馮乾寬 王石磊 高巖 宋國華 齊法琳

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；3.中國國家鐵路集團有限公司鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測中心，北京 100081）

截至2019年12月31日，中國高速鐵路運營里程達3.5萬km，其中橋梁總長度約1.7萬km，隧道總長度約0.55萬km，橋隧占比約為64%[1]。中國幅員遼闊，高速鐵路沿線氣候、地質(zhì)、水文條件多變，橋隧工程面臨著腐蝕、凍融等多因素組合的復雜服役環(huán)境。橋隧工程的穩(wěn)定性是決定高速鐵路線路高可靠性、高穩(wěn)定性、高平順性的關(guān)鍵。相較于普速鐵路，高速鐵路橋隧變形和缺陷限值的要求更高，很小的缺陷或病害也可能會影響行車的安全性。

科學合理的高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢監(jiān)測制度是指導工務(wù)養(yǎng)護維修的重要依據(jù)，對鐵路安全運營具有重要意義[2]。盧春房[3]分析了中國橋隧服役特征、維修作業(yè)模式，指出預防式維修是中國高速鐵路橋隧工程養(yǎng)護維修的發(fā)展趨勢。陳東生等[4]借鑒世界各地高速鐵路軌道工務(wù)維修管理經(jīng)驗，提出了幾種適合中國高速鐵路工務(wù)維修的管理模式。馬偉斌等[5]結(jié)合當前中國運營鐵路隧道檢測、監(jiān)測、評估和整治技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)出一套隧道病害整治的技術(shù)體系。

橋隧損傷識別技術(shù)和質(zhì)量檢測方法不斷進步[6-8]，但目前橋隧狀態(tài)獲取仍以人工接觸性檢查為主，檢測手段、效率、精度與鐵路基礎(chǔ)設(shè)施精準修、狀態(tài)修理念存在一定差距。鐵路基礎(chǔ)設(shè)施使用期限長且投資成本高，鐵路局面臨著不斷降低生產(chǎn)成本與提高養(yǎng)護維修效率的壓力，與橋隧檢監(jiān)測之間的矛盾日益突出。有必要對比世界各地高速鐵路橋隧檢監(jiān)測現(xiàn)狀，優(yōu)化檢監(jiān)測制度，完善狀態(tài)評定標準，研究并構(gòu)建與中國高速鐵路橋隧規(guī)模相適應、科學高效的檢監(jiān)測體系，以確保及時識別鐵路運輸安全風險，客觀把握橋隧建筑物性能演變規(guī)律，合理指導橋隧精準養(yǎng)護與維修。

1 橋隧檢監(jiān)測制度

為保障高速鐵路安全高效運營，日本、歐洲、美國等建立了不同模式的工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施檢監(jiān)測體系，并且隨著檢監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備發(fā)展，進入21世紀后均對橋隧建筑物的檢監(jiān)測標準、制度進行了更新。

1.1 日本

受日本國土交通省鐵路管理局委托，日本鐵道綜合技術(shù)研究所于2000年成立了鐵路土木工程建筑物維修管理研究委員會和軌道維修管理研究委員會，在土木工程建筑物和軌道的檢查周期、健全度判定等方面進行調(diào)查研究。2007年1月，日本國土交通省鐵路管理局頒布了《鐵路建筑物維修管理標準》[9-10]（以下簡稱日本標準），以掌握建筑物安全性、使用性、恢復性為目的，從建筑物維護管理的基本概念、檢查方法、健全度評定、維護管理措施、記錄等方面規(guī)定維護管理作業(yè)制度和相關(guān)流程。日本標準中橋隧建筑物各性能的具體要求見表1。

表1 日本標準中橋隧建筑物性能要求

橋隧檢查分為初次檢查、全面檢查、個別檢查和隨時檢查，全面檢查又分為通常全面檢查和特別全面檢查。新建、改建、擴建的建筑物在投入使用前進行初次檢查。通常全面檢查為定期檢查，在于掌握整個建筑物的健全度，并判斷是否需要個別檢查；特別全面檢查在于提高健全度判定準確率。個別檢查是根據(jù)全面檢查和隨時檢查結(jié)果，對健全度等級為A的建筑物和有必要進行特別檢查的建筑物實施的檢查。隨時檢查是在自然災害發(fā)生后針對異常狀況進行的檢查。當出現(xiàn)混凝土剝落等可能會對第三者安全造成重大影響的危險或鄰近施工對建筑物存在影響時，須進行隨時檢查。日本橋隧建筑物檢查及維護流程見圖1。

圖1 日本橋隧建筑物檢查及維護流程

初次檢查和全面檢查周期如圖2所示。通常全面檢查周期為2年，10年內(nèi)須進行一次特別全面檢查。若第1次特別全面檢查判定建筑物滿足所需性能，可以適當延長通常全面檢查的周期。

圖2 日本標準中初次檢查和全面檢查周期示意

日本標準對檢查人員的能力提出了要求，包括從業(yè)資質(zhì)、業(yè)務(wù)經(jīng)驗、工作年限、教育培訓等方面。為了延長全面檢查周期，對特別全面檢查人員的能力做出了更高要求。

1.2 歐洲

歐洲高速鐵路主要集中在西班牙、德國、法國等國家。各國維修體制存在一定差別，但整體而言遵循“管理、檢測、維修適度分離”的原則，積極推行業(yè)務(wù)外包。鑒于歐盟標準與國際鐵路聯(lián)盟（UIC）標準的協(xié)調(diào)性、統(tǒng)一性，各國橋隧檢監(jiān)測制度總體與UIC鐵路橋隧檢監(jiān)測要求一致。

UIC Code 778-4R《Defects in Railway Bridges and Procedures for Maintenance》[11]（《鐵路橋梁病害及維修程序》）涉及運營橋梁檢查規(guī)劃、缺陷定義以及不同類型橋梁的缺陷檢測方法、監(jiān)測、荷載、抗力評估、養(yǎng)修等內(nèi)容。歐洲運營鐵路橋梁檢查有常規(guī)檢查、重要檢查、全面檢查3種類別，見表2。

表2 歐洲運營橋梁檢查內(nèi)容

UIC Code 779‐10R《Management and Maintenance Principles for ExistingTunnels》[12]（《在役隧道管理及維護準則》）涉及運營隧道管理、維護、性能改善、作業(yè)開展等內(nèi)容。監(jiān)測是隧道維護的關(guān)鍵，該準則將監(jiān)測劃分為計劃性監(jiān)測和非計劃性監(jiān)測，其中計劃性監(jiān)測由日常監(jiān)測、年度監(jiān)測、詳細檢查、專門監(jiān)測組成，見表3。

當常規(guī)狀態(tài)評估不足以確定隧道狀態(tài)時，須集合巖土、地質(zhì)專業(yè)人員、專家力量開展補充檢測和理論分析工作。隧道評估流程見圖3。

表3 歐洲運營隧道監(jiān)測內(nèi)容

圖3 歐洲隧道評估流程

1.3 美國

不同于中國、日本、歐洲，美國鐵路為私人企業(yè)所有，強調(diào)鐵路作為資本的盈利性，橋隧建筑物維護成本約占鐵路年度整體維護成本的10%左右。

美國聯(lián)邦鐵路管理局（FRA）是頒布和執(zhí)行鐵路安全條例的機構(gòu)，對關(guān)于橋隧建筑物檢查的建議主要包括：①每條鐵路的資料中應包含每座橋梁的準確信息清單；②應至少每年對橋梁進行一次檢查；③每次橋梁檢查都須輸入一份詳細記錄；④橋梁所有人應指定一名合格的橋梁檢查員授權(quán)維修后的交接；⑤通信線路必須保持打開狀態(tài)；⑥橋梁檢查員應能在任何時間以任何可能的方式直接聯(lián)系橋梁工程師。

美國鐵路工程和道路維護協(xié)會（AREMA）2008年出版的《AREMA Bridge Inspection handbook》[13]（《鐵路橋梁檢查手冊》，包含隧道結(jié)構(gòu)）為各鐵路公司橋隧建筑物具體檢查推薦了方法，手冊主要涉及：①橋隧建筑物檢查的一般概念；②對特定類型結(jié)構(gòu)不同類型檢查的詳細信息。

2005年美國運輸部聯(lián)邦公路管理局、聯(lián)邦運輸管理局頒布的《Highway and Rail Transit Tunnel Inspection Manual》[14]（《公路及鐵路樞紐隧道檢查手冊》）將隧道檢查劃分為結(jié)構(gòu)部分、機械部分、電氣部分和其他共4項內(nèi)容，分別對檢查人員、責任、設(shè)備、準備工作、安全措施進行了要求，其中要求新隧道須每5年1次，老舊隧道須每2年1次進行近距離接觸性檢查，此外還須安排日、周、月的巡視。隧道狀態(tài)等級劃分為0～9級，其中0級最為嚴重，9級代表完好狀態(tài)。

1.4 中國

TG/GW 114—2011《高速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則（試行）》[15]規(guī)定了橋隧檢查的類別、頻次。橋隧檢查包括經(jīng)常檢查、臨時檢查、水文觀測、專項檢查等環(huán)節(jié)。經(jīng)常檢查周期由結(jié)構(gòu)部位決定，橋面及以上結(jié)構(gòu)、隧道口、涵洞排水、救援疏散通道每半年檢查一遍；橋面以下結(jié)構(gòu)、涵洞、隧道每年檢查一遍；對鋼桁梁橋、拱橋、斜拉橋等重要橋隧設(shè)備以及橋涵限高防護架每季度檢查一遍；臨時檢查、水文觀測、專項檢查由結(jié)構(gòu)所處環(huán)境狀況和服役時間決定。特別規(guī)定特殊結(jié)構(gòu)橋梁開通前須進行動態(tài)檢定試驗，技術(shù)復雜或重要的橋梁、隧道應不超過10年開展周期性檢定。

1.5 檢監(jiān)測制度對比

中國制度規(guī)定的檢查周期最為頻繁，指標最為全面，但由于中國橋隧里程基數(shù)大，天窗作業(yè)時間有限，實際檢查無法覆蓋制度規(guī)定的全部指標。此外，雖然規(guī)定了技術(shù)復雜或重要的橋梁、隧道應不超過10年開展周期性檢定，但由于缺乏高速鐵路橋隧檢定具體管理辦法，該制度尚未實際實施。通過對比可知，中國缺少規(guī)范化的檢監(jiān)測流程，未涉及檢監(jiān)測作業(yè)流程、檢查人員職責劃分以及相應劣化成因、預測分析。

2 橋隧狀態(tài)評定

美國鐵路由于私人屬性，目前尚不存在統(tǒng)一的橋隧狀態(tài)評級辦法。美國鐵路公司按照聯(lián)邦提供的一般準則以及企業(yè)內(nèi)部管理規(guī)則制定自己的橋隧建筑物檢查、維護、評級和安全管理程序。

2.1 日本

日本標準中，依據(jù)檢查結(jié)果、變化原因和預測結(jié)果判定橋隧建筑物各性能的健全度。健全度分為A，B，C，S共4級，其中A級又劃分為AA，A1，A2。橋隧狀態(tài)健全度判定區(qū)分標準和對應維修措施見表4。

表4 日本橋隧狀態(tài)健全度判定標準和維修措施

以山嶺隧道為例，依據(jù)日本標準中的檢查制度，當隧道襯砌健全度評定為A時應開展個別檢查。個別檢查主要是用于變化原因推斷與預測，進而對健全度進行細化評定（AA，A1，A2）。

裂縫是隧道常見的病害，裂縫劣化程度區(qū)分標準見圖4。存在裂縫病害的山嶺隧道健全度評定見表5。發(fā)展狀況由裂縫長度u與發(fā)展時間t的比值決定。若u/t>10 mm/年或u/t>2 mm/月，則判定為非?？?；若 3 mm/年

圖4 日本標準中特長裂縫、長裂縫、中裂縫區(qū)分標準

健全度等級評定還須考慮劣化發(fā)生部位、初始缺陷和構(gòu)造形式，并對評定結(jié)果進行修正。因山體運動而導致的豎壓、滑坡等情況下將健全度降低1個等級進行嚴格判定。若襯砌存在材料劣化、厚度不足等初始缺陷，則會導致襯砌承載能力下降，須根據(jù)有效強度厚度適當?shù)匦拚u定結(jié)果。有效強度厚度tS為強度大于15 MPa部分的厚度，有效厚度γ=tS/設(shè)計厚度。若γ<1/3或tS<250 mm，則健全度下降2個等級；若1/3≤γ<2/3，則健全度下降1個等級。

表5 日本標準中存在裂縫病害的山嶺隧道健全度評定

2.2 歐洲

歐洲標準中，按照橋梁缺陷分布位置、嚴重程度（斷面削弱比）、分布范圍（缺陷單元占整體單元的比例）將缺陷分為：①輕微病害，可以推遲修理，直至可以方便地處理為止；②短期無影響的嚴重病害，短期指幾個月，如不及時修理該病害可能導致維修費用增長；③嚴重病害，短期內(nèi)對結(jié)構(gòu)承載能力有影響，因此需要對運輸進行限制；④須立即修理的病害。

部分歐洲國家將隧道狀態(tài)劃分為Ⅰ—Ⅳ級，具體的隧道狀態(tài)等級和修理策略見表6。

表6 部分歐洲國家隧道狀態(tài)等級劃分和修理策略

2.3 中國

Q/CR 405—2018《鐵路橋隧建筑物劣化評定》[16]按對結(jié)構(gòu)功能和行車安全的影響將橋隧狀態(tài)分為A，B（較重），C（中等），D（輕微）4級，A級又分AA（極嚴重）、A1（嚴重）2個等級。不同評定等級采用不同修理措施，具體的橋隧劣化狀態(tài)評定和修理措施見表7。劣化評定等級按單一類別或指標的最高等級確定。鐵運函﹝2004﹞174號《鐵路運營隧道襯砌安全等級評定暫行規(guī)定》[17]將襯砌缺陷及病害進行量化分級，對隧道進行分段，按單個項目量化指標所處區(qū)間進行等級評定，以最高等級確定分段病害或缺陷等級，結(jié)合圍巖等級、地下水狀況、對行車安全影響等因素，對襯砌安全等級進行評定。隧道襯砌的安全等級由各分段中病害最嚴重地段安全等級確定。

表7 橋隧劣化狀態(tài)評定和修理措施

2.4 狀態(tài)評定對比

日本標準注重性能變化原因的推斷與預測，在此基礎(chǔ)上，以橋隧病害為考察對象，融合劣化程度、發(fā)展狀況及對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，開展健全度評定，同時根據(jù)劣化發(fā)生部位、初始缺陷、構(gòu)造形式修正評定結(jié)果，專業(yè)性較強。歐洲標準注重病害對結(jié)構(gòu)整體性能的影響。中國標準突出單指標評定，實施簡便，但未體現(xiàn)多劣化類型同時出現(xiàn)時對評定結(jié)果的修正。鐵運函﹝2004﹞174號綜合考慮病害、缺陷的影響，采用病害缺陷量化值綜合對照表的形式，但僅適用于普速鐵路。

3 中國高速鐵路橋隧檢監(jiān)測制度發(fā)展建議

高速鐵路橋隧病害具有一定的發(fā)展過程，如何對缺陷、病害進行有效檢測和實時監(jiān)測，并進行定量化的科學評估，是高速鐵路橋隧檢監(jiān)測制度面臨的問題與考驗。結(jié)合中國高速鐵路運營特點、橋隧規(guī)模、狀態(tài)發(fā)展規(guī)律，建議構(gòu)建高速鐵路檢監(jiān)測制度體系，建立基于全壽命周期的檢監(jiān)測制度。

3.1 構(gòu)建高速鐵路檢監(jiān)測制度體系

高速鐵路橋隧檢監(jiān)測體系由檢監(jiān)測對象、檢監(jiān)測制度、檢監(jiān)測技術(shù)裝備、數(shù)據(jù)管理與分析4部分組成，總體框架如圖5所示。

3.2 建立基于全壽命周期的檢監(jiān)測制度

借鑒世界各地橋隧檢監(jiān)測制度，結(jié)合中國高速鐵路橋隧規(guī)模及特點，建議高速鐵路橋隧檢監(jiān)測制度貫徹全壽命周期理念。該制度主要由驗收檢測、日常巡查、周期檢查、臨時檢查、專項檢測、重點監(jiān)測等6個類別組成，各環(huán)節(jié)在全壽命周期的布局見表8。不同類別的檢監(jiān)測對象、頻次、作業(yè)需求、數(shù)據(jù)準確性、人員（機構(gòu)）等屬性存在很大不同，具體見表9。

圖5 高速鐵路橋隧檢監(jiān)測體系框架

表8 高速鐵路橋隧全壽命周期檢監(jiān)測布局

表9 全壽命周期檢監(jiān)測各類別屬性

1）驗收檢測。驗收檢測針對將要投入運營的新建或加固改造后的橋隧，檢測結(jié)果作為橋隧竣工及后期養(yǎng)護的基礎(chǔ)資料。對于特殊結(jié)構(gòu)橋梁，應組織設(shè)計單位編制養(yǎng)護指導手冊，其檢定報告和養(yǎng)護指導手冊應作為交接竣工驗收資料的一部分。對于復雜地質(zhì)隧道，應對整座隧道的初始技術(shù)狀態(tài)進行全面檢測。做到一橋一手冊，一隧一檔案。

2）日常巡查。指不必借助專業(yè)輔助設(shè)施，采取目視或簡易工具沿地面或軌面對橋隧可觸及的部位開展的日常巡查工作，內(nèi)容主要包括周邊環(huán)境、目視所及范圍的橋隧整體狀態(tài)、周期檢查中列入日常巡查重點關(guān)注的病害。

3）周期檢查。指按照檢測計劃針對橋隧開展全面接觸詳細檢查，須出具完整、具體的狀態(tài)報告，病害記錄應予以更新并傳達至各養(yǎng)護管理單位，報告應提出維護工作建議并注明緊急程度。

4）臨時檢查。指在自然災害發(fā)生后針對異常狀況進行的檢查，如發(fā)生混凝土剝落等可能會對第三方安全造成重大影響的危險或鄰近施工對建筑物產(chǎn)生影響時，須隨時檢查。

5）專項檢測。指借助專業(yè)技術(shù)或裝備在橋隧投入運營前和運營過程中針對結(jié)構(gòu)狀態(tài)、材料性能、缺陷病害、外部環(huán)境開展的專項檢測，包括橋梁靜動載試驗、水位檢算、無損檢測、水文觀測、隧道襯砌安全狀態(tài)檢測、橋隧限界檢測。當缺陷病害分布和影響不確定時，須開展專項檢測。

6）重點監(jiān)測。針對特殊結(jié)構(gòu)橋梁和復雜地質(zhì)隧道關(guān)于環(huán)境、荷載、結(jié)構(gòu)受力及變形構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)，用于驗證受力行為、評估結(jié)構(gòu)安全、產(chǎn)生狀態(tài)預警。當檢查發(fā)現(xiàn)病害發(fā)展較快、發(fā)生地質(zhì)災害可能影響行車安全時，須布置監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)控、預報預警。

4 結(jié)語

通過對比世界各地高速鐵路橋隧檢監(jiān)測現(xiàn)狀和實踐經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)中國制度規(guī)定的檢查周期最為頻繁，指標最為全面，但實際檢查無法覆蓋制度規(guī)定的全部指標。目前，中國缺少規(guī)范化的檢監(jiān)測流程，未涉及檢監(jiān)測作業(yè)流程、檢查人員職責劃分以及相應劣化成因、預測分析。

結(jié)合中國高速鐵路運營特點、橋隧規(guī)模、狀態(tài)發(fā)展規(guī)律，本文提出了橋隧檢監(jiān)測制度優(yōu)化建議，構(gòu)建了中國高速鐵路檢監(jiān)測制度體系框架，建立了基于全壽命周期理念的高速鐵路橋隧檢監(jiān)測制度。高速鐵路橋隧檢監(jiān)測體系由檢監(jiān)測對象、檢監(jiān)測制度、檢監(jiān)測技術(shù)裝備、數(shù)據(jù)管理與分析4部分組成。全壽命周期理念的高速鐵路橋隧檢監(jiān)測制度主要由驗收檢測、日常巡查、周期檢查、臨時檢查、專項檢測、重點監(jiān)測等6個類別組成，并明確了各類別相應的檢監(jiān)測對象、頻次、作業(yè)需求、數(shù)據(jù)準確性、人員（機構(gòu)）等屬性。