鐵路橋隧檢測監測體系框架研究

馮乾寬，王石磊，齊法琳，高巖，宋國華

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所，北京 100081；2.中國國家鐵路集團有限公司 基礎設施檢測中心，北京 100081）

0 引言

近年來，隨著高速鐵路大規模建設，鐵路橋隧里程與占比逐步提升。截至2020年底，我國鐵路營業里程14.5萬km，其中高鐵里程3.5萬km。據統計，當前全路隧道約16 800余座，規模達1.96萬km，近10年投入運營的隧道規模占總隧道數量的64%，近20年投入運營隧道占比約81%［1］。隨著經濟與技術的高速發展，我國隧道數量呈現井噴式發展。

我國鐵路沿線氣候、地質、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境；另一方面由于各建設時期標準不同，以及施工質量的不確定性，導致鐵路運營隧道存在多種類型缺陷及病害。這些缺陷或病害空間分布突出、隱蔽性強，大部分性能指標演化周期長，個別存在突發性、安全風險高等特點［2-3］。

橋隧結構病害具有一定的發展過程［4］，采用相關儀器設備開展周期性檢測，合理評定結構狀態，科學指導結構養護維修，對我國鐵路長期發展和安全運營具有重要意義［5-6］。

因此，有必要總結我國鐵路橋隧檢測監測經驗，分析橋隧服役特征，優化檢測監測制度，完善狀態評價標準，構建與我國鐵路橋隧規模相適應的、科學高效的檢測監測體系，以確保及時識別鐵路運輸安全風險，客觀把握橋隧結構性能演變規律，合理指導橋隧精準養修。

1 鐵路橋隧檢測監測制度分析

1.1 檢測類別、頻次、劣化評價指標

Q/CR405—2018《鐵路橋隧建筑物劣化評定》對橋隧檢測的類別、頻次、劣化評價指標進行規定。橋涵評價指標包括混凝土梁劣化、鋼梁劣化、支座劣化、墩臺及基礎劣化、涵洞劣化、附屬設施及周邊環境等，評價指標分布見圖1。隧道評價指標包括拱墻襯砌劣化、隧底結構劣化、防排水劣化、防災疏散救援設施劣化、洞口及附屬設施劣化等，評價指標分布見圖2。

圖1 橋涵病害評價指標分布

圖2 隧道病害評價指標分布

1.2 存在的問題

在總結橋隧現行檢測監測制度的基礎上，對各鐵路局集團公司進行走訪調研，梳理我國鐵路橋隧檢測監測存在的問題。

1.2.1 橋隧檢測監測制度有待進一步優化完善

TG/GW 114—2011《高速鐵路橋隧建筑物修理規則（試行）》對橋隧檢查、檢定制度進行了規定，近10年實踐經驗表明，尚需結合我國高速鐵路運營特點、橋隧規模、狀態發展規律對橋隧檢查制度進一步優化完善，明確各類別檢查范圍、人員要求、數據及結果形式，優化橋隧各檢查類別檢查周期，保持檢查制度的合理性、科學性。

1.2.2 檢測監測技術及裝備與鐵路橋隧規模不匹配

當前我國鐵路橋隧狀態獲取仍主要以人工接觸性檢查為主，先進檢測技術及裝備普及率較低，伴隨人力成本的攀升以及鐵路局集團公司逐步市場化轉型，鐵路局集團公司面臨著不斷降低生產成本與提高養修效率的壓力，該矛盾將日益突出。檢測技術及裝備智能化是解決矛盾的關鍵是未來的發展趨勢［7-8］。

1.2.3 狀態評價標準及數據融合運用發展空間大

伴隨鐵路大跨度橋梁規模的增加及服役時間的延伸，部分關鍵構件（如索結構）及重點部位（高強螺栓連接）問題將逐漸暴露，當前針對上述部位的狀態評價標準尚待建立；特殊結構橋梁在開通前大多開展靜動載檢定試驗，但目前仍缺乏匹配的技術規范；我國鐵路大跨度橋梁典型結構在建設、運營期間建立了監測系統，開展大跨度橋檢定-監測-軌檢多元數據的融合分析，指導同類橋梁狀態評定及開展精準養修需要深化研究；伴隨隧道攝像、激光、雷達三位一體檢測技術的逐步成熟，如何建立表觀狀態-幾何變形-內部狀態多元信息運營隧道綜合狀態評估標準及數據融合運用分析技術，需進一步深化研究［9-10］。

1.2.4 信息化程度不高，專業化融合分析軟件缺失

當前橋隧狀態檢查以人工抵近目視為主，工務安全生產管理系統橋隧子模塊，具備一定的橋梁檢測數據融合能力，主要體現在劣化等級、圖片、少量描述性文字等信息。上述信息部分通過手持終端采集，大多仍采用現場紙質記錄、人工錄入的方式進行匯集，橋梁檢測質量仍較大程度上依賴檢查人員自身專業素質，完整性、客觀性尚難以統一。橋隧狀態檢測數據結構化、信息化標準尚未建立，檢測結果缺乏實時性、時效性，數據分析管理不到位，智能化程度低。當前橋隧檢測數據主要服務維修生產，表征結構性缺陷或病害的數據亟需專業化融合分析軟件，譬如集成隧道表觀狀態、幾何變形、襯砌內部狀況開展隧道結構狀態綜合診斷的多元數據3D融合分析軟件。

2 橋隧檢測監測體系

結合我國鐵路橋隧規模、設備狀態發展規律、現行制度存在的問題，開展了鐵路橋隧檢測監測體系規劃研究，提出橋隧檢測監測體系框架，針對常規跨度橋梁、特殊結構橋梁、隧道研究了相應的檢測監測技術體系。

2.1 橋隧檢測監測體系框架

鐵路橋隧檢測監測對象由常規跨度橋梁、特殊結構橋梁、隧道組成。檢測監測體系由檢測監測制度、檢測監測技術裝備、數據管理與分析3部分組成，檢測監測體系框架布局見圖3。

圖3 橋隧檢測監測體系框架布局

2.2 橋隧檢測監測制度

綜合比較國內外橋隧檢測監測制度，結合我國鐵路橋隧規模及特點，建議鐵路橋隧檢測監測制度貫徹全生命周期理念，主要由驗收檢測、日常巡查、周期檢查、臨時檢查、專項檢測、重點監測等6個類別組成，各環節在全生命周期的布局見表1。不同類別的檢測監測對象、頻次、作業需求、數據準確性、人員（機構）等屬性存在較大不同，具體見表2。

表1 鐵路橋隧全生命周期檢測監測制度劃分

表2 不同檢測監測類別屬性

2.3 常規跨度橋梁檢測技術體系

常規跨度橋梁狀態評定依據Q/CR 405—2018《鐵路橋隧建筑物劣化評定》開展。常規跨度橋梁檢測數據主要來源于日常巡查和周期檢查產生的圖片、文字信息，通過建立鐵路常用跨度橋梁精準檢測信息模型，面向精準養修和結構安全的橋梁檢測數據多層復用，構建常規跨度橋梁檢測技術體系。檢測技術體系針對維修生產類與結構安全類的檢測數據分別建立應用管理策略。體系建立主要環節包括：檢測指標梳理歸類、檢測指標量化參數模型建立、圖形交互式檢測數據信息采集模塊開發、結構性病害檢測數據信息化平臺架構等。

2.3.1 檢測指標梳理歸類

針對鐵路常用跨度橋梁，圍繞梁體、支座、橋墩及基礎、橋面附屬設施、防落梁措施等檢測對象，對檢測指標進行梳理分類，按各指標的評定等級及對結構安全的影響進行歸類，遴選影響結構安全的指標。

2.3.2 檢測指標量化參數模型建立研究

對影響結構安全的檢測指標建立量化參數模型是實現檢測數據信息化的基礎。對各類型常用跨度橋梁，圍繞檢測結果定位參數、量化指標、展示基圖（模型）建立各檢測指標的量化參數模型。

2.3.3 圖形交互式檢測數據信息采集模塊

針對量化型指標，基于輕量化模型或平面CAD技術，研究開發基于定位參數的檢測數據圖形化交互技術。

2.3.4 結構性病害檢測數據信息化平臺架構研究

針對量化型指標，協調與現有高速鐵路綜合維修生產一體化系統、工務8M系統銜接關系，形成維修生產與結構安全檢測數據分類管理應用的機制。

常規跨度橋梁檢測技術體系布局見圖4。

圖4 鐵路常規跨度橋梁檢測技術體系布局

2.4 特殊結構橋梁檢測監測技術體系

針對鐵路特殊結構橋梁，一方面突出驗收檢測的作用，橋梁靜動載檢定結果作為竣工及后期養護的基礎資料，同時組織設計單位在檢測監測制度的整體框架下編制橋梁養護指導手冊，作為運維期開展檢測監測活動的技術指導文件。

《大跨度橋梁運營狀態監測技術條件》（2019年送審）規定了宜開展監測的橋梁類別、監測內容。特殊結構大跨度橋梁長期監測踐行全生命周期理念，融合InSAR、GNSS區域橋梁群空間形變監測、地面智能傳感、BIM技術、人工智能等技術，構建面向運維、服務運輸安全的時空多維鐵路橋梁監測系統（見圖5）。

圖5 鐵路特殊結構大跨度橋梁檢測監測系統布局

建設期或運維期建立長期監測系統的特殊結構大跨度橋梁，踐行健康管理理念，構建故障預測與健康管理（PHM）系統，PHM系統包含運營性能智能檢測監測體系和基于運營性能的健康管理2個層面［11］。運營性能智能檢測監測體系包含運營性能指標體系、智能檢測監測技術（如智能人工巡檢、無損檢測和健康監測）、性能評價與狀態預測（包含數據挖掘、性能演化研究與服役狀態預測）。運營性能健康管理依托PHM系統平臺，融合了運營性能評價、病害庫系統和智能養修技術，通過運營經驗、檢測監測數據分析等建立大橋典型部位病害庫系統，指導大橋智能養修，實現健康管理。特殊結構大跨度橋梁PHM系統技術體系布局見圖6。

圖6 特殊結構大跨度橋梁PHM系統布局

2.5 隧道檢測監測技術體系

鑒于當前隧道檢測技術及裝備特點，綜合考慮不同技術的發展趨勢，構建由“車載式快速綜合檢測車”+“原位及地面移動精確檢測”組成的、與我國鐵路隧道規模相匹配的隧道檢測技術體系。服務于隧道周期檢查和專項檢測（見圖7）。

圖7 隧道檢測技術體系布局

車載式快速綜合檢測車覆蓋襯砌表觀、隧道內部、隧道徑向及沉降幾何形態等內容，考慮各檢測技術適應速度，車載式快速綜合檢測車運用速度宜為30～50 km/h，原位及地面移動精確檢測旨在通過無損及地面移動檢測技術對快速檢測揭露的潛在缺陷病害進行精確定位、探測、評估，另外對快速檢測難以周期性覆蓋的隧道，各管轄單位依此作為主要手段開展周期性檢測。

對于復雜地質隧道，當檢查發現病害發展較快、發生地質災害可能影響行車安全時，需布置監測系統，實時監控、預報預警。隧道監測對象由隧道本體、軌道、山體等組成，隧道本體包含地表沉降、拱頂下沉、凈空變化和隧底變形等必測項目以及圍巖位移、圍巖壓力、結構應力、縱向位移、裂縫張開量、錨桿軸力、孔隙水壓力等選測項目，高風險區段尚需對山體位移、地下水、地表降水等項目開展監測。鐵路隧道監測布局見圖8。

圖8 鐵路隧道監測布局

3 結論

總結我國鐵路橋隧規模、設備狀態發展規律、現行制度存在問題的基礎上，開展鐵路橋隧檢測監測體系規劃研究，提出基于全生命周期理念的鐵路橋隧檢測監測制度。主要由驗收檢測、日常巡查、周期檢查、臨時檢查、專項檢測、重點監測等6個類別組成，不同類別的檢測監測對象、頻次、作業需求、數據準確性、人員（機構）等屬性存在較大不同。

常規跨度橋梁檢測技術體系基于精準檢測信息模型建立，實現面向精準養修和結構安全的橋梁檢測數據多層復用。

特殊結構橋梁檢測技術體系，突出驗收檢測作用，組織單位編制橋梁養護指導手冊，作為運維期開展檢測監測活動的技術指導文件。

隧道檢測技術體系由“車載式快速綜合檢測車”+“原位及地面移動精確檢測”組成，服務于隧道周期檢查和專項檢測。