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铁路轨道工程长寿命安全保障战略探讨
发布时间:2022年05月19日

铁路是现代交通运输的重要组成部分,在我国 不仅承担了近三分之一的旅客运输量,还担负了一 半以上的货物运输量。轨道工程结构作为铁路系统 的主要部件,确保其安全服役并尽可能延长其使用 寿命,对于支撑经济建设持续发展、保障人民生活 安稳有序、助力国家安全和社会稳定,都具有十分重大的战略意义。为此,2015 年中国工程院重点咨 询项目“交通基础设施重大结构安全保障战略研究” 中设专题开展铁路轨道结构安全保障战略这一事关 国家安全、国防安全和国计民生的重大研究项目, 为本领域的学科发展、技术发展、法规建设提供战 略咨询。

我国轨道工程规模庞大,长寿命安全保 障面临严峻挑战

经过多年的发展,我国轨道交通的基础网络布 局已初步完成。中西部地区铁路跨区域快速通道基 本形成,高速铁路逐步成网,城际铁路与城市轨道 交通不断发展,保障能力明显增强。目前,全国铁 路运营里程已接近 1.25×105 km,其中高速铁路超过 了 2.2×104 km。依托重载技术的自主创新,我国不 仅成为世界上仅有的几个掌握铁路 3 万吨重载技术 的国家之一,而且运输效率居世界第一位。我国已有 27 个城市开通了快速轨道交通线路,运营线路总 长度超过了 3 000 km。随着《中长期铁路网规划》 (2016―2030 年)的颁布,铁路网将构建以“八纵 八横”主通道为骨架、区域连接线衔接、城际铁路 为补充的高速铁路网,实现省会城市高速铁路通达、 区际之间高效便捷相连。总的来讲,我国铁路发展 突飞猛进,取得了令人瞩目的成就,但针对轨道工 程运营的安全管理与高效维护,仍缺乏相关的基础 理论与技术研究 [1]。通过科学的维护使铁路轨道 能够在长期运营中安全与稳定地服役,是一个日益 突出的关键问题。

世界铁路自诞生 190 余年来,“速度”始终是 不断发展的目标,而“安全”则是铁路运输永恒的 主题,是铁路设计、建造、运营与维护的核心要求 和最后落脚点。铁路一旦出现安全事故,将导致重 大的人员伤亡与财产损失,甚至有可能影响到国家 的稳定。规模庞大的轨道工程在复杂的服役环境下 不可避免地存在性能退化,同时可能受到自然灾害 (如地震、滑坡、泥石流、风灾、冰雪凝冻等,见 图 1)和人为破坏(如可能的局部战争、恐怖袭击、 纵火等)的影响,导致其在正常状态下的性能表现 不佳、服役寿命缩短,在自然灾害和突发事件的影 响下损伤严重。然而,我国在轨道结构长寿命及其 安全保障领域的系统性研究工作尚处于起步阶段。

图 1 地震(左)和暴风雪(右)引起新干线高速列车脱轨 [2]

 

我国仍处于交通快速发展时期,一大批结构新 颖、技术复杂、设计和施工难度大、科技含量高的 重大工程结构相继建成,而且随着既有基础设施服 役时间的不断延长,损伤和病害加速涌现,灾难破 坏形式和致灾行为与后果更为多变,交通基础设施 的长寿命安全保障呈现出新内容、新形式和新特征 [3]。一方面,因结构的自然劣化、严峻的服役条件 以及不足的养护维修等因素的影响,部分结构过早 地出现了安全性不足、耐久性降低、适用性不强的 状况,这导致结构的实际使用寿命远远短于预期使 用年限;另一方面,随着时间的推移,我国大批工 程结构物的老化现象日益突出,特别是一部分重大 结构将陆续达到设计使用寿命,如何科学决策它们 的存续或合理使用将是我国面临的一个重要问题; 同时,以往高速度和高强度建设的弊端必然会在 某一时段内集中反映到结构的维修和加固上,届 时将会给养护维修、交通运输和社会生活等带来 巨大压力。

自世界第一条高速铁路开通运营以来,一代代 科研技术人员虽然对高速铁路进行了不断探索,但危及高速行车条件的安全问题仍没有得到全面的认 识与解决,影响高速铁路行车安全的故障甚至事故 仍然时有发生。究其原因,除了对新材料的失效机 理、列车运行于极端条件下的脱轨原理等问题认识 不够深刻之外,对于轨道基础结构动态性能演变机 理认识不清也是重要原因,如高速铁路基础结构初 始缺陷演化、动态性能劣化、特殊条件下突变状态 对列车运行安全的影响。由钢轨、扣件系统、轨道 板、路基或桥梁等组成的高速铁路基础结构,因其 组成材料的多样性、运营环境的复杂性以及结构分 布的空间效应、服役过程的时间效应、多场多因素 交变耦合效应等,其动态性能的时空演变机制与规 律十分复杂,是完善高速铁路运营安全技术体系的 主要障碍之一。在今后 5~10 年内,我国在对高速 铁路持续建设的同时,高速铁路高安全、高可靠、 优品运营保障体系的建设迫在眉睫,持续着力开 展与之相关的基础理论研究与关键技术开发(图 2 以高速道岔设计为例示意该过程),是我国高速铁 路运营安全保障体系建设的迫切需求,也是我国 从追踪、保持到引领国际高速铁路技术发展的必由 之路。

图 2 高速道岔设计总体技术路线 [4]

 

高速铁路是许多高新技术最大的应用平台之 一,高速铁路发展对科学技术的促进作用、对社会 经济文化产业的辐射作用、对国家安全及地缘政治 的保障作用是其他产业难以比拟的。我国高速铁路 的发展已培植出了一个庞大的产业链,并带动信息、 材料、能源、制造等高新技术的进步和产业化进程, 对促进农业、制造业、建筑业、能源工业、旅游业 和物流业等行业的发展起着强大的推动作用。目前, 我国的高速铁路系统技术已跻身世界靠前,掌握了 拥有自主知识产权、具有国际先进水平的成套技术, 我国高速铁路技术的下一次提升基本上不再受制于 人,完全可以通过持续强化自主创新,逐步占领高 速铁路技术的制高点,引领世界高速铁路技术 [5]。 因此,充分利用我国高速铁路已具有的相对优势, 深入持久地强化高速铁路技术的基础理论研究与关 键技术开发,形成高速铁路技术国际竞争优势,不 仅能推进我国科学技术的快速发展,而且对增强国 家竞争优势、构建国际政治经济新秩序影响深远。

我国的自然条件和地质情况复杂多样,要满足 高速铁路的安全运营,仍存在众多复杂的难题亟待 解决 [6,7]。目前,我国针对轨道工程结构长寿命安 全的系统研究尚处于起步阶段,有效地维护铁路轨 道的价值、功能以及在有限的财政基础上达到优佳 的使用性能已成为管理部门亟需解决的问题。目前 已有的设计缺乏对结构长寿命的系统考虑,包括相 关的设计理论与建造方法均不成熟;施工与设计质 量的缺陷威胁着大量正在使用的既有结构的安全; 对既有结构养护维修的缺失或系统性不足可能严重 缩短结构的实际使用寿命;遭受不同类型灾害作用 后的结构会存在不同程度的损伤,并对结构的长期 性能造成影响;对既有结构的剩余寿命评估还缺乏 必要的理论基础;对服役期已达到设计年限的轨道 结构,评估其继续安全服役的可行性理论与方法还 有待研究;现有的检测与监控的技术与手段还不足 以保证结构在长寿命期的安全运行;对长寿命安全领域开展的系统研究工作不足,既不利于既有结构 的管理与维护,也对新结构的设计提出挑战。



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