高速铁路桥隧工程养修模式与关键技术

高速铁路桥隧工程养修月关键技术卢春房【摘要】科学养护维修是确保高速铁路桥隧工程使用寿命的关键.基于我国高速铁路技术特点从不间断运营导致维修困难、大密度高速列车影响、桥隧结构服役环境复杂以及维修作业空间受限等方面，总结确保高速铁路桥隧工程使用寿命的难点;梳理我国高速铁路养护维修技术管理体系及其技术标准体系，阐述信息化技术、健康管理系统以及无损检测新技术在我国高速铁路桥隧工程检测中的应用;结合高速铁路桥梁竖向沉降整治技术和隧道衬砌预防式注浆技术创新案例，指出预防式维修是我国高速铁路桥隧工程养护维修的发展趋势.【期刊名称】《中国铁路》【年(卷)，期】2017(000)007【总页数】8页(P1-8)【关键词】铁路桥隧;科学养护;预防式维修;健康管理;BIM【作者】卢春房【作者单位】中国铁道学会，北京100844【正文语种】中文【中图分类】TP274;U445.7;U457高速铁路以其安全舒适、方便快捷等显著特征已成为我国百姓绿色出行的首选。截至2016年底，我国高速铁路运营里程已达2.2万km，运营里程高居世界首位，占世界高速铁路总里程的60%以上。随着〃一带一路”战略的全面实施，中国铁路〃走出去”战略不断取得新进展，高速铁路还将成为影响我国国计民生、经济发展和国际影响的重要因素。“以桥代路”以及“无砟轨道”的设计理念已经成功应用于我国高速铁路工程的设计中。桥梁所占比例大（京沪高速铁路桥梁占80.4%）、桥梁跨度大、隧道地质条件复杂以及长大隧道多成为我国高速铁路线下结构工程的主要技术特点。高速铁路条带状分布、露天服役环境、承受疲劳荷载、天窗期维修等特征，决定了高速铁路工程结构耐久性的复杂性和使用寿命的不可预测性。为确保高速铁路工程结构的耐久性，按使用年限进行铁路混凝土结构耐久性设计已被纳入《铁路混凝土结构耐久性设计规范》［1］。工程结构耐久性是指在预定的作用和预期的使用与维护条件下，在设计使用年限内保持其使用功能的能力（见图1）。这意味着高速铁路服役阶段必须对桥梁隧道（简称桥隧）工程结构实时检查与维修，养护维修是确保高速铁路工程在设计使用年限内安全服役的关键因素。为确保我国高速铁路的使用寿命，结合我国高速铁路结构特征以及气候环境特征，系统开展了高速铁路桥隧工程结构运营维护技术的研究，形成了我国高速铁路桥隧工程结构养护维修管理、养护维修技术以及养护维修标准体系。桥隧工程结构是高速铁路的重要组成部分，所占比例大，结构复杂，修建困难。桥隧工程等线下基础的稳定性是决定高速铁路线路高可靠性、高稳定性、高平顺性的关键。高速铁路对桥梁、路基和隧道基础变形和缺陷限值的要求远高于普通铁路。与普速线路和重载铁路相比，高速铁路对桥梁、路基、隧道等线下基础结构状态的安全等级划分和维修标准要求更加严格。对于普速线路或重载铁路来说，较小的缺陷或病害，在高速铁路中可能会影响行车的安全性，这对我国高速铁路安全运营是极大的考验。因此，高速铁路桥隧等线下基础的养护维修标准要求更高、安全性卡控更严、确保高速铁路使用寿命更难。2.1不间断运营高速铁路的运营特点是白天公交化运输，夜间停轮集中维修。为不影响高速列车安全准时运营，高速铁路桥隧严格执行〃施工不行车，行车不施工”的天窗修制度。我国高速铁路正线、到发线天窗一般为垂直天窗，天窗时段一般设置在0:00-4:00，多为4h。由于天窗时间短，维修人员要行走到维修区间，所以有效养护维修时间更短，且天窗期内的养护维修作业施工不能对天窗点毕后线路的正常开通和安全运营造成任何障碍，因此，高速铁路不间断运营养护维修作业技术难度大，必须要创新养护维修技术、材料与机具。2.2列车运营速度高，基础稳定性要求严列车高速运行对线路稳定性要求极高，对桥梁、隧道结构长期变形限制严格，包括混凝土桥梁的长期徐变、墩台的变形变位、基础不均匀沉降等。我国高速铁路客流量大、行车密度大、线路里程长、地质条件复杂，高速列车高频周期疲劳荷载加剧了对桥隧工程结构的疲劳破坏，增加了桥梁钢结构疲劳裂纹以及螺栓断裂风险。2.3结构服役环境复杂高速铁路需要跨越大江南北，延伸祖国各地。一方面，铁路工程的线下基础必须与土壤、地下水或河水接触，环境土和环境水中的硫酸盐、镁盐、碱等会对混凝土产生腐蚀作用，河流中的冰、泥沙也会对混凝土产生磨蚀作用；另一方面，铁路工程的露天服役特性决定了高速铁路工程结构必须经受恶劣气候环境（温度、湿度、风、霜、雨、雪）的腐蚀作用，沿海地区的结构会遭受盐雾的侵蚀，西南地区的结构会遭受酸雨的侵蚀，东北地区的结构会遭受冻融破坏的侵蚀。复杂的服役环境、列车高频疲劳荷载以及不同结构物的相互作用，导致高速铁路桥隧结构服役环境复杂多变，这些对高速铁路安全运营以及养护维修带来了极大的障碍。另外，全球气温升高引起的气候变化也会对高速铁路工程结构造成意夕M伤害。2.4维修作业空间受限受天窗维修模式的限制，高速铁路桥隧等工程结构的养护维修必须在夜间作业，夜间光线不足是养护维修的一大难题。高速铁路大量高墩桥梁养护维修还需高空作业，必须同时做好安全保障工作。由于大型作业机械上道难度大、隧道内空间有限、长大隧道空气污浊且湿度较大，给隧道养护维修带来极大困难；另外，隧道拱部的病害处理还需高空作业。所以，夜间维修、高空作业和作业空间受限是高速铁路养护维修的难题。3.1技术管理3.1.1管理体系高速铁路维修管理在充分考虑国情、路情的条件下，以实行属地化管理和“管（管理维护）、检（检测）、修（修理）”分开的管理体制为原则，体现〃专业强化、管理集中、资源综合”和〃精干高效”的养护维修理念［2］。我国高速铁路桥隧建筑物维修工作遵循〃预防为主、防治结合”的原则，强化设备检查，采取周期性保养和综合维修相结合的方式，预防病害发生，保持桥隧建筑物使用状态均衡完好，使列车能以规定的速度，安全、平稳和不间断地运行。我国高速铁路工务设备由中国铁路总公司（简称总公司）、铁路局、工务段（含高铁工务段，下同）、车间（工区）4级机构负责维护管理。路桥检查车间的管辖营业长度宜在300km左右，且不超过400km；路桥检查工区管辖营业长度100km左右；山区路段宜适当缩小管辖长度［3］。3.1.2工务设备信息管理高速铁路工务设备运营维护综合数据中心采用〃总公司一铁路局一工务段”3级模式，可以是〃总公司一工务段”2级，也可以是〃总公司一铁路局”模式，以云平台形式形成〃虚拟数据中心”。工务设备运营维护综合数据中心需要考虑铁路局、工务段的管理形式，在工务段管理统一的标准下，通过系统建设、升级、改造等方式，形成各铁路局和工务段的应用系统。高速铁路工务设备运营维护综合数据中心（见图2），实现各类数据的有效管理和应用，体现检测一数据分析一维修全过程管理理念［4］。系统对运营维护环节的动静态检测信息、监测信息、养护维修作业信息等进行采集、实时传输、存储和分析，实现对高速铁路工务管理、检测、维修流程的统一管理，并对各种信息进行智能综合分析，提出科学的设备养护维修建议，为工务设备养护维修的各级决策提供全方位的信息服务，实现对工务设备设施的动态管理和科学养护，达到提高维修效率、降低维护成本、保障高速列车安全运行的目标。3.2技术标)隹为做好高速铁路桥隧工程结构维修工作，提高维修技术水平，我国已经初步形成了高速铁路养护维修技术标隹体系，涵盖了高速铁路桥隧检测评估和养护维修领域。我国高速铁路养护维修技术标隹体现了继承，性、适用性和先进性等特点，涉及到高速铁路不同的结构物，如线路、桥隧、路基等；涵盖不同的运行速度，包括既有线提速200-250km/h和新建250km/h及以上的高速铁路；囊括高速铁路有砟轨道和高速铁路无砟轨道不同类型。我国高速铁路工务工程养护维修标隹见表1。为细化和指导高速铁路养护维修作业，还编制了养护维修技术文件，如《高速铁路桥隧建筑物修理细则》《高速铁路工务修理案例》《高速铁路工务知识读本》《高速铁路工务技术》等，这些技术标隹和技术文件有效指导了高速铁路工务工程的养护维修。高速铁路桥隧养护维修技术体现了全过程闭路循环，即：综合检测车、专业检查车等动态检测设备发现问题一人工查看一信息处理一及时整治。针对长大连续梁桥、特殊结构梁桥、特殊地质条件隧道区段等高速铁路工程结构物，为确保其在长期运营过程中服役状态良好，积极引入新技术、新理念，搭建状态预测与健康管理系统(PHM)，安排适时养护维修，以延长高速铁路工程结构的耐久性。4.1检测/监测技术4.1.1要求按照"动态检查为主，动、静态检查相结合，结构检查与几何尺寸检查并重"的原则，按周期对线路进行动态检查。采用综合检测列车等检测设备进行动态监测；采用绝对测量系统和相对测量系统相结合的方法做好静态检查。采用先进技术，做好基础沉降和构筑物变形检测监控；做好隧道衬砌、边仰坡防护、防排水设施等设备状态检查；做好防护栅栏、声屏障、上跨桥、公铁并行地段防护等安全防护设施检查。检查类别分为周期性检查、临时检查、水文观测、专项检查、检定试验等，各项检查必须建立相应责任制度，保证各项检查工作的落实。高速铁路桥梁和隧道检测类别与周期见表2。4.1.2方法为确保高速铁路桥隧服役安全，引入结构健康管理体系以及新型无损检测手段。（1）桥梁监测技术。高速铁路桥梁病害检测包括智能巡检和健康监测相结合的方法。智能巡检是通过结合日常人工巡检和定期检测工作，对桥梁部件或单元的损伤部位、类型和程度进行数据采集和巡检管理。日常人工巡检时，借助巡检移动设备APP，关联桥梁建筑信息模型（BIM）和桥梁病害库，随时随地调取巡检计划与任务，现场按管理单元快速定位桥梁损伤并实时录入，自动对桥梁单元的各类损伤进行记录、统计和智能分析。高速铁路^梁PHM系统利用桥梁结构健康监测对结构的损伤位置和程度进行实时诊断，对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为大桥在特殊天气或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导。高速铁路大型结构桥梁养护维修PHM系统借助3S（客户端（C/S）、广域网（B/S）、移动互联网（M/S））网络架构和BIM模型，基于车-线-桥-环境一体化监测和智能巡检，利用融合技术对多源数据开展历史趋势分析与相关性研究，实现桥梁病害的诊断与预测，对桥梁健康状态进行综合评估，通过实时监测进行RAMS（可靠性、可用性、可维护性和安全性）高铁管理，其整体架构见图3。高速铁路PHM系统应用于京沪高铁南京大胜关长江大桥的管理养护维修（见图4）,系统对所选取支座进行实时监测，得到支座位移变化的时间历程，并对支座纵向位移与钢桁拱、弦杆、正交钢桥面板、道砟槽整体温度进行相关性分析，利用最小二乘法对4种线性相关特性进行拟合，通过支座位移历史趋势分析从而确定支座的季节性变化范围，综合评判支座位移是否在合理范围［5］。（2）隧道检测技术。无损检测技术的进步带动了隧道检测技术的发展，突破了隐蔽工程检测困难的技术难题。现有检测技术能够检测隧道裂缝、空洞、不密实、掉块以及表面缺陷等，基本能够满足高速铁路隧道检测要求。我国高速铁路隧道检测技术见表3。4.2养护维修技术4.2.1桥梁工程（1） 桥梁病害形式与特点。我国高速铁路桥梁主体结构服役性能优良，但由于认识不足、人为因素、客观条件变化等因素，高速铁路桥梁病害可分为2类：一是基础条件变化弓I起的结构变形变位；二是附属设施损伤弓I起的病害，如防水层、伸缩缝、支座等损伤。高速铁路对沉降要求十分严格，桥梁墩台工后沉降要求不超过20mm，桥梁相邻墩台、路桥及路隧过渡段沉降差不超过5mm。高速铁路桥梁基础沉降的原因是多方面的：一是受环境温度、地下水位下降及基础沉降等因素影响，局部桥梁桩基逐渐出现沉降，特别是竖向差异沉降；二是高铁沿线侧向堆载或者开挖等人工行为也会引起高速铁路桥梁基础变形。（2） 基础变形维修技术。高速铁路桥梁基础变形包括竖向沉降变形和横向位移。对高速铁路桥梁基础变形开展研究，提出了高速铁路竖向沉降变形和横向位移的检测技术，为高速铁路桥梁基础变形维修提供技术储备。桥梁基础竖向变形整治技术包括预顶升、顶升梁体、临时支撑、千斤顶泄压和落梁等步骤，具体顶升工艺见图5。预顶升的目的是消除顶升系统可能出现的问题，如接头漏油、油泵压力不足、千斤顶出缸量不匀等，同时消除顶升过程中可能出现的非弹性变形，对顶升过程进行预演，及时发现顶升系统问题。预顶升以千斤顶承压力等于设计荷载且支座与梁体脱离为标准，并应持荷5min后卸载。预顶升后应仔细检查千斤顶位置结构物的状态，以及千斤顶上下钢垫板有无变形，必要时调整钢板的厚度。对梁体进行顶升，若支座的顶升位移在2mm以上，可分级顶升梁体至设计要求的高度。梁体顶升过程中以顶升量为控制标准，以1~2mm划分顶升等级。临时支撑是顶梁换支座过程中最为重要的安全保证，采用专用厚钢板累积而成。钢板应确认表面平整，临时支撑与梁底、墩台的接触面积应大于原支座的承压面积，并在梁体顶升到位后及时安放。全部临时支撑放置好后，千斤顶回油临时落梁，使梁体完全支承在临时支撑上。落梁需要等到新换支座的灌浆强度达到设计值后进行，落梁过程与顶升过程相反，在千斤顶施压替换临时支撑后，拆除临时支撑，然后回油落梁，梁体重新支承在新换支座上。在桥梁顶升过程中需要对轨道结构应变、轨道结构裂缝、支座受力与位移等进行监测，以确保线路的稳定。4.2.2隧道工程(1)病害形式与特点。我国高速铁路隧道结构设计充分考虑到受力均匀、防排水效果好、易维修等特点，但由于我国地质条件复杂、部分地区水系发达、腐蚀与冻融等环境因素，再加上认识上不足和施工水平所限，高速铁路隧道出现一些病害。高速铁路运营隧道病害的形式主要为：衬砌裂缝、衬砌渗漏水、衬砌掉块或背后空洞、仰拱或底板裂损、隧道底上拱、隧道冻害、危岩落石等。衬砌裂缝和衬砌渗漏水所占比例较大，虽对高速铁路运营安全影响不大，但会影响隧道结构的耐久性；其他病害虽然所占比例不大，但可能构成危及行车安全的风险源，应该引起充分重视。高速铁路隧道病害主要特点包括3个方面：一是隧道病害隐秘性强，病害不易发现，需要借助专用检测仪器，如衬砌背后空洞；二是隧道内作业空间小，到达隧道内部耗时较长，尤其是对长大隧道，养护维修难度极大；三是隧道某些病害可能会构成影响行车安全的风险源。基于隧道病害的特点，应创新整治思路，变整治技术为预防措施，在设计阶段或施工阶段尽量消除隧道的病害隐患。（2）衬砌病害预防性维修技术。针对隧道衬砌背后脱空、开裂和衬砌厚度不足等问题，为彻底消除安全隐患，确保铁路运输安全，提出了隧道衬砌拱顶缺陷预防技术一带模注浆缺陷防治技术［6］。该技术主要包括活性粉末混凝土注浆管（简称RPC管）安装、观察衬砌混凝土灌注情况、注微膨胀材料以及注浆孔封堵等4步工艺。在混凝土灌注之前，通过在台车径向试穿RPC管，测量长度，预判拱顶衬砌混凝土厚度，并向上固定防水板；混凝土灌注过程中，对拱顶混凝土灌注进行过程监控，观察预埋RPC管口顶部十字溢流槽的溢浆情况，判定拱顶混凝土是否饱满；混凝土灌注完毕，通过预埋RPC管及时进行具有修复作用的微膨胀材料的注浆；注浆完毕，统计注浆量，对注浆孔进行封堵。隧道衬砌带模注浆缺陷防治技术见图6。衬砌带模注浆缺陷防治技术核心是：将传统的隧道衬砌空洞缺陷由后期修补变为施工期间的预防，通过早期〃预防”式治理，及时解决灌注不饱满的问题，将衬砌