鐵路軌道工程長壽命安全保障戰略探討

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）

鐵路是現代交通運輸的重要組成部分，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。軌道工程結構作為鐵路系統的主要部件，確保其安全服役并盡可能延長其使用壽命，對于支撐經濟建設持續發展、保障人民生活安穩有序、助力國家安全和社會穩定，都具有十分重大的戰略意義。為此，2015年中國工程院重點咨詢項目“交通基礎設施重大結構安全保障戰略研究”中設專題開展鐵路軌道結構安全保障戰略這一事關國家安全、國防安全和國計民生的重大研究項目，為本領域的學科發展、技術發展、法規建設提供戰略咨詢。

一、我國軌道工程規模龐大，長壽命安全保障面臨嚴峻挑戰

經過多年的發展，我國軌道交通的基礎網絡布局已初步完成。中西部地區鐵路跨區域快速通道基本形成，高速鐵路逐步成網，城際鐵路與城市軌道交通不斷發展，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。依托重載技術的自主創新，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《中長期鐵路網規劃》（2016―2030年）的頒布，鐵路網將構建以“八縱八橫”主通道為骨架、區域連接線銜接、城際鐵路為補充的高速鐵路網，實現省會城市高速鐵路通達、區際之間高效便捷相連。總的來講，我國鐵路發展突飛猛進，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，仍缺乏相關的基礎理論與技術研究[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定地服役，是一個日益突出的關鍵問題。

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

我國仍處于交通快速發展時期，一大批結構新穎、技術復雜、設計和施工難度大、科技含量高的重大工程結構相繼建成，而且隨著既有基礎設施服役時間的不斷延長，損傷和病害加速涌現，災難破壞形式和致災行為與后果更為多變，交通基礎設施的長壽命安全保障呈現出新內容、新形式和新特征[3]。一方面，因結構的自然劣化、嚴峻的服役條件以及不足的養護維修等因素的影響，部分結構過早地出現了安全性不足、耐久性降低、適用性不強的狀況，這導致結構的實際使用壽命遠遠短于預期使用年限；另一方面，隨著時間的推移，我國大批工程結構物的老化現象日益突出，特別是一部分重大結構將陸續達到設計使用壽命，如何科學決策它們的存續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的弊端必然會在某一時段內集中反映到結構的維修和加固上，屆時將會給養護維修、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，對于軌道基礎結構動態性能演變機理認識不清也是重要原因，如高速鐵路基礎結構初始缺陷演化、動態性能劣化、特殊條件下突變狀態對列車運行安全的影響。由鋼軌、扣件系統、軌道板、路基或橋梁等組成的高速鐵路基礎結構，因其組成材料的多樣性、運營環境的復雜性以及結構分布的空間效應、服役過程的時間效應、多場多因素交變耦合效應等，其動態性能的時空演變機制與規律十分復雜，是完善高速鐵路運營安全技術體系的主要障礙之一。在今后5～10年內，我國在對高速鐵路持續建設的同時，高速鐵路高安全、高可靠、高品質運營保障體系的建設迫在眉睫，持續著力開展與之相關的基礎理論研究與關鍵技術開發（圖2以高速道岔設計為例示意該過程），是我國高速鐵路運營安全保障體系建設的迫切需求，也是我國從追蹤、保持到引領國際高速鐵路技術發展的必由之路。

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

我國的自然條件和地質情況復雜多樣，要滿足高速鐵路的安全運營，仍存在眾多復雜的難題亟待解決[6,7]。目前，我國針對軌道工程結構長壽命安全的系統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上達到最優的使用性能已成為管理部門亟需解決的問題。目前已有的設計缺乏對結構長壽命的系統考慮，包括相關的設計理論與建造方法均不成熟；施工與設計質量的缺陷威脅著大量正在使用的既有結構的安全；對既有結構養護維修的缺失或系統性不足可能嚴重縮短結構的實際使用壽命；遭受不同類型災害作用后的結構會存在不同程度的損傷，并對結構的長期性能造成影響；對既有結構的剩余壽命評估還缺乏必要的理論基礎；對服役期已達到設計年限的軌道結構，評估其繼續安全服役的可行性理論與方法還有待研究；現有的檢測與監控的技術與手段還不足以保證結構在長壽命期的安全運行；對長壽命安全領域開展的系統研究工作不足，既不利于既有結構的管理與維護，也對新結構的設計提出挑戰。

圖2 高速道岔設計總體技術路線[4]

二、發達國家高度關注鐵路軌道工程長壽命安全領域的科學技術與產業發展

鑒于交通基礎設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起了針對軌道工程維護管理與安全保障的戰略性研究計劃，如國際鐵路聯盟（UIC）的EcoTrack系統開發[8]、歐盟委員會的Shift2Rail戰略[9～11]等。

鐵路工程的建設及維護費用高昂，占基礎設施總開支相當大的部分。任何此類費用的減少都將對基礎設施管理的整體效益產生顯著影響。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使鐵路保持在既定的質量水平。20世紀90年代，24個歐洲國家的鐵路部門共同參與了UIC發起的EcoTrack系統開發。EcoTrack 系統可幫助鐵路運營決策者有效地進行維護規劃、財務安排及制定相應的維修策略。EcoTrack系統開發的總體思路是解決軌道管理操作序列中最復雜的環節，做出有關軌道維護或更換的決策。為此，應弄清軌道現場狀況（如年通過總重、軸重、速度）、軌道幾何形位、軌道材料的狀態與各種軌道維護或更換工作介入效果之間的復雜關系，并做出相應的規劃。這些相互關系被稱為“規則”。在這些“規則”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介入而產生的修復效果，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驗規則。這些“規則”代表EcoTrack系統推理工具的核心，或者說是知識庫。在 EcoTrack 系統開發期間，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“規則”。經過廣泛而深入的篩選過程后，54條“規則”得到采納并被納入EcoTrack 系統知識庫中作為標準“規則”。這些“規則”均可被棄用、起用、修改或補充，使EcoTrack系統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，這些挑戰嚴重阻礙了鐵路運輸模式的發展，威脅歐洲鐵路制造業在全球市場的領先地位。為增強鐵路在環保、土地利用、能源消耗和安全性方面的內在優勢，2014年歐盟委員會發起Shift2Rail戰略，由歐盟以及鐵路行業的8個代表（包括鐵路設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設施運營商Network Rail和Tra fi kverket）組成企業聯盟負責組織實施，計劃在2020年前投入770億歐元，通過全面協調的方法來進行鐵路研究和創新，同時注重鐵路系統供應商和用戶的需求，幫助解決鐵路領域面臨的各種挑戰。維護和提高系統的安全性過去一直被認為是鐵路研究和創新項目的必要部分，提供最佳的安全水平是Shift2Rail應該維持的一個關鍵目標。Shift2Rail的實施應該能夠通過技術觸發安全改進。當創新可以解鎖安全壁壘、安全規則成為過去式需要重新審視時，Shift2Rail 將能識別一種方法來應對安全和風險。除了通過科技發展進行安全改進，Shift2Rail也應該研究和審查如彈性、人類和組織、風險接受標準等因素。

相比發達國家，目前我國在軌道工程長壽命安全領域的研究還存在比較大的提升空間，具體表現在缺乏頂層設計，研究工作的系統性不足，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，氣候和地質條件最為復雜，運行平穩性要求最嚴，致使軌道工程長壽命安全保障的實現與保持的技術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、整合資源，實施交通基礎設施長期保持、性能提升、損傷恢復等三項重大工程，實現長期制約交通基礎設施發展的關鍵共性技術突破，提升我國交通行業的整體競爭力。到2025年，全面掌握我國交通基礎設施重大結構的狀態，構建起統一的可視化、信息化、智能化的交通基礎設施重大結構信息管理平臺。對重大工程結構實現可測、可控、可修、可換、可應急處置，從真正意義上實現重大結構在常態、自然災害和應急條件下的長壽命安全保障；促進大型工程結構現代傳感技術與智能養修機器人等裝備的研發及其產業化，實現核心基礎零部件和關鍵基礎材料的完全自主研發。在重大結構的長壽命安全保障領域推廣新材料、新結構和新工藝，應用范圍達到重大工程結構總量的30%，并推動產業的升級換代，形成一批具有較強國際競爭力的跨國公司和產業集群。到2035年，形成現代交通基礎設施養護維修策略及技術體系，實現交通基礎設施重大結構長壽命安全保障的常態化，現代傳感技術、智能機器人、無損檢測技術基本普及。同時，結合現代信息技術，高水平、高效地進行重大結構的檢測、監測、評估、修復或加固處置。推動交通基礎設施發展成為我國科技創新的又一新的主戰場，在世界上應具有創新引領能力和明顯的競爭優勢，從而實現交通強國的戰略目標。

（二）戰略任務

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

（2）以軌道工程結構長壽命安全保障領域高層次、緊缺專業技術人才和創新型人才為重點，實施專業技術人才知識更新工程和卓越工程師培養計劃，建設一批工程結構性能與安全保障訓練中心，打造高素質的技術人才隊伍。采取多種形式，選拔各類優秀技術人才到國外學習，探索和建立國際培訓基地。建立人才激勵機制，加大對優秀人才的表彰和獎勵力度。加強人才需求預測，完善各類人才信息庫，構建人才水平評價制度和信息發布平臺。

（3）針對正常工作狀態下的各類交通基礎設施和重大結構，構建統一的可視化、信息化、智能化的服役狀態信息管理平臺，運用互聯網+、物聯網、大數據和云計算的現代信息技術，完成從設計、建造、運營到損傷和老化的全壽命信息檔案的創建，為結構安全、設計校核、養護維修和檢測技術發展提供服務。實施重大結構服役性能長期保持工程，有效掌握重大結構在服役期間的局部或整體的長期性狀和發展趨勢，確保交通基礎設施重大結構的性能表現優良。

（4）針對即將達到設計壽命或服役期提前到限的重大工程結構，實施基于新材料、新結構和新工藝的性能提升工程，強化結構承載能力，延長大型結構的使用壽命。以特種金屬功能材料、功能性高分子和先進復合材料等為發展重點，加快研發新材料制備關鍵技術和裝備；引導企業采用先進適用技術，優化產品結構，全面提升設計、制造、工藝和管理水平，促進基礎設施的升級換代。

（5）針對交通基礎設施重大結構因自然災害或突發事件所造成的局部損（毀）傷，構建大型結構應急搶修、搶建與裝備研發和應急救援組織管理體系，實施交通基礎設施重大結構損傷恢復或性能再造工程。基于現代運營組織管理、全壽命預防養護維修模式及智能化、自動化養護機械設備的研發，培育重大交通基礎設施養護、維修和加固新型產業。

四、結語

我國既有軌道工程規模龐大且發展迅猛，結構的長壽命安全保障面臨嚴峻挑戰。相比發達國家，目前我國在軌道工程長壽命安全領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，氣候和地質條件最為復雜，運行平穩性要求最嚴，致使軌道工程長壽命安全保障的實現與保持的技術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，可通過提高創新能力、加強專業人才培養、培育軌道工程“建、養、護”領域的新型產業體系，促使我國在鐵路軌道工程長壽命安全保障領域（設計、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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