付達靚

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 環(huán)境與航務工程設計研究院，北京 102600）

1 概述

自2008年京津城際高速鐵路開通運營以來，截至2021 年底我國高速鐵路營業(yè)里程已達4 萬km[1]。目前，國內高速鐵路廣泛應用的噪聲控制工程措施是聲屏障[2]，按結構型式可分為插板式、整體式及門式結構柱板式?？偨Y十余年高速鐵路運營及工務管理經驗發(fā)現，高速鐵路聲屏障在維護方法和技術方面仍存在需解決的問題[3-4]。在近年“強基達標、提質增效”背景下，國鐵集團在高速鐵路養(yǎng)護維修方面對設備運用狀態(tài)準確評價、高鐵變化規(guī)律趨勢分析和安全風險預警能力提出了更高的要求[5]?，F有高速鐵路聲屏障檢查維護均需依靠人力完成，檢修工具的機械化、智能化水平不足，工作效率不高、受人員主觀經驗影響較大；聲屏障結構狀態(tài)缺乏系統(tǒng)性監(jiān)測，無法做到全天候實時監(jiān)測及預警，缺乏對聲屏障檢修的保障作用。在此，以約占聲屏障總數90%以上[6]的插板式結構聲屏障為例，對其檢查維護和結構監(jiān)測技術開展研究。

插板式結構聲屏障由基礎、螺栓、立柱、單元板等組成，在運營期聲屏障主要受列車通過時形成的氣動力和當地區(qū)域自然條件下的風動力影響。相關研究表明，受列車氣動力長期反復作用，聲屏障立柱、單元板最大位移較運營初期增大，立柱的最小應力減小[7]，連接立柱與基礎的螺栓也會發(fā)生松弛[8-9]；受現場施工組織影響，橋梁聲屏障基礎預埋螺栓安裝精度有可能超過設計允許偏差，導致聲屏障單元板插入程度不足[10]，列車高速運行的氣動力沖擊使振動進一步加大[4]。

除受外界列車氣動力影響外，聲屏障立柱、螺栓還受外部環(huán)境條件的影響，長時間暴露在風、雨、雪、光照等條件下，加之立柱、螺栓等鋼構件防腐處理較難到位，部分立柱、螺栓會在運營一定時間后出現銹蝕現象[3]。聲屏障螺栓和立柱的松動、銹蝕，以及因施工精度造成的聲屏障插入不足、立柱歪斜等會存在安全隱患，極端情況下可能會危及行車安全[11]。此外，聲屏障單元板的吸聲材料易吸水受潮、吸塵易粉化造成結構破壞、吸聲性能減弱[4]，導致聲屏障降噪效果較運營初期有所降低[7]。

2 聲屏障檢查維護技術研究現狀

2.1 聲屏障檢查維護重點內容

尹皓等[11]、許克俊[12]研究認為，應圍繞聲屏障基礎、H 型鋼、連接件、單元板4 個方面開展檢查：一是檢查聲屏障基礎及底部重力式流動砂漿的完好性和有效性；二是檢查聲屏障H 型鋼的腐蝕程度和垂直度，前者包括檢查型鋼保護涂層外觀的破損、鼓泡、剝落、銹蝕情況及腐蝕量，后者包括檢查H型鋼立柱是否因移位、歪斜產生不符合間距的情況；三是檢查螺栓和密封橡膠條的有效完整性，包括螺栓和密封橡膠條的牢固程度及銹蝕、老化、損壞、缺失情況；四是檢查單元板的完整有效性和松緊度，前者包括檢查單元板的缺損、開裂、變形、褪色、老化等情況，后者包括檢查單元板插入H型鋼立柱深度、歪斜程度和松動情況。在上述4個方面中，連接件螺栓是否缺少、銹蝕、松動及失效，H型鋼立柱是否因移位、歪斜導致間距變大，單元板是否變形、插入H型鋼深度是否不足等應作為聲屏障檢查的重點內容。

聲屏障維護應圍繞檢查中發(fā)現的問題開展：①聲屏障基礎維護，主要包括對基礎或底部重力式流動砂漿裂縫、破損、空洞等進行修補；②H型鋼立柱維護，主要包括對存在銹蝕的鋼構件進行除銹涂油，對移位、歪斜的立柱進行調整；③連接件維護，主要包括對缺失、老化的螺栓及密封橡膠條進行補齊、更換，對銹蝕的螺栓進行除銹涂油，對松動的螺栓進行復擰等；④單元板維護，主要包括對已變形、破損、失效的單元板進行更換等，對褪色單元板補噴色彩涂料，對插入H 型鋼立柱翼緣板深度不夠的單元板進行調整。

2.2 聲屏障檢測維護設備研發(fā)

2.2.1 聲屏障視頻檢測設備研發(fā)

劉賀堅等[13]研制開發(fā)了一款采用圖片或影像檢查系統(tǒng)的高速鐵路聲屏障安全檢測裝置，可對聲屏障螺栓、插板脫落，立柱螺栓松動，焊接部位失效，重力砂漿破損等進行全面檢查。該裝置可在聲屏障上自由滑動，作業(yè)人員無需到聲屏障外側便可清晰查看外側螺栓及其他結構狀態(tài)，操控簡便，拍攝圖像或圖片清晰，可實現后臺存儲、檢索等。

2.2.2 聲屏障螺栓檢修維護設備研發(fā)

馬麒等[14]研制了一種新型聲屏障螺栓檢修設備，包括走行系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、卷揚升降系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。卷揚升降系統(tǒng)包括回轉平臺、升降立柱、伸縮臂和卷揚機。液壓驅動的螺栓緊固系統(tǒng)和吊板通過鋼絲繩與卷揚機相連。卷揚升降系統(tǒng)將螺栓緊固系統(tǒng)移至待緊固的螺栓位置，從而實現螺栓的緊固，無需作業(yè)人員半空作業(yè)，也無需拆除隔音板，操作簡便，效率高且安全。

李慶云[15]提出一種聲屏障檢修智能機械設備，由動力系統(tǒng)、氣動(電動)系統(tǒng)、輪軌小車、臂架系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、涂油機等組成，設備各作業(yè)系統(tǒng)均由氣動或電力驅動。設備依托配備的計算機智能化數據采集與控制系統(tǒng)，通過計算機目標路徑規(guī)劃和控制系統(tǒng)實現整機的精確定位和多臂同步姿態(tài)調整，完成智能對位、高精度自動擰緊、自動涂油作業(yè)。此外，還能記錄整個設備檢查、養(yǎng)修過程，對聲屏障外側的螺栓及立柱狀態(tài)進行視頻錄入和儲存，并通過接口將記錄信息傳輸至計算機，便于回放檢查和分析。該設備重點解決高鐵線路兩側聲屏障立柱固定螺栓的檢測、涂油保養(yǎng)及復擰緊固等作業(yè)。

2.2.3 聲屏障巡檢機器人設計

鄧斌等[16]提出一種新型聲屏障巡檢機器人設計方案，主要由驅動部分、關節(jié)桿串聯部分和行進越障組構成。巡檢機器人的工作過程是機器人攜帶圖像采集設備或檢測裝置，克服自身重力、前進摩擦阻力，實現在聲屏障上連續(xù)前進的功能并進行數據的拍攝、采集和傳輸。機器人具有良好的越障性和安全可靠性，運行速度最快為2 m/min，能達到預定的巡檢設計要求，結合智能化數據采集裝置，可快速準確采集信息并進行分析。

3 聲屏障結構監(jiān)測技術研究現狀

目前監(jiān)測技術研究主要集中在聲屏障立柱變形、位移及聲屏障單元板破損檢測等方面，主要技術手段有傳感器、光纖技術、攝影測量及地面干涉雷達。

3.1 傳感器技術

該技術主要原理是利用安裝在聲屏障上的傳感器感應列車氣動力對聲屏障的位移和風壓，判斷聲屏障立柱狀態(tài)。劉剛利等[17]研究構建了聲屏障風壓、位移遠程監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器陣列、調理儀、采集儀、計算機、太陽能電池板及蓄電池、電源處理模塊，以及配套的數據采集、現場監(jiān)測系統(tǒng)軟件。該監(jiān)測系統(tǒng)原理是在聲屏障不同區(qū)域布置加速度傳感器，并在聲屏障內側粘貼差壓式傳感器，通過采集聲屏障不同區(qū)域的振動信號和聲屏障內外的壓差，再通過信號檢測裝置將聲屏障不同區(qū)域的脈動風壓信號和振動信號傳輸至數據采集系統(tǒng)進行預處理，數據采集系統(tǒng)將處理結果通過GPRS無線網絡傳送至遠程監(jiān)測中心。遠程監(jiān)測中心利用相關空氣動力學理論算法，根據檢測到的聲屏障不同區(qū)域風壓數據和位移數據，擬合出聲屏障脈動風壓的時空分布規(guī)律。

3.2 光纖技術

夏嵐等[18]利用布里淵光時域反射(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer，BOTDR)技術研究了基于立柱傾斜的高鐵聲屏障受損情況。研究了當立柱傾斜時，立柱頂部相對于初始位置的偏移量與BOTDR 測得的光纜應變值間的理論對應關系，并利用該對應關系得出不同偏移量下系統(tǒng)的報警閾值。同時，通過搭建高鐵現場實驗系統(tǒng)對理論研究結果予以驗證，實驗結果可與理論計算結果相吻合。周敏[19]融合了BOTDR技術和地理信息技術構建了高速鐵路形變監(jiān)測系統(tǒng)，開發(fā)了監(jiān)測系統(tǒng)軟件，實現了BOTDR 光纖位置信息與聲屏障地理位置信息的配準、監(jiān)測結果的可視化及對BOTDR 的遠程控制。通過信息系統(tǒng)可以確保維護人員直觀看到聲屏障的安全狀況，對降低維護成本具有積極意義。

3.3 攝影攝像測量技術

郭杰[20]借助高速攝像系統(tǒng)并使用基于改進反向組合的剛性位移提取算法，對高速鐵路插板式聲屏障在列車風動力影響下的振動位移實施現場測量，視頻圖像分析結果表明聲屏障實際振動響應曲線與有限元仿真分析結果符合，通過計算振動波形的傅里葉頻譜得到聲屏障固有頻率信息，驗證了高速攝像技術是一種可應用于聲屏障振動測量的有效方法。

王堯等[21]研究了一種基于機器視覺技術的護欄完整性自動檢測系統(tǒng)，并提出了聲屏障型護欄的完整性識別算法。該檢測系統(tǒng)通過拍攝兩側護欄、聲屏障，圖像經光纖傳輸至計算機，由計算機處理圖形并識別圖像中護欄、聲屏障的完整性。將系統(tǒng)安裝在高速綜合檢測列車后，進行不同速度、時間及天氣條件下的現場試驗，試驗結果表明該系統(tǒng)聲屏障完整性識別率在94.5%～98.3%，檢測效率高，對不同天氣、光照等環(huán)境因素變化有較好的適應能力。

3.4 地面干涉雷達技術

地面干涉雷達是一種地面主動微波遙感成像系統(tǒng)，可以較短波長的微波信號在不同時間點重復觀測同一區(qū)域，對發(fā)射與接收的微波信號相位信息進行干涉處理，獲取目標區(qū)域高精度的位移信息。干涉成像測量系統(tǒng)(Image By Interferometric Survey，IBIS)作為一套商業(yè)微形變監(jiān)測系統(tǒng)，可以進行靜態(tài)監(jiān)測，如測量橋梁、建筑物、大壩在外部應力作用下的位移信息，也可以進行動態(tài)監(jiān)測，如監(jiān)測目標結構的共振頻率和振動模式。劉淼[22]應用IBIS系統(tǒng)從地面對某高速鐵路動態(tài)調試過程中聲屏障橫向位移情況進行檢測，試驗表明該系統(tǒng)可用于聲屏障的安全監(jiān)測。周文明等[23]認為基于IBIS系統(tǒng)的聲屏障監(jiān)測可有效避免與聲屏障的接觸，對列車的正常運行不會產生影響，可以測定列車不同運行速度和運行方向的聲屏障振動頻率及脈動壓力差異，并記錄不同條件下聲屏障振動頻率和位移量，可為聲屏障氣動載荷特性評價提供數據支持。

4 聲屏障檢查維護和結構監(jiān)測技術研究方向展望

我國高速鐵路最早服役的聲屏障距今已有十余年，如何創(chuàng)新檢查維護方法、提高維護作業(yè)效率，科學評估現有聲屏障健康狀態(tài)、結構穩(wěn)定性，是運維管理單位需要解決的課題。鐵路工務部門已建立較成熟的綜合維修體系及制度，研制開發(fā)了檢修設備車輛，建立了以路基、橋梁、隧道、軌道等主體工程結構穩(wěn)定性和外部安全環(huán)境條件為主要目標的基礎設施監(jiān)測及防災監(jiān)控體系。但是，作為線路附屬工程的聲屏障，目前檢查維護多以人力作業(yè)為主，專業(yè)化、智能化的檢修維護設備暫未大量應用，缺乏對聲屏障結構健康狀態(tài)系統(tǒng)評估的方法，以及與其他工務設施監(jiān)測系統(tǒng)相融合的聲屏障結構監(jiān)測體系。因此，有必要對聲屏障工程檢查維護和結構監(jiān)測技術進一步開展深入研究。

4.1 完善聲屏障檢查維護管理體系

對運營高速鐵路聲屏障日常維護檢修存在的問題開展統(tǒng)計調查，按照病害、故障、事故等分類建立問題庫，根據聲屏障結構型式、單元板類型、單元板安裝方式、線路類型、地區(qū)環(huán)境特征等對問題予以統(tǒng)計分析，識別日常維護檢修的常見問題類型及影響行車安全的主要問題源，優(yōu)化完善高速鐵路聲屏障維護管理辦法，建立高速鐵路聲屏障日常檢查維護規(guī)程。

在精準識別聲屏障檢查維護主要問題的基礎上，利用圖形及圖像識別、雷達或微波信號等無損檢測技術手段，對聲屏障基礎、立柱、螺栓及單元板材開展裂紋、破損、銹蝕、松動、歪斜、脫落等問題的識別及檢測評估研究。

4.2 開展聲屏障檢查維護設備研發(fā)及應用

對于已研發(fā)的維護檢修設備，應充分測試檢驗其實際操作能力及線路適用性，結合工務部門存在的常見問題優(yōu)化完善螺栓緊固、單元板更換等操作功能，設計開發(fā)基于不同維護檢修條件的模塊化操作設備。同時，應積極推動帶巡檢功能的專項檢修車輛或聲屏障檢修維護機器人的研發(fā)，探索人工與人工智能機器相結合的巡檢方式，研究利用機器人完成螺栓緊固、構件防腐處理等日常維護工作的可行性，提高檢修效率及精度。此外，還可以借助現有機械工程技術，研制輔助工務人員更換聲屏障單元板、緊固螺栓的機械化操作臂或穿戴式機械骨骼等。

4.3 深入研究聲屏障結構監(jiān)測技術

目前聲屏障結構監(jiān)測主要包括原位監(jiān)測技術和異位監(jiān)測技術，原位監(jiān)測技術是利用貼敷在聲屏障構件上的傳感器或光纜，通過對壓力、振動頻率、位移的感知采集實時數據以反映聲屏障結構狀態(tài)；而異位監(jiān)測技術則是利用搭載在外部平臺上的高速攝影、攝像機器或干涉雷達等設備，通過對采集數據進行二次模型演算獲得聲屏障結構狀態(tài)參數。

對于原位監(jiān)測技術，應研究評估敷設在聲屏障構件上的傳感器或光纜對于行車安全的影響。在對行車安全無影響的前提下，可開展傳感器的布設位置、方式及外部電源供給和數據傳輸方式等研究。對于異位監(jiān)測技術，應深入研究評估搭載監(jiān)測設備的外部平臺在高速鐵路運維管理模式下的工程適用性，研究高速運營狀態(tài)下圖片、圖像識別模型或物理信號數據的優(yōu)化算法，評估各類技術手段的優(yōu)缺點及適用范圍，研究搭載監(jiān)測設備車輛的技術路徑及可行性。此外，數據采集、分析的精度直接決定了聲屏障監(jiān)測結果的準確性，因而不同數據采集模式下數據誤差判斷的算法也是研究的重點。

依托于不同監(jiān)測技術條件采集的數據，應利用大數據平臺及人工智能技術對獲得的有效數據予以分析，研究構建聲屏障健康狀態(tài)預警系統(tǒng)及軟件開發(fā)。

4.4 研究制定聲屏障結構健康監(jiān)測技術標準

建議結合聲屏障結構監(jiān)測技術和工程應用實踐經驗，參照《鐵路自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)工程技術規(guī)范》(Q/CR 9152—2018)[24]和《鐵路客站結構健康監(jiān)測技術標準》(TB/T 10184—2021)[25]，研究制定聲屏障監(jiān)測技術標準，明確聲屏障結構健康監(jiān)測的基本原則和總體要求，以及監(jiān)測對象、監(jiān)測內容、監(jiān)測點選取布置等內容，提出數據采集方法選取的原則、數據采集的技術指標等，規(guī)定數據采集配置和數據傳輸方式的確定方法，明確數據存儲、處理、管理與分析模塊應實現的功能和技術要求，提出結構安全預警閾值、結構健康狀態(tài)評估的確定原則，明確數據采集及信號傳輸設備、電源纜線、附屬設施、監(jiān)控端設備的安裝與防護要求，規(guī)定監(jiān)測系統(tǒng)硬件集成與調試的工作內容和具體技術要求，提出監(jiān)測系統(tǒng)軟件、硬件及各功能模塊的驗收內容、方法及相關要求，明確系統(tǒng)維護的管理要求、維護方式及事故應對措施等內容。

4.5 構建聲屏障檢測監(jiān)測體系

推動聲屏障檢測監(jiān)測體系構建方法的研究，該體系框架應包括感知層、傳輸層、數據資源層、大數據平臺層、應用層[5]，能夠滿足對聲屏障結構特性、性能變化規(guī)律、病害點分布及特征、安全預警的檢測監(jiān)測需求，并能通過檢測監(jiān)測數據的積累和統(tǒng)計分析，實現對聲屏障維護提出針對性指導作業(yè)的功能。同時，還應重點研究聲屏障檢測監(jiān)測體系與現有工務設施檢測監(jiān)測體系融合的方法、途徑及可行性，以保證聲屏障檢測監(jiān)測在現有高速鐵路運維管理體制下得以實現。

5 結束語

隨著我國高速鐵路網的不斷延伸和完善，作為高速鐵路應用廣泛的噪聲控制工程，聲屏障運營管理的要求將不斷完善和提高，同時作為線路附屬工程，維護聲屏障結構的安全穩(wěn)定也是保障高速鐵路安全運營的重要因素之一，對聲屏障檢查維護和結構監(jiān)測技術的研究顯得尤為重要。目前，國內高速鐵路運營期聲屏障檢查維護的內容較明確，但方法和手段還不夠成熟，機械化、智能化檢修設備尚未得到推廣應用，聲屏障結構監(jiān)測技術尚處于理論研究階段，缺乏信息化、網絡化的監(jiān)測系統(tǒng)。為進一步提升高速鐵路工務管理能力，未來可考慮在優(yōu)化完善聲屏障檢查維護管理體系、研發(fā)應用集成化檢修維護設備、構建確立聲屏障結構監(jiān)測技術、搭建聲屏障結構監(jiān)測系統(tǒng)等方面開展深入研究。