。

（3）高铁线路运营维护的辅助决策研究

应用上述的风险分析模型，通过对路基和轨道状态的实时检测监测，在保证不会发生脱轨事故和必须的列车运行平稳度要求下，给出高铁线路运营维护的辅助决策依据。对于监测中产生异常的某段运营区间，给出安全平稳运营的建议车速。在保证足够安全冗余量的前提下，达到高铁的最高运营效率和最佳经济效益。

4. 发展展望

根据国内外高铁基础设施系统设计与运营现状，研究优化现有检测系统，建立专门的实时预警监测系统，是防范不均匀沉降诱发事故的有力途径；而基于这些实测反馈数据而建立的反演分析模型，即概率风险分析模型，是当前解决大型复杂系统定量风险评价的重要科学手段。这方面的研究应用工作，已经在日本新干线的运营线路上发挥了重要的安全保障作用。

通过借鉴这些研究方向以及成功经验，结合我国高铁基础设施检测和监测的实际数据，同时结合高铁系统建设设计参数，进行我国高铁基础设施系统沉降与变形预警与事故风险分析研究应用，必将会给力的保障我国高铁高水平的平稳安全、高效率的运营服务，为实现我国高铁的可持续发展与科学运营管理，奠定坚实可靠的基础。

参 考 文 献

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4. 施斌等, BOTDR应变监测技术应用在大型基础工程健康诊断中的可行性研究[J].岩石力学与工程学报, 2004,23(3).

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