铁路桥隧检测监测体系框架研究

冯乾宽，王石磊，齐法琳，高岩，宋国华

（1.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；2.中国国家铁路集团有限公司 基础设施检测中心，北京 100081）

0 引言

近年来，随着高速铁路大规模建设，铁路桥隧里程与占比逐步提升。截至2020年底，我国铁路营业里程14.5万km，其中高铁里程3.5万km。据统计，当前全路隧道约16 800余座，规模达1.96万km，近10年投入运营的隧道规模占总隧道数量的64%，近20年投入运营隧道占比约81%［1］。随着经济与技术的高速发展，我国隧道数量呈现井喷式发展。

我国铁路沿线气候、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；另一方面由于各建设时期标准不同，以及施工质量的不确定性，导致铁路运营隧道存在多种类型缺陷及病害。这些缺陷或病害空间分布突出、隐蔽性强，大部分性能指标演化周期长，个别存在突发性、安全风险高等特点［2-3］。

桥隧结构病害具有一定的发展过程［4］，采用相关仪器设备开展周期性检测，合理评定结构状态，科学指导结构养护维修，对我国铁路长期发展和安全运营具有重要意义［5-6］。

因此，有必要总结我国铁路桥隧检测监测经验，分析桥隧服役特征，优化检测监测制度，完善状态评价标准，构建与我国铁路桥隧规模相适应的、科学高效的检测监测体系，以确保及时识别铁路运输安全风险，客观把握桥隧结构性能演变规律，合理指导桥隧精准养修。

1 铁路桥隧检测监测制度分析

1.1 检测类别、频次、劣化评价指标

Q/CR405—2018《铁路桥隧建筑物劣化评定》对桥隧检测的类别、频次、劣化评价指标进行规定。桥涵评价指标包括混凝土梁劣化、钢梁劣化、支座劣化、墩台及基础劣化、涵洞劣化、附属设施及周边环境等，评价指标分布见图1。隧道评价指标包括拱墙衬砌劣化、隧底结构劣化、防排水劣化、防灾疏散救援设施劣化、洞口及附属设施劣化等，评价指标分布见图2。

图1 桥涵病害评价指标分布

图2 隧道病害评价指标分布

1.2 存在的问题

在总结桥隧现行检测监测制度的基础上，对各铁路局集团公司进行走访调研，梳理我国铁路桥隧检测监测存在的问题。

1.2.1 桥隧检测监测制度有待进一步优化完善

TG/GW 114—2011《高速铁路桥隧建筑物修理规则（试行）》对桥隧检查、检定制度进行了规定，近10年实践经验表明，尚需结合我国高速铁路运营特点、桥隧规模、状态发展规律对桥隧检查制度进一步优化完善，明确各类别检查范围、人员要求、数据及结果形式，优化桥隧各检查类别检查周期，保持检查制度的合理性、科学性。

1.2.2 检测监测技术及装备与铁路桥隧规模不匹配

当前我国铁路桥隧状态获取仍主要以人工接触性检查为主，先进检测技术及装备普及率较低，伴随人力成本的攀升以及铁路局集团公司逐步市场化转型，铁路局集团公司面临着不断降低生产成本与提高养修效率的压力，该矛盾将日益突出。检测技术及装备智能化是解决矛盾的关键是未来的发展趋势［7-8］。

1.2.3 状态评价标准及数据融合运用发展空间大

伴随铁路大跨度桥梁规模的增加及服役时间的延伸，部分关键构件（如索结构）及重点部位（高强螺栓连接）问题将逐渐暴露，当前针对上述部位的状态评价标准尚待建立；特殊结构桥梁在开通前大多开展静动载检定试验，但目前仍缺乏匹配的技术规范；我国铁路大跨度桥梁典型结构在建设、运营期间建立了监测系统，开展大跨度桥检定-监测-轨检多元数据的融合分析，指导同类桥梁状态评定及开展精准养修需要深化研究；伴随隧道摄像、激光、雷达三位一体检测技术的逐步成熟，如何建立表观状态-几何变形-内部状态多元信息运营隧道综合状态评估标准及数据融合运用分析技术，需进一步深化研究［9-10］。

1.2.4 信息化程度不高，专业化融合分析软件缺失

当前桥隧状态检查以人工抵近目视为主，工务安全生产管理系统桥隧子模块，具备一定的桥梁检测数据融合能力，主要体现在劣化等级、图片、少量描述性文字等信息。上述信息部分通过手持终端采集，大多仍采用现场纸质记录、人工录入的方式进行汇集，桥梁检测质量仍较大程度上依赖检查人员自身专业素质，完整性、客观性尚难以统一。桥隧状态检测数据结构化、信息化标准尚未建立，检测结果缺乏实时性、时效性，数据分析管理不到位，智能化程度低。当前桥隧检测数据主要服务维修生产，表征结构性缺陷或病害的数据亟需专业化融合分析软件，譬如集成隧道表观状态、几何变形、衬砌内部状况开展隧道结构状态综合诊断的多元数据3D融合分析软件。

2 桥隧检测监测体系

结合我国铁路桥隧规模、设备状态发展规律、现行制度存在的问题，开展了铁路桥隧检测监测体系规划研究，提出桥隧检测监测体系框架，针对常规跨度桥梁、特殊结构桥梁、隧道研究了相应的检测监测技术体系。

2.1 桥隧检测监测体系框架

铁路桥隧检测监测对象由常规跨度桥梁、特殊结构桥梁、隧道组成。检测监测体系由检测监测制度、检测监测技术装备、数据管理与分析3部分组成，检测监测体系框架布局见图3。

图3 桥隧检测监测体系框架布局

2.2 桥隧检测监测制度

综合比较国内外桥隧检测监测制度，结合我国铁路桥隧规模及特点，建议铁路桥隧检测监测制度贯彻全生命周期理念，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，各环节在全生命周期的布局见表1。不同类别的检测监测对象、频次、作业需求、数据准确性、人员（机构）等属性存在较大不同，具体见表2。

表1 铁路桥隧全生命周期检测监测制度划分

表2 不同检测监测类别属性

2.3 常规跨度桥梁检测技术体系

常规跨度桥梁状态评定依据Q/CR 405—2018《铁路桥隧建筑物劣化评定》开展。常规跨度桥梁检测数据主要来源于日常巡查和周期检查产生的图片、文字信息，通过建立铁路常用跨度桥梁精准检测信息模型，面向精准养修和结构安全的桥梁检测数据多层复用，构建常规跨度桥梁检测技术体系。检测技术体系针对维修生产类与结构安全类的检测数据分别建立应用管理策略。体系建立主要环节包括：检测指标梳理归类、检测指标量化参数模型建立、图形交互式检测数据信息采集模块开发、结构性病害检测数据信息化平台架构等。

2.3.1 检测指标梳理归类

针对铁路常用跨度桥梁，围绕梁体、支座、桥墩及基础、桥面附属设施、防落梁措施等检测对象，对检测指标进行梳理分类，按各指标的评定等级及对结构安全的影响进行归类，遴选影响结构安全的指标。

2.3.2 检测指标量化参数模型建立研究

对影响结构安全的检测指标建立量化参数模型是实现检测数据信息化的基础。对各类型常用跨度桥梁，围绕检测结果定位参数、量化指标、展示基图（模型）建立各检测指标的量化参数模型。

2.3.3 图形交互式检测数据信息采集模块

针对量化型指标，基于轻量化模型或平面CAD技术，研究开发基于定位参数的检测数据图形化交互技术。

2.3.4 结构性病害检测数据信息化平台架构研究

针对量化型指标，协调与现有高速铁路综合维修生产一体化系统、工务8M系统衔接关系，形成维修生产与结构安全检测数据分类管理应用的机制。

常规跨度桥梁检测技术体系布局见图4。

图4 铁路常规跨度桥梁检测技术体系布局

2.4 特殊结构桥梁检测监测技术体系

针对铁路特殊结构桥梁，一方面突出验收检测的作用，桥梁静动载检定结果作为竣工及后期养护的基础资料，同时组织设计单位在检测监测制度的整体框架下编制桥梁养护指导手册，作为运维期开展检测监测活动的技术指导文件。

《大跨度桥梁运营状态监测技术条件》（2019年送审）规定了宜开展监测的桥梁类别、监测内容。特殊结构大跨度桥梁长期监测践行全生命周期理念，融合InSAR、GNSS区域桥梁群空间形变监测、地面智能传感、BIM技术、人工智能等技术，构建面向运维、服务运输安全的时空多维铁路桥梁监测系统（见图5）。

图5 铁路特殊结构大跨度桥梁检测监测系统布局

建设期或运维期建立长期监测系统的特殊结构大跨度桥梁，践行健康管理理念，构建故障预测与健康管理（PHM）系统，PHM系统包含运营性能智能检测监测体系和基于运营性能的健康管理2个层面［11］。运营性能智能检测监测体系包含运营性能指标体系、智能检测监测技术（如智能人工巡检、无损检测和健康监测）、性能评价与状态预测（包含数据挖掘、性能演化研究与服役状态预测）。运营性能健康管理依托PHM系统平台，融合了运营性能评价、病害库系统和智能养修技术，通过运营经验、检测监测数据分析等建立大桥典型部位病害库系统，指导大桥智能养修，实现健康管理。特殊结构大跨度桥梁PHM系统技术体系布局见图6。

图6 特殊结构大跨度桥梁PHM系统布局

2.5 隧道检测监测技术体系

鉴于当前隧道检测技术及装备特点，综合考虑不同技术的发展趋势，构建由“车载式快速综合检测车”+“原位及地面移动精确检测”组成的、与我国铁路隧道规模相匹配的隧道检测技术体系。服务于隧道周期检查和专项检测（见图7）。

图7 隧道检测技术体系布局

车载式快速综合检测车覆盖衬砌表观、隧道内部、隧道径向及沉降几何形态等内容，考虑各检测技术适应速度，车载式快速综合检测车运用速度宜为30～50 km/h，原位及地面移动精确检测旨在通过无损及地面移动检测技术对快速检测揭露的潜在缺陷病害进行精确定位、探测、评估，另外对快速检测难以周期性覆盖的隧道，各管辖单位依此作为主要手段开展周期性检测。

对于复杂地质隧道，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，需布置监测系统，实时监控、预报预警。隧道监测对象由隧道本体、轨道、山体等组成，隧道本体包含地表沉降、拱顶下沉、净空变化和隧底变形等必测项目以及围岩位移、围岩压力、结构应力、纵向位移、裂缝张开量、锚杆轴力、孔隙水压力等选测项目，高风险区段尚需对山体位移、地下水、地表降水等项目开展监测。铁路隧道监测布局见图8。

图8 铁路隧道监测布局

3 结论

总结我国铁路桥隧规模、设备状态发展规律、现行制度存在问题的基础上，开展铁路桥隧检测监测体系规划研究，提出基于全生命周期理念的铁路桥隧检测监测制度。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，不同类别的检测监测对象、频次、作业需求、数据准确性、人员（机构）等属性存在较大不同。

常规跨度桥梁检测技术体系基于精准检测信息模型建立，实现面向精准养修和结构安全的桥梁检测数据多层复用。

特殊结构桥梁检测技术体系，突出验收检测作用，组织单位编制桥梁养护指导手册，作为运维期开展检测监测活动的技术指导文件。

隧道检测技术体系由“车载式快速综合检测车”+“原位及地面移动精确检测”组成，服务于隧道周期检查和专项检测。