楊宜恒／工研院材化所
國內軌道輸送系統密度高而乘載量大，其中軌道承托系統肩負著保持車輛在運行過程中承受各種不同方向力量之任務，確保軌道系統的平穩與安全，也是國家核心命脈的關鍵問題。光纖感測技術可根據不同的光學原理與設計，延伸涵蓋整個軌道路線並進行各種物理量的量測。本文介紹軌道承托系統在安全保障上的監測需求與光纖感測技術之發展現況；透過光纖應變量測對鋼軌幾何完整性進行監測，是未來安全保證的技術發展方向。
【內文精選】
軌道安全的重要性
儘管台灣人口稠密且各項建設密集發展，但國內交通運輸系統至今仍面臨偏鄉交通不便、私人運具持有比例高、公共運輸量提升已達瓶頸等課題。因應綠色交通運輸趨勢，政府推動「前瞻基礎建設計畫」目標，針對未來30年規劃「軌道建設」，來打造下一個世代國家發展需要的基礎建設，就全國軌道輸送網路之建置，包括骨幹、城際、都會內鐵道建設做全面性規劃。在國內地狹人稠的情況下，一個高密度之軌道輸送系統的安全如何維護，便成為未來國家核心命脈的關鍵問題。
整體而言，軌道系統的災害包含天然災害、營運災害（如號誌、通訊、設備、煞車、動力/電力等系統故障、員工操作失誤等）、系統災害（如機械設備耗損、老化、路基下陷等）、人為破壞或意外事故等。根據台灣高鐵公司由2007年至2017年8月的統計，重大行車事故有5件、一般行車事故有4件，而異常事件共有329件，占全部事故件數之97.3%。其中異常的原因以運轉保安裝置故障為最高，占異常事件的40.7%；其次為車輛故障占20.4%；之後則是天然災變有9.4%。以美國聯邦軌道管理局安全分析辦公室在2012年之分析，該年的軌道事故肇因及各種肇因造成之損失金額資料為例，事故率最高的原因為轉轍器故障，占全年事故因素的17.5%；其次為鋼軌、魚尾板、防爬器占10.8%；以及軌道幾何變形占10.6%。其中，事故造成的損失金額以鋼軌、魚尾板、防爬器的失效影響最大，占全年軌道事故損失金額的20.5%。
軌道承托系統的安全與完整性
1. 軌道承托系統的基本架構
軌道承托系統為土木結構與車輛之間的媒介，關係軌道系統安全。為達到安全要求，軌道之定線、基鈑與鋼軌間之構建、基座與基盤及接合構件間之結構及應力、橋軌互制等須有精準的分析、模擬與計算，方能確保其運行無礙。整體而言，軌道系統如圖一所示，由上而下基本可分成三大部分：鋼軌、扣件系統、道床。
圖一、軌道承托系統示意圖
3. 軌道承托系統安全的幾何完整性
當作用於軌道構件上之外力超過該材料之容許應力限度時，構件將無法恢復至原來的尺寸及形狀，形成永久變形；變形累積至一定限度，將使構件強度降低，產生軌道不整的現象；軌道不整一旦超出容許值，行車安全即受到威脅。且台灣氣候多變，軌道亦容易因熱脹冷縮所造成之影響產生挫曲現象。確保軌道結構狀態良好乃是列車行駛安全無虞的關鍵。如前所述，軌道承托系統有著嚴謹的建造與驗收規則，政府亦頒布明確之軌道養護規則，對其中幾何條件有著明確的容許範圍。以下介紹軌道幾何不整(Geometry Irregularity)的主要問題與參數。
(5) 平面性(Twist)不整
平面性不整量係指軌道一定間距的水準變化量，所以平面性不整基本上表示軌道之扭曲狀態（圖八）。平面性與車輛依三點支承而出軌有密切關係，因此在行車安全上，平面性被認為是重要的。
圖八、平面性不整示意圖
由上述可知，若以軌道承托系統的觀點探討其結構完整性可以發現，這些對軌道車輛行駛造成危害的因素皆是重大之幾何條件變化。若能完整監測整體軌道的變形狀態，將可有效地維持軌道系統的運作。而軌道承托系統的狀態，即是反映在軌道的變形狀態，也就是鋼軌的應變。接續將介紹光纖監測(Optical Fiber Monitoring)技術在應變量測上的發展狀態…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料》雜誌396期，更多資料請見下方附檔。