鐵路軌道工程長壽命安全保障戰(zhàn)略探討

王平，陳嶸，安博洋

（1. 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031；2. 西南交通大學土木工程學院，成都 610031）

鐵路是現(xiàn)代交通運輸?shù)闹匾M成部分，在我國不僅承擔了近三分之一的旅客運輸量，還擔負了一半以上的貨物運輸量。軌道工程結(jié)構(gòu)作為鐵路系統(tǒng)的主要部件，確保其安全服役并盡可能延長其使用壽命，對于支撐經(jīng)濟建設(shè)持續(xù)發(fā)展、保障人民生活安穩(wěn)有序、助力國家安全和社會穩(wěn)定，都具有十分重大的戰(zhàn)略意義。為此，2015年中國工程院重點咨詢項目“交通基礎(chǔ)設(shè)施重大結(jié)構(gòu)安全保障戰(zhàn)略研究”中設(shè)專題開展鐵路軌道結(jié)構(gòu)安全保障戰(zhàn)略這一事關(guān)國家安全、國防安全和國計民生的重大研究項目，為本領(lǐng)域的學科發(fā)展、技術(shù)發(fā)展、法規(guī)建設(shè)提供戰(zhàn)略咨詢。

一、我國軌道工程規(guī)模龐大，長壽命安全保障面臨嚴峻挑戰(zhàn)

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國軌道交通的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)布局已初步完成。中西部地區(qū)鐵路跨區(qū)域快速通道基本形成，高速鐵路逐步成網(wǎng)，城際鐵路與城市軌道交通不斷發(fā)展，保障能力明顯增強。目前，全國鐵路運營里程已接近1.25×105km，其中高速鐵路超過了2.2×104km。依托重載技術(shù)的自主創(chuàng)新，我國不僅成為世界上僅有的幾個掌握鐵路3萬噸重載技術(shù)的國家之一，而且運輸效率居世界首位。我國已有27個城市開通了快速軌道交通線路，運營線路總長度超過了3 000 km。隨著《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》（2016―2030年）的頒布，鐵路網(wǎng)將構(gòu)建以“八縱八橫”主通道為骨架、區(qū)域連接線銜接、城際鐵路為補充的高速鐵路網(wǎng)，實現(xiàn)省會城市高速鐵路通達、區(qū)際之間高效便捷相連。總的來講，我國鐵路發(fā)展突飛猛進，取得了令人矚目的成就，但針對軌道工程運營的安全管理與高效維護，仍缺乏相關(guān)的基礎(chǔ)理論與技術(shù)研究[1]。通過科學的維護使鐵路軌道能夠在長期運營中安全與穩(wěn)定地服役，是一個日益突出的關(guān)鍵問題。

世界鐵路自誕生190余年來，“速度”始終是不斷發(fā)展的目標，而“安全”則是鐵路運輸永恒的主題，是鐵路設(shè)計、建造、運營與維護的核心要求和最終落腳點。鐵路一旦出現(xiàn)安全事故，將導(dǎo)致重大的人員傷亡與財產(chǎn)損失，甚至有可能影響到國家的穩(wěn)定。規(guī)模龐大的軌道工程在復(fù)雜的服役環(huán)境下不可避免地存在性能退化，同時可能受到自然災(zāi)害（如地震、滑坡、泥石流、風災(zāi)、冰雪凝凍等，見圖1）和人為破壞（如可能的局部戰(zhàn)爭、恐怖襲擊、縱火等）的影響，導(dǎo)致其在正常狀態(tài)下的性能表現(xiàn)不佳、服役壽命縮短，在自然災(zāi)害和突發(fā)事件的影響下?lián)p傷嚴重。然而，我國在軌道結(jié)構(gòu)長壽命及其安全保障領(lǐng)域的系統(tǒng)性研究工作尚處于起步階段。

我國仍處于交通快速發(fā)展時期，一大批結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)復(fù)雜、設(shè)計和施工難度大、科技含量高的重大工程結(jié)構(gòu)相繼建成，而且隨著既有基礎(chǔ)設(shè)施服役時間的不斷延長，損傷和病害加速涌現(xiàn)，災(zāi)難破壞形式和致災(zāi)行為與后果更為多變，交通基礎(chǔ)設(shè)施的長壽命安全保障呈現(xiàn)出新內(nèi)容、新形式和新特征[3]。一方面，因結(jié)構(gòu)的自然劣化、嚴峻的服役條件以及不足的養(yǎng)護維修等因素的影響，部分結(jié)構(gòu)過早地出現(xiàn)了安全性不足、耐久性降低、適用性不強的狀況，這導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的實際使用壽命遠遠短于預(yù)期使用年限；另一方面，隨著時間的推移，我國大批工程結(jié)構(gòu)物的老化現(xiàn)象日益突出，特別是一部分重大結(jié)構(gòu)將陸續(xù)達到設(shè)計使用壽命，如何科學決策它們的存續(xù)或合理使用將是我國面臨的一個重要問題；同時，以往高速度和高強度建設(shè)的弊端必然會在某一時段內(nèi)集中反映到結(jié)構(gòu)的維修和加固上，屆時將會給養(yǎng)護維修、交通運輸和社會生活等帶來巨大壓力。

圖1 地震（左）和暴風雪（右）引起新干線高速列車脫軌[2]

自世界第一條高速鐵路開通運營以來，一代代科研技術(shù)人員雖然對高速鐵路進行了不斷探索，但危及高速行車條件的安全問題仍沒有得到全面的認識與解決，影響高速鐵路行車安全的故障甚至事故仍然時有發(fā)生。究其原因，除了對新材料的失效機理、列車運行于極端條件下的脫軌原理等問題認識不夠深刻之外，對于軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動態(tài)性能演變機理認識不清也是重要原因，如高速鐵路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)初始缺陷演化、動態(tài)性能劣化、特殊條件下突變狀態(tài)對列車運行安全的影響。由鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌道板、路基或橋梁等組成的高速鐵路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，因其組成材料的多樣性、運營環(huán)境的復(fù)雜性以及結(jié)構(gòu)分布的空間效應(yīng)、服役過程的時間效應(yīng)、多場多因素交變耦合效應(yīng)等，其動態(tài)性能的時空演變機制與規(guī)律十分復(fù)雜，是完善高速鐵路運營安全技術(shù)體系的主要障礙之一。在今后5～10年內(nèi)，我國在對高速鐵路持續(xù)建設(shè)的同時，高速鐵路高安全、高可靠、高品質(zhì)運營保障體系的建設(shè)迫在眉睫，持續(xù)著力開展與之相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究與關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)（圖2以高速道岔設(shè)計為例示意該過程），是我國高速鐵路運營安全保障體系建設(shè)的迫切需求，也是我國從追蹤、保持到引領(lǐng)國際高速鐵路技術(shù)發(fā)展的必由之路。

高速鐵路是許多高新技術(shù)最大的應(yīng)用平臺之一，高速鐵路發(fā)展對科學技術(shù)的促進作用、對社會經(jīng)濟文化產(chǎn)業(yè)的輻射作用、對國家安全及地緣政治的保障作用是其他產(chǎn)業(yè)難以比擬的。我國高速鐵路的發(fā)展已培植出了一個龐大的產(chǎn)業(yè)鏈，并帶動信息、材料、能源、制造等高新技術(shù)的進步和產(chǎn)業(yè)化進程，對促進農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、建筑業(yè)、能源工業(yè)、旅游業(yè)和物流業(yè)等行業(yè)的發(fā)展起著強大的推動作用。目前，我國的高速鐵路系統(tǒng)技術(shù)已躋身世界前列，掌握了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、具有國際先進水平的成套技術(shù)，我國高速鐵路技術(shù)的下一次提升基本上不再受制于人，完全可以通過持續(xù)強化自主創(chuàng)新，逐步占領(lǐng)高速鐵路技術(shù)的制高點，引領(lǐng)世界高速鐵路技術(shù)[5]。因此，充分利用我國高速鐵路已具有的相對優(yōu)勢，深入持久地強化高速鐵路技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究與關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，形成高速鐵路技術(shù)國際競爭優(yōu)勢，不僅能推進我國科學技術(shù)的快速發(fā)展，而且對增強國家競爭優(yōu)勢、構(gòu)建國際政治經(jīng)濟新秩序影響深遠。

我國的自然條件和地質(zhì)情況復(fù)雜多樣，要滿足高速鐵路的安全運營，仍存在眾多復(fù)雜的難題亟待解決[6,7]。目前，我國針對軌道工程結(jié)構(gòu)長壽命安全的系統(tǒng)研究尚處于起步階段，有效地維護鐵路軌道的價值、功能以及在有限的財政基礎(chǔ)上達到最優(yōu)的使用性能已成為管理部門亟需解決的問題。目前已有的設(shè)計缺乏對結(jié)構(gòu)長壽命的系統(tǒng)考慮，包括相關(guān)的設(shè)計理論與建造方法均不成熟；施工與設(shè)計質(zhì)量的缺陷威脅著大量正在使用的既有結(jié)構(gòu)的安全；對既有結(jié)構(gòu)養(yǎng)護維修的缺失或系統(tǒng)性不足可能嚴重縮短結(jié)構(gòu)的實際使用壽命；遭受不同類型災(zāi)害作用后的結(jié)構(gòu)會存在不同程度的損傷，并對結(jié)構(gòu)的長期性能造成影響；對既有結(jié)構(gòu)的剩余壽命評估還缺乏必要的理論基礎(chǔ)；對服役期已達到設(shè)計年限的軌道結(jié)構(gòu)，評估其繼續(xù)安全服役的可行性理論與方法還有待研究；現(xiàn)有的檢測與監(jiān)控的技術(shù)與手段還不足以保證結(jié)構(gòu)在長壽命期的安全運行；對長壽命安全領(lǐng)域開展的系統(tǒng)研究工作不足，既不利于既有結(jié)構(gòu)的管理與維護，也對新結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出挑戰(zhàn)。

圖2 高速道岔設(shè)計總體技術(shù)路線[4]

二、發(fā)達國家高度關(guān)注鐵路軌道工程長壽命安全領(lǐng)域的科學技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展

鑒于交通基礎(chǔ)設(shè)施日益嚴峻的安全形勢及其在國計民生中的重要地位，世界上許多國家和組織均先后發(fā)起了針對軌道工程維護管理與安全保障的戰(zhàn)略性研究計劃，如國際鐵路聯(lián)盟（UIC）的EcoTrack系統(tǒng)開發(fā)[8]、歐盟委員會的Shift2Rail戰(zhàn)略[9～11]等。

鐵路工程的建設(shè)及維護費用高昂，占基礎(chǔ)設(shè)施總開支相當大的部分。任何此類費用的減少都將對基礎(chǔ)設(shè)施管理的整體效益產(chǎn)生顯著影響。因此，對于負責鐵路線路狀況管理的人員來說，最重要的是以盡可能低的成本在所需時間內(nèi)使鐵路保持在既定的質(zhì)量水平。20世紀90年代，24個歐洲國家的鐵路部門共同參與了UIC發(fā)起的EcoTrack系統(tǒng)開發(fā)。EcoTrack 系統(tǒng)可幫助鐵路運營決策者有效地進行維護規(guī)劃、財務(wù)安排及制定相應(yīng)的維修策略。EcoTrack系統(tǒng)開發(fā)的總體思路是解決軌道管理操作序列中最復(fù)雜的環(huán)節(jié)，做出有關(guān)軌道維護或更換的決策。為此，應(yīng)弄清軌道現(xiàn)場狀況（如年通過總重、軸重、速度）、軌道幾何形位、軌道材料的狀態(tài)與各種軌道維護或更換工作介入效果之間的復(fù)雜關(guān)系，并做出相應(yīng)的規(guī)劃。這些相互關(guān)系被稱為“規(guī)則”。在這些“規(guī)則”中，一部分代表劣化過程，一部分代表因軌道維護或更換作業(yè)介入而產(chǎn)生的修復(fù)效果，而其余部分則代表基于歐洲各大鐵路公司幾十年來軌道維護和更換實踐的經(jīng)驗規(guī)則。這些“規(guī)則”代表EcoTrack系統(tǒng)推理工具的核心，或者說是知識庫。在 EcoTrack 系統(tǒng)開發(fā)期間，從上述24個歐洲國家鐵路部門的維護實踐中收集到約173條“規(guī)則”。經(jīng)過廣泛而深入的篩選過程后，54條“規(guī)則”得到采納并被納入EcoTrack 系統(tǒng)知識庫中作為標準“規(guī)則”。這些“規(guī)則”均可被棄用、起用、修改或補充，使EcoTrack系統(tǒng)能夠適用于任何特定國家鐵路部門的政策。

進入21世紀，歐盟意識到歐洲鐵路部門面臨一系列重要的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)嚴重阻礙了鐵路運輸模式的發(fā)展，威脅歐洲鐵路制造業(yè)在全球市場的領(lǐng)先地位。為增強鐵路在環(huán)保、土地利用、能源消耗和安全性方面的內(nèi)在優(yōu)勢，2014年歐盟委員會發(fā)起Shift2Rail戰(zhàn)略，由歐盟以及鐵路行業(yè)的8個代表（包括鐵路設(shè)備制造商阿爾斯通公司、安薩爾多、龐巴迪公司、西班牙鐵道車輛制造商CAF公司、西門子股份公司、泰雷茲公司以及兩家基礎(chǔ)設(shè)施運營商Network Rail和Tra fi kverket）組成企業(yè)聯(lián)盟負責組織實施，計劃在2020年前投入770億歐元，通過全面協(xié)調(diào)的方法來進行鐵路研究和創(chuàng)新，同時注重鐵路系統(tǒng)供應(yīng)商和用戶的需求，幫助解決鐵路領(lǐng)域面臨的各種挑戰(zhàn)。維護和提高系統(tǒng)的安全性過去一直被認為是鐵路研究和創(chuàng)新項目的必要部分，提供最佳的安全水平是Shift2Rail應(yīng)該維持的一個關(guān)鍵目標。Shift2Rail的實施應(yīng)該能夠通過技術(shù)觸發(fā)安全改進。當創(chuàng)新可以解鎖安全壁壘、安全規(guī)則成為過去式需要重新審視時，Shift2Rail 將能識別一種方法來應(yīng)對安全和風險。除了通過科技發(fā)展進行安全改進，Shift2Rail也應(yīng)該研究和審查如彈性、人類和組織、風險接受標準等因素。

相比發(fā)達國家，目前我國在軌道工程長壽命安全領(lǐng)域的研究還存在比較大的提升空間，具體表現(xiàn)在缺乏頂層設(shè)計，研究工作的系統(tǒng)性不足，深度與廣度不夠。由于我國鐵路軌道運營里程最長，速度目標最高，氣候和地質(zhì)條件最為復(fù)雜，運行平穩(wěn)性要求最嚴，致使軌道工程長壽命安全保障的實現(xiàn)與保持的技術(shù)難度是其他任何國家都無法比擬的，因此，組織實施鐵路軌道工程長壽命安全保障計劃尤為迫切。

三、鐵路軌道工程長壽命安全保障計劃的實施建議

（一）總體目標

通過政府引導(dǎo)、整合資源，實施交通基礎(chǔ)設(shè)施長期保持、性能提升、損傷恢復(fù)等三項重大工程，實現(xiàn)長期制約交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的關(guān)鍵共性技術(shù)突破，提升我國交通行業(yè)的整體競爭力。到2025年，全面掌握我國交通基礎(chǔ)設(shè)施重大結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，構(gòu)建起統(tǒng)一的可視化、信息化、智能化的交通基礎(chǔ)設(shè)施重大結(jié)構(gòu)信息管理平臺。對重大工程結(jié)構(gòu)實現(xiàn)可測、可控、可修、可換、可應(yīng)急處置，從真正意義上實現(xiàn)重大結(jié)構(gòu)在常態(tài)、自然災(zāi)害和應(yīng)急條件下的長壽命安全保障；促進大型工程結(jié)構(gòu)現(xiàn)代傳感技術(shù)與智能養(yǎng)修機器人等裝備的研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)核心基礎(chǔ)零部件和關(guān)鍵基礎(chǔ)材料的完全自主研發(fā)。在重大結(jié)構(gòu)的長壽命安全保障領(lǐng)域推廣新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝，應(yīng)用范圍達到重大工程結(jié)構(gòu)總量的30%，并推動產(chǎn)業(yè)的升級換代，形成一批具有較強國際競爭力的跨國公司和產(chǎn)業(yè)集群。到2035年，形成現(xiàn)代交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維修策略及技術(shù)體系，實現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施重大結(jié)構(gòu)長壽命安全保障的常態(tài)化，現(xiàn)代傳感技術(shù)、智能機器人、無損檢測技術(shù)基本普及。同時，結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)，高水平、高效地進行重大結(jié)構(gòu)的檢測、監(jiān)測、評估、修復(fù)或加固處置。推動交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展成為我國科技創(chuàng)新的又一新的主戰(zhàn)場，在世界上應(yīng)具有創(chuàng)新引領(lǐng)能力和明顯的競爭優(yōu)勢，從而實現(xiàn)交通強國的戰(zhàn)略目標。

（二）戰(zhàn)略任務(wù)

（1）針對長壽命安全保障領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和方法尚不成熟等問題，實施軌道工程行業(yè)創(chuàng)新能力提高工程。通過國家科技計劃（專項、基金等）支持關(guān)鍵核心技術(shù)的研發(fā)并加快成果轉(zhuǎn)化。在高速鐵路、重載鐵路和城市軌道交通等重點領(lǐng)域開展示范工程，推廣以綠色、智能、協(xié)同為特征的先進設(shè)計技術(shù)。

（2）以軌道工程結(jié)構(gòu)長壽命安全保障領(lǐng)域高層次、緊缺專業(yè)技術(shù)人才和創(chuàng)新型人才為重點，實施專業(yè)技術(shù)人才知識更新工程和卓越工程師培養(yǎng)計劃，建設(shè)一批工程結(jié)構(gòu)性能與安全保障訓練中心，打造高素質(zhì)的技術(shù)人才隊伍。采取多種形式，選拔各類優(yōu)秀技術(shù)人才到國外學習，探索和建立國際培訓基地。建立人才激勵機制，加大對優(yōu)秀人才的表彰和獎勵力度。加強人才需求預(yù)測，完善各類人才信息庫，構(gòu)建人才水平評價制度和信息發(fā)布平臺。

（3）針對正常工作狀態(tài)下的各類交通基礎(chǔ)設(shè)施和重大結(jié)構(gòu)，構(gòu)建統(tǒng)一的可視化、信息化、智能化的服役狀態(tài)信息管理平臺，運用互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算的現(xiàn)代信息技術(shù)，完成從設(shè)計、建造、運營到損傷和老化的全壽命信息檔案的創(chuàng)建，為結(jié)構(gòu)安全、設(shè)計校核、養(yǎng)護維修和檢測技術(shù)發(fā)展提供服務(wù)。實施重大結(jié)構(gòu)服役性能長期保持工程，有效掌握重大結(jié)構(gòu)在服役期間的局部或整體的長期性狀和發(fā)展趨勢，確保交通基礎(chǔ)設(shè)施重大結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)優(yōu)良。

（4）針對即將達到設(shè)計壽命或服役期提前到限的重大工程結(jié)構(gòu)，實施基于新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝的性能提升工程，強化結(jié)構(gòu)承載能力，延長大型結(jié)構(gòu)的使用壽命。以特種金屬功能材料、功能性高分子和先進復(fù)合材料等為發(fā)展重點，加快研發(fā)新材料制備關(guān)鍵技術(shù)和裝備；引導(dǎo)企業(yè)采用先進適用技術(shù)，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，全面提升設(shè)計、制造、工藝和管理水平，促進基礎(chǔ)設(shè)施的升級換代。

（5）針對交通基礎(chǔ)設(shè)施重大結(jié)構(gòu)因自然災(zāi)害或突發(fā)事件所造成的局部損（毀）傷，構(gòu)建大型結(jié)構(gòu)應(yīng)急搶修、搶建與裝備研發(fā)和應(yīng)急救援組織管理體系，實施交通基礎(chǔ)設(shè)施重大結(jié)構(gòu)損傷恢復(fù)或性能再造工程。基于現(xiàn)代運營組織管理、全壽命預(yù)防養(yǎng)護維修模式及智能化、自動化養(yǎng)護機械設(shè)備的研發(fā)，培育重大交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護、維修和加固新型產(chǎn)業(yè)。

四、結(jié)語

我國既有軌道工程規(guī)模龐大且發(fā)展迅猛，結(jié)構(gòu)的長壽命安全保障面臨嚴峻挑戰(zhàn)。相比發(fā)達國家，目前我國在軌道工程長壽命安全領(lǐng)域的研究還存在比較大的提升空間，缺少針對軌道工程維護管理與安全保障的戰(zhàn)略性研究計劃。由于我國鐵路軌道運營里程最長，速度目標最高，氣候和地質(zhì)條件最為復(fù)雜，運行平穩(wěn)性要求最嚴，致使軌道工程長壽命安全保障的實現(xiàn)與保持的技術(shù)難度是其他任何國家都無法比擬的。為確保鐵路軌道運營安全并盡量延長其使用壽命，可通過提高創(chuàng)新能力、加強專業(yè)人才培養(yǎng)、培育軌道工程“建、養(yǎng)、護”領(lǐng)域的新型產(chǎn)業(yè)體系，促使我國在鐵路軌道工程長壽命安全保障領(lǐng)域（設(shè)計、施工、管理等）的綜合能力達到世界先進水平。因此，建議盡快實施“鐵路軌道工程長壽命安全保障計劃”。

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