高速铁路桥隧检监测制度及状态评定对比研究

冯乾宽 王石磊 高岩 宋国华 齐法琳

（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081；3.中国国家铁路集团有限公司铁路基础设施检测中心，北京 100081）

截至2019年12月31日，中国高速铁路运营里程达3.5万km，其中桥梁总长度约1.7万km，隧道总长度约0.55万km，桥隧占比约为64%[1]。中国幅员辽阔，高速铁路沿线气候、地质、水文条件多变，桥隧工程面临着腐蚀、冻融等多因素组合的复杂服役环境。桥隧工程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。相较于普速铁路，高速铁路桥隧变形和缺陷限值的要求更高，很小的缺陷或病害也可能会影响行车的安全性。

科学合理的高速铁路基础设施检监测制度是指导工务养护维修的重要依据，对铁路安全运营具有重要意义[2]。卢春房[3]分析了中国桥隧服役特征、维修作业模式，指出预防式维修是中国高速铁路桥隧工程养护维修的发展趋势。陈东生等[4]借鉴世界各地高速铁路轨道工务维修管理经验，提出了几种适合中国高速铁路工务维修的管理模式。马伟斌等[5]结合当前中国运营铁路隧道检测、监测、评估和整治技术的发展现状，总结出一套隧道病害整治的技术体系。

桥隧损伤识别技术和质量检测方法不断进步[6-8]，但目前桥隧状态获取仍以人工接触性检查为主，检测手段、效率、精度与铁路基础设施精准修、状态修理念存在一定差距。铁路基础设施使用期限长且投资成本高，铁路局面临着不断降低生产成本与提高养护维修效率的压力，与桥隧检监测之间的矛盾日益突出。有必要对比世界各地高速铁路桥隧检监测现状，优化检监测制度，完善状态评定标准，研究并构建与中国高速铁路桥隧规模相适应、科学高效的检监测体系，以确保及时识别铁路运输安全风险，客观把握桥隧建筑物性能演变规律，合理指导桥隧精准养护与维修。

1 桥隧检监测制度

为保障高速铁路安全高效运营，日本、欧洲、美国等建立了不同模式的工务基础设施检监测体系，并且随着检监测技术和设备发展，进入21世纪后均对桥隧建筑物的检监测标准、制度进行了更新。

1.1 日本

受日本国土交通省铁路管理局委托，日本铁道综合技术研究所于2000年成立了铁路土木工程建筑物维修管理研究委员会和轨道维修管理研究委员会，在土木工程建筑物和轨道的检查周期、健全度判定等方面进行调查研究。2007年1月，日本国土交通省铁路管理局颁布了《铁路建筑物维修管理标准》[9-10]（以下简称日本标准），以掌握建筑物安全性、使用性、恢复性为目的，从建筑物维护管理的基本概念、检查方法、健全度评定、维护管理措施、记录等方面规定维护管理作业制度和相关流程。日本标准中桥隧建筑物各性能的具体要求见表1。

表1 日本标准中桥隧建筑物性能要求

桥隧检查分为初次检查、全面检查、个别检查和随时检查，全面检查又分为通常全面检查和特别全面检查。新建、改建、扩建的建筑物在投入使用前进行初次检查。通常全面检查为定期检查，在于掌握整个建筑物的健全度，并判断是否需要个别检查；特别全面检查在于提高健全度判定准确率。个别检查是根据全面检查和随时检查结果，对健全度等级为A的建筑物和有必要进行特别检查的建筑物实施的检查。随时检查是在自然灾害发生后针对异常状况进行的检查。当出现混凝土剥落等可能会对第三者安全造成重大影响的危险或邻近施工对建筑物存在影响时，须进行随时检查。日本桥隧建筑物检查及维护流程见图1。

图1 日本桥隧建筑物检查及维护流程

初次检查和全面检查周期如图2所示。通常全面检查周期为2年，10年内须进行一次特别全面检查。若第1次特别全面检查判定建筑物满足所需性能，可以适当延长通常全面检查的周期。

图2 日本标准中初次检查和全面检查周期示意

日本标准对检查人员的能力提出了要求，包括从业资质、业务经验、工作年限、教育培训等方面。为了延长全面检查周期，对特别全面检查人员的能力做出了更高要求。

1.2 欧洲

欧洲高速铁路主要集中在西班牙、德国、法国等国家。各国维修体制存在一定差别，但整体而言遵循“管理、检测、维修适度分离”的原则，积极推行业务外包。鉴于欧盟标准与国际铁路联盟（UIC）标准的协调性、统一性，各国桥隧检监测制度总体与UIC铁路桥隧检监测要求一致。

UIC Code 778-4R《Defects in Railway Bridges and Procedures for Maintenance》[11]（《铁路桥梁病害及维修程序》）涉及运营桥梁检查规划、缺陷定义以及不同类型桥梁的缺陷检测方法、监测、荷载、抗力评估、养修等内容。欧洲运营铁路桥梁检查有常规检查、重要检查、全面检查3种类别，见表2。

表2 欧洲运营桥梁检查内容

UIC Code 779‐10R《Management and Maintenance Principles for ExistingTunnels》[12]（《在役隧道管理及维护准则》）涉及运营隧道管理、维护、性能改善、作业开展等内容。监测是隧道维护的关键，该准则将监测划分为计划性监测和非计划性监测，其中计划性监测由日常监测、年度监测、详细检查、专门监测组成，见表3。

当常规状态评估不足以确定隧道状态时，须集合岩土、地质专业人员、专家力量开展补充检测和理论分析工作。隧道评估流程见图3。

表3 欧洲运营隧道监测内容

图3 欧洲隧道评估流程

1.3 美国

不同于中国、日本、欧洲，美国铁路为私人企业所有，强调铁路作为资本的盈利性，桥隧建筑物维护成本约占铁路年度整体维护成本的10%左右。

美国联邦铁路管理局（FRA）是颁布和执行铁路安全条例的机构，对关于桥隧建筑物检查的建议主要包括：①每条铁路的资料中应包含每座桥梁的准确信息清单；②应至少每年对桥梁进行一次检查；③每次桥梁检查都须输入一份详细记录；④桥梁所有人应指定一名合格的桥梁检查员授权维修后的交接；⑤通信线路必须保持打开状态；⑥桥梁检查员应能在任何时间以任何可能的方式直接联系桥梁工程师。

美国铁路工程和道路维护协会（AREMA）2008年出版的《AREMA Bridge Inspection handbook》[13]（《铁路桥梁检查手册》，包含隧道结构）为各铁路公司桥隧建筑物具体检查推荐了方法，手册主要涉及：①桥隧建筑物检查的一般概念；②对特定类型结构不同类型检查的详细信息。

2005年美国运输部联邦公路管理局、联邦运输管理局颁布的《Highway and Rail Transit Tunnel Inspection Manual》[14]（《公路及铁路枢纽隧道检查手册》）将隧道检查划分为结构部分、机械部分、电气部分和其他共4项内容，分别对检查人员、责任、设备、准备工作、安全措施进行了要求，其中要求新隧道须每5年1次，老旧隧道须每2年1次进行近距离接触性检查，此外还须安排日、周、月的巡视。隧道状态等级划分为0～9级，其中0级最为严重，9级代表完好状态。

1.4 中国

TG/GW 114—2011《高速铁路桥隧建筑物修理规则（试行）》[15]规定了桥隧检查的类别、频次。桥隧检查包括经常检查、临时检查、水文观测、专项检查等环节。经常检查周期由结构部位决定，桥面及以上结构、隧道口、涵洞排水、救援疏散通道每半年检查一遍；桥面以下结构、涵洞、隧道每年检查一遍；对钢桁梁桥、拱桥、斜拉桥等重要桥隧设备以及桥涵限高防护架每季度检查一遍；临时检查、水文观测、专项检查由结构所处环境状况和服役时间决定。特别规定特殊结构桥梁开通前须进行动态检定试验，技术复杂或重要的桥梁、隧道应不超过10年开展周期性检定。

1.5 检监测制度对比

中国制度规定的检查周期最为频繁，指标最为全面，但由于中国桥隧里程基数大，天窗作业时间有限，实际检查无法覆盖制度规定的全部指标。此外，虽然规定了技术复杂或重要的桥梁、隧道应不超过10年开展周期性检定，但由于缺乏高速铁路桥隧检定具体管理办法，该制度尚未实际实施。通过对比可知，中国缺少规范化的检监测流程，未涉及检监测作业流程、检查人员职责划分以及相应劣化成因、预测分析。

2 桥隧状态评定

美国铁路由于私人属性，目前尚不存在统一的桥隧状态评级办法。美国铁路公司按照联邦提供的一般准则以及企业内部管理规则制定自己的桥隧建筑物检查、维护、评级和安全管理程序。

2.1 日本

日本标准中，依据检查结果、变化原因和预测结果判定桥隧建筑物各性能的健全度。健全度分为A，B，C，S共4级，其中A级又划分为AA，A1，A2。桥隧状态健全度判定区分标准和对应维修措施见表4。

表4 日本桥隧状态健全度判定标准和维修措施

以山岭隧道为例，依据日本标准中的检查制度，当隧道衬砌健全度评定为A时应开展个别检查。个别检查主要是用于变化原因推断与预测，进而对健全度进行细化评定（AA，A1，A2）。

裂缝是隧道常见的病害，裂缝劣化程度区分标准见图4。存在裂缝病害的山岭隧道健全度评定见表5。发展状况由裂缝长度u与发展时间t的比值决定。若u/t>10 mm/年或u/t>2 mm/月，则判定为非常快；若 3 mm/年

图4 日本标准中特长裂缝、长裂缝、中裂缝区分标准

健全度等级评定还须考虑劣化发生部位、初始缺陷和构造形式，并对评定结果进行修正。因山体运动而导致的竖压、滑坡等情况下将健全度降低1个等级进行严格判定。若衬砌存在材料劣化、厚度不足等初始缺陷，则会导致衬砌承载能力下降，须根据有效强度厚度适当地修正评定结果。有效强度厚度tS为强度大于15 MPa部分的厚度，有效厚度γ=tS/设计厚度。若γ<1/3或tS<250 mm，则健全度下降2个等级；若1/3≤γ<2/3，则健全度下降1个等级。

表5 日本标准中存在裂缝病害的山岭隧道健全度评定

2.2 欧洲

欧洲标准中，按照桥梁缺陷分布位置、严重程度（断面削弱比）、分布范围（缺陷单元占整体单元的比例）将缺陷分为：①轻微病害，可以推迟修理，直至可以方便地处理为止；②短期无影响的严重病害，短期指几个月，如不及时修理该病害可能导致维修费用增长；③严重病害，短期内对结构承载能力有影响，因此需要对运输进行限制；④须立即修理的病害。

部分欧洲国家将隧道状态划分为Ⅰ—Ⅳ级，具体的隧道状态等级和修理策略见表6。

表6 部分欧洲国家隧道状态等级划分和修理策略

2.3 中国

Q/CR 405—2018《铁路桥隧建筑物劣化评定》[16]按对结构功能和行车安全的影响将桥隧状态分为A，B（较重），C（中等），D（轻微）4级，A级又分AA（极严重）、A1（严重）2个等级。不同评定等级采用不同修理措施，具体的桥隧劣化状态评定和修理措施见表7。劣化评定等级按单一类别或指标的最高等级确定。铁运函﹝2004﹞174号《铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定》[17]将衬砌缺陷及病害进行量化分级，对隧道进行分段，按单个项目量化指标所处区间进行等级评定，以最高等级确定分段病害或缺陷等级，结合围岩等级、地下水状况、对行车安全影响等因素，对衬砌安全等级进行评定。隧道衬砌的安全等级由各分段中病害最严重地段安全等级确定。

表7 桥隧劣化状态评定和修理措施

2.4 状态评定对比

日本标准注重性能变化原因的推断与预测，在此基础上，以桥隧病害为考察对象，融合劣化程度、发展状况及对结构稳定性的影响，开展健全度评定，同时根据劣化发生部位、初始缺陷、构造形式修正评定结果，专业性较强。欧洲标准注重病害对结构整体性能的影响。中国标准突出单指标评定，实施简便，但未体现多劣化类型同时出现时对评定结果的修正。铁运函﹝2004﹞174号综合考虑病害、缺陷的影响，采用病害缺陷量化值综合对照表的形式，但仅适用于普速铁路。

3 中国高速铁路桥隧检监测制度发展建议

高速铁路桥隧病害具有一定的发展过程，如何对缺陷、病害进行有效检测和实时监测，并进行定量化的科学评估，是高速铁路桥隧检监测制度面临的问题与考验。结合中国高速铁路运营特点、桥隧规模、状态发展规律，建议构建高速铁路检监测制度体系，建立基于全寿命周期的检监测制度。

3.1 构建高速铁路检监测制度体系

高速铁路桥隧检监测体系由检监测对象、检监测制度、检监测技术装备、数据管理与分析4部分组成，总体框架如图5所示。

3.2 建立基于全寿命周期的检监测制度

借鉴世界各地桥隧检监测制度，结合中国高速铁路桥隧规模及特点，建议高速铁路桥隧检监测制度贯彻全寿命周期理念。该制度主要由验收检测、日常巡查、周期检查、临时检查、专项检测、重点监测等6个类别组成，各环节在全寿命周期的布局见表8。不同类别的检监测对象、频次、作业需求、数据准确性、人员（机构）等属性存在很大不同，具体见表9。

图5 高速铁路桥隧检监测体系框架

表8 高速铁路桥隧全寿命周期检监测布局

表9 全寿命周期检监测各类别属性

1）验收检测。验收检测针对将要投入运营的新建或加固改造后的桥隧，检测结果作为桥隧竣工及后期养护的基础资料。对于特殊结构桥梁，应组织设计单位编制养护指导手册，其检定报告和养护指导手册应作为交接竣工验收资料的一部分。对于复杂地质隧道，应对整座隧道的初始技术状态进行全面检测。做到一桥一手册，一隧一档案。

2）日常巡查。指不必借助专业辅助设施，采取目视或简易工具沿地面或轨面对桥隧可触及的部位开展的日常巡查工作，内容主要包括周边环境、目视所及范围的桥隧整体状态、周期检查中列入日常巡查重点关注的病害。

3）周期检查。指按照检测计划针对桥隧开展全面接触详细检查，须出具完整、具体的状态报告，病害记录应予以更新并传达至各养护管理单位，报告应提出维护工作建议并注明紧急程度。

4）临时检查。指在自然灾害发生后针对异常状况进行的检查，如发生混凝土剥落等可能会对第三方安全造成重大影响的危险或邻近施工对建筑物产生影响时，须随时检查。

5）专项检测。指借助专业技术或装备在桥隧投入运营前和运营过程中针对结构状态、材料性能、缺陷病害、外部环境开展的专项检测，包括桥梁静动载试验、水位检算、无损检测、水文观测、隧道衬砌安全状态检测、桥隧限界检测。当缺陷病害分布和影响不确定时，须开展专项检测。

6）重点监测。针对特殊结构桥梁和复杂地质隧道关于环境、荷载、结构受力及变形构建监测系统，用于验证受力行为、评估结构安全、产生状态预警。当检查发现病害发展较快、发生地质灾害可能影响行车安全时，须布置监测系统，实时监控、预报预警。

4 结语

通过对比世界各地高速铁路桥隧检监测现状和实践经验，发现中国制度规定的检查周期最为频繁，指标最为全面，但实际检查无法覆盖制度规定的全部指标。目前，中国缺少规范化的检监测流程，未涉及检监测作业流程、检查人员职责划分以及相应劣化成因、预测分析。

结合中国高速铁路运营特点、桥隧规模、状态发展规律，本文提出了桥隧检监测制度优化建议，构建了中国高速铁路检监测制度体系框架，建立了基于全寿命周期理念的高速铁路桥隧检监测制度。高速铁路桥隧检监测体系由检监测对象、检监测制度、检监测技术装备、数据管理与分析4部分组成。全寿命周期理念的高速铁路桥隧检监测制度主要由验收检测、日常巡查、周期检查、临时检查、专项检测、重点监测等6个类别组成，并明确了各类别相应的检监测对象、频次、作业需求、数据准确性、人员（机构）等属性。