高速鐵路工務工程前沿基礎理論與科學問題
——軌道系統與運維機制

王樹國，王 璞，趙 磊，徐 旸

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

軌道結構直接與高速運營的列車相接觸，其服役狀態直接影響列車的運營安全。從軌道結構形式來看，高速鐵路分為有砟軌道和無砟軌道2大類。以法國、西班牙等為代表的國家通常采用有砟軌道結構。法國高速鐵路TGV的試驗速度達到了574.8 km/h，是目前世界上高速鐵路最高試驗速度的保持者。有砟軌道具有造價低廉、施工簡單、彈性良好、易于維修等優點。但有砟軌道在服役過程中會發生自然劣化問題，為保持有砟軌道的幾何狀態和彈性，需不斷進行養護維修工作(搗固和清篩作業)，占用大量的人工及維修天窗時間，而高速鐵路列車運行速度快，追蹤時間短，頻繁的養護維修作業難以適應高速鐵路的運營需求。此外，高速列車所引起的列車風荷載，也會引起道砟飛濺等問題，加大了有砟軌道維修的難度。

我國是世界上高速鐵路在建及運營里程最長的國家，以我國、德國、日本為代表的國家更傾向于在高速鐵路中采用無砟軌道結構。無砟軌道具有整體性強、穩定性好、軌道幾何形位易于保持、軌道變形小、維修工作量少等優點，但是工程投資費用高，現場施工繁雜且技術要求高，輪軌噪聲大，對環境影響突出。此外，無砟軌道多鋪設于橋梁基礎之上，在溫度荷載作用下，無砟軌道與下部基礎會發生顯著的相互作用，一旦出現問題維修極為困難。

盡管我國在高速鐵路領域取得了舉世矚目的成就，但從技術體系角度而言，高速鐵路在我國的發展仍處于起步階段，養護維修尚未形成完備的體系，設計理論也不盡成熟。由于我國高速鐵路工程建設規模大、速度快，早期的基礎研究及試驗研究存在著一定的不足，因此設計、建設及養護維修標準研究有待進一步完善。現有的基礎設施監測及傷損修復技術明顯不能滿足實際運營的要求，缺乏系統的安全信息管理及報警、預測、決策等手段，高速列車的運行不可避免地存在著一定的安全隱患，一旦出現事故如失穩、脫軌，將造成重大的經濟損失并危及人身安全。完善高速鐵路軌道系統，發展健康監測與運營維護技術，對于確保鐵路運營安全及提高運營效益具有重要意義。

1 研究現狀與發展趨勢

1.1 有砟軌道結構

有砟軌道主要由一定級配的碎石道砟構成，散體碎石道床在列車循環荷載作用下會發生自然的劣化，是有砟軌道結構的薄弱環節。從世界高速鐵路的建設里程、運營情況及發展趨勢來看，在大力發展無砟軌道的同時也在不斷發展有砟軌道，有砟軌道結構以其突出的優點日益受到世界各國的重視與廣泛應用。在高速有砟軌道結構中，道床狀態的劣化及維修與高速列車作用下所產生的道砟飛濺是制約高速鐵路有砟道床技術應用的關鍵技術瓶頸，也是今后研究工作的重點。

在有砟道床的力學特性及劣化機理方面：澳大利亞Indraratna等[1-3]等進行了一系列道砟試驗，如三軸試驗、道砟-軌枕箱體模型試驗，較為全面地研究了道砟的力學性能和劣化機理，以及有砟道床的垂向累積沉降及側向流變特性，發現提高道砟集料的抗剪強度能有效地減少有砟道床的沉降及側向變形，通過對比劣化道砟與新道砟物理力學特性差異，發現劣化道砟由于尖角的破裂和消失，相對于新道砟導致了較大的軌枕沉降。Huang等[4-5]基于三維重建技術建立道砟離散元模型，研究了列車速度、路基支承剛度、軌枕失效、瀝青厚度等因素對鐵路瀝青道床沉降變形的影響，并基于歐拉梁模型以及溫克爾地基梁模型對瀝青混凝土上有砟軌道的動力傳遞規律進行了分析。Qian，Tutumluer等[6-7]通過室內三軸試驗等手段研究了土工格柵對道床沉降規律的影響，并認為設置土工格柵能顯著減緩道床的累積沉降。近年來，在高速鐵路聯合基金的資助下，我國學者[8-12]對高速鐵路散體道床的劣化機理進行了較為系統的研究，并基于離散元數值仿真模型，對搗固作業對散體道床狀態的影響規律進行了初步研究。

在高速列車作用下的道砟飛濺及防控方法方面：高速鐵路有砟軌道在列車運營過程中，在空氣動力和車軌動力共同作用下，道砟顆粒會發生飛離道床并擊打列車轉向架、車輪及鋼軌踏面的飛濺現象，直接影響列車的安全運營。因此，道砟飛濺是高速鐵路有砟軌道亟待解決的關鍵問題之一。目前國內外在該方面研究相對匱乏，是世界高速鐵路有砟軌道結構進一步發展的關鍵技術瓶頸。

國外高速鐵路發展較早，在道砟飛濺機理研究和工程防治方面積累了一定經驗。Paradot等[13]進行全尺寸的風洞試驗，對列車底部幾何形狀進行了精確模擬，研究模擬240 km/h速度列車產生的風荷載下道砟顆粒的移動、飛起過程，并分析了法國TGV與德國ICE-3兩種車型底部結構下道砟飛濺過程的區別。Premoli等[14]通過對意大利高速鐵路有砟道床表面風速進行現場測試，得到高速列車風作用下有砟道床表面的流場特性，應用現場測試數據建立等比例室內風洞試驗模型和CFD數值仿真模型，通過改變道床結構參數，研究道砟飛濺現象的影響因素。Luo等[15]利用有限元分析法模擬高速鐵路有砟軌道道床結構，研究在模擬高速列車荷載作用下道床結構的振動響應，監測道床結構內5個樣本點處的振動加速度，當其大于道砟顆粒重力加速度時即認為發生道砟飛濺，得到道床結構易發生道砟飛濺區域。Kaltenbach等[16]進行軌道結構室內試驗，通過圓球滾動產生的沖擊力模擬軌道結構振動，研究軌道結構振動對道砟飛濺的影響。

針對高速鐵路道砟飛濺問題，國內進行了一系列探索與研究。中國鐵道科學研究院集團有限公司郄錄朝等[17]根據有砟軌道結構特點，建立動車組和有砟軌道車-線多孔介質動態空氣動力學分析模型，研究列車底部至道床頂面之間的空氣流動特性，并通過京滬高速鐵路黃河大橋風壓測試和道砟飛濺監測研究列車底部空氣動力學效應，結果表明道床表面所受負壓隨列車速度提高而增大，在列車時速達到350 km時，試驗區段未發生道砟飛濺。在國家自然科學基金委青年基金的資助下，北京交通大學高亮、井國慶和鐵科院曾樹谷[18]對中歐高速鐵路有砟軌道道床參數進行了比較與分析，主要包括道砟材質和道床斷面尺寸，以及飛砟防治措施等方面。比較結果表明，部分標準內容中歐略有差異，對于中歐不同的道砟試樣采樣和測試方法需要進一步通過試驗研究進行分析，并對高速鐵路有砟軌道設計提出了建議。

1.2 無砟軌道結構

國外高速鐵路無砟軌道應用較為廣泛的國家主要有日本和德國。由于國情不同，日本新干線主要采用單元板式無砟軌道，結構形式相對統一，結構組成為鋼軌、彈性扣件、預制軌道板、CA砂漿充填層、混凝土底座、限位凸臺等。德國由于研發體制不同，無砟軌道結構形式相對較多，近40年來研發了100多種無砟軌道結構，其中以Rheda型無砟軌道的發展歷程最具代表性，經歷了Rheda原型、Rheda型、Rheda-Berlin型、Rheda2000型等，但結構主要包括預制混凝土軌枕、現澆混凝土道床板、混凝土支承層(路基上)或帶限位機構的混凝土底座(橋上)等。

2006年以來，在總結我國無砟軌道前期研究成果和消化吸收引進技術的基礎上，高速鐵路無砟軌道技術再創新研究在無砟軌道設計理論和方法、結構及接口設計、工程材料技術、制造及施工工藝、裝備等方面取得了一系列研究成果。針對我國鐵路的運營條件、地域條件，相繼研發了CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式、CRTSⅢ型板式以及雙塊式無砟軌道系統[19]，形成了無砟軌道設計、制造、施工、檢測等成套技術，并在我國高速鐵路建設中全面推廣應用。

無砟軌道結構與長大橋梁、高架站的結構相互作用，關系復雜且受多重荷載作用，綜合了無縫線路、無縫道岔、無砟軌道等技術要點，與其下部基礎結合還衍生出一系列的技術難點。此外，無砟軌道一旦出現問題難以修復，會對列車運營造成顯著影響。因此，無砟軌道與復雜下部基礎的適應性問題、檢測與監測技術、快速維修更換技術是今后研究的重點。

在無砟軌道與超大跨橋梁適應性研究方面：我國已經建成的大跨度鐵路橋梁多采用明橋面或有砟軌道，大跨度鐵路橋梁如果采用無砟軌道，單線恒載減少30～60 kN/m，可降低橋梁用鋼量，提高大橋跨越能力。另一方面，我國幅員遼闊，江河湖泊眾多，通航要求越來越高，橋位資源越來越緊張，橋梁跨度必然不斷增加，同時伴隨無砟軌道應用范圍不斷擴展，為保證軌道結構的一致性，避免頻繁過渡帶來的幾何不連續及剛度差異，大跨度橋上鋪設無砟軌道也將成為必然趨勢。

相比較普通橋梁，超千米鐵路大橋跨度大，剛度相對偏小，對風、溫度等環境荷載以及車輛荷載的作用更為敏感，使得橋上軌道幾何形位控制更加困難。到目前為止，無砟軌道在國內外高速鐵路大跨度鋼橋特別是超千米大橋的應用仍屬空白。

國內外學者針對大跨鋼橋用無砟軌道這一難題相繼開展了研究。李永樂等[20]對大跨度鋼桁梁斜拉橋無砟軌道橋面豎向靜力剛度特性進行了研究。衛星等[21]通過動力性能試驗研究驗證了縱連板式無砟軌道在大跨度橋上的動力適用性。陳小平等[22]得到了大跨度連續梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道在不同位置松開扣件進行改道、墊板等維護作業對無縫鋼軌、底座板、剪力齒槽、橋梁固定支座等部件縱向力的影響。曲村等[23]對高速鐵路長大橋梁CRTSⅠ型板式無砟軌道的無縫線路力學特性進行分析，提出了選擇無砟軌道無縫線路設計參數的建議。崔麗紅等[24]對長大混凝土橋梁無砟軌道溫度跨度進行了研究，對比分析了無砟軌道與有砟軌道的軌道結構形式以及梁軌相互作用機理。總體來看，既有研究尚未直接涉及超千米大橋無砟軌道問題。

在無砟軌道快速更新技術方面：安全與速度是高速鐵路2大重要指標，在天窗時間點內完成無砟軌道快速更新，同時保證更新結構強度快速達到要求，這2點是確保高速鐵路安全與速度2大指標的關鍵。

對于目前我國高速鐵路無砟軌道出現的病害和傷損，我國學者在傷損機理、修復材料及軌道維修和快速更新方面進行了探索性研究。高亮等[25]基于有限元理論，研究了溫升和持續高溫荷載作用下，寬、窄接縫分別破損對無縫線路受力和變形的影響。倪躍峰等[26]對無砟軌道抬板維修解除軌道板間的縱向連接時兩側相鄰軌道板的植筋錨固處理進行了計算。王繼軍[27]針對板式無砟軌道結構錨固銷釘限位技術提出了2種銷釘設計方案，并進行了單個銷釘靜態承載能力、疲勞承載能力以及實尺模型銷釘承載能力進行了試驗研究。姜子清等[28]對CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層傷損進行了調研，針對不同的傷損提出了傷損判定標準及檢查方案，并給出了修復方法及注意事項。吳紹利等[29]針對板式無砟軌道的砂漿離縫問題，提出了合適的快速維修工藝。王濤等[30-31]對不鋸軌更換橋上的CRTSⅠ型軌道板進行了詳細研究與論述。鄭新國等[32]針對沉降無砟軌道結構注漿抬升用材料、裝備和工藝進行了系統研究。陳一脈[33]針對CRTSⅡ型無砟軌道路基大幅值沉降維修方式的不足，提出了抬板法維修方案，對抬板支護材料屬性、支護塊幾何尺寸、墊塊方式進行了討論，并且針對提出的支護方案建立動力學模型，探討了維修后的行車限制速度。

1.3 軌道服役狀態、安全監測與健康管理

高速鐵路軌道結構是整個高速鐵路系統的關鍵組成部分之一。在運營過程中，由于承受高速列車與基礎設施相互作用產生的載荷和外界環境影響，軌道結構狀態將產生變化，演變到一定程度也會形成軌道病害。軌道病害主要分為2類：①沿線路的軌道平順性方面的病害，如鋼軌波磨、軌道幾何不平順和基礎沉降引起軌面長波不平順等；②與軌道部件傷損和失效有關的病害，包括鋼軌傷損、扣件失效等。軌道病害直接影響輪軌作用力和車輛動態響應，如不及時發現和處理，不僅影響列車行車安全、旅客舒適性、車線設備的壽命和運營維護成本，還會影響鐵路運輸組織秩序，甚至引起列車脫軌事故。軌道病害的產生難以避免，但軌道病害的發生和發展過程必須能夠檢測、發現和控制。

1)高速鐵路維修技術與維修體制

隨著計算機和科學技術的快速發展，人工智能已廣泛應用于鐵路線路基礎設施的養護維修。國外鐵路重視重載鐵路狀態檢測技術和預測評估技術在線路養護維修中的應用，建立了基于狀態修(Condition-based Maintenance,CBM)的維修模式。狀態修是通過定期或連續對線路設備狀態進行檢測和診斷分析，預測或及時發現可能的線路病害，主動避免某些病害發生或根據不同狀態采取相應維修方案，從而實現維修時間少，維修速度快，維修費用低，并提高維修準確性和線路設備可靠性。國外鐵路推行“管、檢、修”分離模式，可實現檢查與維修的異體監督，提高維修的專業性與機械化水平;采用專業化大型養路機械進行維修作業，提高維修質量與維修效率。如日本高速鐵路為“管、檢、修”嚴格分離模式，日本鐵路公司只負責設備管理、發包、檢查和驗收，檢測與維修作業均外包。歐洲高速鐵路為“管、檢、修” 部分分離模式，大部分大修和部分計劃修業務委托外包。

我國已建立了系統的線路設備檢測方法，目前實行周期修與基于質量狀態評估的狀態修相結合的維修管理體制，根據線路結構狀態和各線實際開展單項修理，提高了維修的針對性，更加經濟合理。隨著信息化技術的應用，國內已開發了系統的線路設備管理系統，可實現線路基礎設施的智能化管理，已建立了鐵路工務管理信息系統(PWMIS)，以GIS為平臺，應用智能技術，可最大限度實現數據與信息資源共享，實現信息獲取、組織管理、實施計劃、指揮調控等功能，實現對鐵路工務設施的有效管理，提高速鐵路路信息化水平。初步形成了基于PHM的大跨度橋梁智能養護維修技術，實現大跨度鐵路橋梁的關鍵構件服役狀態的智能化監測和健康管理。

在維修組織方面，國內已全面推行“檢、養、修”分開的模式，采用集中修、機械修、天窗修和異體專業檢查方式，提高了線路檢查和維修質量，大大減少作業處所，提高了安全生產管理水平。維修組織模式主要有工務、電務和供電綜合維修和專業維修模式2種，生產一體化管理可實現統一組織架構、統一天窗安排、統一生產計劃、統一組織、統一應急處置，提高天窗利用率和維修作業效率。

在維修技術方面，國內已形成了成熟的大型養路機械的研發與生產能力，采用專業化大型養路機械進行大修與綜合維修作業。通過引進技術、聯合設計、合作生產、自主研發等方式，掌握了大型養路機械的制造技術及核心技術，完善了生產組織，大幅度提高了大型養路機械的制造水平。同時國內已研發了系列線路基礎設施維修加固新材料與新方法，研制了碳纖維板橋梁加固、高分子樹脂錨注材料、自流平混凝土、熱塑性彈性體、新型重載道岔等新材料與新產品，研發了體外預應力橋梁加固，“裂縫修補+錨桿+粘貼碳纖維布”、“內嵌H型鋼拱架+錨桿”、“高強波紋板+錨桿”等隧道襯砌裂紋加固的新方法和新工藝，建立了成套的鐵路線路基礎設施維修與加固技術體系。

2)高速鐵路軌道檢測與監測技術

在信息技術智能化的背景下，國外發達國家率先提出將信息智能技術應用于道路監測、檢測及養護維修方面，從而使監控數據及時得到采集、反饋、共享、會診，使道路智能化系統實現安全健康監控和預測作用。日本的UTMS提出了一種基于紅外線感應器和光信標傳感器的信息采集和處理系統，可以建立智能化道路監控系統；法國在網絡傳輸中，通過實時監測系統的數據特性，建立系統功能強大的數據庫系統，形成統一管理平臺，為實時智能監控系統提供實時、可靠、安全、高效的數據傳輸服務。隨著計算機和科學技術的快速發展，人工智能也開始在各類交通基礎設施的監測檢測和病害識別方面發揮作用。

在智能化監控技術方面，我國尚處于起步成長階段，與國外發達國家還存在一定的差距。目前，我國正大力發展智能化監測、檢測技術。基于高速鐵路長期服役能力保障的需求，我國鐵路針對軌道、鋼軌、路基、重點橋隧、環境災害等基礎設施安全風險重點項目，研究提出了高速鐵路工務設備檢測監測體系網絡化、智能化總體框架，提出我國高速鐵路檢測監測體系總體技術條件以及工務設備運營維護綜合數據中心架構；開展了高速鐵路無砟軌道的實時健康監測和全生命期安全評估技術研究。

在移動檢測技術研究和設備開發領域，鐵科院研制了CRH5J-0501(原0號)，CRH380BJ-0301(原CRH380B-002)，CRH380AJ-0201(原CRH380A-001)，CRH380AJ-0202，CRH380AJ-0203等高速綜合檢測列車和CRH2A-2010，CRH2C-2061，CRH2C-2068，CRH2C-2150等過渡綜合檢測列車。綜合檢測列車最高檢測速度達到400 km/h，集成了軌道、接觸網、輪軌動力學、通信和信號檢測系統和具有時空同步、環境視頻、檢測數據綜合顯示的綜合處理系統，按固定周期對高速鐵路軌道、接觸網、通信、信號等基礎設施狀態進行等速檢測，采集和評估基礎設施狀態。經長期研究，中國鐵道科學研究院已獲得高速鐵路無砟軌道不平順譜和車輛動力響應譜、車輛響應和軌道不平順關聯關系模型、高速鐵路動車組動力學模型等重要研究成果，使我國移動設備檢測技術居于世界前列。

在鐵路軌道的安全監測與健康管理領域，今后研究的發展趨勢主要包括：從宏觀角度針對軌道結構系統的“高速鐵路軌道結構病害診斷及安全評估方法研究”，從細觀角度針對鋼軌結構的“導波在鋼軌無損檢測中應用的理論研究與系統實現”，針對無砟軌道在長期服役條件下的“病害修復條件下的高速鐵路無砟軌道服役性能演變與評估研究”以及針對軌下基礎的“高速鐵路軌下多層復合結構隱蔽性病害感知理論與狀態控制方法研究”等幾個方面。

就軌道的安全監測及檢測技術而言，聲波發射和超聲導波技術是近年來新興的無損檢測技術，具有檢測面廣、檢測距離長、檢測精度高等優點，已逐步應用于橋梁構建、管道等缺損檢測。聲發射技術是基于捕捉裂紋產生或發展所釋放出的能量，而超聲導波是基于捕捉導波在介質傳遞中遇到缺損時反饋回的波形具有的差異性，因此，聲發射檢測裂紋時具有被動性，超聲導波檢測裂紋具有主動性。

Kaule于20世紀50年代首次提出了基于磁致伸縮效應的無損檢測技術，其研究對象是檢測鋼索的斷股和腐蝕。另外，他還進行了長距離管道導波檢測的可行性研究、各種科學和工程領域中導波的傳播、長管檢測和機械狀態監測研究，對無縫鋼管的檢測取得了較好效果。國內對于該方法的研究近幾年才剛起步，對磁致伸縮傳感器在無損檢測中應用的理論基礎作了論述，分別建立了基于磁致伸縮效應在管道中激勵和接收縱向導波模型，設計了應用于圓管的激勵縱向導波的磁致伸縮傳感器，自行開發了大功率智能磁致伸縮檢測儀。通過激勵不同頻率的信號，對不同管徑和長度管材進行了大量試驗，得出了適用于檢測的最佳頻率。

2 存在的問題

2.1 高速鐵路有砟軌道結構

在高速鐵路散體道床的劣化及道床養護維修方面，目前國內外對高速鐵路有砟軌道劣化機理的研究較少。要對有砟道床的力學特性及劣化機理進行系統的研究還存在以下主要難點：

1)高速鐵路道砟顆粒及其力學狀態的模擬。道砟顆粒大小不一、形狀各異，道砟顆粒間受力變形機理非常復雜，目前國內外對于有砟道床的模擬多基于宏觀方法，基于微觀離散單元方法時對道砟多采用圓球體或者橢圓球體進行模擬，考慮較為粗糙，與實際偏差較大。

2)復雜環境條件下高速鐵路有砟道床劣化演變規律。在列車循環荷載作用以及酸雨、泥漿、溫度場等外界復雜環境因素長期耦合作用下，散體道砟材料力學特性會發生劣化演變，導致有砟道床失效、破壞。因此，對于長期運營過程中復雜環境作用下高速鐵路有砟道床劣化演變規律的研究具有重要價值。

3)搗固維修作業對散體道床力學狀態的作用機理。搗固機械在插搗過程中，多個金屬搗鎬會以一定自振頻率與散體碎石道床發生作用，使道砟向軌枕底部流動，涉及散體力學、多體動力學等多個學科。

在高速列車作用下的道砟飛濺及防治方法方面：目前國內外對高速鐵路道砟飛濺機理研究相對較少，特別是在列車風與道砟作用機理、高速有砟道床斷面優化等方面的研究相當匱乏。難點主要表現在以下方面：

1)高速列車作用下道砟飛濺的形成機理。傳統研究方法成本高、危險性大，具不可逆性，結果難于觀測與統計，導致不能對道砟飛濺的產生原因、影響因素、防治手段等問題進行深入、細致、系統的研究。

2)軌道結構對道砟飛濺的影響規律。道砟飛濺現象是由軌枕、道砟和列車風載相互影響，結構復雜的體系相互作用所導致，同時還受到道砟顆粒物理特性、道床屬性、列車線性等綜合因素影響，故有必要將軌枕、道砟、列車風進行耦合分析。

3)多場荷載耦合作用下道砟飛濺的發生機理。在極端氣候條件下列車底部冰雪掉落所形成的擊打、高速列車經過橋梁時梁體所產生的振動會與高速列車風和列車振動形成多場耦合荷載，從而引起更為復雜的道砟飛濺現象。

2.2 高速鐵路無砟軌道結構

在無砟軌道與超大跨橋梁適應性研究方面：

1)無縫線路-無砟軌道-超大跨橋梁間相互作用及變形協調問題。當橋梁跨度增加時，無砟軌道及鋼軌縱向溫度力，無縫線路鋼軌伸縮力、撓曲力、斷軌力均較大。如何合理設計以達到無縫線路-無砟軌道-超大跨橋梁受力平衡、變形協調，是需要解決的關鍵科學問題之一。

2)超大跨橋上高速行車運營安全性及控制指標問題。橋梁抖振、車輛氣動荷載及車軌橋相互作用關系三者共同影響下的高速列車運營安全性問題及平順性控制標準是超大跨橋上鋪設無砟軌道時需要解決的另一個關鍵科學問題。

3)超大跨橋上無砟軌道層間黏結安全及無砟軌道穩定性問題。在往復溫升溫降荷載、溫度梯度荷載以及車輛動荷載下進行橋面與無砟軌道、無砟軌道各層黏結及限位合理設計，是在超大跨橋上鋪設無砟軌道時需要解決的又一關鍵科學問題。

4)超大跨橋梁徐變下無砟軌道及軌面幾何形位保持與養護維修技術難題。超大跨度橋上無砟軌道的應用必須有相應的養護維修技術支持，并且配合相應的超大調整量扣件，確保長期服役過程中超大跨度橋上無砟軌道軌面平順性滿足高速行車要求。

在無砟軌道快速更新技術方面：

1)固化速度快，剛度匹配性好，耐久性好的替代材料研制。需要研發的修復材料力學特性要與原有材料的性能一致，并且修復材料與連接結構部件的黏結性能也要與原材料性能相當。同時要便于施工，固化速度快以及具有較好的耐久性。

2)快速更新施工機具和機械。無砟軌道維護的天窗時間短，對軌道部件的更換速度提出了較高要求。如何在相對狹小的空間進行快速更換對施工機具和機械提出了較高的要求。

3)無砟軌道快速更新施工工藝。軌道部件更換速度與質量是運輸秩序與安全的重要保障。在無砟軌道結構中，有長鋼軌、道岔、軌道板和充填層4種大部件，其更換工藝較為復雜。針對不同的更新部件和施工要求，應采用不同的施工工藝。

4)無砟軌道更新效果檢測與評估。無砟軌道更新過程導致的無砟軌道狀態的改變需要進行合理監控。檢測內容應當體現出無砟軌道的狀態的改變對于未維修的結構以及無砟軌道、無縫線路系統的影響。

2.3 高速鐵路軌道服役狀態安全監測與健康管理

鐵路軌道服役狀態的安全監測與健康管理方面所存在的問題，從宏觀軌道結構系統到細觀軌道結構部件主要包括如下5個方面：

1)高速鐵路軌道結構病害診斷及安全評估方法有待完善。軌道病害直接影響輪軌作用力和車輛動態響應，如不及時發現和處理，將進一步加劇惡化，不僅會影響列車行車安全、旅客舒適性、車線設備的壽命和運營維護成本，還會影響鐵路運輸組織秩序，甚至引起列車脫軌事故。軌道病害的產生難以避免，但目前尚缺乏合理的軌道結構病害診斷及評估方法，致使軌道病害的發生和發展得不到有效的檢測、發現和控制。

2)導波在鋼軌無損檢測中應用的理論研究與系統實現有待深入。鐵路鋼軌是承載車輪傳遞荷載并引導車輪走行的設備，其內在質量完好是保證列車運行安全的重要保證。鋼軌主要的安全隱患為裂紋及折斷，這些裂紋可能在鋼軌的任意位置出現，比如頂部、側面或底部。預知和檢測出道岔尖軌和心軌出現裂紋甚至鋼軌折斷是目前鐵路工務部門尚未解決的技術難題，該難題一直困擾著工務部門。由于道岔尖軌和心軌沒有扣件扣壓，一旦折斷，引導列車運行的功能喪失，極易發生列車脫軌事故。如果尖軌和心軌折斷發生在高速鐵路正線，則事故是災難性的。鐵路工務部門采用超聲波檢測技術對鋼軌軌身和焊接接頭進行檢測較為普遍，但目前國內外尚未有能實時監測道岔尖軌裂紋和折斷的設備和方法，因此，鋼軌尤其是道岔區域的鋼軌裂紋檢測與監測是目前急需解決的難題。

3)病害修復后高速鐵路無砟軌道服役性能演變規律尚不明確。無砟軌道結構在病害修復后其力學性能會受到修補材料、多場荷載等因素的影響，會導致修補后無砟軌道的服役性能及劣化演化規律與原有結構呈現出一定的差異。盡管目前我國學者在無砟軌道出現的病害和傷損機理方面做了一定的研究，尤其是鐵科院等科研單位也在修復材料開發方面做了大量工作，但病害修復后高速鐵路無砟軌道服役性能演變規律尚有待進一步研究。

4)高速鐵路軌下多層復合結構隱蔽性病害感知理論與狀態控制方法有待研究。建立現代化的工務設備檢養修技術是在高速度、高密度行車條件下保障軌道結構正常服役和列車持久、平穩、安全運行的必由之路。當前對高速鐵路軌下多層復合結構(包括無砟道床與路基基床、隧道底板、橋面板在內的特有層狀復合結構)隱蔽性傷損及病害的感知與狀態控制存在著病害特征參數識別不清、層間狀態與整體性能關系不明、結構技術狀態分級不細、修復策略與時機不當、二次修復精準性不夠等問題，不僅制約著工務設備運維的快速性、持久性和經濟性，更給列車安全運行帶來巨大威脅。

5)高速長鋼軌鎖定軌溫檢測方法及在線檢測方案的研究。無縫線路受熱脹冷縮規律的影響，其內部儲存了相當驚人的縱向溫度應力，導致線路實際鎖定軌溫低于設計鎖定軌溫。熱脹冷縮規律變化產生的溫度應力一旦超過無縫線路設計時鎖定軌溫所對應承載的溫度應力，會使線路運行存在極大的隱患。在晝夜溫差較大的季節，在局部區域增大的應力峰和牽制力一旦釋放，會引發嚴重的“脹軌跑道”，導致翻車和人身傷亡事故。及時掌握線路受力狀態和實際鎖定軌溫的變化規律，對鐵路工務部門指導線路的維修及確保無縫線路的運營安全具有十分重要的意義。目前測定鎖定軌溫的方法需要拆除扣件，因此會在一定程度上影響無縫線路穩定性，需要研發一種無需對鋼軌表面預處理，無需解除扣件的精準的無縫線路溫度應力檢測技術。

3 研究方向與建議

3.1 高速列車作用下的道砟飛濺機理及防治措施研究

預期目標：揭示高速列車作用下道砟飛濺的形成機理；明確冰雪擊打及復雜線路條件多場荷載耦合作用下道砟飛濺的發生機理；明確軌道結構對道砟飛濺的影響規律；提出能防治道砟飛濺的軌道結構形式及設計參數。

科學問題：①高速列車作用下道砟飛濺形成機理；②軌道結構對道砟飛濺的影響規律；③多場荷載耦合作用下道砟飛濺發生機理。

研究內容：①高速列車作用下道砟飛濺的形成機理；②嚴寒地區冰雪擊打條件下道床顆粒的飛濺機理；③橋上高速有砟軌道多場荷載耦合作用下道砟的飛濺發生機理；④道砟飛濺的防治措施及軌道結構設計參數優化。

3.2 高速鐵路特殊區段軌道剛度的演化機理與規律

預期目標：探明軌道剛度匹配對高速鐵路特殊區段高速行車品質的影響機制；揭示軌道剛度對高速鐵路特殊區段結構服役性能的影響機理；掌握長期運營條件下高速鐵路特殊區段軌道剛度的動態演化規律;研發高速鐵路特殊區段軌道剛度多維高效檢測設備；提出高速鐵路特殊區段軌道剛度評價方法；指導高速鐵路特殊區段軌道病害養護維修。

科學問題：①高速鐵路特殊區段軌道剛度的合理匹配；②高速鐵路特殊區段軌道剛度的科學評價；③高速鐵路特殊區段軌道剛度的演化機理。

研究內容：①針對高速道岔區、路橋、橋隧等過渡段、減振軌道等特殊區段，建立考慮材料及幾何非線性特性的特殊區段軌道靜/動剛度多維分析模型，提出高速鐵路特殊區段軌道剛度的合理匹配原則；②研究軌道剛度匹配對特殊區段軌道結構動力特性的影響機制，形成高速鐵路特殊區段軌道剛度評價指標、評估技術；③研究特殊區段軌道剛度與軌道結構傷損病害的關聯關系，揭示長期運營條件下高速鐵路特殊區段軌道剛度的動態演化規律，為高速鐵路特殊區段軌道剛度合理匹配、養護維修提供理論基礎及技術支撐。

3.3 高速鐵路軌下多層復合結構隱蔽性病害感知理論與狀態控制方法研究

預期目標：形成軌下多層復合結構典型傷損及病害檢測技術條件；提出軌下結構狀態智能評估方法和狀態修指標體系；研發典型病害的精準引導快速修復技術；構建高速鐵路軌下結構傷損與病害的現代化檢養修理論與技術體系。

科學問題：①高速鐵路軌下結構隱蔽性傷損及病害多源感知機理；②高速鐵路軌下結構局部狀態與行車品質間映射關系；③高速鐵路軌下結構多層非均勻介質中的多目標多尺度損傷及病害反演理論。

研究內容：①高速鐵路軌下結構隱蔽性傷損及病害多源感知機理；②高速鐵路軌下結構局部狀態與行車品質間映射關系；③高速鐵路軌下結構狀態評估和智能決策理論；④高速鐵路軌下結構精準修復方法；⑤高速鐵路列車安全運營全生命周期狀態評估理論和預測方法。

3.4 病害修復后高速鐵路無砟軌道服役性能演變與評估

預期目標：明確無砟軌道病害修復后服役性能演化規律；實現修復后體系與原結構等強的目標，形成高速鐵路無砟軌道結構服役安全保障技術。

科學問題：①修復材料與本體材料的屬性差異描述和修復體傳力路徑；②軌道不平順及結構損傷條件下輪軌系統動態安全性以及使用壽命預測技術；③高速鐵路無砟軌道修復體材料性能退化模型和無砟軌道結構服役性能的演變規律。

研究內容：①無砟軌道修復材料與本體材料的屬性差異描述和修復體傳力路徑；②多因素作用下修復無砟軌道結構動力可靠度評估模型與方法；③軌道不平順及結構損傷條件下輪軌系統動態安全性以及使用壽命預測技術；④無砟軌道修復體材料性能退化模型和無砟軌道結構服役性能的演變規律；⑤軌道結構損傷和異常狀態的監測、識別技術及預警機制；⑥無砟軌道智能型自修復方法與自修復材料。

3.5 導波在鋼軌無損檢測中應用的理論研究與系統實現

預期目標：從理論上論述采用導波進行裂紋檢測和監測的可能性；開發基于導波原理的鋼軌傳感器和軟硬件系統，在實驗室進行功能驗證。

科學問題：①導波在非對稱結構中的理論分析；②鋼軌軌頭要走行列車車輪，軌頭頂面及內側面不能設置傳感器，如何對軌頭處缺陷進行檢測，如何在理論和實踐上找到答案；③如何提高檢測精度，使得當缺陷或裂紋面積占鋼軌截面積的比例達到5%時能被成功檢出。

研究內容：①開展理論研究，確定道岔鋼軌中導波的頻散特性，以獲取道岔鋼軌中導波的相速度頻散曲線和群速度頻散曲線；②建立仿真模型，對導波在道岔鋼軌中的傳播及其與鋼軌缺陷的作用進行仿真，分析不同頻率導波的能量在道岔鋼軌各個部分的分布，以確定適合軌底缺陷檢測的導波頻率；③進行道岔鋼軌導波檢測系統以及梳狀導波傳感器研發設計；④研發鋼軌裂紋監測系統，在室內外進行試驗，驗證導波對道岔鋼軌軌底各種缺陷的檢測靈敏度，為優化檢測系統提供依據。

3.6 無縫線路鎖定軌溫檢測方法及在線檢測關鍵技術研究

預期目標：研發在線、全線覆蓋、精準的無縫線路溫度應力檢測技術，無需對鋼軌表面預處理，無需線路停運；建立無縫線路鎖定軌溫檢測的機理模型；構建“無縫線路在線鎖定軌溫檢測方法”的科學體系和應用方案。

科學問題：①無縫線路穩定受力的物理模型和線路穩定性計算的數學模型；②無縫線路全域穩定性和局域穩定性的機理研究；③無縫線路實際鎖定軌溫檢測的機理模型。

研究內容：①無縫線路受熱脹冷縮影響實際鎖定軌溫的變化規律；②建立無縫線路穩定性評估條件和判據；③無縫線路溫度應力精準檢測的智能決策理論及技術；④無縫線路實際鎖定軌溫檢測方法及在線實施方案；⑤鎖定軌溫在線檢測技術。

4 結語

本文對我國近年來在高速鐵路有砟軌道、無砟軌道、軌道服役狀態監測與健康管理方面所開展的研究工作和取得的研究成果進行了系統的梳理和介紹，結合我國高速鐵路在實際運營過程中出現的問題，指出目前高速鐵路軌道系統及運營維護方面研究的欠缺及存在的問題，對未來需要開展的研究工作及主要的科學問題提出了一系列建議。主要包括：高速列車作用下的道砟飛濺機理及防治措施；高速鐵路特殊區段軌道剛度的演化機理與規律;高速鐵路軌下多層復合結構隱蔽性病害感知理論與狀態控制方法;病害修復后高速鐵路無砟軌道服役性能演變與評估;導波在鋼軌無損檢測中應用的理論研究與系統實現;無縫線路鎖定軌溫檢測方法及在線檢測關鍵技術研究。