运营期高铁工务基础设施安全服役状态分析

张文达，姜子清，王智超，魏少伟

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081）

1 研究背景

自2008年京津城际铁路开通运营以来，我国高铁经过十余年的快速发展，逐渐形成以“八纵八横”主通道为骨架、区域连接线衔接、城际铁路补充的高铁网［1-2］。截至2019年底，我国高铁营业里程超过3.5万km；预计到2030年，高铁运营里程将达到4.5万km［3］。工务基础设施作为高铁的重要组成部分，是高速列车安全、平稳运行的重要保障。

综合评估全路高铁轨道、桥梁、路基、隧道等设备设施的健康指标，十余年间我国高铁TQI值保持在合理区间，工务故障、设备病害发生率明显可控，我国高铁工务基础设施运营服役状态整体良好。但受初期建设质量、养护维修、周边环境等多重因素影响，十余年间部分线路的高铁工务设备呈现出不同程度的病害。较严重的设备病害如果未能及时消除，容易诱发设备故障，严重的甚至可能引发行车事故［4］。

根据《铁路行车设备故障调查处理办法》（铁办〔2007〕168号）规定：“因违反作业标准、操作规程及养护维修不当或设计制造质量缺陷、自然灾害等原因，造成铁路机车车辆、铁路轮渡、线路、桥隧、通信、信号、供电、信息、监测监控、给水、防护设施等行车设备损坏，影响正常行车，危及行车安全，均构成设备故障［5］”。海恩法则认为：每1起严重事故的背后，必然有29次轻微事故和300起未遂先兆以及1 000起事故隐患［6］。通过统计分析历年来高铁工务基础相关数据，梳理总结工务基础设施的安全服役状态分布规律，及时研判安全风险，采取措施尽快消除设备隐患，减少故障的发生频次，为指导既有线高铁工务基础设施的养护维修提供借鉴。

2 工务基础设施的安全服役状态分布规律

我国高铁经历了引进、消化、吸收、再创新、自主创新的发展过程，工务基础设施逐步优化完善。同时，高铁工务实行检、养、修分开的维护管理模式，运行速度250 km/h及以上的高铁线路普遍采用240 min的垂直天窗，检查和维修周期按相关维修规则指导实施。高铁开通十余年间，工务设备故障发生数量和比率相对较少，故障发生率一直保持在可控范围，高铁工务领域未发生C类以上安全事故。

2.1 时空维度

相比于当前我国高铁工务设备运营状态，早期开通运营的高铁线路工务设备故障发生率略高。随着设计、施工、养护维修技术的不断进步，后期开通运营的高铁线路设备故障得到明显控制。自2014年以来，百公里故障数（一年内统计的每百公里运营线路发生的故障次数）基本维持在0.2左右，且总体态势基本稳定［7］（见图1）。

图1 工务各年度百公里故障趋势

受地域和气候原因影响，我国高铁工务基础设施设备故障发生率呈现较明显的南多北少态势。西南山区及南方高温多雨区域发生工务设备故障相对偏多，而北方少雨、干旱区域的高铁线路设备故障发生较少。高铁工务设备故障多发生在每年二、三季度，两者约占全年故障总数的65%（见图2）。每年二、三季度我国正处汛期及高温时段，防洪期间易发生路基边坡溜坍、路基陷穴、水漫道床、泥石流上道、隧道渗漏水等相关灾害；而夏季高温时段CRTSⅡ型板式无砟轨道易发生轨道板上拱等病害，影响线路平顺性。另外二、三季度高铁周边外部环境的复杂多变程度明显高于一、四季度，其对高铁工务基础设施安全运营影响较大。

图2 不同季度发生故障占比

2.2 设备类型维度

高铁工务基础设施按照设备类型主要分为轨道、桥梁、隧道、路基、防灾、房建等6类，统计分析各设备类型安全服役状况，故障占比分布见图3。

图3 高铁工务基础设施各专业故障占比分布

（1）高铁工务设备类型发生故障统计中，轨道、隧道、路基及防灾系统等发生故障居多，约占工务设备故障总数的91%。因此设备维管单位在新线提前介入时，应着力注重源头质量问题，加强隐蔽工程验收，针对易导致故障的影响因素予以高度重视。

（2）高铁工务轨道专业安全服役状况主要受钢轨伤损、钢轨焊缝问题、断轨、轨道板上拱、道岔故障、轨道线形不良、轨道电路不良等因素的影响，其中钢轨伤损、道岔设备故障、轨道板上拱占比较大，三者累计约占轨道设备故障的64%，轨道设备故障与病害呈现明显正相关。高铁路基、桥梁、隧道等线下基础的服役状况，会间接影响轨道结构的安全性和稳定性。例如膨胀土地区的路基遇水膨胀、高地应力作用下的隧道基底变形，会间接导致轨道不平顺。

（3）高铁工务隧道专业安全服役状况的主要影响因素包含衬砌裂损、衬砌背后空洞、隧道渗漏水，三者累计约占隧道设备故障80%以上。其中，山区高铁线路隧道设备故障占比较大，一方面因为我国山区铁路隧道占比远大于水底隧道、平原地区隧道等；另一方面山区铁路隧道设备故障多与建设期间遗留的施工质量缺陷密切相关。

（4）高铁工务路基专业安全服役状况的主要影响因素包含路基沉降、路基塌陷或陷穴、路基上拱等，三者累计约占路基设备故障的84%，尤其在汛期表现更为突出。同时，高陡路堤、长大路堑、复杂的路基周边环境、路桥结合部、特殊土地段路基等，是高铁路基安全服役的薄弱环节。

（5）高铁防灾系统在实时监测风、雨、雪、地震等自然灾害中发挥了重要作用，但局部存在设备自身故障及系统误报警等状况。近年来高铁防灾系统误报、漏报时有发生，因此高铁防灾系统的监测设备在可靠性和耐久性方面有较大提升空间。

2.3 外部环境维度

我国高铁跨越地域广、周边环境复杂，一条线路往往要受到地质环境、气候变化、人为活动、路外施工等诸多复杂因素的影响，铁路沿线区域内周边环境、建筑物等的分布状态，对工务基础设施运维造成潜在影响。常见的铁路外部环境问题主要有［8］：

（1）在铁路线路安全保护内擅自铺设道路、桥上擅自设置广告牌等附属设施、路基上种植农作物等。

（2）在铁路线路安全保护区内取土、挖砂、挖沟、采空作业或者堆放、悬挂物品等。

（3）在铁路桥梁跨越处河道上下游各1 000 m范围内围垦造田、拦河筑坝、架设浮桥或修建其他影响铁路桥梁安全的设施；在铁路桥梁跨越处河道上游500 m或下游一定范围内采砂等。

（4）在铁路线路两侧路堤坡脚、路堑坡顶、隧道上方、桥梁外侧一定范围内，从事采矿、采石及爆破作业等。

（5）高铁线路两侧路堤坡脚、路堑坡顶、铁路桥梁外侧起向外各200 m范围内违规抽取地下水等。

周边环境给工务基础设施带来的安全隐患，会直接或间接的影响高速列车的安全运行。高铁开通运营十余年间，沿线的外部环境受到设备维管单位的高度重视，周边环境问题占比较小，但近年来受人为活动、路外施工等诸多因素影响，周边环境问题发生频率有明显的增长趋势。

3 应对措施建议

总结高铁运营十余年来工务基础设施安全服役状态的分布规律，进一步确保养护维修质量，提高作业效率，提出针对性的应对措施建议：

（1）加强源头质量管控。源头质量对后期高铁的养护维修发挥着举足轻重的作用［9］。严格把控工程初期的建设质量，可大幅提高运营期的养护维修效率。因此建议强化工务基础设施的隐蔽工程验收，重点针对隧道、轨道、路基等基础设施，采取提前介入、过程控制等手段，将隐患消除在工程建设期的萌芽阶段。

（2）优化典型病害检测监测技术。数据统计显示，在高铁工务基础设施发生的设备故障中，隧道衬砌掉块、脱空、渗漏水、开裂，轨道板上拱，站房雨棚结构松动或部分脱落等易酿成行车事故，危及高速列车的运行安全［10］。因此建议研发高效精准的检测监测技术装备，为针对性地开展整治病害、减少工务设备安全隐患提供科学依据。

（3）重视高铁周边环境。高铁运营十余年间的设备故障数据分析显示，因周边环境问题引发的故障数呈现增长态势。随着高铁路网里程不断增加，沿线人为活动的复杂性、不确定性日益凸显［11-12］。近年来路外施工、人为闯入高铁限界等风险，给高铁安全运营带来巨大挑战。因此建议开展工务领域监控、识别、预警等相关技术研究，采取人防、物防、技防相结合的应对措施，为高铁周边环境的良好状态提供可靠保障。

（4）推进工务设备的全生命周期管理。高铁工务设备维护管理，应以可靠性为中心理论指导，坚持以全生命周期成本最低为原则，转变设计理念，优化及改进产品、建设标准，采取科学合理的维修策略，优化维修项目、时机，提高维护质量，延长设备使用寿命。根据设备的故障规律和故障后果、分线路等级、分设备部件确定合理的维修策略，使工务设备的健康服役更加科学、合理。

4 结论

分析运营期高铁工务基础设施的安全服役状态分布规律，提出针对性的应对措施建议，得出结论如下：

（1）我国高铁工务设施的总体运营状态良好，故障发生率较少，但西南及南部区域高铁线路故障相对较多。基础设施中轨道、隧道、路基及防灾系统设备发生的故障居多，应引起高度重视。随着高铁开通运营里程逐年累加，高铁工务设备年度百公里故障数逐年下降，每年的二、三季度为故障多发季节，设备维管单位应重点采取防范措施。

（2）为充分发挥高铁工务基础设施的服役性能，建议采取加强源头质量管控、优化典型病害检测监测技术、重视高铁周边环境、推进工务设备的全生命周期管理等措施，逐步减少设备安全隐患，阻断病害演化成故障、故障酿成事故的径路，保障行车安全。