發布時間：2022-04-15所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：科學養護維修是確保高速鐵路橋隧工程使用壽命的關鍵。基于我國高速鐵路技術特點，從不間斷運營導致維修困難、大密度高速列車影響、橋隧結構服役環境復雜以及維修作業空間受限等方面，總結確保高速鐵路橋隧工程使用壽命的難點;梳理我國高速鐵路養護維修技術管理
摘 要：科學養護維修是確保高速鐵路橋隧工程使用壽命的關鍵。基于我國高速鐵路技術特點，從不間斷運營導致維修困難、大密度高速列車影響、橋隧結構服役環境復雜以及維修作業空間受限等方面，總結確保高速鐵路橋隧工程使用壽命的難點;梳理我國高速鐵路養護維修技術管理體系及其技術標準體系，闡述信息化技術、健康管理系統以及無損檢測新技術在我國高速鐵路橋隧工程檢測中的應用;結合高速鐵路橋梁豎向沉降整治技術和隧道襯砌預防式注漿技術創新案例，指出預防式維修是我國高速鐵路橋隧工程養護維修的發展趨勢。
關鍵詞：鐵路橋隧;科學養護;預防式維修;健康管理;BIM
1 概述
高速鐵路以其安全舒適、方便快捷等顯著特征已成為我國百姓綠色出行的首選。截至2016年底，我國高速鐵路運營里程已達2.2萬km，運營里程高居世界首位，占世界高速鐵路總里程的60%以上。隨著“一帶一路”戰略的全面實施，中國鐵路“走出去”戰略不斷取得新進展，高速鐵路還將成為影響我國國計民生、經濟發展和國際影響的重要因素。
“以橋代路”以及“無砟軌道”的設計理念已經成功應用于我國高速鐵路工程的設計中。橋梁所占比例大(京滬高速鐵路橋梁占80.4%)、橋梁跨度大、隧道地質條件復雜以及長大隧道多成為我國高速鐵路線下結構工程的主要技術特點。高速鐵路條帶狀分布、露天服役環境、承受疲勞荷載、天窗期維修等特征，決定了高速鐵路工程結構耐久性的復雜性和使用壽命的不可預測性。為確保高速鐵路工程結構的耐久性，按使用年限進行鐵路混凝土結構耐久性設計已被納入《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》[1]。工程結構耐久性是指在預定的作用和預期的使用與維護條件下，在設計使用年限內保持其使用功能的能力(見圖1)。這意味著高速鐵路服役階段必須對橋梁隧道(簡稱橋隧)工程結構實時檢查與維修，養護維修是確保高速鐵路工程在設計使用年限內安全服役的關鍵因素。為確保我國高速鐵路的使用壽命，結合我國高速鐵路結構特征以及氣候環境特征，系統開展了高速鐵路橋隧工程結構運營維護技術的研究，形成了我國高速鐵路橋隧工程結構養護維修管理、養護維修技術以及養護維修標準體系。
2 面臨困難
橋隧工程結構是高速鐵路的重要組成部分，所占比例大，結構復雜，修建困難。橋隧工程等線下基礎的穩定性是決定高速鐵路線路高可靠性、高穩定性、高平順性的關鍵。高速鐵路對橋梁、路基和隧道基礎變形和缺陷限值的要求遠高于普通鐵路。與普速線路和重載鐵路相比，高速鐵路對橋梁、路基、隧道等線下基礎結構狀態的安全等級劃分和維修標準要求更加嚴格。對于普速線路或重載鐵路來說，較小的缺陷或病害，在高速鐵路中可能會影響行車的安全性，這對我國高速鐵路安全運營是極大的考驗。因此，高速鐵路橋隧等線下基礎的養護維修標準要求更高、安全性卡控更嚴、確保高速鐵路使用壽命更難。
2.1 不間斷運營
高速鐵路的運營特點是白天公交化運輸，夜間停輪集中維修。為不影響高速列車安全準時運營，高速鐵路橋隧嚴格執行“施工不行車，行車不施工”的天窗修制度。我國高速鐵路正線、到發線天窗一般為垂直天窗，天窗時段一般設置在0：00—4：00，多為 4 h。由于天窗時間短，維修人員要行走到維修區間，所以有效養護維修時間更短，且天窗期內的養護維修作業施工不能對天窗點畢后線路的正常開通和安全運營造成任何障礙，因此，高速鐵路不間斷運營養護維修作業技術難度大，必須要創新養護維修技術、材料與機具。
2.2 列車運營速度高，基礎穩定性要求嚴
列車高速運行對線路穩定性要求極高，對橋梁、隧道結構長期變形限制嚴格，包括混凝土橋梁的長期徐變、墩臺的變形變位、基礎不均勻沉降等。我國高速鐵路客流量大、行車密度大、線路里程長、地質條件復雜，高速列車高頻周期疲勞荷載加劇了對橋隧工程結構的疲勞破壞，增加了橋梁鋼結構疲勞裂紋以及螺栓斷裂風險。
2.3 結構服役環境復雜
高速鐵路需要跨越大江南北，延伸祖國各地。一方面，鐵路工程的線下基礎必須與土壤、地下水或河水接觸，環境土和環境水中的硫酸鹽、鎂鹽、堿等會對混凝土產生腐蝕作用，河流中的冰、泥沙也會對混凝土產生磨蝕作用;另一方面，鐵路工程的露天服役特性決定了高速鐵路工程結構必須經受惡劣氣候環境(溫度、濕度、風、霜、雨、雪)的腐蝕作用，沿海地區的結構會遭受鹽霧的侵蝕，西南地區的結構會遭受酸雨的侵蝕，東北地區的結構會遭受凍融破壞的侵蝕。復雜的服役環境、列車高頻疲勞荷載以及不同結構物的相互作用，導致高速鐵路橋隧結構服役環境復雜多變，這些對高速鐵路安全運營以及養護維修帶來了極大的障礙。另外，全球氣溫升高引起的氣候變化也會對高速鐵路工程結構造成意外傷害。
2.4 維修作業空間受限
受天窗維修模式的限制，高速鐵路橋隧等工程結構的養護維修必須在夜間作業，夜間光線不足是養護維修的一大難題。高速鐵路大量高墩橋梁養護維修還需高空作業，必須同時做好安全保障工作。由于大型作業機械上道難度大、隧道內空間有限、長大隧道空氣污濁且濕度較大，給隧道養護維修帶來極大困難;另外，隧道拱部的病害處理還需高空作業。所以，夜間維修、高空作業和作業空間受限是高速鐵路養護維修的難題。
3 橋隧養護維修技術管理和技術標準
3.1 技術管理
3.1.1 管理體系
高速鐵路維修管理在充分考慮國情、路情的條件下，以實行屬地化管理和“管(管理維護)、檢(檢測)、修(修理)”分開的管理體制為原則，體現 “專業強化、管理集中、資源綜合”和“精干高效” 的養護維修理念[2]。我國高速鐵路橋隧建筑物維修工作遵循“預防為主、防治結合”的原則，強化設備檢查，采取周期性保養和綜合維修相結合的方式，預防病害發生，保持橋隧建筑物使用狀態均衡完好，使列車能以規定的速度，安全、平穩和不間斷地運行。
我國高速鐵路工務設備由中國鐵路總公司(簡稱總公司)、鐵路局、工務段(含高鐵工務段，下同)、車間(工區)4級機構負責維護管理。路橋檢查車間的管轄營業長度宜在300 km左右，且不超過 400 km;路橋檢查工區管轄營業長度100 km左右;山區路段宜適當縮小管轄長度[3]。
3.1.2 工務設備信息管理
高速鐵路工務設備運營維護綜合數據中心采用“總公司—鐵路局—工務段”3級模式，可以是“總公司— 工務段”2級，也可以是“總公司—鐵路局”模式，以云平臺形式形成“虛擬數據中心”。工務設備運營維護綜合數據中心需要考慮鐵路局、工務段的管理形式，在工務段管理統一的標準下，通過系統建設、升級、改造等方式，形成各鐵路局和工務段的應用系統。高速鐵路工務設備運營維護綜合數據中心(見圖2)，實現各類數據的有效管理和應用，體現檢測—數據分析—維修全過程管理理念[4]。系統對運營維護環節的動靜態檢測信息、監測信息、養護維修作業信息等進行采集、實時傳輸、存儲和分析，實現對高速鐵路工務管理、檢測、維修流程的統一管理，并對各種信息進行智能綜合分析，提出科學的設備養護維修建議，為工務設備養護維修的各級決策提供全方位的信息服務，實現對工務設備設施的動態管理和科學養護，達到提高維修效率、降低維護成本、保障高速列車安全運行的目標。
3.2 技術標準
為做好高速鐵路橋隧工程結構維修工作，提高維修技術水平，我國已經初步形成了高速鐵路養護維修技術標準體系，涵蓋了高速鐵路橋隧檢測評估和養護維修領域。我國高速鐵路養護維修技術標準體現了繼承性、適用性和先進性等特點，涉及到高速鐵路不同的結構物，如線路、橋隧、路基等;涵蓋不同的運行速度，包括既有線提速200～250 km/h和新建250 km/h 及以上的高速鐵路;囊括高速鐵路有砟軌道和高速鐵路無砟軌道不同類型。我國高速鐵路工務工程養護維修標準見表1。
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為細化和指導高速鐵路養護維修作業，還編制了養護維修技術文件，如《高速鐵路橋隧建筑物修理細則》《高速鐵路工務修理案例》《高速鐵路工務知識讀本》《高速鐵路工務技術》等，這些技術標準和技術文件有效指導了高速鐵路工務工程的養護維修。
4 檢測及養護維修技術
高速鐵路橋隧養護維修技術體現了全過程閉路循環，即：綜合檢測車、專業檢查車等動態檢測設備發現問題—人工查看—信息處理—及時整治。針對長大連續梁橋、特殊結構梁橋、特殊地質條件隧道區段等高速鐵路工程結構物，為確保其在長期運營過程中服役狀態良好，積極引入新技術、新理念，搭建狀態預測與健康管理系統(PHM)，安排適時養護維修，以 延長高速鐵路工程結構的耐久性。
4.1 檢測/監測技術
4.1.1 要求
按照“動態檢查為主，動、靜態檢查相結合，結構檢查與幾何尺寸檢查并重”的原則，按周期對線路進行動態檢查。采用綜合檢測列車等檢測設備進行動態監測;采用絕對測量系統和相對測量系統相結合的方法做好靜態檢查。采用先進技術，做好基礎沉降和構筑物變形檢測監控;做好隧道襯砌、邊仰坡防護、防排水設施等設備狀態檢查;做好防護柵欄、聲屏障、上跨橋、公鐵并行地段防護等安全防護設施檢查。檢查類別分為周期性檢查、臨時檢查、水文觀測、專項檢查、檢定試驗等，各項檢查必須建立相應責任制度，保證各項檢查工作的落實。高速鐵路橋梁和隧道檢測類別與周期見表2。
4.1.2 方法
為確保高速鐵路橋隧服役安全，引入結構健康管理體系以及新型無損檢測手段。
(1)橋梁監測技術。高速鐵路橋梁病害檢測包括智能巡檢和健康監測相結合的方法。智能巡檢是通過結合日常人工巡檢和定期檢測工作，對橋梁部件或單元的損傷部位、類型和程度進行數據采集和巡檢管理。日常人工巡檢時，借助巡檢移動設備APP，關聯橋梁建筑信息模型(BIM)和橋梁病害庫，隨時隨地調取巡檢計劃與任務，現場按管理單元快速定位橋梁損傷并實時錄入，自動對橋梁單元的各類損傷進行記錄、統計和智能分析。高速鐵路橋梁PHM系統利用橋梁結構健康監測對結構的損傷位置和程度進行實時診斷，對橋梁的服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進行智能評估，為大橋在特殊天氣或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警信號，為橋梁的維修、養護與管理決策提供依據和指導。
高速鐵路大型結構橋梁養護維修PHM系統借助3S (客戶端(C/S)、廣域網(B/S)、移動互聯網(M/S))網絡架構和BIM模型，基于車-線-橋-環境一體化監測和智能巡檢，利用融合技術對多源數據開展歷史趨勢分析與相關性研究，實現橋梁病害的診斷與預測，對橋梁健康狀態進行綜合評估，通過實時監測進行RAMS(可靠性、可用性、可維護性和安全性)高鐵管理，其整體架構見圖3。高速鐵路PHM系統應用于京滬高鐵南京大勝關長江大橋的管理養護維修(見圖4)，系統對所選取支座進行實時監測，得到支座位移變化的時間歷程，并對支座縱向位移與鋼桁拱、弦桿、正交鋼橋面板、道砟槽整體溫度進行相關性分析，利用最小二乘法對4種線性相關特性進行擬合，通過支座位移歷史趨勢分析從而確定支座的季節性變化范圍，綜合評判支座位移是否在合理范圍[5]。
(2)隧道檢測技術。無損檢測技術的進步帶動了隧道檢測技術的發展，突破了隱蔽工程檢測困難的技術難題。現有檢測技術能夠檢測隧道裂縫、空洞、不密實、掉塊以及表面缺陷等，基本能夠滿足高速鐵路隧道檢測要求。我國高速鐵路隧道檢測技術見表3。
4.2 養護維修技術
4.2.1 橋梁工程
(1)橋梁病害形式與特點。我國高速鐵路橋梁主體結構服役性能優良，但由于認識不足、人為因素、客觀條件變化等因素，高速鐵路橋梁病害可分為2類：一是基礎條件變化引起的結構變形變位;二是附屬設施損傷引起的病害，如防水層、伸縮縫、支座等損傷。高速鐵路對沉降要求十分嚴格，橋梁墩臺工后沉降要求不超過20 mm，橋梁相鄰墩臺、路橋及路隧過渡段沉降差不超過5 mm。高速鐵路橋梁基礎沉降的原因是多方面的：一是受環境溫度、地下水位下降及基礎沉降等因素影響，局部橋梁樁基逐漸出現沉降，特別是豎向差異沉降;二是高鐵沿線側向堆載或者開挖等人工行為也會引起高速鐵路橋梁基礎變形。
(2)基礎變形維修技術。高速鐵路橋梁基礎變形包括豎向沉降變形和橫向位移。對高速鐵路橋梁基礎變形開展研究，提出了高速鐵路豎向沉降變形和橫向位移的檢測技術，為高速鐵路橋梁基礎變形維修提供技術儲備。
橋梁基礎豎向變形整治技術包括預頂升、頂升梁體、臨時支撐、千斤頂泄壓和落梁等步驟，具體頂升工藝見圖5。預頂升的目的是消除頂升系統可能出現的問題，如接頭漏油、油泵壓力不足、千斤頂出缸量不勻等，同時消除頂升過程中可能出現的非彈性變形，對頂升過程進行預演，及時發現頂升系統問題。預頂升以千斤頂承壓力等于設計荷載且支座與梁體脫離為標準，并應持荷5 min后卸載。預頂升后應仔細檢查千斤頂位置結構物的狀態，以及千斤頂上下鋼墊板有無變形，必要時調整鋼板的厚度。對梁體進行頂升，若支座的頂升位移在2 mm以上，可分級頂升梁體至設計要求的高度。梁體頂升過程中以頂升量為控制標準，以1~2 mm劃分頂升等級。臨時支撐是頂梁換支座過程中最為重要的安全保證，采用專用厚鋼板累積而成。鋼板應確認表面平整，臨時支撐與梁底、墩臺的接觸面積應大于原支座的承壓面積，并在梁體頂升到位后及時安放。全部臨時支撐放置好后，千斤頂回油臨時落梁，使梁體完全支承在臨時支撐上。落梁需要等到新換支座的灌漿強度達到設計值后進行，落梁過程與頂升過程相反，在千斤頂施壓替換臨時支撐后，拆除臨時支撐，然后回油落梁，梁體重新支承在新換支座上。在橋梁頂升過程中需要對軌道結構應變、軌道結構裂縫、支座受力與位移等進行監測，以確保線路的穩定。
4.2.2 隧道工程
(1)病害形式與特點。我國高速鐵路隧道結構設計充分考慮到受力均勻、防排水效果好、易維修等特點，但由于我國地質條件復雜、部分地區水系發達、腐蝕與凍融等環境因素，再加上認識上不足和施工水平所限，高速鐵路隧道出現一些病害。高速鐵路運營隧道病害的形式主要為：襯砌裂縫、襯砌滲漏水、襯砌掉塊或背后空洞、仰拱或底板裂損、隧道底上拱、隧道凍害、危巖落石等。襯砌裂縫和襯砌滲漏水所占比例較大，雖對高速鐵路運營安全影響不大，但會影響隧道結構的耐久性;其他病害雖然所占比例不大，但可能構成危及行車安全的風險源，應該引起充分重視。
高速鐵路隧道病害主要特點包括3個方面：一是隧道病害隱秘性強，病害不易發現，需要借助專用檢測儀器，如襯砌背后空洞;二是隧道內作業空間小，到達隧道內部耗時較長，尤其是對長大隧道，養護維修難度極大;三是隧道某些病害可能會構成影響行車安全的風險源�；谒淼啦『Φ奶攸c，應創新整治思路，變整治技術為預防措施，在設計階段或施工階段盡量消除隧道的病害隱患。
(2)襯砌病害預防性維修技術。針對隧道襯砌背后脫空、開裂和襯砌厚度不足等問題，為徹底消除安全隱患，確保鐵路運輸安全，提出了隧道襯砌拱頂缺陷預防技術——帶模注漿缺陷防治技術[6]。該技術主要包括活性粉末混凝土注漿管(簡稱RPC管)安裝、觀察襯砌混凝土灌注情況、注微膨脹材料以及注漿孔封堵等4步工藝。在混凝土灌注之前，通過在臺車徑向試穿RPC管，測量長度，預判拱頂襯砌混凝土厚度，并向上固定防水板;混凝土灌注過程中，對拱頂混凝土灌注進行過程監控，觀察預埋RPC管口頂部十字溢流槽的溢漿情況，判定拱頂混凝土是否飽滿;混凝土灌注完畢，通過預埋RPC管及時進行具有修復作用的微膨脹材料的注漿;注漿完畢，統計注漿量，對注漿孔進行封堵。隧道襯砌帶模注漿缺陷防治技術見圖6。
襯砌帶模注漿缺陷防治技術核心是：將傳統的隧道襯砌空洞缺陷由后期修補變為施工期間的預防，通過早期“預防”式治理，及時解決灌注不飽滿的問題，將襯砌混凝土施工這一“隱蔽工程”變為“可見可控工程”，并及時采用具有修復作用的注漿材料，以預防襯砌拱頂缺陷的產生。
5 結束語
(1)創新了高速鐵路養護維修技術。提出了高速鐵路橋隧缺陷限值及其安全評定等級，形成了高速鐵路橋隧檢測技術體系，建立了基于天窗期的高速鐵路橋隧維修技術體系，確保了我國高速鐵路工程結構的耐久性與安全性。
(2)建立了高速鐵路養護維修標準體系。編制了高速鐵路橋隧檢測和不同時速高速鐵路橋隧養護維修技術標準，初步形成了我國高速鐵路養護維修標準體系，指導我國高速鐵路橋隧工程結構物的養護維修。
(3)實現了高速鐵路養護維修的信息化。信息化已經應用在我國高速鐵路橋隧工程結構服役行為的監測和工務設備管理體系中，對預測我國高速鐵路橋隧工程結構的服役狀態、缺陷發展等起到了重要指導作用。養護維修作業也逐漸采用信息化技術，以實現維修作業的精準化。——論文作者：盧春房
參考文獻
[1] 中華人民共和國鐵道部. TB 10005—2010 鐵路混凝土結構耐久性設計規范[S]. 北京：中國鐵道出版社， 2010.
[2] 中華人民共和國鐵道部. 鐵運[2010]164號 高速鐵路工務管理指導意見[S].
[3] 中華人民共和國鐵道部. TG/GW114—2011 高速鐵路橋隧建筑物修理規則[S]. 北京：中國鐵道出版社，2011.
[4] 康高亮，陳東生，黎國清，等. 中國高速鐵路工務維修管理體系研究[J]. 鐵路技術創新，2015(2)：113-116.
[5] 趙欣欣.大跨度鐵路橋梁故障預測與健康管理系統(PHM)應用技術研究[R].北京：中國鐵道科學研究院，2016.
[6] 龔成明，朱嘉斌，佘海龍. 鐵路隧道襯砌臺車拱頂帶模及時注漿工藝研究[J]. 現代隧道技術，2017(1)： 180-185.
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