无缝线路服役状态监测是高速铁路安全监测中的一项重要环节，《高速铁路无缝线路服役状态监测理论与实践》针对无缝线路服役状态监测中的钢轨温度应力、钢轨完整性、路基沉降、轨道不平顺和砂浆脱空等监测内容，系统地介绍了其理论建模、移动监测和地面监测方法，相关理论和方法在高铁现场进行了实践和应用，形成了一整套适用于我国高速铁路无缝线路服役状态监测的理论方法和技术体系。

目录
前言
第1章绪论1
1.1高速铁路技术与装备体系1
1.1.1高速铁路固定设备1
1.1.2高速铁路移动设备3
1.1.3高速铁路运营控制3
1.2高速铁路运营安全要素分析3
1.2.1人员安全要素4
1.2.2机车车辆安全要素4
1.2.3线路安全要素4
1.2.4环境安全要素4
1.2.5管理安全要素5
1.3无缝线路服役状态对铁路运营安全影响的分析5
1.3.1无缝钢轨温度应力5
1.3.2轨道不平顺6
1.3.3无缝线路服役状态综合监测方法7
1.4本书主要内容8
参考文献10
第2章无缝线路服役状态演变理论与建模11
2.1无缝线路的研究背景11
2.1.1桥上无缝线路基础理论与模型的发展11
2.1.2梁、轨纵向相互作用机理简介16
2.1.3长大线路应力分布模型的建立20
2.2长大线路无砟轨道应力分布模型26
2.2.1桥梁轨道结构的多尺度有限元模型27
2.2.2根据均匀化理论估算宏观性能31
2.2.3利用多尺度线路模型进行应力计算的数值方法39
2.2.4试验对比以及计算结果分析42
2.3钢轨纵向应力作用下的车辆轨道动力响应分析56
2.3.1纵向应力影响下板式轨道模型的振动特性56
2.3.2车轨耦合动力学模型61
2.3.3动态响应的数值分析63
参考文献70
第3章无缝线路服役状态地面监测方法73
3.1无缝线路应力检测技术73
3.1.1背景与研究现状73
3.1.2超声导波技术75
3.1.3半解析有限元方法78
3.1.4仿真与分析82
3.2无缝线路完整性检测技术96
3.2.1背景与研究现状96
3.2.2技术方案98
3.2.3实验验证103
3.3路基沉降检测方法107
3.3.1研究现状107
3.3.2基于PSD技术的检测方案109
3.3.3路基沉降检测装置113
3.3.4实验与分析117
参考文献125
第4章无缝线路服役状态移动检测方法128
4.1轨道交通线路全断面与形变检测技术128
4.1.1基于车路振动模型的惯性基准测量128
4.1.2线路全断面动态检测系统应用165
4.2基于车辆动态响应的轨道几何不平顺智能估计176
4.2.1基于微种群遗传算法和车轨耦合模型的轨道几何不平顺估计176
4.2.2基于UKF的轨道动态不平顺估计优化193
4.3轨道刚度参数突变识别算法200
4.3.1基于支持向量机和车辆动态响应的轨道刚度不平顺估计200
4.3.2基于车辆动态响应的CA砂浆脱空智能检测218
4.4基于车轨动态响应的钢轨应力识别算法227
参考文献232
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第1章 绪论
高速铁路始于1964年开通的日本东海道新干线，随后，法国、德国、意大利、中国等国家相继发展了高速铁路。我国自20世纪90年代中期开始高速铁路关键设计技术研究，在较短的时间内，已形成了具有自主知识产权的设计建设标准体系。京津城际铁路的开通标志着我国进入高速铁路时代，武广、郑西、沪杭、吉珲、津秦、湘桂等高速铁路陆续投入运营，截至2015年，中国高速铁路运营里程达1.8万多千米，位居世界第一位。我国高速铁路不论是里程规模，还是技术水平都已经走在世界前列。
高速铁路技术是当今世界铁路的一项重大技术成就，它集中反映了一个国家铁路牵引动力、线路结构、高速运行控制、高速运输组织和经营管理等方面的技术进步，也体现了一个国家的科技和工业水平。高速铁路在经济发达、人口密集地区的经济效益和社会效益尤为突出。高速铁路是用高新技术改造、更新传统铁路的一项创新工程体系，它凭借快速、安全、舒适、经济、高效的特点，在世界运输市场激烈的竞争中取得了较好的市场份额，推动了国民经济的发展与国土的开发，社会经济效益十分显著。
1.1　高速铁路技术与装备体系
高速铁路系统是一套人、车、路、环、管互相交融的动态复杂巨系统，高速铁路技术综合了工务工程技术、桥梁和隧道技术、轨道技术、信号技术、微电子技术、计算机应用技术、通信技术、控制技术、新型材料技术、安全保障技术、运输组织和管理等多学科、多方向、多系统的前沿技术，高速铁路技术与装备体系是融合固定设备、移动设备、运营控制于一体的高度集成化、技术复杂化、耦合程度高、组织一体化的现代系统工程体系。
1.1.1　高速铁路固定设备
高速铁路固定设备包括路基、桥梁、隧道、轨道、无缝钢轨、车站、接触网等。其中路基、桥梁、隧道都是轨道的基础，它们直接承受轨道的重量，在车辆通过时，还要承受机车车辆及其荷载的压力。路基工程主要由路基本体、路基防护和加固建筑物、路基排水设施三部分组成。路基是为了满足轨道铺设和运营条件而修建的土木工程建筑物，其修建的状态和质量直接决定了轨道线路的状态与质量，尤其对高速铁路而言，对轨道线路的平顺度、稳定性、耐久性要求极高，因此，高速铁路路基应按土工结构物进行设计，其地基处理、路堤填筑、边坡支挡防护以及排水设计等必须具有足够的强度、稳定性和耐久性。
当铁路通过江河、山谷，或要跨越公路、铁路既有线时，就需要修建桥梁、隧道建筑物。另外，随着我国高速铁路的不断发展和技术完善，逐渐形成了以桥代路、控制沉降的设计理念，因此，与传统的既有线路相比，我国高速铁路线路将需要修建大量的长大桥梁。高速铁路全封闭的行车模式和轨道的高平顺性要求也导致桥梁比例明显增大，且以高架长桥居多，以中小跨度为主。
高速铁路隧道大多修筑在山中，从而避免开挖很深的路堑或者修建很长的迂回线，提高线路的平顺度和列车的通过速度。高速铁路隧道设计参数的特殊要求主要是由于车进入隧道诱发的空气动力学效应。当车速超过200km/h时，空气阻力成为行车总阻力的主要部分。在隧道中，这种阻力又比在明线运行时有明显的增加，其大小与车速、车头形状、隧道长度和断面大小有关。此外，由于气流的非恒定性，列车在隧道运行过程中，空气阻力并不是常数。通过采取如增大隧道断面尺寸、设置隧道口缓冲区等手段，最大限度地减小由于列车通过隧道而产生的不利情形。
在修建路基和桥梁、隧道建筑物之后，就可以铺设轨道了。轨道是指位于路基面以上、列车车轮以下的线路建筑物。轨道包括钢轨、轨枕、连接零件、道床、防爬设备及道岔等部件。高速铁路的行车特点是高速度、高密度和小编组，为实现列车的高安全性和高乘坐舒适性，轨道结构需具备高平顺性和高稳定性。其中，高平顺性通过建设初期的质量控制和开通运行后的养护维修控制来实现，高稳定性通过轨道部件的高可靠性、提高大机养修作业精度、增加养修作业后的安全储备量来实现。按照有无砟石，轨道可分为有砟轨道和无砟轨道，传统的有砟轨道容易变形，维修频繁且费用较高，列车运行速度受到限制，不适于高速列车行驶。因此，无砟轨道成为高速铁路工程技术的发展方向。其由铁轨、扣件、轨道板组成，具有平顺性高、刚度均匀性好、轨道几何形位保持性持久、维修工作量小等特点。
轨道是一个整体性工程结构，经常处于列车运行的动力作用下，轨道中的钢轨直接承受车轮的巨大压力，并引导车轮的运行方向。我国高速铁路均采用了无缝钢轨这种新的轨道结构形式，无缝钢轨是指在工厂将25m的钢轨焊接成长的长轨后，用专门的车辆运到工地，再将其焊接成更长的钢轨。通过将25m长的钢轨焊接起来连成几百米甚至几千米长，无缝线路减少了接头鱼尾板和螺栓，节省钢材的同时，消除了车轮对钢轨轨头的冲击，从而提高了列车运行的速度和平稳性，减少了环境污染和养护维修工作量，延长了线路设备和机车车辆的使用寿命，是高速铁路轨道结构现代化发展的重要方向。
高速车站的分布主要取决于城市分布和市场需求情况，并结合沿线城镇和重要居民点的分布。我国高速铁路的运输组织模式为本线旅客列车和跨线旅客列车共线运行，车站有与既有站分设和合设两种布置。我国现有火车站进站模式均为等候式，国外车站则是通过式，即到即走。高速铁路车站可分为越行站、中间站、始发站、终到站，以及通过兼始发、终到站。车站与既有客运站合设的布置方案的优点是吸引更多的旅客乘坐高速列车，充分利用既有客运站的站场、站房及其他旅客服务设施，节省工程投资和城市用地，有利于旅客换乘。其原则包括高、普速列车宜分场分线使用，在跨线列车车站需设联络线或渡线，客运站房共用。
高速接触网要求接触线受流、稳定、抗张、导电性能好及电流强度大。国外高速铁路的运营经验表明，复链形悬挂、弹性链形悬挂、简单链形悬挂均能满足高速运行要求，我国采用全补偿简单链形悬挂，采用综合接地系统，具有一级负荷的变配电所，采用SCADA系统对各供电设备进行一体化监控管理。
1.1.2　高速铁路移动设备
高速铁路移动设备主要有动车组和摆式列车两种。
动车组是指由两辆或两辆以上带动力的车辆和客车固定编组在一起的列车。动车组具有成组存在，由带动力的车辆和不带动力的客车组成，多用于客运，以固定编组进行运营，运营时不能解编，多采用电力牵引的特点。按最高运行速度分为准高速、高速和超高速动车组；按动力配置方式分为动力集中型和动力分散型高速动车组；按牵引动力分为高速电动车组、高速内燃动车组和磁悬浮动车组；按转向架连接方式分为独立式动车组和铰链式动车组。我国高速铁路线上运行的动车组是拥有完全自主知识产权、具有世界先进水平的国产“和谐号”高速列车，列车系统有很多关键技术的创新，在牵引系统、制动系统、高速转向架、车体空气动力学等方面的技术处于当今世界领先地位。
摆式列车是指一种车体转弯时可以侧向摆动的列车，以补偿列车不同的离心力，能够在普通路轨上的弯曲路段高速驶过而无需减速。摆式列车具有路途舒适度高、环境影响最小、使用灵活和拥有高效安全的刹车系统等特点。其原理就是将车体设计成能在不同速度条件下可实时倾摆的车体，当车辆向左转时，车体向左倾摆，让重力抵消向右推的离心力。摆式列车于20世纪70年代首先由英国研制成功，并成功运行在芬兰、德国、西班牙、瑞典、葡萄牙和意大利的高速铁路上。
1.1.3　高速铁路运营控制
高速铁路运营控制通过运营组织和列车运行控制等管理手段，实现高速列车的高效、稳定、安全、可靠运行。高速铁路运营组织系统覆盖旅客旅行服务的全过程，最大限度地满足不同层次的旅客出行需要，适应客流变化，制定运输计划和旅客列车开行方案，建立以高新技术为基础的安全保障体系和以调度中心为中枢的运营管理总体系统，实现了运营组织管理的高水平和高效益。
高速铁路基于运营调度指挥系统实现高速列车的运行控制，实现高速列车高效、安全运行。铁路运营调度指挥系统是集计算机、通信、网络等现代化技术为一体的综合系统，主要是帮助铁路管理部门对运力资源进行动态调配优化，并完成列车的计划、运行、设备维修等一系列任务，是完成高速铁路运输组织特别是高速铁路系统日常运营的根本保证。
1.2　高速铁路运营安全要素分析
与传统铁路相比，高速铁路的列车运行速度得到了极大提升，列车运营过程中潜在的不安全因素增多，安全问题尤为重要。高速列车运行速度高达300～350km/h，任何灾害的发生都可能引发较大的损失，威胁人民群众的生命和财产安全。以德国高铁为例，1998年6月3日早上10:59，德国高铁ICE884号列车行经接近艾须得路桥时，以200km/h的速度脱轨，第三节车厢撞击艾须得路桥右侧第一根梁柱，造成梁柱坍塌，引发后续车厢的连续撞击，共造成101人死亡，这是高铁史上最为惨痛的一次事故。因此，安全管理是高速铁路运营管理的重中之重，通过分析高速铁路运营安全要素，充分了解和掌握各安全要素的特点和安全管理方法，是构建运营安全保障技术体系、实现安全运营的重要技术手段。
高速铁路运营体系是由多个子系统组成的复杂动态巨系统，它涉及铁路工作人员、线路、机车车辆、通信信号、监控、故障检测、维修等各个领域，根据系统工程原理，高速铁路运营安全要素可归纳为人员、机车车辆、线路、环境和管理5个方面。
1.2.1　人员安全要素
高速铁路运营安全贯穿了铁路建设、运营和管理的各个环节，从最初的勘测、设计，到施工、新技术的研究开发、设备的生产制造、运营管理和日常维护监测等都直接或间接与安全相关，而这其中的每个环节都需要人员的参与和管理。因此，人员安全要素渗透到了铁路的各个部门、专业和工种，可以说人员安全要素是一个复杂的综合性要素。根据日本高速铁路30多年安全运行的管理经验，为保证高速铁路的运输安全，必须要处理好人的问题、机器设备的问题以及人与机器两者间的协调问题。
1.2.2　机车车辆安全要素
影响机车车辆安全的因素有设计制造风险、维护保养风险以及机车车辆的运行风险等。设计制造风险包括是否有设计制造缺陷，是否采用了新技术和新材料。维护保养风险是指在维护保养过程中，是否能及时发现机车车辆内部早期缺陷，是否按照保养规定按时维护和保养，是否达到维护保养的技术水平等。机车车辆的运行风险是指车辆超载运行、机车车辆未按照线路规定的限速行驶，以及司机未按照操作规程操作机车等。
1.2.3　线路安全要素
高速铁路线路是由路基、桥隧建筑和轨道组成的一个复杂的整体工程结构，其中轨道又包含无缝钢轨、轨枕、连接零件、道床、防爬设备和道岔等。因此线路安全要素涉及路基沉降、桥梁裂纹、隧道形变、无缝钢轨应力超限、断轨、扣件缺失、CA砂浆脱空以及轨道不平顺等多个方面。与传统铁路相比，高速铁路列车运行速度快，列车车轮与无缝钢轨间的作用力更大，列车对钢轨的冲击力又进一步传导至扣件、道床、路基和桥梁，当车辆对线路结构的动力破坏作用超过一定限度时，就会产生一系列病害问题。因此，必须加强对高速铁路线路服役状态的综合监测，在复杂多变的运行环境下准确感知车辆和线路的关键参数变化，从而保证高速列车持久、安全运行。
1.2.4　环境安全要素
环境安全要素包括社会环境要素和自然环境要素两方面。社会环境因素主要指社会政治和经济形势、安定团结的局面、社会治安情况等，良好的社会环境对高速铁路的运行安全起到良好的促进和保障作用。自然环境因素中的自然灾害是影响铁路运输安全的重要因素之一，尤其对高速铁路而言更为突出。自然灾害种类繁多，如暴雨、冰雹、大风、暴风雪、台风、龙卷风、洪水、泥石流、山体塌陷以及地震等，都将严重危害高速铁路行车安全。除了灾害性天气，酷暑、严寒也会对高速铁路的场外作业和维护工作带来安全隐患，其他一些影响观察视野的情况，如大雾、沙尘暴、大雨、大雪等，也会严重影响行车安全。另外，我国国土辽阔，高速铁路具有跨多个气候带的特点，长达数十、上百千米的无缝线路，处于非常复杂的环境温度场作用下，因此，在环境安全要素中，温度场分布情况也是必须要考虑的一个重要环节。
1.2.5　管理安全要素
安全管理就是以安全为目的，进行
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