高速鐵路工務(wù)安全指數(shù)體系研究

周游， 蔡培堯， 柴雪松， 王衛(wèi)東， 張文達(dá)

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵路廣州局集團有限公司，廣東廣州 510088；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司科技和信息化部（總工室），北京 100081）

我國已成為世界上高鐵運營規(guī)模最大、運輸密度最高、成網(wǎng)運營場景最復(fù)雜的國家，隨著我國高速鐵路路網(wǎng)規(guī)模的快速擴大和運營年限的不斷增加，鐵路運營安全面臨更加嚴(yán)峻的風(fēng)險和挑戰(zhàn)［1］。為指導(dǎo)運營安全工作，國內(nèi)多個行業(yè)先后引入了“安全指數(shù)”這一指標(biāo)來評價安全狀況。例如，民航建立了航空運輸系統(tǒng)安全指數(shù)指標(biāo)體系［2］、海運提出了水上交通綜合安全指數(shù)法等［3-4］，這些都在提升行業(yè)安全方面發(fā)揮了積極作用。

我國鐵路安全指數(shù)，尤其是關(guān)于工務(wù)安全指數(shù)的研究尚屬空白，為此研究提出高速鐵路工務(wù)安全指數(shù)體系，并選取典型線路進行試算，以期能夠以工務(wù)安全指數(shù)為工具，分析高速鐵路工務(wù)安全狀況及變化趨勢，預(yù)判工務(wù)安全的薄弱環(huán)節(jié)，為高速鐵路工務(wù)設(shè)備安全運行提供一定的指導(dǎo)。

1 高速鐵路工務(wù)設(shè)備事故故障概況

目前高速鐵路工務(wù)設(shè)備事故故障主要為軌道設(shè)備、隧道設(shè)備、路基設(shè)備、橋梁設(shè)備、房建設(shè)備、防災(zāi)系統(tǒng)設(shè)備附屬設(shè)施及其他設(shè)備事故故障。綜合統(tǒng)計2008—2019年中國國家鐵路集團有限公司調(diào)度電報和安監(jiān)報-1中高速鐵路各類設(shè)備事故故障數(shù)據(jù)可知，目前高速鐵路工務(wù)設(shè)備事故故障較突出的為軌道設(shè)備事故故障、隧道設(shè)備事故故障。

1.1 軌道設(shè)備

高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、軌枕、扣件、道床、道岔等部分組成［5］。這些力學(xué)性質(zhì)截然不同的材料承受來自列車車輪的作用力，它們的工作緊密相關(guān)。任何一個軌道零部件的性能、強度和結(jié)構(gòu)變化都會影響其他零部件的工作條件，并對列車運行質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。目前軌道事故故障數(shù)量較多的設(shè)備為鋼軌、道床、道岔等。

1.2 隧道設(shè)備

隨著近年來我國西部地區(qū)高速鐵路布局逐步完善，我國鐵路隧道數(shù)量大量增加，隧道設(shè)備安全變得更加重要［6］。隧道病害主要表現(xiàn)為：拱墻結(jié)構(gòu)的襯砌裂紋、脫空、掉塊，基底結(jié)構(gòu)滲漏水、翻漿冒泥，防排水系統(tǒng)的襯砌滲漏，寒區(qū)隧道排水系統(tǒng)凍結(jié)等。目前隧道設(shè)備事故故障多為襯砌滲漏、襯砌開裂、襯砌脫空、襯砌掉塊等。

1.3 路基設(shè)備

鐵路路基是軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，不僅要承受軌道結(jié)構(gòu)的重量，還要承受列車荷載的重復(fù)作用，要求以高穩(wěn)定性、不易變形等優(yōu)良特性來保證高速列車行駛的安全性和舒適性。目前路基設(shè)備事故故障主要表現(xiàn)為：路基結(jié)構(gòu)的沉降、凍害、上拱、翻漿冒泥，路基邊坡的局部坍塌及溜塌、坡面防護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、危石隱患，防排水系統(tǒng)的排水出口不暢、排水溝內(nèi)淤積阻塞、排水設(shè)備損毀、排洪能力不足等。目前路基設(shè)備事故故障多為路基沉降、路基塌陷或陷穴。

1.4 橋梁設(shè)備

高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)事故故障多數(shù)屬于功能性和耐久性的病害和問題。病害類型包括混凝土梁結(jié)構(gòu)裂縫和破損、現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)空洞、梁端頂死、鋼橋鋼構(gòu)件銹蝕、高強螺栓斷裂、檢查機具及作業(yè)通道缺乏、拉索吊桿及其錨具隱患、墩臺基礎(chǔ)變位、墩臺開裂和傷損、空心墩積水、涵洞邊墻豎向裂縫、交通涵積水、涵洞滲漏水、支座墊石劣化、支座安裝問題、支座鋼配件銹蝕、聚脲防水層病害、混凝土保護層劣化、梁端防水裝置等病害。

1.5 房建設(shè)備

房建設(shè)備是鐵路工務(wù)設(shè)備重要的組成部分，房建設(shè)備包含車站旅客跨線天橋及附屬樓梯、旅客地道、站臺、車站雨棚等，是旅客直接接觸較多的工務(wù)設(shè)備。目前高速鐵路因房建設(shè)備導(dǎo)致的事故故障數(shù)量較少，主要為結(jié)構(gòu)松動移位、振動和氣動力及臺風(fēng)作用下的部分脫落。

1.6 防災(zāi)系統(tǒng)設(shè)備

鐵路防災(zāi)系統(tǒng)（自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)）是保證高速鐵路列車運行安全的重要系統(tǒng)之一［7］。系統(tǒng)對可能發(fā)生的自然災(zāi)害（風(fēng)、雨、雪、地震）、上跨鐵路的公路道路橋梁異物侵限進行實時監(jiān)測、報警和預(yù)警，現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)經(jīng)分析后可為列車運行計劃調(diào)整、搶險救災(zāi)、維修維護等工作提供依據(jù)，是鐵路運輸系統(tǒng)中不可或缺的重要技術(shù)保障。其設(shè)備因處于較惡劣的條件下，可能會出現(xiàn)一定數(shù)量的故障和誤報，需要進一步加強防災(zāi)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性。

1.7 附屬設(shè)施及其他設(shè)備

附屬設(shè)施主要為鐵路工務(wù)設(shè)備中聲屏障、防護網(wǎng)等防護結(jié)構(gòu)，鐵路沿線附屬設(shè)施一般根據(jù)實際需求設(shè)置，目前其事故故障較少，但是也應(yīng)予以重視。其他工務(wù)設(shè)備事故故障涉及一些偶然發(fā)生的工務(wù)事故故障，如鐵皮、塑料袋侵入等。

2 指數(shù)體系構(gòu)建

工務(wù)安全內(nèi)容廣泛，上述七大類中每一類型的設(shè)備又包含有子系統(tǒng)或部件，每個部件都會影響到工務(wù)安全的整體狀態(tài)和發(fā)展趨勢。因此，從七大類設(shè)備入手，研究建立工務(wù)安全指數(shù)體系。

2.1 定義

高鐵工務(wù)安全指數(shù)是以高速鐵路工務(wù)設(shè)備狀態(tài)為研究對象，表征工務(wù)設(shè)備運營階段狀態(tài)的安全指標(biāo)體系。每一類型的設(shè)備都為1個分指數(shù)，每個分指數(shù)都由若干個指標(biāo)合成。由于大部分的構(gòu)成設(shè)備為鋼筋混凝土類結(jié)構(gòu)設(shè)施設(shè)備，其故障規(guī)律基本相似，因此各分指數(shù)的指標(biāo)基本相似。

2.2 框架

參考借鑒國內(nèi)外相關(guān)指數(shù)構(gòu)建方法，采取目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層的結(jié)構(gòu)框架［8-9］。目標(biāo)層為高鐵工務(wù)安全指數(shù)；準(zhǔn)則層也是分指數(shù)層，根據(jù)實際情況需要，選取高鐵工務(wù)設(shè)備的主要組成部分進行研究，圍繞不同方面進行分指數(shù)設(shè)置；指標(biāo)層包括影響高鐵工務(wù)安全的若干基礎(chǔ)指標(biāo)，每個指標(biāo)均對應(yīng)準(zhǔn)則層的1個分指數(shù)。

2.2.1 準(zhǔn)則層選取

準(zhǔn)則層主要圍繞工務(wù)七大類設(shè)備進行研究，每一類設(shè)備均為1個分指數(shù)，每個分指數(shù)分別對應(yīng)指標(biāo)層的多個具體指標(biāo)。

2.2.2 指標(biāo)層選取

高鐵工務(wù)設(shè)備大部分為線狀布置的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，故障的發(fā)生具有一定隨機性，根據(jù)現(xiàn)有積累的大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計和經(jīng)驗分析，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受部件工作期限影響較大，因此選擇“開通運行時間”為其中1個指標(biāo)。

事故的發(fā)生情況是衡量運營安全的重要指標(biāo)，掌握事故情況、分析事故規(guī)律和總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，才能采取針對性措施加以預(yù)防，減少事故發(fā)生。根據(jù)《鐵路交通事故應(yīng)急救援和調(diào)查處理條例》規(guī)定，將我國鐵路事故進行分類和等級劃分，所以指標(biāo)層設(shè)置“發(fā)生事故等級”指標(biāo)。

只考慮事故的類型、人員受害程度、傷亡人數(shù)以及事故責(zé)任等事故情況，而沒有考慮隱患的影響是不全面的。實際上隱患對于安全有著不容忽視的影響，因此設(shè)置“發(fā)生故障數(shù)量”指標(biāo)。

受到部分?jǐn)?shù)據(jù)不完整和保密等問題影響，在指標(biāo)層的基礎(chǔ)指標(biāo)選擇上，暫時只選擇開通運行時間、發(fā)生故障數(shù)量和發(fā)生事故等級3個基礎(chǔ)指標(biāo)進行研究。

2.2.3 準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重設(shè)置

在準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重方面，充分梳理和借鑒其他相關(guān)指標(biāo)體系權(quán)重的思路和方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合高鐵工務(wù)安全指數(shù)自身含義，廣泛征求工務(wù)領(lǐng)域?qū)＜液凸芾砣藛T的意見后，建議對于全線連續(xù)布置的軌道設(shè)備設(shè)為基準(zhǔn)權(quán)重1。房建設(shè)備由于涉及旅客安全和體驗，采用和軌道設(shè)備相同的權(quán)重。防災(zāi)系統(tǒng)、附屬設(shè)施及其他一般根據(jù)實際需要設(shè)置，其環(huán)境條件一般相對惡劣，對行車安全影響相對較重，也采用和軌道設(shè)備相同的權(quán)重。鐵路線路一般為線狀布置結(jié)構(gòu)，其軌道設(shè)備下采用路基、橋梁、隧道結(jié)構(gòu)，建議路基、橋梁、隧道按其實際占線路比例取修正權(quán)重。若該線路里程為100 km、橋梁里程為60 km，則橋梁權(quán)重為0.6。高鐵工務(wù)安全指數(shù)體系架構(gòu)及各指標(biāo)權(quán)重見表1。

表1 高鐵工務(wù)安全指數(shù)體系架構(gòu)及各指標(biāo)權(quán)重

3 安全指數(shù)賦值

3.1 公式

基于上述基礎(chǔ)，構(gòu)建高速鐵路工務(wù)安全指數(shù)（Highspeed Railway Permanent-way Safety Index，HRPSI）。該指數(shù)由軌道設(shè)備、路基設(shè)備、橋梁設(shè)備、隧道設(shè)備、房建設(shè)備、防災(zāi)系統(tǒng)設(shè)備、附屬設(shè)施及其他設(shè)備7個分指數(shù)構(gòu)成，分別表征每條線路上的軌道設(shè)備、路基設(shè)備、橋梁設(shè)備、隧道設(shè)備、房建設(shè)備、防災(zāi)系統(tǒng)設(shè)備、附屬設(shè)施及其他設(shè)備安全狀況，每個分指數(shù)都根據(jù)設(shè)備的開通運行時間、發(fā)生故障數(shù)量和事故情況進行加權(quán)計算得出，綜合反映高鐵工務(wù)安全情況，安全指數(shù)數(shù)值越大，發(fā)生故障概率越大，表明安全性越低。其計算公式為：

式中：Et為各設(shè)備的開通運行時間系數(shù)；Ea為事故類型系數(shù)；Ef為故障系數(shù)；Em為線路里程；k為7個分指數(shù)；n為各個分指數(shù)對應(yīng)設(shè)備的事故數(shù)。

3.2 系數(shù)賦值

3.2.1 開通運行時間系數(shù)

根據(jù)現(xiàn)有一定量數(shù)據(jù)統(tǒng)計和研究發(fā)現(xiàn)，各典型高鐵線路的開通時間與高鐵工務(wù)事故故障發(fā)生情況的關(guān)系，與浴盆曲線的形狀極為相似。在剛開通運營初期，高鐵工務(wù)設(shè)備由于設(shè)計、施工等原因，早期故障相對較多；在逐步整治后，結(jié)構(gòu)失效率近似保持不變，設(shè)備進入偶然故障期；后期隨著使用時間的增加，結(jié)構(gòu)開始老化，設(shè)備進入損耗故障期，故障再次增多。以軌道設(shè)備為例，事故故障浴盆曲線示意見圖1。在開通運營的1～2年，其事故故障賦值較大，隨后賦值平穩(wěn)，在開通運營后期賦值較大。

圖1 高速鐵路軌道設(shè)備事故故障浴盆曲線示意圖

分析目前高速鐵路各類設(shè)備的事故故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，隧道由于目前檢測監(jiān)測手段限制，其在開通運營5年后事故故障的發(fā)生趨于平穩(wěn)；而其他設(shè)備多在開通運營2年后，事故故障的發(fā)生趨于平穩(wěn)。

由于工務(wù)結(jié)構(gòu)物設(shè)計壽命、工務(wù)維護技術(shù)和管理水平的不斷提升，目前實際線路數(shù)據(jù)中，運行達(dá)到或接近10年的線路浴盆曲線的第3階段尚未出現(xiàn)。結(jié)合現(xiàn)有TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》［10］，路基支擋及承載結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限應(yīng)為100年，路基防護結(jié)構(gòu)及高速鐵路、重載鐵路、設(shè)計速度200 km/h的城際和客貨共線鐵路的路基排水設(shè)計使用年限為60年。TB 10002—2017《鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范》［11］中，橋涵主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限應(yīng)為100年。TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》［12］中，鐵路隧道工程洞門及其擋（翼）墻、襯砌設(shè)計使用年限100年，邊仰坡防護結(jié)構(gòu)、洞內(nèi)外排水結(jié)構(gòu)、電纜溝槽設(shè)計使用年限60年。Q/CR 9146—2017《鐵路房屋建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》［13］中，鐵路旅客站房、牽引變電所和電力變配電所電氣設(shè)備房屋、信號樓、站調(diào)樓、調(diào)度所房屋、通信設(shè)備房屋、信號設(shè)備房屋、信息設(shè)備房屋、自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)房屋應(yīng)按遠(yuǎn)期設(shè)計年度確定，其他生產(chǎn)房屋應(yīng)按近期設(shè)計年度確定。因此假設(shè)路基、橋梁、隧道、房建設(shè)備60年后才會出現(xiàn)浴盆曲線的第3階段。軌道結(jié)構(gòu)因為涉及軌道板、道岔、剛度等多種零部件，綜合目前高速鐵路運量實際情況，假設(shè)軌道設(shè)備20年后才會出現(xiàn)浴盆曲線第3階段。防災(zāi)系統(tǒng)、附屬設(shè)施及其他因現(xiàn)場條件較為惡劣，假設(shè)防災(zāi)系統(tǒng)、附屬設(shè)施及其他10年后才出現(xiàn)浴盆曲線第3階段。根據(jù)以上情況對開通運行時間系數(shù)進行賦值，賦值情況見表2。

表2 設(shè)備的開通運行時間系數(shù)Et賦值

3.2.2 事故類型系數(shù)

事故的發(fā)生情況是衡量運營安全的重要指標(biāo)，根據(jù)《鐵路交通事故應(yīng)急救援和調(diào)查處理條例》規(guī)定，對我國鐵路事故進行了分類和等級劃分。根據(jù)各類事故的嚴(yán)重程度和影響范圍，對事故類型系數(shù)進行3個層級的賦值，賦值情況見表3。

表3 事故類型系數(shù)Ea賦值

3.2.3 故障系數(shù)

故障的發(fā)生數(shù)量可在一定程度上反映安全隱患，因此對于故障系數(shù)，參考表3中“其他一般D類，C21”賦值系數(shù)，以當(dāng)年線路上實際發(fā)生的故障計數(shù)。

3.2.4 線路里程系數(shù)

不同線路的開通里程有長有短，開通里程較長的線路設(shè)備數(shù)量較多，故障發(fā)生也相對較多。由于故障系數(shù)以當(dāng)年線路上實際發(fā)生的故障計數(shù)，因此設(shè)置線路里程系數(shù)，用于對指標(biāo)進行一定程度的歸一化處理。若該線路里程為100 km，則線路里程系數(shù)取值100。

4 安全指數(shù)試算

4.1 對象選取

在可獲得的數(shù)據(jù)中，高速鐵路開通運營的線路有100余條，從這些線路中選取典型的高鐵線路進行分析。選取的基本原則為投入運營超過5年、運營里程長、設(shè)備數(shù)量多、故障件數(shù)較多的高速鐵路線路。

結(jié)合國家鐵路改革發(fā)展布局的相關(guān)特點，選取典型線路開通時間較短和開通時間較長的2個年份作為試算的典型年份，同時對這2個年份的試算結(jié)果進行對比。

4.2 典型線路工務(wù)安全指數(shù)試算結(jié)果

利用已構(gòu)建的工務(wù)安全指數(shù)指標(biāo)體系及相關(guān)數(shù)據(jù)，對某一典型線路自開通以來的指數(shù)試算，該線路目前開通約8年，其路基占比約0.3、橋梁占比0.6、隧道占比0.1，采用HRSPI公式進行計算，試算結(jié)果安全指數(shù)趨勢見圖2。

圖2 典型線路工務(wù)安全指數(shù)試算趨勢

由圖6可知，該線路安全指數(shù)整體呈先下降后上升的趨勢。開通初期，所有設(shè)備處于協(xié)同工作磨合期，設(shè)備也處于典型的設(shè)備故障調(diào)試期，另外維護人員對新上設(shè)備也有一定的適應(yīng)期。開通前期安全指數(shù)相對較高，之后隨著設(shè)備的穩(wěn)定，維護保養(yǎng)的跟進和管理的加強，安全指數(shù)快速降低。近年來，部分鐵路工務(wù)設(shè)備因老化等原因，安全指數(shù)有上升趨勢。

4.3 典型年份高鐵線路工務(wù)安全指數(shù)試算結(jié)果

利用已構(gòu)建的工務(wù)安全指數(shù)指標(biāo)體系及相關(guān)數(shù)據(jù)，開展部分典型線路開通時間較短和開通時間較長的2個年份（相差4年）作為試算年份，試算結(jié)果及對比見圖3。

圖3 典型線路n年及n+4年工務(wù)安全指數(shù)對比

由圖7可知，典型線路開通時間較短的n年，5條線路工務(wù)安全指數(shù)均較大，線路4工務(wù)安全指數(shù)最高。通過數(shù)據(jù)分析，該線路事故故障主要集中于隧道，且線路里程較短，因此參數(shù)的小幅變化都會對試算的指數(shù)產(chǎn)生較大影響。因此，該模型對極短線路的適應(yīng)性還有待于進一步科學(xué)優(yōu)化，同時工務(wù)對隧道事故故障也應(yīng)予以重視。

全部典型線路開通時間較長的n+4年，隨著工務(wù)設(shè)備調(diào)試和設(shè)備病害的整治、后續(xù)管理的加強、維護人員素質(zhì)的提高，指數(shù)有了明顯的大幅降低。特別是線路2，線路本身所處的自然環(huán)境好、自然災(zāi)害少、線路條件相對優(yōu)秀，且在n到n+4年里，其安全指數(shù)一直處于較理想狀態(tài)。

5 結(jié)束語

初步構(gòu)建工務(wù)安全指數(shù)體系，并給出計算方法，同時選取典型高鐵線路和典型年份高鐵線路進行試算，初步驗證體系和計算方法的可行性。通過高鐵工務(wù)安全指數(shù)，可以用統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，比較分析不同地區(qū)線路的高鐵工務(wù)設(shè)備安全狀況，也可以對同一條線路在不同時期進行縱向比較，對于指導(dǎo)高鐵工務(wù)安全運營具有重要意義。受部分?jǐn)?shù)據(jù)是否可獲得的影響，在指標(biāo)層的基礎(chǔ)指標(biāo)選擇上，目前只選擇開通運行時間、發(fā)生故障數(shù)量和發(fā)生事故等級3個基礎(chǔ)指標(biāo)進行研究，其他影響工務(wù)設(shè)備安全的因素如行車密度、人為原因等暫未納入指標(biāo)體系，將在后續(xù)研究中不斷細(xì)化完善。