運(yùn)營(yíng)期高鐵工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施安全服役狀態(tài)分析

張文達(dá)，姜子清，王智超，魏少偉

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081）

1 研究背景

自2008年京津城際鐵路開通運(yùn)營(yíng)以來，我國高鐵經(jīng)過十余年的快速發(fā)展，逐漸形成以“八縱八橫”主通道為骨架、區(qū)域連接線銜接、城際鐵路補(bǔ)充的高鐵網(wǎng)［1-2］。截至2019年底，我國高鐵營(yíng)業(yè)里程超過3.5萬km；預(yù)計(jì)到2030年，高鐵運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到4.5萬km［3］。工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施作為高鐵的重要組成部分，是高速列車安全、平穩(wěn)運(yùn)行的重要保障。

綜合評(píng)估全路高鐵軌道、橋梁、路基、隧道等設(shè)備設(shè)施的健康指標(biāo)，十余年間我國高鐵TQI值保持在合理區(qū)間，工務(wù)故障、設(shè)備病害發(fā)生率明顯可控，我國高鐵工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)服役狀態(tài)整體良好。但受初期建設(shè)質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)維修、周邊環(huán)境等多重因素影響，十余年間部分線路的高鐵工務(wù)設(shè)備呈現(xiàn)出不同程度的病害。較嚴(yán)重的設(shè)備病害如果未能及時(shí)消除，容易誘發(fā)設(shè)備故障，嚴(yán)重的甚至可能引發(fā)行車事故［4］。

根據(jù)《鐵路行車設(shè)備故障調(diào)查處理辦法》（鐵辦〔2007〕168號(hào)）規(guī)定：“因違反作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)程及養(yǎng)護(hù)維修不當(dāng)或設(shè)計(jì)制造質(zhì)量缺陷、自然災(zāi)害等原因，造成鐵路機(jī)車車輛、鐵路輪渡、線路、橋隧、通信、信號(hào)、供電、信息、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、給水、防護(hù)設(shè)施等行車設(shè)備損壞，影響正常行車，危及行車安全，均構(gòu)成設(shè)備故障［5］”。海恩法則認(rèn)為：每1起嚴(yán)重事故的背后，必然有29次輕微事故和300起未遂先兆以及1 000起事故隱患［6］。通過統(tǒng)計(jì)分析歷年來高鐵工務(wù)基礎(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，梳理總結(jié)工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的安全服役狀態(tài)分布規(guī)律，及時(shí)研判安全風(fēng)險(xiǎn)，采取措施盡快消除設(shè)備隱患，減少故障的發(fā)生頻次，為指導(dǎo)既有線高鐵工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的養(yǎng)護(hù)維修提供借鑒。

2 工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的安全服役狀態(tài)分布規(guī)律

我國高鐵經(jīng)歷了引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新、自主創(chuàng)新的發(fā)展過程，工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施逐步優(yōu)化完善。同時(shí)，高鐵工務(wù)實(shí)行檢、養(yǎng)、修分開的維護(hù)管理模式，運(yùn)行速度250 km/h及以上的高鐵線路普遍采用240 min的垂直天窗，檢查和維修周期按相關(guān)維修規(guī)則指導(dǎo)實(shí)施。高鐵開通十余年間，工務(wù)設(shè)備故障發(fā)生數(shù)量和比率相對(duì)較少，故障發(fā)生率一直保持在可控范圍，高鐵工務(wù)領(lǐng)域未發(fā)生C類以上安全事故。

2.1 時(shí)空維度

相比于當(dāng)前我國高鐵工務(wù)設(shè)備運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，早期開通運(yùn)營(yíng)的高鐵線路工務(wù)設(shè)備故障發(fā)生率略高。隨著設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)的不斷進(jìn)步，后期開通運(yùn)營(yíng)的高鐵線路設(shè)備故障得到明顯控制。自2014年以來，百公里故障數(shù)（一年內(nèi)統(tǒng)計(jì)的每百公里運(yùn)營(yíng)線路發(fā)生的故障次數(shù)）基本維持在0.2左右，且總體態(tài)勢(shì)基本穩(wěn)定［7］（見圖1）。

圖1 工務(wù)各年度百公里故障趨勢(shì)

受地域和氣候原因影響，我國高鐵工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備故障發(fā)生率呈現(xiàn)較明顯的南多北少態(tài)勢(shì)。西南山區(qū)及南方高溫多雨區(qū)域發(fā)生工務(wù)設(shè)備故障相對(duì)偏多，而北方少雨、干旱區(qū)域的高鐵線路設(shè)備故障發(fā)生較少。高鐵工務(wù)設(shè)備故障多發(fā)生在每年二、三季度，兩者約占全年故障總數(shù)的65%（見圖2）。每年二、三季度我國正處汛期及高溫時(shí)段，防洪期間易發(fā)生路基邊坡溜坍、路基陷穴、水漫道床、泥石流上道、隧道滲漏水等相關(guān)災(zāi)害；而夏季高溫時(shí)段CRTSⅡ型板式無砟軌道易發(fā)生軌道板上拱等病害，影響線路平順性。另外二、三季度高鐵周邊外部環(huán)境的復(fù)雜多變程度明顯高于一、四季度，其對(duì)高鐵工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)營(yíng)影響較大。

圖2 不同季度發(fā)生故障占比

2.2 設(shè)備類型維度

高鐵工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施按照設(shè)備類型主要分為軌道、橋梁、隧道、路基、防災(zāi)、房建等6類，統(tǒng)計(jì)分析各設(shè)備類型安全服役狀況，故障占比分布見圖3。

圖3 高鐵工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施各專業(yè)故障占比分布

（1）高鐵工務(wù)設(shè)備類型發(fā)生故障統(tǒng)計(jì)中，軌道、隧道、路基及防災(zāi)系統(tǒng)等發(fā)生故障居多，約占工務(wù)設(shè)備故障總數(shù)的91%。因此設(shè)備維管單位在新線提前介入時(shí)，應(yīng)著力注重源頭質(zhì)量問題，加強(qiáng)隱蔽工程驗(yàn)收，針對(duì)易導(dǎo)致故障的影響因素予以高度重視。

（2）高鐵工務(wù)軌道專業(yè)安全服役狀況主要受鋼軌傷損、鋼軌焊縫問題、斷軌、軌道板上拱、道岔故障、軌道線形不良、軌道電路不良等因素的影響，其中鋼軌傷損、道岔設(shè)備故障、軌道板上拱占比較大，三者累計(jì)約占軌道設(shè)備故障的64%，軌道設(shè)備故障與病害呈現(xiàn)明顯正相關(guān)。高鐵路基、橋梁、隧道等線下基礎(chǔ)的服役狀況，會(huì)間接影響軌道結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。例如膨脹土地區(qū)的路基遇水膨脹、高地應(yīng)力作用下的隧道基底變形，會(huì)間接導(dǎo)致軌道不平順。

（3）高鐵工務(wù)隧道專業(yè)安全服役狀況的主要影響因素包含襯砌裂損、襯砌背后空洞、隧道滲漏水，三者累計(jì)約占隧道設(shè)備故障80%以上。其中，山區(qū)高鐵線路隧道設(shè)備故障占比較大，一方面因?yàn)槲覈絽^(qū)鐵路隧道占比遠(yuǎn)大于水底隧道、平原地區(qū)隧道等；另一方面山區(qū)鐵路隧道設(shè)備故障多與建設(shè)期間遺留的施工質(zhì)量缺陷密切相關(guān)。

（4）高鐵工務(wù)路基專業(yè)安全服役狀況的主要影響因素包含路基沉降、路基塌陷或陷穴、路基上拱等，三者累計(jì)約占路基設(shè)備故障的84%，尤其在汛期表現(xiàn)更為突出。同時(shí)，高陡路堤、長(zhǎng)大路塹、復(fù)雜的路基周邊環(huán)境、路橋結(jié)合部、特殊土地段路基等，是高鐵路基安全服役的薄弱環(huán)節(jié)。

（5）高鐵防災(zāi)系統(tǒng)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)、雨、雪、地震等自然災(zāi)害中發(fā)揮了重要作用，但局部存在設(shè)備自身故障及系統(tǒng)誤報(bào)警等狀況。近年來高鐵防災(zāi)系統(tǒng)誤報(bào)、漏報(bào)時(shí)有發(fā)生，因此高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備在可靠性和耐久性方面有較大提升空間。

2.3 外部環(huán)境維度

我國高鐵跨越地域廣、周邊環(huán)境復(fù)雜，一條線路往往要受到地質(zhì)環(huán)境、氣候變化、人為活動(dòng)、路外施工等諸多復(fù)雜因素的影響，鐵路沿線區(qū)域內(nèi)周邊環(huán)境、建筑物等的分布狀態(tài)，對(duì)工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維造成潛在影響。常見的鐵路外部環(huán)境問題主要有［8］：

（1）在鐵路線路安全保護(hù)內(nèi)擅自鋪設(shè)道路、橋上擅自設(shè)置廣告牌等附屬設(shè)施、路基上種植農(nóng)作物等。

（2）在鐵路線路安全保護(hù)區(qū)內(nèi)取土、挖砂、挖溝、采空作業(yè)或者堆放、懸掛物品等。

（3）在鐵路橋梁跨越處河道上下游各1 000 m范圍內(nèi)圍墾造田、攔河筑壩、架設(shè)浮橋或修建其他影響鐵路橋梁安全的設(shè)施；在鐵路橋梁跨越處河道上游500 m或下游一定范圍內(nèi)采砂等。

（4）在鐵路線路兩側(cè)路堤坡腳、路塹坡頂、隧道上方、橋梁外側(cè)一定范圍內(nèi)，從事采礦、采石及爆破作業(yè)等。

（5）高鐵線路兩側(cè)路堤坡腳、路塹坡頂、鐵路橋梁外側(cè)起向外各200 m范圍內(nèi)違規(guī)抽取地下水等。

周邊環(huán)境給工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施帶來的安全隱患，會(huì)直接或間接的影響高速列車的安全運(yùn)行。高鐵開通運(yùn)營(yíng)十余年間，沿線的外部環(huán)境受到設(shè)備維管單位的高度重視，周邊環(huán)境問題占比較小，但近年來受人為活動(dòng)、路外施工等諸多因素影響，周邊環(huán)境問題發(fā)生頻率有明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

3 應(yīng)對(duì)措施建議

總結(jié)高鐵運(yùn)營(yíng)十余年來工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施安全服役狀態(tài)的分布規(guī)律，進(jìn)一步確保養(yǎng)護(hù)維修質(zhì)量，提高作業(yè)效率，提出針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施建議：

（1）加強(qiáng)源頭質(zhì)量管控。源頭質(zhì)量對(duì)后期高鐵的養(yǎng)護(hù)維修發(fā)揮著舉足輕重的作用［9］。嚴(yán)格把控工程初期的建設(shè)質(zhì)量，可大幅提高運(yùn)營(yíng)期的養(yǎng)護(hù)維修效率。因此建議強(qiáng)化工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的隱蔽工程驗(yàn)收，重點(diǎn)針對(duì)隧道、軌道、路基等基礎(chǔ)設(shè)施，采取提前介入、過程控制等手段，將隱患消除在工程建設(shè)期的萌芽階段。

（2）優(yōu)化典型病害檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，在高鐵工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生的設(shè)備故障中，隧道襯砌掉塊、脫空、滲漏水、開裂，軌道板上拱，站房雨棚結(jié)構(gòu)松動(dòng)或部分脫落等易釀成行車事故，危及高速列車的運(yùn)行安全［10］。因此建議研發(fā)高效精準(zhǔn)的檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備，為針對(duì)性地開展整治病害、減少工務(wù)設(shè)備安全隱患提供科學(xué)依據(jù)。

（3）重視高鐵周邊環(huán)境。高鐵運(yùn)營(yíng)十余年間的設(shè)備故障數(shù)據(jù)分析顯示，因周邊環(huán)境問題引發(fā)的故障數(shù)呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。隨著高鐵路網(wǎng)里程不斷增加，沿線人為活動(dòng)的復(fù)雜性、不確定性日益凸顯［11-12］。近年來路外施工、人為闖入高鐵限界等風(fēng)險(xiǎn)，給高鐵安全運(yùn)營(yíng)帶來巨大挑戰(zhàn)。因此建議開展工務(wù)領(lǐng)域監(jiān)控、識(shí)別、預(yù)警等相關(guān)技術(shù)研究，采取人防、物防、技防相結(jié)合的應(yīng)對(duì)措施，為高鐵周邊環(huán)境的良好狀態(tài)提供可靠保障。

（4）推進(jìn)工務(wù)設(shè)備的全生命周期管理。高鐵工務(wù)設(shè)備維護(hù)管理，應(yīng)以可靠性為中心理論指導(dǎo)，堅(jiān)持以全生命周期成本最低為原則，轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念，優(yōu)化及改進(jìn)產(chǎn)品、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，采取科學(xué)合理的維修策略，優(yōu)化維修項(xiàng)目、時(shí)機(jī)，提高維護(hù)質(zhì)量，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。根據(jù)設(shè)備的故障規(guī)律和故障后果、分線路等級(jí)、分設(shè)備部件確定合理的維修策略，使工務(wù)設(shè)備的健康服役更加科學(xué)、合理。

4 結(jié)論

分析運(yùn)營(yíng)期高鐵工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的安全服役狀態(tài)分布規(guī)律，提出針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施建議，得出結(jié)論如下：

（1）我國高鐵工務(wù)設(shè)施的總體運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好，故障發(fā)生率較少，但西南及南部區(qū)域高鐵線路故障相對(duì)較多?；A(chǔ)設(shè)施中軌道、隧道、路基及防災(zāi)系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生的故障居多，應(yīng)引起高度重視。隨著高鐵開通運(yùn)營(yíng)里程逐年累加，高鐵工務(wù)設(shè)備年度百公里故障數(shù)逐年下降，每年的二、三季度為故障多發(fā)季節(jié)，設(shè)備維管單位應(yīng)重點(diǎn)采取防范措施。

（2）為充分發(fā)揮高鐵工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的服役性能，建議采取加強(qiáng)源頭質(zhì)量管控、優(yōu)化典型病害檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)、重視高鐵周邊環(huán)境、推進(jìn)工務(wù)設(shè)備的全生命周期管理等措施，逐步減少設(shè)備安全隱患，阻斷病害演化成故障、故障釀成事故的徑路，保障行車安全。